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JP3549728B2 - Method of forming group III nitride semiconductor crystal and semiconductor device including the same - Google Patents

Method of forming group III nitride semiconductor crystal and semiconductor device including the same Download PDF

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JP3549728B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素を構成元素として含有するIII−V族化合物半導体(III族窒化物半導体)からなる結晶体をIII−V族化合物半導体結晶表面の選択的な領域に形成するための選択形成技術に関する。また、この結晶体を含むIII−V族化合物半導体結晶層を備えた半導体素子を構成する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
(微細構造を用いた半導体素子)
一般に、数ナノメータ(nm)から数十nmの厚さの極薄膜を重層して形成した超格子(super lattice)構造の例として、量子井戸(Quantum Well) 構造が知られている(深海登世司監修、「半導体工学」(1993年3月20日、第1版7刷、東京電機大学出版局発行)、258〜260頁参照)。また、この量子井戸構造を例えば活性層として備えた量子効果デバイスには、例えば単一量子井戸(SingleQW:SQW)や多重量子井戸構造(Multi QW:MQW)からなる発光層を備えたSQWあるいはMQW型のレーザーダイオード(英略称:LD)等の光デバイスが公知となっている(末松安晴著、「光デバイス」(平成9年5月15日、(株)コロナ社発行)、62〜63頁参照)。
【0003】
2次元的な平面空間で振る舞う量子化されたキャリアを利用する上記のような半導体素子に加え、最近では、1次元的に振る舞う量子化(低次元)キャリアを利用するデバイスも提示されている。特開平9−64476号公報に記載の発明には、空間的に広がりの小さい微小体積のドット(dot) 状の砒化ガリウム・インジウム(GaInAs)半導体微結晶を利用する砒化ガリウム(GaAs)/GaInAsヘテロ接合発光素子が開示されている。一般に、量子化されたキャリアをもたらす量子井戸構造の発光層からは、半値幅を小とするより単色化された発光が出射される利点がある。最近では、砒化インジウム(InAs)/GaAs量子LDにおいて、狭い半値幅の発光が実際に帰結されるとともに、量子ドット効果の利用により、更なる閾値電圧の低減や発光効率の向上が期待されている(「応用物理」、第67巻第2号(1998)、172〜175頁参照)。
【0004】
従来の量子井戸構造、例えば、SQWあるいはMQW構造は、エピタキシャル成膜技術により成膜した結晶層を逐一、積層する方法によって形成されている。砒化ガリウム(化学式:GaAs)や砒化アルミニウム・ガリウム(AlGaAs:0<x≦1、x+y=1)等の一般的なIII−V 族化合物半導体からは、比較的簡便にSQWあるいはMQW構造を構成することができる。なぜならば、リン化インジウム(化学式:InP)を障壁層とし、砒化ガリウム・インジウム混晶(例えば、Ga0.47In0.53As)を井戸層とするSQWあるいはMQW構造体を形成する場合と同じく、成膜温度に大幅な変化を要しないからである。
【0005】
一方、III 族窒化物半導体成長層からSQWあるいはMQW構造を形成する際には、煩雑な成膜操作を必要とする。III 族窒化物半導体成長層を採用した量子効果発光デバイス用途のMQW構造型発光層は、従来より一般的に、窒化ガリウム・インジウム混晶(GaInN:0<c≦1、b+c=1)を井戸層とし、窒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlGaN:0≦a≦1、a+b=1)を障壁層として構成されている。ところが、GaInN混晶とAlGaN混晶とでは、適する成膜温度に数百度の隔たりがある(J.Crystal Growth,145(1994)、209〜213頁参照)。このため、SQWあるいはMQW構造を形成するには、成膜温度の頻繁な変更を要するなど煩雑な成膜操作が必須とされている。
【0006】
また、量子細線(quantum wire) 構造や量子ドット構造等の半ば1次元的な量子構造も、従来においては、エピタキシャル成長技術、特に選択エピタキシャル技法を利用して主に形成されている。例えば、基板とするサファイア(α−Al)の表面を選択的に開口された領域を有するマスク材で被覆して、この開口領域に限定して量子ドットあるいは量子線として作用するに適する形状のIII 族窒化物半導体結晶を選択的に形成する方法が開示されている(Jpn.J.Appl.Phys.、1997)、Vol.36(1997)、L552〜L535頁参照)。しかし、低次元のIII 族窒化物半導体量子構造を形成するには、このようなドット状または線状の結晶の周囲を、さらに、禁止帯幅を相違するIII 族窒化物半導体結晶で囲繞する必要がある。
【0007】
例えば、短波長可視光の発光媒体としてGaInN(0<c≦1、b+c=1)を量子ドットとし、AlGaN(0≦a≦1、a+b=1)をドットを囲繞する層とする量子構造層を備えた積層構造体の断面模式図を図10に示す。この積層構造体の形成工程を順を追って説明すれば、例えば、基板101表面に緩衝層102およびAlGaN下部クラッド層103を一旦、成膜する。成膜後、下部クラッド層103の表面を二酸化珪素(SiO)や窒化珪素(Si)等の被膜からなるマスク材で被覆する。マスク材は、量子ドットあるいは量子線の形成を所望する領域に限り、開口したものとする。選択エピタキシャル成長用の被膜を冠したままで、再び、成膜操作に移行して、下部クラッド層103表面上にドット状あるいは線(帯)状にGaInN結晶を育成する。量子化されたキャリアがもたらされる構成とするには、量子ドット状の結晶107を内包するが如く、それを囲繞するように発光層104とするIII 族窒化物半導体層を成膜する。発光層104上には、例えば、AlGaNからなる上部クラッド層105を冠してIII 族窒化物半導体結晶からなる量子構造からなる結晶層(量子構造層)を含むダブルヘテロ(DH)接合型の発光部10を形成する。
【0008】
量子井戸などの2次元的量子構造、あるいは量子ドットなどの1次元的な量子構造のいずれにしても、従来のIII 族窒化物半導体からなる量子構造は、上記のように量子構造の各構成層を積層して形成する方法によっているものである。
【0009】
積層方式により量子構造を形成する従来の方法において、より結晶性に優れる量子構造構成層を成膜するために、層積層時の温度を1000℃を越える高温とする場合がある(「光学」、第22巻(1993)、第11号、670〜675頁参照)。このため、量子構造を構成するための基体となる基板には、サファイア(α−Al単結晶) 等の耐熱性に優れる結晶材料が基板として利用されている。ところが、サファイアは、六方晶炭化珪素(SiC)や多くの酸化物結晶と同じく、明瞭な劈開性を呈しない。このため、平滑で平坦な素子の端面が形成でき難い。すなわち、例えば量子井戸構造LDにおいて、平滑、平坦性が要求される光共振面が基板結晶の劈開を利用して形成できないことを意味している。現状では、サファイアを基板とする短波長のIII 族窒化物半導体LDにおいては、精緻なエッチングを利用する(特開平9−283861号公報明細書参照)、あるいはサファイア基板の結晶面方位の変更もしくはチップ化のための裁断方向を精密に制御する(特開平9−275243号公報明細書参照)等の必要のある技法により光共振面が形成されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、量子箱または量子ドットからなる量子構造を形成する際の従来の問題点は、成長層を逐一、積層して量子構造を形成する必要のあるエピタキシャル成長法、あるいは選択エピタキシャル成長法の煩雑性に由来している。III 族窒化物半導体量子構造を簡便にもたらす形成方法が提供されれば、少なくとも上記に指摘した従来のIII 族窒化物半導体微細構造の形成方法に付随する問題点を克服することができる。
【0011】
本発明の第1の課題は、従来のIII 族窒化物半導体のエピタキシャル成膜方式によらずに、量子ドットまたは量子線として作用させることも可能なIII 族窒化物半導体結晶体を簡便にもたらす形成方法を提供することにある。
【0012】
本発明の第2の課題は、この種のIII 族窒化物半導体からなる結晶体を有するIII−V族化合物半導体結晶層を備えた半導体素子を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、エピタキシャル成膜技法によらずに、III−V 族化合物半導体結晶の表面の化学量論的な不均衡性に因る熱変質を帰結する単純な熱処理を利用して、選択された領域にIII 族窒化物半導体微結晶を形成する方法を提供する。すなわち、本発明では、 III 族構成元素としてAl、Ga、Inのうち少なくとも1種を含み、第V族構成元素としてAsまたはPを含む III −V族化合物半導体結晶の表面を加熱溶融して、該III −V族化合物半導体結晶中の第V族構成元素を揮散させ、該III −V族化合物半導体結晶の表面に部分的に第III 族構成元素を主成分とする液滴を形成する第1の工程と、前記液滴を有するIII −V族化合物半導体結晶を窒素を含む雰囲気中で加熱して前記液滴中の第V族構成元素の一部もしくは全部を窒素に置換して第III 族窒化物半導体結晶に変換する第2の工程を備えてなることを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法を提供する。
【0014】
本発明では、上記第1および第2の工程の少なくとも2工程を経過してIII 族窒化物結晶体を形成する。第1の工程では、III−V 族化合物半導体バルク(bulk )結晶およびそれらの表面上に堆積した気相成長または液相成長させたIII−V族化合物半導体結晶層に加熱処理を施し、表面に第III 族構成元素を主成分とする液滴を形成する。液滴は、加熱によりIII−V 族化合物半導体結晶表面から第V族構成元素を優先的に揮散させ、表面の化学量論的組成を故意にIII 族元素を富裕とする方向に移行させる手段によって形成する。したがって、適度な温度の加熱により第V族元素が揮散でき、かつ、液滴を効率良く発生させる特性を持つIII−V 族化合物半導体結晶を望ましく使用することができる。
【0015】
本発明では、第III 族元素を主成分とする液滴を素として、III 族窒化物半導体結晶体を構成するのを趣旨としている。第III 族元素を主成分とする固体粒子を素にIII 族窒化物半導体微粒子を形成するのではない。III−V 族化合物半導体結晶の構成は、一般的に、組成式BAlGaIn1−r(0≦k,l,m,n≦1、k+l+m+n=1、0<r≦1、記号Qは窒素以外の第V族元素を表す。)で表記される。これらのIII−V族化合物半導体結晶を構成する第III族元素にあって、硼素(元素記号:B)の融点は、2300℃である(国立天文台編、「理科年表 平成4年」(平成3年11月30日 丸善(株)発行)、484頁参照)。このため、たとえ硼素と結合をなす第V族元素が効率的に揮散できたとしても、硼素の融点未満の温度では固体の硼素が帰結されるものとなる。逆に、硼素を主成分とする液滴の形成を期せる硼素の融点以上の高い温度では、ほとんどのIII−V 族化合物半導体が融解する。したがって、硼素を第III 族構成元素としてなるIII−V 族化合物半導体結晶は、本発明にあって望ましい結晶とはならない。
【0016】
一方、公開刊行物(岩波「理化学辞典」(1976年4月5日 第3版第7刷、(株)岩波書店発行)参照)によれば、アルミニウム(元素記号:Al)の融点は、660.2℃である。インジウム(元素記号:In)の融点は156.4℃である。また、ガリウム(元素記号:Ga)の融点はAlやInよりもさらに低く、29.78℃である。また、Al、In、Gaの沸点はそれぞれ、約2060℃、2100℃、2300±150℃である。したがって、Alは約660℃〜約2060℃の範囲で液体として存在できる。In、Gaが液体として存在できる温度はそれぞれ、約156℃〜2100℃、約30℃〜約2300℃の範囲である。ここで、例えば、砒化ガリウム(GaAs)の融点は1238℃であり、リン化インジウム(InP)のそれは1060℃である。また、砒化アルミニウム(AlAs)の融点は1760℃である(寺本 巌著、「半導体デバイス概論」(1995年3月30日初版、(株)培風館発行)、28頁参照)。すなわち、Al、GaおよびInは、それを第III 族構成元素とするIII−V 族化合物半導体結晶の融点(記号M(℃)で表す。)未満の温度で液体として存在することができる。
【0017】
よって、本発明では、第III 族元素としてAl、Ga、Inを、第V族をAs、Pを含むIII−V 族化合物半導体結晶を使用することが好ましい。特に、融点と沸点の温度差が大きいGaを第III 族構成原子として含むIII−V 族化合物半導体結晶は、第III 族構成元素からなる液滴を形成するに都合良く利用できる。具体的に、利用できるIII−V 族化合物半導体結晶材料には、砒化アルミニウム・ガリウム混晶(AlGa1−xAs:0≦x≦1)、砒化ガリウム・インジウム混晶(GaIn1−yAs:0≦y≦1)、リン化ガリウム・インジウム混晶(GaIn1−yP:0≦y≦1)やリン化アルミニウム・ガリウム混晶(AlGa1−xP:0≦x≦1)などが例示できる。また、Al、GaおよびInが液体として存在できる温度範囲は、第V族構成元素である砒素(元素記号:As)やリン(元素記号:P)の結晶表面からの脱離が都合良く発生する温度でもある。砒素(As)やリン(P)は、アンチモン(Sb)よりも高い蒸気圧を有する(RCA Review(Jun.1969)、285〜305頁参照)。したがって、砒素(As)やリン(P)を第V族構成元素として含むIII−V 族化合物半導体結晶は、液滴を発生させる上で都合良く利用できる材料である。特に、砒素はリンに比較すれば、高温での流動性が小さく、画一化された明瞭な形状の液滴が形成できる優位性がある。すなわち、AlGa1−xAs(0≦x≦1)やGaIn1−yAs(0≦y≦1)は、本発明にあって特に好適な結晶材料となる。
【0018】
本発明では、第1の工程において、上記の様なIII−V 族化合物半導体結晶を加熱して、同結晶の表面に液滴を発生させる。液滴は、第V族構成元素を揮散させて発生させる。したがって、第V族構成元素の結晶表面からの脱離が始まる温度以上の温度で加熱を施すのである。第V族元素の脱離が始まるのは、総じて450℃以上の温度である。また、脱離が顕著となるのは、概ね500℃以上である。結晶面方位を{001}とするInP単結晶を例にすれば、500℃未満の加熱処理では、リン(P)の蒸発に主に因り、図8に示すように、[011]結晶方位に略平行な線状孔からなる亀裂106は発生するが、明らかにインジウムを主成分とする液滴を充分に発生させるには至らない。明らかな液滴の発生が認められるのは、550℃以上の温度である。
【0019】
逆に、極端に高温での加熱処理では、第V族構成元素の蒸発がより顕著となるため、液滴が大きく発達し、結果として結晶表面の略全面が液滴で被覆される状況となる。結晶表面に部分的に形成した液滴を核として、選択的な領域にIII 族窒化物半導体微結晶を形成することを意図する本発明にあっては、結晶表面に全般に液滴が発生する状況は好ましくはない。したがって、極端な高温での加熱処理は、結晶表面に高密度に液滴が発生するため不都合である。このような状況を防止するには、加熱温度をIII−V 族化合物半導体結晶の融点(M(℃))を基準にして、M−250(℃)以下とすると効果がある。さらに、上限の温度をM−300(℃)とすると、数μmから数百μmの間隔で結晶表面に液滴を適度に都合良く分散させて存在させることができる。したがって、第1の工程において、液滴を存在密度とその大きさの観点からして都合良く発生できる好ましい温度の範囲は、500℃以上でM−300℃以下の範囲である。
【0020】
融点(M℃)が1238℃であるGaAsを例にすれば、500℃以上、938℃以下が好ましい範囲となる。GaAsにおいて、ガリウム(Ga)の液滴を、結晶表面の平滑性を維持しつつ発生させるにさらに好適な上限温度は、900℃未満である(T.Udagawa他、「Semi−Insulating III−V Materials」(SHIBA PUBLISHING LTD.、1980)、108〜114頁参照)。850℃で水素雰囲気中に30分間、GaAs単結晶を暴露して発生させたガリウム(Ga)液滴の形状と存在状況を図9に例示する。面方位を(001)とするGaAs単結晶の表面108に、概ね、50μmの間隔をもってガリウム(Ga)の液滴109が発生する。Gaの液滴109は、そのほとんどが[011]結晶方向に平行な稜線で囲われる窪み110の内部に存在する。この窪み110が存在するために、Gaの液滴109はその中に収納され、結晶表面に徒に滲み出してはこない。すなわち、液状のGaの存在位置の特定が図れる。Ga液滴の形状は、ピットの底面の形状を反映して正方形または長方形となる例がある。また、ピットの内部に充填されたGaが表面張力によって略球形となるため、略球状の液滴が形成される場合もある。窪み(ピット)の形状は、表面を構成する結晶面の方位によって異なり、{111}−GaAs結晶表面上に発生するピットは、三角形状である。
【0021】
第1の工程において、第V族構成元素を選択的にかつ効率良く結晶表面から脱離させる手段が、III 族構成元素を主体とする液滴を効率良く発生させる上で重要である。本発明では、加熱処理を行う雰囲気の構成を選択することをもってこれを達成する。加熱時の雰囲気の構成としては、真空環境、アルゴン(Ar)やヘリウム(He)等の不活性ガスからなる雰囲気、あるいは水素等の還元性ガスからなる雰囲気を例示することができる。
【0022】
しかしながら、真空雰囲気内での加熱では、第V族構成元素に限らず、III 族構成元素の蒸発も万遍なく促進される。このため、第III 族元素を主成分とする液滴が形成しずらい場合がある。真空環境下では、形成を所望する領域にのみ液滴が発生できるように、その他の領域を被膜で被覆するのが好ましい。アルゴンや窒素あるいはヘリウム等の不活性ガスのみから構成される雰囲気内では、液滴の発生効率の低下が観られる。それとは対称的に、水素等の還元性気体から構成される雰囲気では、液滴の発生が促される。水素(原子)との表面反応により、第V族元素がより気化し易い物質へと変化し、第V族元素が優先的に脱離する状況が創出されるからである。すなわち、結晶表面の化学量論的な組成を第III 族元素側を富裕とするに優位に作用し、もって、第III 族元素を主成分とする液滴を形成するに効果を奏するからである。したがって、本発明では、水素原子を含む気体から雰囲気を構成する。水素原子を含む気体とは、例えば、水素(H)であり、また、水素を体積比率にして概ね50%を越えて含む混合気体である。混合気体の構成例には、水素−窒素(N)、水素−アルゴン、水素−ヘリウム、水素−窒素−アルゴン等がある。水素との混合気体の場合、水素ガスと混合させる、例えば不活性ガスの体積比率を増すと、液滴の発達速度、換言すれば、液滴を収容する上記のピットの大きさ(底面積)の拡張速度が低減される。また、液滴が形成される領域以外の領域の結晶表面の平滑性を維持するに役立つ。ヘリウムと水素との混合ガスは、むしろGaAs結晶の表面を均質にエッチング(etching)する際の雰囲気ガスとして利用できることが知られている(Inst.Phys.Conf.Ser.、No.24(Inst.of Phys.,London、1975)、362〜368頁参照)。
【0023】
結晶表面に形成した第III 族構成元素を主成分とする液滴には、加熱処理の対象としたIII−V 族化合物半導体結晶の種類により、他の成分が含有されることがある。例えば、亜鉛(Zn)をドープしたGaAs結晶表面に形成したガリウム(Ga)を主成分とする液滴には、ドーパント(dopant)のZnが含有される場合がある。ZnはGaに溶解し易いため(「THE CHEMISTRY OF GALLIUM」(ELSEVIER PUB.COMPANY、1966)、214頁参照)、Ga液滴へのZnの凝集に因り、数%の重量濃度でZnを含む液滴が形成できる場合がある。また、珪素(Si)ドープAlGa1−xAs混晶表面には、Siを含む、AlおよびGaを主成分として含む液滴が形成され得る。ドーピングした不純物に加え、結晶内に残留している不純物(残留不純物)が液滴内に取り込まれる場合もあるが、液滴は、総じて80〜90重量%を越える第III 族元素から構成されている。
【0024】
第III 族元素を主体とする液滴の大きさは、第1の工程での加熱温度と加熱時間を調節して制御する。同一の構成からなる雰囲気を利用し、時間を一定として加熱処理を施す場合、液滴の大きさ(ピットの大きさ)は、加熱温度を高温に設定する程、大きくなる。処理温度を高温とすれば、底面積がより拡張され、また、深さがより増したピットが形成され、したがって、ピット内に収納可能な液滴の体積も増加する。同一の構成からなる雰囲気を利用し、加熱温度を一定とした処理を施す場合、液滴(ピットの大きさ)は、加熱時間と共に発達、増大する。一例として挙げれば、Znドープ(001)−GaAs単結晶を900℃で水素気流中に5分間曝した場合には、平均して、横幅が約20μmで長さが約50μmの長方形の、[011]結晶方向に略平行に配列したZnを含むGa液滴が形成できる。一般的に、1時間を越す過度に長時間の加熱は、蒸発に因る液滴自体の損失や結晶表面状態の著しい劣化を招き、好ましくはない。液滴を介して、量子ドットや量子箱あるいは量子線などの低次元の量子構造を形成するには、数nmから数十nmの大きさ(ほぼピットの底面積に等しい)の液滴が適する。したがって、この目的に叶う液滴を形成するには、加熱温度を低下させる、もしくは加熱時間を短縮する、あるいはその双方の施策を実施する必要がある。
【0025】
第1の工程で第III 族元素を主成分とする液滴を形成するに際し、一般的な選択マスキング(masking) 技術を利用すれば、結晶表面に例えば規則的にあるいは特定の位置に液滴を形成できる。例えば、III−V 族化合物半導体結晶の表面に、選択された位置または特定の位置に開口部を設けた被膜を被着させた後、加熱処理を施せば、開口部に相当する結晶表面上に限定して液滴を形成することができる。被膜は、二酸化珪素(SiO )や窒化珪素(Si)等の、低揮発性で耐熱性を有する無機材料などから構成できる。また、開口部に露出しているIII−V 族化合物半導体表面からの第V族構成元素の蒸発を促し、逆に非開口部のIII−V 族化合物半導体からの第V族元素の揮散を抑制するために、例えば、砒素(As)をドーピングしたSiO 膜、あるいはリン(P)をドープしたSiO 膜が利用できる。AsドープSiO 膜は、第V族構成元素としてAsを含むGaAsやGaIn1−yAs混晶に特に有効に用いられる。被膜は、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGaN:0≦l≦1、l+m=1)等からなる高融点のIII族窒化物半導体膜等からも構成できる。
【0026】
結晶表面の所望の領域に液滴を形成する一手法として、小さなスポット(spot)状に絞られたレーザー光を特定の領域に照射し、特定の領域を加熱する、所謂、レーザーアニール(laser anneal)技法が考えられる。特定の領域に局部的に加熱を及ぼし、その領域の第V族元素の蒸発を促進して、第III 族元素を主成分とする液滴を発生させる方法である。ところが、この技法は、選択された領域毎にレーザー光を充分な照射位置の制御性をもって走査させる必要がある。また、レーザー光の微小な領域への集中的な照射により、周囲の非照射領域との温度差が生じ、熱歪が発生するという不具合が発生する。また、同法には、ビームを照射した中心から周辺の領域に向けて、不均一に熱が伝導するため明瞭な稜線をもったピットが形成できないという欠点がある。したがって、本発明では、上記の被膜による選択マスキング法を利用して、単純な加熱により特定の領域に液滴を形成する手段を推奨する。本発明が単純な加熱法と称する手法には、高周波加熱法や抵抗加熱法が例示できる。このような加熱処理方法には、レーザーアニール技法のような走査を要せずに、被加熱体の全面に一括して、一時期に液滴を発生させられるという利点がある。
【0027】
開口部の形状は、目的とするIII 族窒化物半導体結晶の形状に鑑み決定する。例えば、量子線のように線状にIII 族窒化物半導体結晶層を形成する場合には、被膜に帯状の開口部を設けて、帯状の液滴を形成する。量子箱状の箱型の結晶を得るには、正方形あるいは長方形に開口した被膜を利用する。量子ドット状の球状の微結晶を得るには、例えば、円形に開口した被膜を利用する。被膜に開口を設ける搾孔加工には、近紫外線を露光するフォトリソグラフィー技術、電子線描画技術や集束イオンビーム技法等を利用することができる。例えば、GaAs結晶層上のAsドープSiO被膜の表面に、一般的なあるいは電子線描画用のフォトレジスト材を塗布した後、パターンを描画したガラスマスク等を介して露光し、レジスト材にパターニング加工を施す。加工により、レジスト材が剥離された領域では、上記のSiO被膜が露出した状況となる。そこで、露呈した領域のSiO被膜をドライエッチング法により、被膜の側壁を略鉛直に明瞭に残存させるように除去すれば、選択された領域に限定して開口部を有する被膜が形成できる。
【0028】
本発明の第2の工程は、第III 族構成元素を主成分としてなる液滴に窒素を含浸させて、液適中のV族元素を窒素(N)に置換して III 族窒化物半導体を得るのを目的とする工程である。窒素原子を含む物質を固体の表面に吸着させるのではなく、効率良く内部に含浸させるには、被含浸体は液体の状態であるのが必要である。したがって、Al、GaあるいはInを主成分とする粒子にあって、それを液滴として存在させるには、それらのIII 族元素の融点以上の温度に保持するのが必須である。例えば、Alの融点は約660℃であるから、Alを主成分として含む粒子を液滴に転化して窒素を含浸させるには、約660℃を越える温度で窒素含浸処理を行う必要がある。Alをさして含まない、GaやInを主成分とする粒子にあっては、Gaの融点である約30℃、あるいはInの融点である約156℃程度に昇温すれば、液滴として存在させることができる。しかしながら、このような比較的、低温では、窒素原子あるいは窒素原子を含む分子を効率良く放出することが難しい。窒素原子が効率良く放出できる温度を考え併せると、加熱処理温度は約350℃を越える温度とする必要がある。好ましくは400℃とする。すなわち、使用する III −V族化合物半導体結晶の融点をM(℃)としたときに、前記第2の工程における加熱は400℃以上で(M−300)℃以下の温度範囲で行うのが好ましい。
【0029】
第2の工程では、窒素原子を含む物質を液滴に浸透、溶解させて、液適中のV族元素を窒素(N)に置換してIII 族窒化物半導体結晶となすのであるから、窒素原子を含む気体からなる雰囲気内で加熱処理する必要がある。窒素原子を含む気体の例には、窒素(N)、アンモニア(NH)、ジメチルヒドラジン等のヒドラジン類などがある。特に、窒素と水素の化学結合(N−H)を内在する分子を含む気体は、雰囲気を構成する気体として好んで利用できる。N−H結合を内在する気体分子は、熱分解(pyrolysis)により液滴に滲み込む窒素原子含有フラグメントを放出するとともに、第V族元素の表面脱離を促進する水素原子含有フラグメントを同時に放出できるからである。N−H結合を含む気体には、例えば、アンモニアやヒドラジン等が例示できる。メチルアミンやジメチルアミンなどのアミン類も利用できる。ピロール(pyrrole )等の複素環式化合物も利用できる。N−H結合を内包する物質の場合も、400℃未満の温度で熱分解が始まる、非対称分子構造型のジメチルヒドラジンなどは、雰囲気を構成する物質として特に適する。
【0030】
窒素原子を含有する物質と云えども、例えば、ニトロ基(−NO)やアセトアミド基(−NH−CO−CH)等の酸素原子を含む官能基を含有する化合物は、本発明の熱処理用雰囲気を構成する含窒素物質として好ましくない。熱分解により発生する酸素は、III−V 族化合物半導体に対して深い準位を形成する捕獲中心(deep trap)として働く可能性があるためである。シアン基(−CN)を含む化合物も、毒性の観点からすれば、熱処理雰囲気を構成する含窒素物質としては不適である。
【0031】
液滴内へ窒素(原子)を浸透させるための処理雰囲気は、窒素原子を含む分子からなる気体単体から構成できる。例えば、アンモニアのみからなる雰囲気中で加熱処理ができる。また、窒素原子を含む分子からなる気体と他の気体との混合気体からも構成できる。混合気体からなる処理用雰囲気の構成としては、水素−アンモニア系、アルゴン(Ar)−アンモニア系、窒素−アンモニア系、水素−窒素−アンモニア系、窒素−アルゴン−ヒドラジン系等の混合系が例示できる。混合気体から熱処理雰囲気を構成する場合、含窒素物質からなる気体の体積占有比率は、大凡、50%以上とするのが望ましい。処理温度が低く設定する程、また、分解性が低い物質程、雰囲気を構成する含窒素物質の分圧を高く設定する。含窒素化合物単独から雰囲気を構成することもできる。
【0032】
第2の工程において、液滴の内部への窒素の浸透、含浸の結果、液適中のV族元素が窒素(N)に置換されてIII 族窒化物半導体結晶が形成される。ガリウム(Ga)を主成分とする液滴からは、窒化ガリウム(GaN)を主体とする結晶が形成される。アルミニウム(Al)を主成分とする液滴からは、窒化アルミニウム(AlN)を主体とする結晶が形成できる。インジウム(In)を主成分とする液滴からは、窒化インジウム(InN)を主体とする結晶が形成できる。また、主にAlとGaとからなる液滴からは、窒化アルミニウム・ガリウム混晶からなる結晶が形成できる。窒素含浸処理を施してなる結晶体の窒素含有量(組成比)は、2次イオン質量分析法(英略称:SIMS)またはオージェ(Auger )電子分光法(英略称:AES)などで測り知ることが可能である。
【0033】
また、本発明は、液滴を介して形成したIII 族窒化物半導体結晶体を含むIII−V族化合物半導体結晶層を備えた半導体素子を提供するものである。上記結晶層とは、例えば、発光素子にあっては発光層である。しかも前述のような工程に従って得られたものであって、半導体結晶表面の分散した微小領域に、前述の III 族窒化物半導体結晶体の形成方法により形成された III 族窒化物半導体結晶を有する半導体素子である。
【0034】
本発明の液滴を介するIII 族窒化物半導体結晶の形成方法にあっては、第1の工程での加熱温度または加熱時間を適宜調節して、量子効果をもたらすサイズの結晶体を帰結する微小な大きさ(体積)の液滴を形成できる。このような量子効果をもたらすに足る微結晶を内在するIII−V 族化合物半導体結晶を発光層として利用すれば、量子効果型の発光素子を形成することができる。例えば、量子ドット状のIII 族窒化物半導体微結晶を含む活性(発光)層からは、量子ドットLDが構成できる。
【0035】
また、量子効果を発生させるに充分な微小な結晶体ではなくとも、結晶体を内在するIII−V 族化合物半導体層は、結晶体と周囲の半導体層との間の格子不整合性に基づく歪を含む歪格子半導体結晶層として利用することができる。
【0036】
すなわち、本発明において、第1の工程を構成する加熱処理は、(1)III−V族化合物半導体結晶の第V族構成元素を優先的に結晶表面から離脱させ、(2)結晶表面の化学量論的な組成をIII族側を富裕な状況とし、(3)III族元素を主成分とする液滴を発生させる作用を有する。
また、第2の工程の含窒素原子気体からなる雰囲気での加熱処理は、(A)第1の工程で発生させた液滴中に含窒素物質を含浸させて液適中のV族元素を窒素(N)に置換して、(B)液滴を核として、III 族窒化物半導体結晶体を発生させる作用を有する。
【0037】
【発明の実施の形態】
[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態を図1および図2を参照して説明する。
本実施の形態では、有機金属熱分解気相成長(MOCVD)法により、砒化ガリウム(GaAs)単結晶基板上に成膜した亜鉛(Zn)ドープGaAs成長層の表面上に、ガリウム(Ga)を主成分とする液滴を形成する方法を例にして説明する。
図1は、本実施の形態のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法において、第1の工程を終了した後のGaAs最表層の表面状態を示す外観斜視図である。
【0038】
亜鉛(元素記号:Zn)をドーピングしたp形(001)−砒化ガリウム(化学式:GaAs)単結晶からなる基板101上に、トリメチルガリウム((CHGa/AsH/H反応系による常圧(大気圧)MOCVD法により、亜鉛(Zn)ドープp形GaAs気相成長層116を堆積した。堆積温度は、660℃とした。成膜時には、砒素の揮散によるピットの発生を抑制して平坦な成長表面を得るために、砒素成分を過剰とする成長雰囲気を創出した。すなわち、MOCVD反応炉に供給するガリウム源((CHGa)の濃度に対する砒素源(AsH)の濃度比、所謂、V/III比は40に設定した。成長層116の層厚は1μmとし、キャリア濃度は5×1014cm−3未満とした。
【0039】
660℃で、MOCVD反応炉への第III 族及び第V族の原料ガスの供給を15分間継続した後、双方の原料ガスの供給を停止した。これより、MOCVD反応炉に流通するガスをキャリアガスとしての水素ガスのみとし、室温近傍の温度迄、自然放冷した。一般的な微分干渉型光学顕微鏡により、GaAs成長層の表面には、液滴が形成されていないのを確認した後、本発明の第1の工程に移行した。
【0040】
先ず、p形GaAs基板/p形GaAs成長層からなる積層構造体20を図2に概略を示す縦型の加熱炉11の炉体111内に設けた昇温可能な支持台112上に載置した。炉体111の内部を、一般的な真空オイル回転式の真空ポンプで2.6×10−2ヘクトパスカル(hPa)の真空度に排気した。然る後、アルゴン(Ar)ガスをガス導入口113より炉体111内に流通し、炉体内の圧力を略大気圧に復帰させた。ガス導入口113から炉体111内に流通するガス種をアルゴンから水素(H)ガスに変更した後、支持台112の内部に収納した抵抗加熱体114に電力を投入し、積層構造体20の温度を室温から850℃に昇温した。積層構造体20の温度は、円形支持台112の中心部の直下に配置した熱電対115により測温される温度とした。
【0041】
積層構造体20の温度、すなわち、熱電対115で測温される温度が850℃に到達した時点から、正確に30分間に亘り、単体雰囲気を構成する水素ガスの流量を電子式質量流量計(マスフローコントローラ(MFC))で正確に2リットル/分に制御した。
【0042】
本発明に係る上記の第1の工程を終了した後、すなわち、850℃に到達して正確に15分間を経過した後、抵抗加熱体114への電力の投入を停止して自然放冷による降温を開始した。降温を開始すると同じくして、炉体内に供給するガス種を水素ガスからアルゴンガスに瞬時に切り換えた。そして、アルゴンガスの炉内への供給を継続しながら、積層構造体20を室温に降温した。
【0043】
以上により、本発明に記載の第1の工程を終了した後、積層構造体20の最表層をなすGaAs成長層116の表面を走査型電子顕微鏡(英略称:SEM)で観察した。SEM観察により、GaAs層116の表面には、図1に示すような液滴109が分散して存在するのが認められた。液滴109で充填された開口部を長方形あるいは正方形のピットの稜線117は、GaAs基板101の劈開方向である[011]結晶方向に略平行であった。ピット(窪み)110の大きさは、略長方形のピット110aでは、長辺が約25μmで短辺が約15μmであった。略正方形のピット110bにあっては、平均して一辺が20μmであった。電子プローブX線マイクロアナライザー(英略称:EPMA)による特性X線の強度分布は、液滴109の主成分はガリウム(Ga)であることを示した。Ga液滴の内部には、数%未満の濃度で僅かながら亜鉛(Zn)が含有されていると分析された。ピットの形状による液滴109の主成分の差異はほとんど無く、何れもGaを主体としていた。
【0044】
第III 族構成元素、すなわち、ガリウム(Ga)を主成分とする液滴の存在を確認した後、積層構造体20を再び、MOCVD反応炉内に収納した。その後、反応炉内にアルゴンガスを流通しながら、積層構造体の温度を室温から700℃に昇温した。700℃に到達した時点で、毎分2リットルの流量をもってアンモニアガスの流通を開始した。アンモニアガスの供給の開始により、雰囲気の構成は体積比にして、アルゴン:アンモニア=1:6となった。750℃に到達してから正確に30分間、アンモニアガスの流通を継続して、上記のGaAs成長層の表面に形成したGa液滴にアンモニアあるいはアンモニアの熱分解フラグメントを浸透させる処理を施した。30分間を経過した後、直ちに750℃から600℃へ毎分30℃の速度で降温した。600℃に低下した時点でアンモニアガスのMOCVD反応炉内への供給を停止し、アルゴンのみを流通する状況とした。室温近傍の温度迄、自然放冷により降温し、本発明で云うところの第2の工程を終了した。
【0045】
冷却後の表面のSEM観察によれば、第2の工程を施した後においても、第1の工程で液滴に付随して形成したピットの大きさおよび形状にさしたる差異は視認されなかった。また、EPMA法による組成分析によれば、第2の工程以前ではGaを主体として構成されていた液滴が、窒素組成比(q)を約88%(0.88)〜90%(0.90)とする砒化窒化ガリウム(GaAs1−q)からなる結晶粒に変換されていることを示す結果となった。以上、Gaを主成分とする液滴を素材としてIII 族窒化物半導体微結晶を形成する方法を例示した。
【0046】
[第2の実施の形態]
以下、本発明の第2の実施の形態を図3を参照して説明する。
本実施の形態では、ハイドライド(水素化物)気相エピタキシャル(VPE)法により成長させたリン化インジウム(InP)/砒化ガリウム・インジウム混晶層を素材として、第III 族元素を主成分とする液滴を形成し、その液滴を介してIII 族窒化物半導体結晶を形成する方法を例示する。
図3は、本実施の形態のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法において、第2の実施の形態に記す第1および第2の工程を経過した後の積層構造体の表面状態を示す模式図である。
【0047】
面方位を(001)とするリン化インジウム(InP)基板201の表面上に、硫黄(S)をドーピングしたn形InP気相成長層218を水素雰囲気内で680℃で堆積した。続けて、この気相成長層218の表面上に、同温度でインジウム組成比を0.53とする硫黄ドープのn形砒化ガリウム・インジウム混晶層(Ga0.47In0.53As)219を堆積して、InP/Ga0.47In0.53Asヘテロ接合を含む積層構造体30を構成した。ガリウム(Ga)源およびインジウム(In)源には、各々、7ナイン(N)および6ナイン(N)の純度を有する高純度の金属Gaおよび金属Inを利用した。砒素源は、体積濃度にして10%のアルシン(AsH)を含む水素ガスとした。硫黄の供給源には、体積濃度にして10ppmの硫化水素(化学式:HS )を混合した高純度水素を利用した。InP気相成長層218の層厚は約0.5μmとし、キャリア濃度は約6×1016cm−3とした。Ga0.47In0.53As気相成長層219の層厚は約0.5μmとし、キャリア濃度は約7×1017cm−3とした。
【0048】
積層構造体30の最表層をなすGa0.47In0.53As気相成長層219の成膜が終了した後、砒素源の成長炉内への供給を停止した。これより、成長炉内の雰囲気を水素単体からなるものとし、引き続き、積層構造体30を680℃に15分間、保持した。この高温での保持操作は、Ga0.47In0.53As気相成長層219の表面に、ガリウム(Ga)とインジウム(In)を主成分とする略球状の液滴を形成するために実施したものである。別途、同一加熱条件下で、Ga0.47In0.53As気相成長層を加熱する試験の結果により、同層の表面に角が丸まった、平均して一辺の長さを約10μmとする略正方形のピット内に収容されたGaとInを主体とする略球状の液滴が形成されることが知られている。
【0049】
液滴を形成するための水素雰囲気内での15分間の加熱処理を終えた後、雰囲気を構成するガス種をアンモニアガスのみとし、引き続き、20分間に亘り、積層構造体を680℃で保持した。これにより、前工程で形成したGaとInとを主成分とする液滴に、アンモニア分子もしくはその熱分解フラグメントを浸透、溶解させた。処理後、約500℃に至る迄、積層構造体を毎分0.5リットルの流量のアンモニア気流中で降温した。約500℃未満の温度になったところで、アンモニアの成長炉内への供給を停止した。替わりにアルゴンガスの流通を開始して、室温近傍の温度に降下する迄、自然に任せて冷却した。
【0050】
以上、同一の炉内で本発明に係る第1および第2の工程を施した積層構造体30の表面の状態を図3に模式的に示す。ピット210が発生している位置に対応して、略球状の微結晶体220が存在した。この微結晶体は、その外形および存在位置から、ピットに配備された液滴を核として育成されたことは明白であった。ピットの大きさは、平均して約10μm程度に維持されていた。また、微結晶体220の外形は直径にして約10μmの略球状であった。EPMAを利用した組成分析によれば、微結晶体220の窒素組成は約62%であった。また、ガリウムおよびインジウムの組成は、EPMAによる組成分析によれば、各々、約55%および約45%であった。n形Ga0.47In0.53As気相成長層219の成長時にドーパントとして添加した硫黄(S)の微結晶体220中の原子濃度は、1×1019cm−3であった。以上、ガリウム(Ga)とインジウム(In)を主成分とする略球状の液滴から、GaInAsN微結晶体を形成する方法を例示した。
【0051】
[第3の実施の形態]
以下、本発明の第3の実施の形態を図4ないし図6を参照して説明する。
本実施の形態では、III 族窒化物半導体結晶を含む結晶層を発光層とする発光素子を作成する方法を例示する。
【0052】
図4に示すように、珪素(Si)をドープしたn形(001)−GaAs基板301表面上に、分子線エピタキシャル(MBE)法により、700℃でSiドープGaAs層321(膜厚=0.5μm、キャリア濃度=1×1018cm−3)、Siドープ砒化アルミニウム・ガリウム混晶(Al0.30Ga0.70As)層(膜厚=1.5μm、キャリア濃度=2×1018cm−3 )322、およびSiドープAl0.10Ga0.90As層(膜厚=0.5μm、キャリア濃度=1×1017cm−3 )323を同じく700℃で順次、堆積した。
【0053】
3層のn形結晶層321、322、323の成膜を終了した後、MBE成長容器内で基板301の温度を700℃に保持したままで、砒素(As)ビーム(beam)の照射を停止した。As分子線の照射を停止してから正確に10分間、約2.3×10−5 程度の高真空環境が維持されたMBE成長容器内に放置し、Al0.10Ga0.90As層323の表面からの砒素(As)の脱離を促した。これにより、特に、Al0.10Ga0.90As層323の表面近傍の領域の化学量論的組成を第III 族元素側を富裕とする工夫を施した。
【0054】
次に、基板の温度を700℃に保持したままで、MBE成長容器内にアンモニアガスをマイクロ波で励起して生成したアンモニアプラズマを導入した。これにより、第III 族元素を化学量論的に富裕としたAl0.10Ga0.90As層323の表面の全面から、より深部の層322に窒素を浸透させて、Al0.10Ga0.90As層をAl0.10Ga0.90As0.120.88 層に変換した。また、Al0.30Ga0.70As層322をAl0.30Ga0.70As0.120.88 層に変換した。
【0055】
700℃から室温に冷却した後、Al0.10Ga0.90As層323を素材として形成したAl0.10Ga0.90As0.120.88結晶の表面の略全面を窒化珪素(Si)膜で被覆した。然る後、電子線描画法を利用して、図5に示すように、Si被膜324に加工を施し、線幅が3000Åの線状の開孔部325を20μmの等間隔でGaAs基板301の<0.−1.1.>結晶方位に平行に設けた。これにより、帯状開口部に限り、Al0.10Ga0.90As0.120.88結晶の表面を露出させた。この被膜324は、後工程において選択的な領域に液滴を発生させるための選択マスク材として利用した。
【0056】
次に、Si膜を冠した状態で再びMBE成長容器内に保ち、約3×10−6hPaの高真空内で、基板301の温度を室温から800℃に抵抗加熱方式による加熱で昇温した。800℃に正確に10分間、Al0.10Ga0.90As0.120.88結晶の表面を真空環境に曝した。これにより、被膜324の開口部のAl0.10Ga0.90As0.120.88結晶の表面領域に限り、AlとGaとを主成分とする液滴を形成した。
【0057】
選択マスキング技法を利用して、帯状の領域325に第III 族構成元素を主成分とする液滴を形成した後、直ちに基板の温度を750℃に降温した。750℃に至った時点で、液滴を擁するAl0.10Ga0.90As0.120.88結晶の表面に、アンモニア分子およびマグネシウム(Mg)のビームを照射して、上記の液滴からMgをドーピングしたAl0.10Ga0.90As0.090.91の組成の結晶体329を形成した。すなわち、被膜324を帯状に選択的に開口した領域に限り、液滴を素に帯状のp形不純物(Mg)をドーピングしたIII 族窒化物半導体結晶体329を形成した。帯状結晶体329を構成するIII 族窒化物半導体は、その周囲のAl0.10Ga0.90As0.120.88結晶よりも窒素組成比が3%大きいものとなった。窒素組成比上での3%の相違は、Al0.10Ga0.90As0.120.88結晶に対し、約0.3eVの障壁を与えるものとなった。その後、MBE成長容器内より積層構造体を取り出し、表面に冠した窒化珪素被膜324をフッ化アンモニウム水溶液でエッチングして除去した。
【0058】
被膜を表面から除去して得た、図4の断面構造を有する積層構造体40を3度、MBE成長容器内に搬送した。その後、基板301の温度を820℃に昇温し、図6に示すように、マグネシウム(Mg)をドーピングしたp形の窒化ガリウム(GaN)結晶層326を帯状結晶体329を擁するAl0.10Ga0.90As0.120.88結晶層上に堆積した。MgドープGaN層326の層厚は、0.1μmとし、キャリア濃度は約8×1017cm−3とした。このMgドープGaN層326は、上記の帯状結晶体329と接合(接触)するように、すなわち、電気的に導通するように設けた。すなわち、p形GaN層と帯状結晶体とを電気的に接合させることにより、n形Al0.10Ga0.90As0.120.88結晶層と接触するp形結晶層の表面積が増加できることとなった。
【0059】
次に、積層構造体40の表・裏面にオーミック電極を形成した。n形オーミック電極328は、基板301にn形の伝導性を呈するGaAs単結晶を利用していることから、同基板301の裏面全面に、金(Au)・ゲルマニウム(Ge)合金(Au95重量%・Ge5重量%)を真空蒸着して構成した。膜厚が約1.2μmのAu・Ge合金膜表面上に、さらにAu膜を真空蒸着法により重層させた。この金属被膜を、420℃で10分間、合金化処理してオーミック(Ohmic)性を付与した。これにより、全体として約2.2μmの膜厚のn形オーミック電極328を形成した。
【0060】
積層構造体40の最表層を構成するp形GaN層326の表面上には、公知の真空蒸着法により、金膜を被着させた。直径120μmの円形電極としてパターニング後、420℃で3分間、水素気流中で熱処理をした。これにより、p形のオーミック電極327を形成した。以上により、p形GaN層326およびそれと接合する帯状に形成したAl.0.10Ga0.90As0.090.91結晶体329とを上部クラッド層とし、n形Al0.10Ga0.90As結晶層323を素材としてなした、帯状結晶体329を擁するAl0.10Ga0.90As0.120.88結晶層322を発光層とし、また、n形Al0.30Ga0.70As結晶層323を変換してなしたAl0.30Ga0.70As0.120.88結晶層を下部クラッド層として利用して、図6に示すような発光素子(LED)を構成した。
【0061】
p形およびn形両オーミック電極間(327および328)での順方向への通電により、LEDは青緑色の発光を呈した。通電する順方向電流が比較的小である約10mA弱である場合は、発光は、帯状に形成したIII 族窒化物半導体結晶329の間に在るAl0.10Ga0.90As0.120.88結晶層からもたらされていると視認された。20ミリアンペア(mA)の順方向電流の通流時には、LEDからは、中心波長を約470ナノメーター(nm)とする青緑色の発光が与えられた。この主たる発光スペクトルの他に波長を約380nmとする副次的なスペクトルが測光された。発光強度を比較すれば、副次的なスペクトルは主たるスペクトルの約1/4であった。順方向電圧(20mAでの値)は約4ボルト(V)であり、一方の逆方向電圧(10μAでの値)は、10Vを越えるものとなり、pn接合特性(整流性)に優れるLEDとなった。
【0062】
[第4の実施の形態]
以下、本発明の第4の実施の形態を図7を参照して説明する。
本発明によれば、III−V 族化合物半導体結晶を構成する第III 族元素を主成分とする液滴を介して、より禁止帯幅を大とするIII 族窒化物半導体結晶層を形成することができる。本実施の形態では、このような選択的な領域において形成したワイドバンドギャップ(wide band gap)結晶を含むIII族窒化物半導体結晶層を利用する半導体素子の例について述べる。
【0063】
例えば、周囲の領域とは異なる禁止帯幅の領域を選択的に内在する結晶層は、たとえ量子構造をもたらすに充分な微細な構造を保有しなくとも、半導体デバイスの特性に向上をもたらす構成層として有用なものである。例えば、ゲート(gate)電極のリセス(recess)部に相当する、例えば、幅が数μm〜数十μm、深さが約0.1μm未満の領域を、他の領域よりも禁止帯幅を大とするように窒素置換処理を施した結晶は、ゲート(gate)耐圧の向上をもたらす、電界効果型トランジスタ(FET)のチャネル(channel)層として利用できる。
【0064】
図7は、ゲート電極を敷設する領域を周囲の結晶よりも禁止帯幅を部分的に大とした結晶層をチャネル層とする変調ドーピング型電界効果トランジスタ(所謂、MODFET)の断面構造の模式図である。同図に示すMODFET用途の積層構造体の構成にあたっては、先ず、比抵抗を10オームセンチメートル(Ω・cm)のアンドープ半絶縁性(001)−GaAs基板401上に高抵抗のGaAs緩衝層402(膜厚=0.8μm、キャリア濃度<1×1014cm−3)、高純度GaAsからなるn形チャネル層430(層厚=0.5μm、キャリア濃度<1×1014cm−3)、および珪素(Si)のδ(デルタ)ドーピングを施したn形Al0.30Ga0.70As電子供給層431(層厚=0.2μm、シートキャリア濃度=1.5×1012cm−2)を通常のMOCVD法を利用して積層した。
【0065】
一旦、成膜操作を停止し、降温した後、電子供給層431の表面全面を砒素(As)をドーピングした二酸化珪素(SiO)膜で被覆した。公知のフォトリソグラフィー技術を利用して、リセス構造432とする電子供給層431の略中央部の表面領域に限り、開口した。ゲートリセス部に対応する開口部の幅は、ソース(source)およびドレイン(drain )電極間の幅に相当する10μmとした。長さは250μmとした。この長方形の開口部は、長手方向をGaAs基板401の<0.−1.1>結晶方位に平行にして配置した。次に、SiO被膜を冠したままで、図2に示したような加熱炉内で水素気流中で780℃で10分間加熱した。この加熱操作により、開口部に露呈したAl0.30Ga0.70As層の表面からの砒素の脱離を促し、表面から大凡0.05μmの深さの領域437を第III 族元素が化学量論的に富裕となる領域とした。
【0066】
然る後、温度を780℃に維持したままで、水素ガスに替えてアンモニアガスを加熱炉内に流通しアンモニア単体からなる雰囲気を構成した上で、上記第III 族元素を化学量論的に富裕とした領域437にIII 族窒化物半導体結晶層を形成した。アンモニア雰囲気中での加熱処理は、アンモニアガスの加熱炉内への流通を開始してから正確に7分間に亘り実施した。この条件では、オージェ(Auger)電子分光法による組成分析により、Al0.30Ga0.70As結晶層がAl0.30Ga0.70As0.060.94結晶層へ変換されるのが既知となっている。開口部437以外の領域にあるAl0.30Ga0.70Asは、砒素ドープSiO膜の被覆により砒素の揮散を防止したため、Al0.30Ga0.70Asとして残存させた。Al0.30Ga0.70Asの禁止帯幅は約1.65eVであり、また、Al0.30Ga0.70As0.060.94結晶のそれは約3.16eVと算出される。したがって、本実施の形態では、Al0.30Ga0.70As結晶層内にそれよりも禁止帯幅を約1.51eV大とする領域を形成したこととなる。
【0067】
III 族窒化物半導体結晶層の形成を終了した後、室温迄、降温した。然る後、SiO 被膜をフッ酸緩衝溶液(バッファードフッ酸)で湿式エッチングした後、再び、MOCVD成長炉内に載置して、禁止帯幅を選択的に大とした領域を含む電子供給層431の表面上に、窒素組成比を1%とする砒化窒化ガリウム(GaAs0.990.01)結晶層433を堆積した。次に、基板401の温度を780℃に維持したままで、MOCVD炉内に毎分0.8リットルの流量でアンモニアガスのみを流通する状況とし、アンモニア単体からなる雰囲気を創出した。アンモニアの流通を開始してから正確に5分間、曝露してGaAs0.990.01結晶層の窒素組成比を増加させる窒化処理を及ぼした。これにより、GaAs0.990.01結晶層の全面に亘り、窒素組成比を0.40とするGaAs0.990.40結晶層とした。
【0068】
GaAs0.990.40となした結晶層をノンアロイ(non−alloy )オーミックコンタクト層として利用するためのパターニング加工を施した後、同層表面上にソース(source)434およびドレイン(drain )435の両オーミック電極を配置した。ゲート電極436は、コンタクト(contact )層の略中央部をエッチングにより除去してなしたリセス部432の底部に設けた。すなわち、Al0.30Ga0.70Asを変換してAl0.30Ga0.70As0.060.94と禁止帯幅を大とした領域の表面上に、チタン(Ti)およびアルミニウム(Al)などの重層構成からなるゲート長0.5μmのゲート電極436を敷設した。
【0069】
以上のように、ゲート電極が、禁止帯幅を大とする領域上に敷設されているため、ドレイン電流を20mAとした際のゲート耐圧は、従来例が約5〜約10Vであるのに対し、約15Vに向上した。ゲート耐圧の向上と併せて、漏洩電流の低減も果たされたため、ピンチオフ(pinch−off )特性に優れたMODFETとなった。本実施の形態によれば、高いゲート耐圧をもたらす結晶領域を一結晶層内に平面的に内在できることから、ゲート耐圧の向上を期して、敢えて高抵抗バリア(barrier )層を成膜により電子供給層上(ゲート電極の直下)に配置する必要もなく、高ゲート耐圧FET素子を製作する上でも利便となる。
【0070】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、III−V 族化合物半導体結晶を構成する第III 族および第V族元素の化学量論的な組成を、第III 族側元素を富裕とする側に移行させて形成した液滴を介して、III 族窒化物半導体結晶体を形成する方法により、III 族窒化物半導体結晶体を結晶表面に分散させて形成することができる。また、結晶表面の所望の位置に選択的にIII 族窒化物半導体微結晶体を形成することができる。このため、結晶の選択された領域に結晶体を含む微細なヘテロ接合構造を局所的に配置できる。さらに、禁止帯幅を異にする領域を内在するIII 族窒化物半導体結晶層も簡便に構成することができる。例えば、禁止帯幅をその他の領域より大とした領域を含む結晶層は、例えば高いゲート耐圧を保有する電界効果型トランジスタをもたらすに効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に記す第1の工程を終了した後のGaAs最表層の表面状態を示す外観斜視図である。
【図2】同実施の形態で用いる加熱炉の構成を示す概略図である。
【図3】本発明の第2の実施の形態に記す第1および第2の工程を経過した後の積層構造体の表面の状態を示す模式図である。
【図4】本発明の第3の実施の形態に記す積層構造体の構成を示す断面模式図である。
【図5】同実施の形態に記す窒化珪素選択マスク材の開口状況を示す模式図である。
【図6】同実施の形態に記す積層構造体から構成した発光素子の断面模式図である。
【図7】本発明の第4の実施の形態に記すMODFETの構成を示す断面模式図である。
【図8】{001}−InP単結晶を500℃未満の温度で加熱した際に生ずる[011]結晶方位に平行な線状の亀裂を説明するための模式図である。
【図9】GaAs単結晶を水素気流中に850℃で15分間暴露して形成したGa液滴の形状と結晶表面での形成状況を説明するための模式図である。
【図10】従来一般の量子ドット(dot)構成の半導体層を含む積層構造体の断面模式図である。
【符号の説明】
10 量子構造を含む層からなるDH構造発光部
11 加熱炉
20,30,40 積層構造体
101,201,301,401 結晶基板
102,402 緩衝層
103 下部クラッド層
104 発光層
105 上部クラッド層
106 線状の溝孔
107 量子ドット状の結晶
108 (001)面GaAs単結晶の表面
109 第III族元素を主成分とする液滴
110 [011]結晶方向に平行な稜線で囲われた窪み(ピット)
110a 略長方形のピット
110b 略正方形のピット
111 加熱炉体
112 支持台
113 ガス導入口
114 抵抗加熱体
115 熱電対
116 亜鉛ドープp形GaAs成長層
117 ピットの外形を象る稜線
218 n形InP気相成長層
219 n形Ga0.47In0.53As混晶層
220 略球状の微結晶体
321 Siドープn形GaAsMBE成長層
322 Siドープn形Al0.30Ga0.70AsMBE成長層
323 Siドープn形Al0.10Ga0.90AsMBE成長層
324 窒化珪素(Si)被膜
325 開口領域
326 p形GaN層
327 p形オーミック電極
328 n形オーミック電極
329 帯状に形成したIII族窒化物半導体結晶
430 n形GaAsチャネル層
431 n形Al0.30Ga0.70As電子供給層
432 リセス構造部
433 GaAs0.990.01
434 ソース電極
435 ドレイン電極
436 ゲート電極
437 禁止帯幅を選択的に大とするための領域
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a selective formation technique for forming a crystal composed of a group III-V compound semiconductor containing nitrogen as a constituent element (group III nitride semiconductor) in a selective region of a surface of a group III-V compound semiconductor crystal. About. In addition, the present invention relates to a technique for forming a semiconductor device having a III-V compound semiconductor crystal layer containing the crystal.
[0002]
[Prior art]
(Semiconductor device using microstructure)
In general, a Quantum Well structure is known as an example of a super lattice structure formed by laminating ultra-thin films having a thickness of several nanometers (nm) to several tens of nm (Tokomi Deep Sea). Supervisor, "Semiconductor Engineering" (March 20, 1993, 1st edition, 7th edition, published by Tokyo Denki University Press), pp. 258-260). For example, a quantum effect device having this quantum well structure as an active layer includes, for example, an SQW or MQW having a light emitting layer having a single quantum well (Single QW: SQW) or a multiple quantum well structure (Multi QW: MQW). Optical devices such as a laser diode (abbreviation: LD) are known (Yasuharu Suematsu, “Optical Device” (May 15, 1997, published by Corona Co., Ltd.), pp. 62-63. reference).
[0003]
In addition to the above-described semiconductor elements using quantized carriers that behave in a two-dimensional plane space, recently, devices using one-dimensionally quantized (low-dimensional) carriers have been proposed. The invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-64476 discloses a gallium arsenide (GaAs) / GaInAs heterostructure utilizing a gallium indium arsenide (GaInAs) semiconductor microcrystal having a small volume and a small volume and having a small spatial extent. A junction light emitting device is disclosed. In general, from a light emitting layer having a quantum well structure that provides quantized carriers, there is an advantage that monochromatic light emission is emitted as compared with a case where the half width is reduced. Recently, in the indium arsenide (InAs) / GaAs quantum LD, emission of a narrow half width is actually consequently achieved, and further reduction in threshold voltage and improvement in emission efficiency are expected by utilizing the quantum dot effect. (See “Applied Physics,” Vol. 67, No. 2, (1998), pp. 172-175.)
[0004]
A conventional quantum well structure, for example, an SQW or MQW structure is formed by a method in which crystal layers formed by an epitaxial film forming technique are stacked one by one. Gallium arsenide (chemical formula: GaAs) or aluminum gallium arsenide (AlxGayAn SQW or MQW structure can be formed relatively easily from a general III-V compound semiconductor such as As: 0 <x ≦ 1, x + y = 1). This is because indium phosphide (chemical formula: InP) is used as a barrier layer and a gallium-indium arsenide mixed crystal (for example, Ga0.47In0.53This is because, as in the case of forming an SQW or MQW structure using As) as a well layer, a large change in film formation temperature is not required.
[0005]
On the other hand, when forming an SQW or MQW structure from a group III nitride semiconductor growth layer, a complicated film forming operation is required. Conventionally, a MQW structure type light emitting layer for a quantum effect light emitting device employing a group III nitride semiconductor growth layer has been generally used as a gallium nitride-indium mixed crystal (Ga).bIncN: 0 <c ≦ 1, b + c = 1) as a well layer, and a mixed crystal of aluminum nitride and gallium (AlaGabN: 0 ≦ a ≦ 1, a + b = 1) as a barrier layer. However, GabIncN mixed crystal and AlaGabAn appropriate film forming temperature is separated from the N mixed crystal by several hundred degrees (see J. Crystal Growth, 145 (1994), pp. 209 to 213). Therefore, in order to form the SQW or MQW structure, a complicated film forming operation is required such that the film forming temperature needs to be frequently changed.
[0006]
In addition, semi-one-dimensional quantum structures such as a quantum wire structure and a quantum dot structure are conventionally formed mainly using an epitaxial growth technique, particularly a selective epitaxial technique. For example, sapphire (α-Al2O3) Is covered with a mask material having a selectively opened region, and a group III nitride semiconductor crystal having a shape suitable for acting as a quantum dot or a quantum line is formed selectively in this opening region. (Jpn. J. Appl. Phys., 1997), Vol. 36 (1997), pages L552-L535). However, in order to form a low-dimensional group III nitride semiconductor quantum structure, it is necessary to further surround such a dot-shaped or linear crystal with a group III nitride semiconductor crystal having a different band gap. There is.
[0007]
For example, Ga as a short-wavelength visible light emitting mediumbIncN (0 <c ≦ 1, b + c = 1) is a quantum dot, and AlaGabFIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a laminated structure including a quantum structure layer in which N (0 ≦ a ≦ 1, a + b = 1) surrounds the dots. The steps of forming the laminated structure will be described in order. For example, the buffer layer 102 and the AlaGabThe N lower cladding layer 103 is formed once. After the film formation, the surface of the lower cladding layer 103 is coated with silicon dioxide (SiO 2).2) Or silicon nitride (Si3N4) And the like. The mask material is opened only in a region where formation of quantum dots or quantum lines is desired. With the film for selective epitaxial growth still covered, the operation is shifted to the film formation operation again, and Ga is formed on the surface of the lower cladding layer 103 in a dot shape or a line (band) shape.bIncGrow N crystals. In order to provide a structure in which quantized carriers are provided, a group III nitride semiconductor layer serving as the light emitting layer 104 is formed so as to surround the quantum dot-like crystal 107 so as to surround it. On the light emitting layer 104, for example, AlaGabA double hetero (DH) junction type light emitting unit 10 including a crystal layer (quantum structure layer) having a quantum structure made of a group III nitride semiconductor crystal is formed by covering the upper cladding layer 105 made of N.
[0008]
Regardless of either a two-dimensional quantum structure such as a quantum well or a one-dimensional quantum structure such as a quantum dot, a conventional quantum structure made of a group III nitride semiconductor has a structure similar to that described above. Are formed by laminating them.
[0009]
In the conventional method of forming a quantum structure by a stacking method, the temperature at the time of layer stacking may be as high as over 1000 ° C. (“optical”, 22 (1993), No. 11, pages 670-675). For this reason, sapphire (α-Al2O3Crystal materials having excellent heat resistance, such as single crystals, have been used as substrates. However, sapphire, like hexagonal silicon carbide (SiC) and many oxide crystals, does not exhibit clear cleavage. For this reason, it is difficult to form a smooth and flat end face of the element. This means that, for example, in a quantum well structure LD, an optical resonance surface that requires smoothness and flatness cannot be formed by using cleavage of a substrate crystal. At present, in a short-wavelength group III nitride semiconductor LD using sapphire as a substrate, precise etching is used (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-283861), or the crystal plane orientation of the sapphire substrate is changed or the chip is chipped. The optical resonance surface is formed by a technique that requires a precise control of the cutting direction for the formation (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-275243).
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
For example, a conventional problem when forming a quantum structure composed of quantum boxes or quantum dots is caused by the complexity of the epitaxial growth method in which the growth layers need to be stacked one by one to form a quantum structure, or the selective epitaxial growth method. are doing. If a method for easily forming a group III nitride semiconductor quantum structure is provided, it is possible to overcome at least the problems associated with the conventional method for forming a group III nitride semiconductor microstructure described above.
[0011]
A first object of the present invention is to provide a method for easily producing a group III nitride semiconductor crystal which can act as a quantum dot or a quantum line, without using a conventional group III nitride semiconductor epitaxial film formation method. Is to provide.
[0012]
A second object of the present invention is to provide a semiconductor device provided with a group III-V compound semiconductor crystal layer having a crystal of this type of group III nitride semiconductor.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a simple heat treatment which results in thermal alteration due to stoichiometric imbalance of the surface of a group III-V compound semiconductor crystal without using an epitaxial film forming technique. The present invention provides a method for forming a group III nitride semiconductor microcrystal in a selected region by utilizing the method. That is, in the present invention,No. III Contains at least one of Al, Ga, and In as a group-constituting element, and includes As or P as a group V-constituting element III -The surface of the group V compound semiconductor crystalheatingMeltingThen, the group V constituent element in the III-V compound semiconductor crystal is volatilized, and a droplet mainly containing the group III constituent element as a main component is partially formed on the surface of the III-V compound semiconductor crystal. And a III-V compound semiconductor crystal having the droplet.Heating in an atmosphere containing nitrogen,Part or all of the group V constituent element in the droplet is replaced with nitrogenA second step of converting into a group III nitride semiconductor crystal;RukoAnd a method for forming a group III nitride semiconductor crystal.
[0014]
In the present invention, a group III nitride crystal is formed after at least two of the first and second steps. In the first step, a group III-V compound semiconductor bulk crystal and a vapor-phase- or liquid-phase-grown group III-V compound semiconductor crystal layer deposited on the surface thereof are subjected to a heat treatment, and the surface is treated. A droplet containing a Group III constituent element as a main component is formed. The droplets are heated by heating to volatilize Group V constituent elements preferentially from the surface of the group III-V compound semiconductor crystal and intentionally shift the stoichiometric composition of the surface in the direction of enriching the Group III element. Form. Therefore, it is possible to desirably use a group III-V compound semiconductor crystal having a property that the group V element can be volatilized by heating at an appropriate temperature and that efficiently generates droplets.
[0015]
In the present invention, it is intended that a group III nitride semiconductor crystal is constituted by using a liquid droplet containing a group III element as a main component. Group III nitride semiconductor fine particles are not formed from solid particles mainly containing a group III element. The structure of the group III-V compound semiconductor crystal is generally represented by composition formula BkAllGamInnQ1-rNr(0 ≦ k, l, m, n ≦ 1, k + 1 + m + n = 1, 0 <r ≦ 1, and the symbol Q represents a Group V element other than nitrogen). Among the group III elements constituting these group III-V compound semiconductor crystals, the melting point of boron (element symbol: B) is 2300 ° C. (edited by National Astronomical Observatory of Japan, “Physical Chronological Table 1994” (Heisei 9). (November 30, 3rd, published by Maruzen Co., Ltd.), p. 484). For this reason, even if the group V element bonded to boron can be efficiently volatilized, solid boron is consequently obtained at a temperature lower than the melting point of boron. Conversely, at a high temperature equal to or higher than the melting point of boron, which is expected to form droplets containing boron as a main component, most III-V compound semiconductors melt. Therefore, a group III-V compound semiconductor crystal containing boron as a group III constituent element is not a desirable crystal in the present invention.
[0016]
On the other hand, according to a published publication (see Iwanami “Physical and Chemical Dictionary” (published on April 5, 1976, 3rd edition, 7th edition, published by Iwanami Shoten Co., Ltd.)), the melting point of aluminum (element symbol: Al) is 660. 2 ° C. The melting point of indium (element symbol: In) is 156.4 ° C. The melting point of gallium (element symbol: Ga) is 29.78 ° C., which is even lower than that of Al or In. The boiling points of Al, In, and Ga are about 2060 ° C., 2100 ° C., and 2300 ± 150 ° C., respectively. Thus, Al can exist as a liquid in the range of about 660C to about 2060C. The temperatures at which In and Ga can exist as liquids are in the range of about 156 ° C to 2100 ° C and about 30 ° C to about 2300 ° C, respectively. Here, for example, the melting point of gallium arsenide (GaAs) is 1238 ° C., and that of indium phosphide (InP) is 1060 ° C. The melting point of aluminum arsenide (AlAs) is 1760 ° C. (See Iwao Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (March 30, 1995, first edition, published by Baifukan Co., Ltd.), p. 28). That is, Al, Ga, and In can exist as liquids at a temperature lower than the melting point (represented by the symbol M (° C.)) of the group III-V compound semiconductor crystal containing the group III constituent element.
[0017]
Therefore, in the present invention, it is preferable to use a III-V compound semiconductor crystal containing Al, Ga, and In as Group III elements and As and P as Group V elements. In particular, a group III-V compound semiconductor crystal containing Ga having a large temperature difference between the melting point and the boiling point as a group III constituent atom can be conveniently used for forming a droplet composed of a group III constituent element. Specifically, available III-V compound semiconductor crystal materials include aluminum arsenide / gallium mixed crystal (AlxGa1-xAs: 0 ≦ x ≦ 1) gallium-arsenide / indium mixed crystal (GayIn1-yAs: 0 ≦ y ≦ 1) gallium-indium phosphide mixed crystal (GayIn1-yP: 0 ≦ y ≦ 1) or aluminum phosphide / gallium mixed crystal (AlxGa1-xP: 0 ≦ x ≦ 1). In the temperature range where Al, Ga and In can exist as a liquid, desorption of arsenic (element symbol: As) or phosphorus (element symbol: P), which is a group V constituent element, from the crystal surface occurs conveniently. It is also a temperature. Arsenic (As) and phosphorus (P) have a higher vapor pressure than antimony (Sb) (see RCA Review (Jun. 1969), pages 285-305). Therefore, a group III-V compound semiconductor crystal containing arsenic (As) or phosphorus (P) as a group V constituent element is a material that can be conveniently used for generating droplets. In particular, arsenic has the advantage of lower fluidity at high temperatures and the ability to form uniform and clear droplets as compared to phosphorus. That is, AlxGa1-xAs (0 ≦ x ≦ 1) or GayIn1-yAs (0 ≦ y ≦ 1) is a particularly suitable crystal material in the present invention.
[0018]
In the present invention, in the first step, the above-described III-V compound semiconductor crystal is heated to generate droplets on the surface of the crystal. Droplets are generated by volatilizing the group V constituent elements. Therefore, heating is performed at a temperature equal to or higher than the temperature at which desorption of group V constituent elements from the crystal surface starts. Desorption of the group V element starts at a temperature of 450 ° C. or higher as a whole. Further, the desorption becomes significant at about 500 ° C. or more. Taking an InP single crystal having a crystal plane orientation of {001} as an example, in a heat treatment at a temperature lower than 500 ° C., mainly due to the evaporation of phosphorus (P), as shown in FIG. Although cracks 106 composed of substantially parallel linear holes are generated, they obviously do not sufficiently generate droplets containing indium as a main component. Clear drop formation is observed at temperatures of 550 ° C. and above.
[0019]
Conversely, in the heat treatment at an extremely high temperature, the evaporation of the group V constituent elements becomes more conspicuous, so that the droplet develops greatly, and as a result, almost the entire crystal surface is covered with the droplet. . In the present invention, which intends to form a group III nitride semiconductor microcrystal in a selective region with a droplet formed partially on the crystal surface as a nucleus, a droplet is generally generated on the crystal surface. The situation is not favorable. Therefore, heat treatment at an extremely high temperature is disadvantageous because droplets are generated at a high density on the crystal surface. In order to prevent such a situation, it is effective to set the heating temperature to M-250 (° C.) or less based on the melting point (M (° C.)) of the group III-V compound semiconductor crystal. Further, when the upper limit temperature is M-300 (° C.), the droplets can be dispersed on the crystal surface at an interval of several μm to several hundred μm appropriately and conveniently. Therefore, in the first step, a preferable range of the temperature at which droplets can be conveniently generated from the viewpoint of the existing density and the size thereof is a range from 500 ° C. to M-300 ° C.
[0020]
For example, in the case of GaAs having a melting point (M ° C.) of 1238 ° C., a preferable range is 500 ° C. or more and 938 ° C. or less. In GaAs, a more suitable upper limit temperature for generating gallium (Ga) droplets while maintaining the smoothness of the crystal surface is less than 900 ° C. (T. Udagawa, et al., “Semi-Insulating III-V Materials”. (SHIBA PUBLISHING LTD., 1980), pp. 108-114). FIG. 9 illustrates the shape and existence of gallium (Ga) droplets generated by exposing a GaAs single crystal at 850 ° C. in a hydrogen atmosphere for 30 minutes. Gallium (Ga) droplets 109 are generated on the surface 108 of the GaAs single crystal whose plane orientation is (001) at intervals of approximately 50 μm. Most of the Ga droplets 109 are present in the depressions 110 surrounded by ridges parallel to the [011] crystal direction. Due to the presence of the depression 110, the Ga droplet 109 is stored therein and does not ooze out onto the crystal surface. That is, the location of the liquid Ga can be specified. The shape of the Ga droplet may be a square or a rectangle reflecting the shape of the bottom surface of the pit. Further, since Ga filled in the pit becomes substantially spherical due to surface tension, a substantially spherical droplet may be formed. The shape of the pit (pit) differs depending on the orientation of the crystal plane constituting the surface, and the pit generated on the {111} -GaAs crystal surface has a triangular shape.
[0021]
In the first step, means for selectively and efficiently desorbing the group V constituent element from the crystal surface is important for efficiently generating droplets mainly composed of the group III constituent element. In the present invention, this is achieved by selecting the configuration of the atmosphere in which the heat treatment is performed. Examples of the configuration of the atmosphere during the heating include a vacuum environment, an atmosphere composed of an inert gas such as argon (Ar) and helium (He), and an atmosphere composed of a reducing gas such as hydrogen.
[0022]
However, by heating in a vacuum atmosphere, evaporation of not only Group V constituent elements but also Group III constituent elements is uniformly promoted. For this reason, it is sometimes difficult to form droplets containing a Group III element as a main component. In a vacuum environment, it is preferable to coat other regions with a coating so that droplets can be generated only in the region where formation is desired. In an atmosphere composed only of an inert gas such as argon, nitrogen or helium, a drop in the generation efficiency of droplets is observed. In contrast, in an atmosphere composed of a reducing gas such as hydrogen, the generation of droplets is promoted. This is because a surface reaction with hydrogen (atoms) changes the group V element into a substance that is more easily vaporized, and creates a situation in which the group V element is preferentially eliminated. In other words, the stoichiometric composition of the crystal surface has an advantageous effect on enriching the group III element side, which is effective in forming droplets containing a group III element as a main component. . Therefore, in the present invention, the atmosphere is composed of a gas containing a hydrogen atom. The gas containing a hydrogen atom is, for example, hydrogen (H2), And a mixed gas containing hydrogen in a volume ratio of approximately more than 50%. Examples of the configuration of the mixed gas include hydrogen-nitrogen (N2), Hydrogen-argon, hydrogen-helium, hydrogen-nitrogen-argon and the like. In the case of a gas mixture with hydrogen, if the gas is mixed with the hydrogen gas, for example, if the volume ratio of the inert gas is increased, the development speed of the droplet, in other words, the size (bottom area) of the pit containing the droplet Expansion speed is reduced. Further, it helps to maintain the smoothness of the crystal surface in the region other than the region where the droplet is formed. It is known that a mixed gas of helium and hydrogen can be used as an atmosphere gas when etching the surface of a GaAs crystal uniformly (Inst. Phys. Conf. Ser., No. 24 (Inst. of Phys., London, 1975), 362-368).
[0023]
Depending on the type of the group III-V compound semiconductor crystal to be subjected to the heat treatment, other components may be contained in the droplet formed on the crystal surface and containing a group III constituent element as a main component. For example, a droplet mainly composed of gallium (Ga) formed on the surface of a GaAs crystal doped with zinc (Zn) may contain Zn as a dopant. Since Zn is easily dissolved in Ga (see “THE CHEMISTRY OF GALLIUM” (ELSEVIER PUB. COMPANY, 1966), page 214), a liquid containing Zn at a weight concentration of several% by weight due to aggregation of Zn into Ga droplets. Droplets may be formed in some cases. Also, silicon (Si) doped AlxGa1-xOn the As mixed crystal surface, droplets containing Si and containing Al and Ga as main components can be formed. In some cases, in addition to the doped impurities, impurities remaining in the crystal (residual impurities) are taken in the droplets. The droplets are generally composed of more than 80 to 90% by weight of Group III elements. I have.
[0024]
The size of the droplet mainly composed of a group III element is controlled by adjusting the heating temperature and the heating time in the first step. In the case where the heating process is performed using an atmosphere having the same configuration and for a fixed time, the size of the droplet (the size of the pit) increases as the heating temperature is set to a higher temperature. When the processing temperature is increased, the bottom area is further expanded, and a pit having a greater depth is formed. Therefore, the volume of the droplet that can be accommodated in the pit increases. In the case where processing is performed using an atmosphere having the same configuration and a constant heating temperature, droplets (sizes of pits) develop and increase with heating time. As an example, when a Zn-doped (001) -GaAs single crystal is exposed to a hydrogen stream at 900 ° C. for 5 minutes, on average, a rectangular [011] having a width of about 20 μm and a length of about 50 μm is obtained. Ga droplets containing Zn arranged substantially parallel to the crystal direction can be formed. In general, heating for an excessively long time exceeding one hour is not preferable because it causes loss of the droplet itself due to evaporation and remarkable deterioration of the crystal surface state. In order to form a low-dimensional quantum structure such as a quantum dot, a quantum box, or a quantum line via a droplet, a droplet having a size of several nm to several tens nm (approximately equal to the bottom area of the pit) is suitable. . Therefore, in order to form droplets that meet this purpose, it is necessary to reduce the heating temperature, shorten the heating time, or implement both of these measures.
[0025]
In forming a droplet mainly containing a Group III element in the first step, if a general selective masking technique is used, the droplet is formed on the crystal surface, for example, regularly or at a specific position. Can be formed. For example, after a film having an opening at a selected position or a specific position is applied to the surface of a group III-V compound semiconductor crystal and then subjected to a heat treatment, the surface of the crystal corresponding to the opening may be formed. A limited number of droplets can be formed. The coating is made of silicon dioxide (SiO2  ) Or silicon nitride (Si3N4), Etc., can be made of an inorganic material having low volatility and heat resistance. Further, it promotes the evaporation of the group V constituent elements from the surface of the group III-V compound semiconductor exposed in the opening, and suppresses the volatilization of the group V element from the group III-V compound semiconductor in the non-opening. For example, arsenic (As) -doped SiO2  Film or SiO doped with phosphorus (P)2  A membrane is available. As-doped SiO2  The film is made of GaAs or Ga containing As as a group V constituent element.yIn1-yIt is particularly effectively used for As mixed crystals. The coating is aluminum gallium nitride (AllGamN: 0 ≦ l ≦ 1, l + m = 1) and the like.
[0026]
As one technique for forming droplets in a desired region of a crystal surface, a so-called laser annealing is performed in which a specific region is irradiated with laser light focused in a small spot (spot) to heat a specific region. ) Techniques are conceivable. This is a method in which heating is locally applied to a specific region to promote evaporation of the group V element in the region, thereby generating droplets containing a group III element as a main component. However, in this technique, it is necessary to scan the laser beam with sufficient controllability of the irradiation position for each selected region. In addition, due to the intensive irradiation of the laser light to the minute area, a temperature difference from the surrounding non-irradiation area occurs, and a problem that thermal distortion occurs occurs. Further, this method has a disadvantage that pits having clear ridge lines cannot be formed due to uneven conduction of heat from the center of the beam irradiation to the peripheral region. Therefore, in the present invention, a means for forming a droplet in a specific region by simple heating using the above-described selective masking method using a coating film is recommended. Examples of a method that the present invention calls a simple heating method include a high-frequency heating method and a resistance heating method. Such a heat treatment method has an advantage in that droplets can be generated at once in a batch over the entire surface of the object to be heated without scanning such as a laser annealing technique.
[0027]
The shape of the opening is determined in consideration of the desired shape of the group III nitride semiconductor crystal. For example, when a group III nitride semiconductor crystal layer is formed linearly like a quantum wire, a band-shaped opening is provided in the film to form a band-shaped droplet. In order to obtain a quantum box-shaped crystal, a coating having a square or rectangular opening is used. In order to obtain quantum dot-like spherical microcrystals, for example, a film having a circular opening is used. Photolithography technology that exposes near ultraviolet rays, electron beam lithography technology, focused ion beam technology, and the like can be used for the hole forming process for providing an opening in the coating film. For example, As-doped SiO on a GaAs crystal layer2After a general or electron beam drawing photoresist material is applied to the surface of the film, exposure is performed through a glass mask or the like on which a pattern is drawn, and the resist material is patterned. In the region where the resist material was removed by the processing, the above SiO 2 was used.2The film is exposed. Therefore, the exposed region of SiO2If the film is removed by a dry etching method so that the side wall of the film remains substantially vertically and clearly, a film having an opening limited to a selected region can be formed.
[0028]
In the second step of the present invention, a liquid droplet containing a Group III constituent element as a main component is impregnated with nitrogen.And replace the Group V element in the liquid with nitrogen (N) III Group III nitride semiconductorThis is a step for the purpose of The impregnated body needs to be in a liquid state in order to efficiently impregnate the substance containing nitrogen atoms into the inside thereof instead of adsorbing it on the surface of the solid. Accordingly, in the case of particles containing Al, Ga or In as the main component, in order to make them exist as droplets, it is essential to maintain the temperature at or above the melting point of the group III element. For example, since the melting point of Al is about 660 ° C., it is necessary to convert particles containing Al as a main component into droplets and impregnate with nitrogen.,aboutIt is necessary to perform the nitrogen impregnation at a temperature exceeding 660 ° C. In the case of particles containing Ga or In as a main component and not containing Al, if the temperature is raised to about 30 ° C., which is the melting point of Ga, or about 156 ° C., which is the melting point of In, the particles are present as droplets. be able to. However, at such relatively low temperatures, it is difficult to efficiently release nitrogen atoms or molecules containing nitrogen atoms. Considering the temperature at which nitrogen atoms can be efficiently released, the heat treatment temperature needs to be higher than about 350 ° C. Preferably, the temperature is 400 ° C.That is, use III Assuming that the melting point of the -V compound semiconductor crystal is M (C), the heating in the second step is preferably performed in a temperature range of 400C or more and (M-300) C or less.
[0029]
In the second step, a substance containing a nitrogen atom is penetrated and dissolved in the droplet,Substituting group V element in the liquid with nitrogen (N)Since it forms a group III nitride semiconductor crystal, it is necessary to perform heat treatment in an atmosphere composed of a gas containing a nitrogen atom. Examples of the gas containing a nitrogen atom include nitrogen (N2), Ammonia (NH3) And hydrazines such as dimethylhydrazine. In particular, a gas containing a molecule containing a chemical bond (N-H) of nitrogen and hydrogen can be preferably used as a gas constituting the atmosphere. The gas molecules containing N—H bonds can release nitrogen atom-containing fragments that penetrate into the droplets by pyrolysis and simultaneously release hydrogen atom-containing fragments that promote surface desorption of group V elements. Because. Examples of the gas containing an N—H bond include ammonia and hydrazine. Amines such as methylamine and dimethylamine can also be used. Heterocyclic compounds such as pyrrole can also be used. In the case of a substance containing an N—H bond, dimethylhydrazine having an asymmetric molecular structure, in which thermal decomposition starts at a temperature lower than 400 ° C., is particularly suitable as a substance constituting an atmosphere.
[0030]
Although a substance containing a nitrogen atom, for example, a nitro group (-NO2) Or an acetamido group (-NH-CO-CH)3Compounds containing a functional group containing an oxygen atom, such as (2), are not preferred as the nitrogen-containing substance constituting the heat treatment atmosphere of the present invention. This is because oxygen generated by thermal decomposition may function as a trap center that forms a deep level with the group III-V compound semiconductor. A compound containing a cyanide group (—CN) is also unsuitable as a nitrogen-containing substance constituting a heat treatment atmosphere from the viewpoint of toxicity.
[0031]
The processing atmosphere for penetrating nitrogen (atoms) into the droplets can be composed of a single gas composed of molecules containing nitrogen atoms. For example, heat treatment can be performed in an atmosphere consisting only of ammonia. Further, it can be composed of a mixed gas of a gas composed of a molecule containing a nitrogen atom and another gas. Examples of the configuration of the processing atmosphere composed of the mixed gas include a mixed system such as a hydrogen-ammonia system, an argon (Ar) -ammonia system, a nitrogen-ammonia system, a hydrogen-nitrogen-ammonia system, and a nitrogen-argon-hydrazine system. . When the heat treatment atmosphere is formed from the mixed gas, the volume occupation ratio of the gas containing the nitrogen-containing substance is desirably approximately 50% or more. As the processing temperature is set lower and the decomposability is lower, the partial pressure of the nitrogen-containing substance constituting the atmosphere is set higher. The atmosphere can be composed of the nitrogen-containing compound alone.
[0032]
In the second step, as a result of the penetration and impregnation of nitrogen into the interior of the droplet,Group V element in the liquid is replaced by nitrogen (N)A group III nitride semiconductor crystal is formed. Crystals mainly composed of gallium nitride (GaN) are formed from droplets mainly containing gallium (Ga). Crystals mainly composed of aluminum nitride (AlN) can be formed from droplets mainly containing aluminum (Al). A crystal mainly composed of indium nitride (InN) can be formed from a droplet mainly containing indium (In). In addition, a crystal composed of a mixed crystal of aluminum nitride and gallium can be formed from a droplet mainly composed of Al and Ga. The nitrogen content (composition ratio) of the crystal obtained by performing the nitrogen impregnation treatment can be measured by secondary ion mass spectrometry (abbreviated as SIMS) or Auger electron spectroscopy (abbreviated as AES) or the like. Is possible.
[0033]
The present invention also provides a semiconductor device including a group III-V compound semiconductor crystal layer including a group III nitride semiconductor crystal formed via a droplet. The crystal layer is, for example, a light emitting layer in a light emitting element.In addition, it is obtained according to the above-described steps, and is provided in the dispersed minute regions on the surface of the semiconductor crystal. III Formed by a method of forming a group III nitride semiconductor crystal III It is a semiconductor device having a group III nitride semiconductor crystal.
[0034]
In the method for forming a group III nitride semiconductor crystal through a droplet according to the present invention, the heating temperature or the heating time in the first step is appropriately adjusted to obtain a microscopic crystal having a size that produces a quantum effect. A droplet having an appropriate size (volume) can be formed. When a group III-V compound semiconductor crystal containing microcrystals sufficient to provide such a quantum effect is used as a light emitting layer, a quantum effect type light emitting element can be formed. For example, a quantum dot LD can be formed from an active (light-emitting) layer containing a group III nitride semiconductor microcrystal in the form of a quantum dot.
[0035]
Further, even if the crystal is not a minute crystal enough to generate a quantum effect, the group III-V compound semiconductor layer containing the crystal may have a strain due to lattice mismatch between the crystal and the surrounding semiconductor layer. Can be used as a strained lattice semiconductor crystal layer containing.
[0036]
That is, in the present invention, the heat treatment constituting the first step comprises (1) preferentially removing the group V constituent element of the III-V compound semiconductor crystal from the crystal surface, and (2) the chemical treatment of the crystal surface. The stoichiometric composition makes the group III side rich, and has the effect of (3) generating droplets containing a group III element as a main component.
The heat treatment in the atmosphere composed of the nitrogen-containing atomic gas in the second step is performed by (A) impregnating the droplets generated in the first step with a nitrogen-containing substance.To replace the group V element in the liquid with nitrogen (N), (B) has a function of generating a group III nitride semiconductor crystal using the droplet as a nucleus.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In this embodiment mode, gallium (Ga) is deposited on the surface of a zinc (Zn) -doped GaAs growth layer formed on a gallium arsenide (GaAs) single crystal substrate by a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. A method for forming a droplet as a main component will be described as an example.
FIG. 1 shows the surface state of the outermost GaAs layer after the first step in the method for forming a group III nitride semiconductor crystal of the present embodiment.Appearance perspectiveFIG.
[0038]
Trimethyl gallium ((CH 2) is formed on a substrate 101 made of p-type (001) -gallium arsenide (chemical formula: GaAs) single crystal doped with zinc (element symbol: Zn).3)3Ga / AsH3/ H2A zinc (Zn) -doped p-type GaAs vapor phase growth layer 116 was deposited by a normal pressure (atmospheric pressure) MOCVD method using a reaction system. The deposition temperature was 660 ° C. During film formation, a growth atmosphere in which the arsenic component is excessive was created in order to suppress the generation of pits due to arsenic volatilization and obtain a flat growth surface. That is, a gallium source ((CH3)3Ga) concentration versus arsenic source (AsH)3), The so-called V / III ratio was set to 40. The layer thickness of the growth layer 116 is 1 μm, and the carrier concentration is 5 × 1014cm-3Less than
[0039]
After the supply of Group III and Group V source gases to the MOCVD reactor at 660 ° C. for 15 minutes, the supply of both source gases was stopped. Thus, the gas flowing through the MOCVD reactor was only hydrogen gas as a carrier gas, and was naturally cooled to a temperature near room temperature. After confirming that no droplet was formed on the surface of the GaAs growth layer by a general differential interference optical microscope, the process was shifted to the first step of the present invention.
[0040]
First, a laminated structure 20 composed of a p-type GaAs substrate / a p-type GaAs growth layer is placed on a heatable support base 112 provided in a furnace body 111 of a vertical heating furnace 11 schematically shown in FIG. did. The inside of the furnace body 111 is 2.6 × 10 6 by a general vacuum oil rotary vacuum pump.-2Evacuation was performed to a degree of vacuum of hectopascal (hPa). Thereafter, an argon (Ar) gas was passed through the gas inlet 113 into the furnace body 111, and the pressure inside the furnace body was returned to substantially the atmospheric pressure. The gas species flowing into the furnace body 111 from the gas inlet 113 is changed from argon to hydrogen (H2After changing to gas, power was applied to the resistance heater 114 housed inside the support base 112, and the temperature of the laminated structure 20 was raised from room temperature to 850 ° C. The temperature of the laminated structure 20 was a temperature measured by a thermocouple 115 disposed immediately below the center of the circular support 112.
[0041]
From the point in time when the temperature of the laminated structure 20, that is, the temperature measured by the thermocouple 115 reaches 850 ° C., the flow rate of the hydrogen gas constituting the simple substance atmosphere is measured for an electronic mass flow meter for exactly 30 minutes. The mass flow controller (MFC)) controlled precisely 2 liters / minute.
[0042]
After the completion of the first step according to the present invention, that is, exactly 15 minutes after the temperature reaches 850 ° C., the supply of power to the resistance heating element 114 is stopped to lower the temperature by natural cooling. Started. At the same time when the temperature was lowered, the type of gas supplied into the furnace was instantaneously switched from hydrogen gas to argon gas. Then, the temperature of the laminated structure 20 was lowered to room temperature while the supply of the argon gas into the furnace was continued.
[0043]
As described above, after finishing the first step according to the present invention, the surface of the GaAs growth layer 116, which is the outermost layer of the multilayer structure 20, was observed with a scanning electron microscope (English abbreviation: SEM). From the SEM observation, it was confirmed that the droplets 109 as shown in FIG. 1 were dispersed on the surface of the GaAs layer 116. The ridgeline 117 of the rectangular or square pit filled with the droplet 109 was substantially parallel to the [011] crystal direction, which is the cleavage direction of the GaAs substrate 101. The size of the pit (dent) 110 was about 25 μm on the long side and about 15 μm on the short side in the substantially rectangular pit 110 a. In the approximately square pit 110b, one side was 20 μm on average. The characteristic X-ray intensity distribution obtained by an electron probe X-ray microanalyzer (abbreviation: EPMA) showed that the main component of the droplet 109 was gallium (Ga). It was analyzed that the Ga droplet contained a small amount of zinc (Zn) at a concentration of less than several percent. There was almost no difference in the main component of the droplet 109 due to the shape of the pits, and all were mainly Ga.
[0044]
After confirming the existence of a droplet mainly composed of a group III constituent element, that is, gallium (Ga), the laminated structure 20 was again stored in the MOCVD reactor. Thereafter, the temperature of the laminated structure was increased from room temperature to 700 ° C. while flowing argon gas into the reaction furnace. When the temperature reached 700 ° C., the flow of ammonia gas was started at a flow rate of 2 liters per minute. With the start of the supply of the ammonia gas, the composition of the atmosphere became argon: ammonia = 1: 6 in volume ratio. The flow of ammonia gas was continued for exactly 30 minutes after the temperature reached 750 ° C., and the above-described treatment was performed to permeate ammonia or a thermally decomposed fragment of ammonia into the Ga droplets formed on the surface of the GaAs growth layer. After 30 minutes, the temperature was immediately lowered from 750 ° C. to 600 ° C. at a rate of 30 ° C./min. When the temperature dropped to 600 ° C., the supply of ammonia gas into the MOCVD reactor was stopped, and only argon was allowed to flow. The temperature was lowered by natural cooling to a temperature close to room temperature, and the second step referred to in the present invention was completed.
[0045]
According to the SEM observation of the surface after cooling, even after performing the second step, no difference in the size and shape of the pits formed along with the droplets in the first step was visually recognized. According to the composition analysis by the EPMA method, the droplet mainly composed of Ga before the second step has a nitrogen composition ratio (q) of about 88% (0.88) to 90% (0. Gallium arsenide nitride (GaAs)1-qNq) Was obtained. The method of forming group III nitride semiconductor microcrystals using droplets containing Ga as a main component has been described above.
[0046]
[Second embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, a liquid containing an indium phosphide (InP) / gallium / arsenide / indium mixed crystal layer grown by a hydride (hydride) vapor phase epitaxial (VPE) method as a material and containing a group III element as a main component is used. A method of forming a droplet and forming a group III nitride semiconductor crystal through the droplet will be described.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the surface state of the laminated structure after the first and second steps described in the second embodiment in the method of forming a group III nitride semiconductor crystal of the present embodiment. FIG.
[0047]
On the surface of an indium phosphide (InP) substrate 201 having a plane orientation of (001), an n-type InP vapor deposition layer 218 doped with sulfur (S) was deposited at 680 ° C. in a hydrogen atmosphere. Subsequently, a sulfur-doped n-type gallium indium arsenide / indium mixed crystal layer (Ga) having an indium composition ratio of 0.53 at the same temperature is formed on the surface of the vapor growth layer 218.0.47In0.53As) 219 deposited and InP / Ga0.47In0.53The laminated structure 30 including the As hetero junction was formed. For the gallium (Ga) source and the indium (In) source, high-purity metal Ga and metal In having a purity of 7 9 (N) and 6 9 (N) were used, respectively. The arsenic source is 10% by volume arsine (AsH).3). The source of sulfur is hydrogen sulfide (chemical formula: H2High purity hydrogen mixed with S) was used. The thickness of the InP vapor deposition layer 218 is about 0.5 μm, and the carrier concentration is about 6 × 1016cm-3And Ga0.47In0.53The thickness of the As vapor phase growth layer 219 is about 0.5 μm, and the carrier concentration is about 7 × 1017cm-3And
[0048]
Ga as the outermost layer of the multilayer structure 300.47In0.53After the formation of the As vapor phase growth layer 219 was completed, the supply of the arsenic source into the growth furnace was stopped. Thus, the atmosphere in the growth furnace was made of simple hydrogen, and the laminated structure 30 was kept at 680 ° C. for 15 minutes. The holding operation at this high temperature is performed by Ga0.47In0.53This is performed to form a substantially spherical droplet containing gallium (Ga) and indium (In) as main components on the surface of the As vapor phase growth layer 219. Separately, under the same heating conditions, Ga0.47In0.53According to the result of the test of heating the As vapor phase growth layer, Ga and In mainly contained in a substantially square pit having a rounded corner on the surface of the same layer and having a side length of about 10 μm on average were mainly formed. It is known that substantially spherical droplets are formed.
[0049]
After the heat treatment for 15 minutes in a hydrogen atmosphere for forming droplets was completed, the gas constituting the atmosphere was changed to only ammonia gas, and the laminated structure was kept at 680 ° C. for 20 minutes. . As a result, the ammonia molecules or the thermally decomposed fragments thereof were permeated and dissolved in the droplets mainly composed of Ga and In formed in the previous step. After the treatment, the temperature of the laminated structure was lowered in an ammonia stream at a flow rate of 0.5 L / min until the temperature reached about 500 ° C. When the temperature became lower than about 500 ° C., the supply of ammonia into the growth furnace was stopped. Instead, the flow of argon gas was started, and cooling was allowed to take place until the temperature dropped to a temperature near room temperature.
[0050]
FIG. 3 schematically shows the state of the surface of the laminated structure 30 that has been subjected to the first and second steps according to the present invention in the same furnace. A substantially spherical microcrystal 220 was present corresponding to the position where the pit 210 was generated. From the external shape and the existing position, it was apparent that the microcrystal was grown with the droplets provided in the pits as nuclei. The size of the pit was maintained at about 10 μm on average. The outer shape of the microcrystal 220 was approximately spherical with a diameter of about 10 μm. According to the composition analysis using EPMA, the nitrogen composition of the microcrystalline body 220 was about 62%. The composition of gallium and indium was about 55% and about 45%, respectively, according to the composition analysis by EPMA. n-type Ga0.47In0.53The atomic concentration in the microcrystal 220 of sulfur (S) added as a dopant during the growth of the As vapor phase growth layer 219 is 1 × 1019cm-3Met. As described above, the method of forming the GaInAsN microcrystals from the substantially spherical droplets containing gallium (Ga) and indium (In) as main components has been exemplified.
[0051]
[Third Embodiment]
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, a method for manufacturing a light-emitting element in which a crystal layer including a group III nitride semiconductor crystal is used as a light-emitting layer will be described.
[0052]
As shown in FIG. 4, on a surface of an n-type (001) -GaAs substrate 301 doped with silicon (Si), a Si-doped GaAs layer 321 (film thickness = 0. 5 μm, carrier concentration = 1 × 1018cm-3), Si-doped aluminum-gallium arsenide mixed crystal (Al0.30Ga0.70As) layer (film thickness = 1.5 μm, carrier concentration = 2 × 1018cm-3    ) 322 and Si-doped Al0.10Ga0.90As layer (film thickness = 0.5 μm, carrier concentration = 1 × 1017cm-3  323 were sequentially deposited at 700 ° C.
[0053]
After completing the formation of the three n-type crystal layers 321, 322, and 323, the irradiation of the arsenic (As) beam is stopped while the temperature of the substrate 301 is maintained at 700 ° C. in the MBE growth vessel. did. After stopping the irradiation of As molecular beam, it is about 2.3 × 10-5Is left in the MBE growth vessel where a high vacuum environment of about0.10Ga0.90Desorption of arsenic (As) from the surface of the As layer 323 was promoted. Thereby, in particular, Al0.10Ga0.90The stoichiometric composition of the region near the surface of the As layer 323 was devised to make the Group III element side rich.
[0054]
Next, while the temperature of the substrate was maintained at 700 ° C., ammonia plasma generated by exciting ammonia gas with microwaves was introduced into the MBE growth vessel. As a result, the stoichiometrically rich Al group III element0.10Ga0.90Nitrogen is penetrated from the entire surface of the As layer 323 to the deeper layer 322, and Al0.10Ga0.90As layer is Al0.10Ga0.90As0.12N0.88  Converted into layers. Also, Al0.30Ga0.70The As layer 322 is made of Al0.30Ga0.70As0.12N0.88  Converted into layers.
[0055]
After cooling from 700 ° C. to room temperature, Al0.10Ga0.90Al formed using As layer 323 as a material0.10Ga0.90As0.12N0.88Almost the entire surface of the crystal is covered with silicon nitride (Si3N4) Coated with membrane. Thereafter, using the electron beam drawing method, as shown in FIG.3N4The coating 324 is processed, and linear openings 325 having a line width of 3000 ° are formed at equal intervals of 20 μm in the GaAs substrate 301. -1.1. > Provided parallel to the crystal orientation. As a result, only in the band-shaped opening, Al0.10Ga0.90As0.12N0.88The surface of the crystal was exposed. This coating 324 was used as a selective mask material for generating droplets in selective areas in a later step.
[0056]
Next, Si3N4Keeping the membrane covered again in the MBE growth vessel, about 3 × 10-6In a high vacuum of hPa, the temperature of the substrate 301 was increased from room temperature to 800 ° C. by heating using a resistance heating method. Exactly 10 minutes at 800 ° C, Al0.10Ga0.90As0.12N0.88The surface of the crystal was exposed to a vacuum environment. Thereby, the Al at the opening of the coating 324 is0.10Ga0.90As0.12N0.88Only in the surface region of the crystal, droplets containing Al and Ga as main components were formed.
[0057]
After forming droplets containing a Group III constituent element as a main component in the belt-shaped region 325 using the selective masking technique, the temperature of the substrate was immediately lowered to 750 ° C. When the temperature reaches 750 ° C., the Al0.10Ga0.90As0.12N0.88The surface of the crystal is irradiated with a beam of ammonia molecules and magnesium (Mg), and Al doped with Mg from the above droplets.0.10Ga0.90As0.09N0.91A crystal 329 having the following composition was formed. That is, a group III nitride semiconductor crystal 329 was formed by doping a droplet with a band-shaped p-type impurity (Mg) only in a region where the film 324 was selectively opened in a band shape. The group III nitride semiconductor constituting the band-shaped crystal body 329 is formed by surrounding Al0.10Ga0.90As0.12N0.88The nitrogen composition ratio was 3% larger than the crystal. The difference of 3% in the nitrogen composition ratio is0.10Ga0.90As0.12N0.88This provided a barrier of about 0.3 eV to the crystal. Thereafter, the laminated structure was taken out of the MBE growth vessel, and the silicon nitride film 324 covering the surface was removed by etching with an ammonium fluoride aqueous solution.
[0058]
The laminated structure 40 having the cross-sectional structure of FIG. 4 obtained by removing the coating from the surface was transported into the MBE growth vessel three times. Thereafter, the temperature of the substrate 301 is increased to 820 ° C., and as shown in FIG. 6, a p-type gallium nitride (GaN) crystal layer 326 doped with magnesium (Mg) is formed into an Al having a band-shaped crystal body 329.0.10Ga0.90As0.12N0.88Deposited on the crystal layer. The thickness of the Mg-doped GaN layer 326 is 0.1 μm, and the carrier concentration is about 8 × 1017cm-3And The Mg-doped GaN layer 326 was provided so as to be joined (contacted) with the band-shaped crystal body 329, that is, to be electrically conductive. That is, by electrically connecting the p-type GaN layer and the strip crystal, the n-type Al0.10Ga0.90As0.12N0.88The surface area of the p-type crystal layer in contact with the crystal layer can be increased.
[0059]
Next, ohmic electrodes were formed on the front and back surfaces of the multilayer structure 40. Since the n-type ohmic electrode 328 uses a GaAs single crystal exhibiting n-type conductivity for the substrate 301, a gold (Au) -germanium (Ge) alloy (Au 95% by weight) is formed on the entire rear surface of the substrate 301. Ge (5% by weight) was formed by vacuum evaporation. An Au film was further overlaid on the surface of the Au.Ge alloy film having a thickness of about 1.2 μm by a vacuum evaporation method. The metal film was subjected to an alloying treatment at 420 ° C. for 10 minutes to give ohmic properties. Thus, an n-type ohmic electrode 328 having a thickness of about 2.2 μm as a whole was formed.
[0060]
A gold film was deposited on the surface of the p-type GaN layer 326 constituting the outermost layer of the multilayer structure 40 by a known vacuum deposition method. After patterning as a circular electrode having a diameter of 120 μm, heat treatment was performed at 420 ° C. for 3 minutes in a hydrogen stream. Thus, a p-type ohmic electrode 327 was formed. As described above, the p-type GaN layer 326 and the strip-shaped Al. 0.10Ga0.90As0.09N0.91The crystal 329 is used as an upper cladding layer, and n-type Al0.10Ga0.90Al having a band-shaped crystal body 329 made of an As crystal layer 323 as a material0.10Ga0.90As0.12N0.88The crystal layer 322 is used as a light emitting layer.0.30Ga0.70Al formed by converting the As crystal layer 3230.30Ga0.70As0.12N0.88A light emitting device (LED) as shown in FIG. 6 was constructed using the crystal layer as a lower cladding layer.
[0061]
The LED emitted blue-green light due to forward conduction between the p-type and n-type ohmic electrodes (327 and 328). When the forward current to be applied is relatively small, that is, slightly less than about 10 mA, light emission is caused by the Al existing between the band-shaped group III nitride semiconductor crystals 329.0.10Ga0.90As0.12N0.88It was visible as coming from the crystal layer. When a forward current of 20 mA was passed, the LED emitted blue-green light having a center wavelength of about 470 nanometers (nm). In addition to the main emission spectrum, a secondary spectrum having a wavelength of about 380 nm was measured. Comparing the emission intensities, the secondary spectrum was about 1/4 of the main spectrum. The forward voltage (value at 20 mA) is about 4 volts (V), and the reverse voltage (value at 10 μA) exceeds 10 V, resulting in an LED having excellent pn junction characteristics (rectifying properties). Was.
[0062]
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
According to the present invention, it is possible to form a group III nitride semiconductor crystal layer having a larger band gap via a droplet mainly containing a group III element constituting a group III-V compound semiconductor crystal. Can be. In this embodiment mode, an example of a semiconductor device using a group III nitride semiconductor crystal layer including a wide band gap crystal formed in such a selective region will be described.
[0063]
For example, a crystal layer that selectively includes a region having a band gap different from that of a surrounding region can improve the characteristics of a semiconductor device even if it does not have a fine structure sufficient to provide a quantum structure. Is useful as For example, a region having a width of several μm to several tens μm and a depth of less than about 0.1 μm, which corresponds to a recessed portion of a gate electrode, has a larger forbidden band width than other regions. The crystal subjected to the nitrogen substitution treatment as described above can be used as a channel layer of a field-effect transistor (FET), which improves the gate breakdown voltage.
[0064]
FIG. 7 is a schematic view of a cross-sectional structure of a modulation-doped field-effect transistor (a so-called MODFET) in which a region where a gate electrode is laid has a band gap larger than that of a surrounding crystal and a channel layer is a crystal layer. It is. In the configuration of the laminated structure for MODFET shown in FIG.7A high-resistance GaAs buffer layer 402 (thickness = 0.8 μm, carrier concentration <1 × 10 4) on an undoped semi-insulating (001) -GaAs substrate 401 of ohm-cm14cm-3), N-type channel layer 430 made of high-purity GaAs (layer thickness = 0.5 μm, carrier concentration <1 × 1014cm-3) And n-type Al with δ (delta) doping of silicon (Si)0.30Ga0.70As electron supply layer 431 (layer thickness = 0.2 μm, sheet carrier concentration = 1.5 × 1012cm-2) Were laminated using a normal MOCVD method.
[0065]
Once the film forming operation is stopped and the temperature is lowered, the entire surface of the electron supply layer 431 is made of silicon dioxide (SiO 2) doped with arsenic (As).2) Coated with membrane. By using a known photolithography technique, an opening was formed only in a substantially central surface area of the electron supply layer 431 having the recess structure 432. The width of the opening corresponding to the gate recess was set to 10 μm corresponding to the width between the source (source) and drain (drain) electrodes. The length was 250 μm. This rectangular opening has a longitudinal direction of <0. -1.1> It was arranged parallel to the crystal orientation. Next, SiO 22While keeping the film covered, it was heated at 780 ° C. for 10 minutes in a hydrogen stream in a heating furnace as shown in FIG. By this heating operation, Al exposed at the opening0.30Ga0.70Desorption of arsenic from the surface of the As layer was promoted, and a region 437 having a depth of approximately 0.05 μm from the surface was defined as a region where the Group III element was stoichiometrically rich.
[0066]
Thereafter, while maintaining the temperature at 780 ° C., ammonia gas was passed through the heating furnace instead of hydrogen gas to form an atmosphere consisting of ammonia alone, and then the group III element was stoichiometrically converted. A group III nitride semiconductor crystal layer was formed in the abundant region 437. The heat treatment in the ammonia atmosphere was performed for exactly 7 minutes after starting the flow of the ammonia gas into the heating furnace. Under these conditions, the composition analysis by Auger electron spectroscopy shows that Al0.30Ga0.70As crystal layer is Al0.30Ga0.70As0.06N0.94It is known to be converted to a crystalline layer. Al in an area other than the opening 4370.30Ga0.70As is arsenic-doped SiO2Since arsenic volatilization was prevented by coating the film, Al0.30Ga0.70It was left as As. Al0.30Ga0.70The band gap of As is about 1.65 eV, and0.30Ga0.70As0.06N0.94That of the crystal is calculated to be about 3.16 eV. Therefore, in the present embodiment, Al0.30Ga0.70This means that a region having a band gap larger by about 1.51 eV than that is formed in the As crystal layer.
[0067]
After the formation of the group III nitride semiconductor crystal layer was completed, the temperature was lowered to room temperature. After that, SiO2  After the film is wet-etched with a hydrofluoric acid buffer solution (buffered hydrofluoric acid), it is placed again in the MOCVD growth furnace, and the surface of the electron supply layer 431 including the region where the forbidden band width is selectively increased. Gallium arsenide nitride (GaAs) with a nitrogen composition ratio of 1%0.99N0.01) A crystal layer 433 was deposited. Next, while maintaining the temperature of the substrate 401 at 780 ° C., only the ammonia gas was allowed to flow at a flow rate of 0.8 liter per minute into the MOCVD furnace, thereby creating an atmosphere consisting of ammonia alone. Exposed for exactly 5 minutes after starting the flow of ammonia0.99N0.01A nitriding treatment was performed to increase the nitrogen composition ratio of the crystal layer. Thereby, GaAs0.99N0.01GaAs having a nitrogen composition ratio of 0.40 over the entire surface of the crystal layer0.99N0.40A crystal layer was formed.
[0068]
GaAs0.99N0.40After performing the patterning process for using the resulting crystal layer as a non-alloy ohmic contact layer, both ohmic electrodes of a source (source) 434 and a drain (drain) 435 are arranged on the surface of the same layer. . The gate electrode 436 is provided at the bottom of the recess 432 formed by removing substantially the center of the contact layer by etching. That is, Al0.30Ga0.70Convert As to Al0.30Ga0.70As0.06N0.94A gate electrode 436 having a gate length of 0.5 μm and having a multi-layer structure of titanium (Ti) and aluminum (Al) was laid on the surface of the region where the forbidden band width was large.
[0069]
As described above, since the gate electrode is laid on the region where the forbidden band width is large, the gate breakdown voltage when the drain current is 20 mA is about 5 to about 10 V in the conventional example. , About 15V. Since the leakage current was reduced along with the improvement of the gate withstand voltage, the MODFET was excellent in pinch-off characteristics. According to this embodiment, since a crystal region providing a high gate breakdown voltage can be planarly included in one crystal layer, a high resistance barrier (barrier) layer is intentionally formed by forming an electron supply to improve the gate breakdown voltage. There is no need to dispose it on a layer (immediately below a gate electrode), which is convenient for manufacturing a high gate breakdown voltage FET device.
[0070]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the stoichiometric composition of the group III and group V elements constituting the group III-V compound semiconductor crystal is set so that the group III side element is rich. The group III nitride semiconductor crystal can be formed by being dispersed on the crystal surface by a method of forming a group III nitride semiconductor crystal through a droplet formed by shifting to the side to be formed. Further, a group III nitride semiconductor microcrystal can be selectively formed at a desired position on the crystal surface. Therefore, a fine heterojunction structure including a crystal can be locally arranged in a selected region of the crystal. Further, a group III nitride semiconductor crystal layer in which regions having different band gaps are present can be easily formed. For example, a crystal layer including a region whose forbidden band width is larger than the other regions is effective in providing a field-effect transistor having high gate breakdown voltage, for example.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a surface state of a GaAs outermost layer after completion of a first step described in a first embodiment of the present invention.Appearance perspectiveFIG.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a heating furnace used in the embodiment.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of a surface of a laminated structure after a first and second steps described in a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a laminated structure according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an opening state of the silicon nitride selective mask material described in the embodiment.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting element including the stacked structure described in Embodiment.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a MODFET according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a linear crack parallel to the [011] crystal orientation that occurs when a {001} -InP single crystal is heated at a temperature lower than 500 ° C.
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining the shape of a Ga droplet formed by exposing a GaAs single crystal in a hydrogen stream at 850 ° C. for 15 minutes and the state of formation on the crystal surface.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a conventional laminated structure including a semiconductor layer having a general quantum dot (dot) configuration.
[Explanation of symbols]
10. DH structure light-emitting part consisting of a layer containing a quantum structure
11 heating furnace
20, 30, 40 laminated structure
101, 201, 301, 401 Crystal substrate
102,402 buffer layer
103 Lower cladding layer
104 light emitting layer
105 Upper cladding layer
106 linear slot
107 Quantum Dot Crystal
108 (001) surface of GaAs single crystal
109 Droplet containing Group III element as main component
110 [011] Depression (pit) surrounded by ridge line parallel to crystal direction
110a Substantially rectangular pit
110b A substantially square pit
111 heating furnace
112 support
113 Gas inlet
114 Resistance heating element
115 thermocouple
116 Zn-doped p-type GaAs growth layer
117 Ridge line imitating pit outline
218 n-type InP vapor phase growth layer
219 n-type Ga0.47In0.53As mixed crystal layer
220 Nearly spherical microcrystals
321 Si-doped n-type GaAs MBE growth layer
322 Si-doped n-type Al0.30Ga0.70AsMBE growth layer
323 Si-doped n-type Al0.10Ga0.90AsMBE growth layer
324 Silicon nitride (Si3N4) Coating
325 opening area
326 p-type GaN layer
327 p-type ohmic electrode
328 n-type ohmic electrode
329 Group III nitride semiconductor crystal formed in a belt shape
430 n-type GaAs channel layer
431 n-type Al0.30Ga0.70As electron supply layer
432 recess structure
433 GaAs0.99N0.01layer
434 source electrode
435 drain electrode
436 Gate electrode
437 Area for selectively increasing forbidden band width

Claims (7)

第III 族構成元素としてAl、Ga、Inのうち少なくとも1種を含み、第V族構成元素としてAsまたはPを含むIII −V族化合物半導体結晶の表面を加熱溶融して、該III −V族化合物半導体結晶中の第V族構成元素を揮散させ、該III −V族化合物半導体結晶の表面に部分的に第III 族構成元素を主成分とする液滴を形成する第1の工程と、前記液滴を有するIII −V族化合物半導体結晶を窒素を含む雰囲気中で加熱して、前記液滴中の第V族構成元素の一部もしくは全部を窒素に置換して第III 族窒化物半導体結晶に変換する第2の工程を備えてなることを特徴とするIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法。The surface of a III-V compound semiconductor crystal containing at least one of Al, Ga, and In as a group III constituent element and containing As or P as a group V constituent element is heated and melted to form the group III-V compound semiconductor. A first step of volatilizing a Group V constituent element in the compound semiconductor crystal to form a droplet mainly containing a Group III constituent element on a surface of the III-V compound semiconductor crystal; A group III-V compound semiconductor crystal having a droplet is heated in an atmosphere containing nitrogen, and part or all of the group V constituent elements in the droplet are replaced with nitrogen. A method for forming a group III nitride semiconductor crystal, comprising a second step of converting into a group III nitride semiconductor crystal. 使用するIII −V族化合物半導体結晶の融点をM(℃)としたときに、前記第1の工程における加熱溶融を500℃以上で(M−300)℃以下の温度範囲で行うことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法。When the melting point of the group III-V compound semiconductor crystal to be used is M (° C.), the heat melting in the first step is performed in a temperature range of 500 ° C. or more and (M-300) ° C. or less. The method for forming a group III nitride semiconductor crystal according to claim 1. 前記第1の工程における加熱溶融を、水素を含む雰囲気内で行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法。3. The method for forming a group III nitride semiconductor crystal according to claim 1, wherein the heating and melting in the first step are performed in an atmosphere containing hydrogen. 前記第1の工程での加熱温度または加熱時間の少なくともいずれか一方を調節することにより、前記液滴の大きさを制御することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法。4. The method according to claim 1, wherein the size of the droplet is controlled by adjusting at least one of a heating temperature and a heating time in the first step. A method for forming a group III nitride semiconductor crystal according to the above. 前記第1の工程において、前記III −V族化合物半導体結晶表面のIII 族窒化物半導体結晶体を形成したい箇所に開口部を有する保護被膜を被着した後に加熱溶融を行うことにより、結晶表面の所望の位置に液滴を形成することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法。In the first step, a protective film having an opening is applied to a portion of the surface of the III-V compound semiconductor crystal where the group III nitride semiconductor crystal is desired to be formed, and then the surface is melted by heating. The method for forming a group III nitride semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 4, wherein a droplet is formed at a desired position. 前記窒素を含む雰囲気として、窒素と水素の化学結合(N−H)を内在する分子を含む気体雰囲気を使用することを特徴とする請求項5に記載のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法。6. The method for forming a group III nitride semiconductor crystal according to claim 5, wherein a gas atmosphere containing a molecule containing a chemical bond (N-H) of nitrogen and hydrogen is used as the nitrogen-containing atmosphere. . 使用するIII −V族化合物半導体結晶の融点をM(℃)としたときに、前記第2の工程における加熱を400℃以上で(M−300)℃以下の温度範囲で行うことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のIII 族窒化物半導体結晶体の形成方法。When the melting point of the group III-V compound semiconductor crystal used is M (° C.), the heating in the second step is performed in a temperature range of 400 ° C. or more and (M-300) ° C. or less. The method for forming a group III nitride semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 6.
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