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JP4948720B2 - Nitrogen compound semiconductor laminate, light emitting element, optical pickup system, and method for producing nitrogen compound semiconductor laminate. - Google Patents

Nitrogen compound semiconductor laminate, light emitting element, optical pickup system, and method for producing nitrogen compound semiconductor laminate. Download PDF

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JP4948720B2 JP2001259254A JP2001259254A JP4948720B2 JP 4948720 B2 JP4948720 B2 JP 4948720B2 JP 2001259254 A JP2001259254 A JP 2001259254A JP 2001259254 A JP2001259254 A JP 2001259254A JP 4948720 B2 JP4948720 B2 JP 4948720B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒素化合物半導体からなる積層物、該積層物を使用する発光素子、該発光素子を使用する光ピックアップシステム、および該積層物の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
窒素化合物半導体の特性を利用して、発光素子やハイパワーデバイスの研究および開発が進んでいる。例えば、発光素子の場合、利用する窒素化合物半導体の組成を調整することにより、技術的には紫色から橙色までの幅の広い発光素子を得ることができる。近年、窒素化合物半導体の特性を利用して、青色発光ダイオードや、緑色発光ダイオードの実用化がなされ、また、半導体レーザー素子として青紫色半導体レーザーが開発されてきている。
【0003】
窒素化合物半導体膜を製造する際には、基板として、サファイア、SiC、スピネル、Si、GaAs、GaN等の基板が使用される。例えば、基板としてサファイアを使用する場合、GaN膜をエピタキシャル成長する前に、あらかじめ、500℃〜600℃の低温で、基板上にGaNまたはAlNのバッファー層を形成し、その後、基板を1000℃〜1100℃の高温に昇温して窒素化合物半導体膜のエピタキシャル成長を行うと、表面状態の良い、構造的および電気的に良好な結晶が得られることが知られている。SiCを基板として使用する場合、エピタキシャル成長を行う温度で、薄いAlN膜をバッファー層として使用すると良いことが知られている。
【0004】
しかし、窒素化合物半導体以外の基板を使用すると、成長する窒素化合物半導体膜と基板との熱膨張係数の違いや、格子定数の違いにより、製造される窒素化合物半導体中に多数の欠陥が存在する。その欠陥密度は、合計で約2×107cm-2〜1×109cm-2にもなる。このような多数の転位は、例えば半導体膜において、電気伝導を制御するキャリアをトラップし、製造した膜の電気的特性を損ねることが知られている他、大電流を流すようなレーザー等の発光素子において、寿命の低下を招くことが知られている。そのため、格子欠陥を低減し、かつ電気的特性を良好にするために、ハイドライド気相成長法(H−VPE)や、高圧合成法、昇華法等といった手法を用いて、GaN等の窒素化合物半導体の厚膜を形成し、該厚膜を基板として使用することが試みられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、窒素化合物半導体の厚膜から得られる基板(以下、窒素化合物半導体基板と呼ぶ)上で、新たに窒素化合物半導体の結晶を成長させると、結晶表面の平坦性が元の基板表面と比較して悪くなる場合がある。これは、窒素化合物半導体基板の表面状態に起因するものである。厚い窒素化合物半導体膜の表面は、c軸方向およびa軸方向に微量なズレを有し得ることが知られている。そのため、窒素化合物半導体基板上に窒素化合物半導体の結晶を成長させると、多数の領域で微妙に異なる方向に結晶成長の安定面が形成されるようになり、それが、成長膜の平坦性を損なう原因になり得る。表面の平坦性が良好でない発光素子は、面内において発光強度の顕著な分布が発生し得る。このような分布によって、レーザ素子においては発振開始の閾値電流が高くなったり、レーザ素子を用いた光ピックアップシステムでは遠視野像または近視野像が安定しないという現象が生じ得る。
【0006】
本発明の一つの目的は、表面が平坦な窒素化合物半導体の積層物を提供することである。
【0007】
本発明のさらなる目的は、半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子に有用な窒素化合物半導体積層物を提供することである。
【0008】
本発明のさらなる目的は、特性の向上した発光素子を提供することである。
本発明のさらなる目的は、性能の向上した光ピックアップシステムを提供することである。
【0009】
本発明のさらなる目的は、窒素化合物半導体の結晶上に平坦な結晶層を形成するための方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためには、基板上に窒素化合物半導体をエピタキシャル成長させる際、該基板における微小領域から個別に発生する安定な結晶面を同一方向に統合することが必要となる。この課題に対し、本発明者らは、炭素がドーピングされた窒素化合物半導体層を介して窒素化合物半導体の結晶層を基板上に成長させれば、極めて平坦な表面を有する結晶層が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【0011】
本発明により窒素化合物半導体積層物が提供され、該積層物は、窒素化合物半導体からなる第1の結晶層、第1の結晶層上に直接形成され、かつ炭素を不純物として含む窒素化合物半導体からなる中間層、および中間層上に直接形成され、かつ窒素化合物半導体からなる第2の結晶層を備える。
【0012】
本発明による積層物において、中間層の厚みは、5nm以上500nm以下が好ましく、10nm以上200nm以下がより好ましい。また、中間層における炭素の濃度は5×1018cm-3以上5×1021cm-3以下であることが好ましい。
【0013】
本発明において、第1の結晶層は、ガリウムおよび窒素を主成分とすることができる。この場合、中間層の窒素化合物半導体は、GaNおよびAlxGa1-xN(0≦x≦1)よりなる群から選ばれたものとすることが好ましい。また、AlGaNの場合、中間層の窒素化合物半導体は、AlxGa1-xN(0≦x≦0.3)がより好ましい。これらの窒素化合物半導体には、効率的に炭素の添加を行うことができる。
【0014】
本発明による積層物において、典型的には、第2の結晶層はエピタキシャル成長層である。本発明の積層物は、その上に素子を形成するためのエピタキシャルウェハとして提供してもよい。積層物またはエピタキシャルウェハにおいて、第2の結晶層の表面粗さRaは、典型的には30nm以下である。
【0015】
また、本発明により発光素子が提供され、該発光素子は、上述した窒素化合物半導体積層物、該積層物の第2の結晶層上に形成され、かつ窒素化合物半導体からなる、電力から光出力を生じさせるための積層構造物、および積層構造物に電力を供給するための電極を備える。該発光素子は、たとえば半導体レーザである。
【0016】
さらに、本発明により光ピックアップシステムが提供され、該システムは、光学系に光を供給するための装置として、本発明による発光素子、特に半導体レーザを備える。
【0017】
また、本発明により窒素化合物半導体積層物の製造方法が提供される。該製造方法は、窒素化合物半導体からなる第1の結晶層上に、炭素の供給源、周期律表における第3族元素の供給源、および窒素の供給源から、炭素を不純物として含む窒素化合物半導体を形成する第1の工程、および該炭素の供給源の供給を停止し、第1の工程に連続して、周期律表における第3族元素の供給源および窒素の供給源から、窒素化合物半導体からなる第2の結晶層を形成する第2の工程を備える。この製造方法において、第1の工程および第2の工程は、有機金属気相成長法によって行われることが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
典型的に、本発明による積層物は、図1に示すような構造を有する。窒素化合物半導体積層物10において、窒素化合物半導体からなる第1の結晶層11上には、炭素を不純物として含む窒素化合物半導体の中間層12が形成され、その上には、窒素化合物半導体からなる第2の結晶層13が形成される。中間層12は、第1および第2の結晶層の両方に接している。一般に、中間層12は、第2の結晶層13より薄いものである。以下に説明するように、中間層12が、第2の結晶層13の表面を平滑にするのに寄与している。典型的には、第1の結晶層は、単結晶層であり、第2の結晶層は、エピタキシャル成長層である。
【0019】
本発明による積層物において、第1の結晶層は、窒素化合物半導体基板であってもよいし、サファイア等の他の基板上に形成されたものであってもよい。第1の結晶層が基板を形成する場合、その厚みは、たとえば20〜2000μmであり、好ましくは100〜500μmである。一方、第1の結晶層が、サファイア等の他の基板に形成される場合、その厚みは、たとえば3〜500μmであり、好ましくは10〜200μmである。第1の結晶層は、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)、InGaN、AlGaN、InGaN等から形成できる。典型的には、第1の結晶層は、ガリウムおよび窒素を主成分とする。特にGaNは、第1の結晶層に好ましい。また、第1の結晶層の好ましい材料として、AlGaN、InGaN、InGaAlNなど、GaNにおけるGaの一部がAl、Inまたはそれら両方で置換された窒素化合物半導体がある。第1の結晶層は、適当な導電型(典型的にはn型)の不純物を適当な密度で含んでいてもよい。
【0020】
本発明による積層物において、炭素をドーピングした窒素化合物半導体からなる中間層は、その上に形成される第2の結晶層の表面を平坦にする役割を果たしている。この中間層を介して第1の結晶層上に第2の結晶層を設ければ、微小領域でそれぞれ発生する安定な結晶面を統合することができ、第2の結晶層の表面を平坦にすることができる。後述するように、この中間層に起因してもたらされる極めて平坦な表面は、発光素子において発光ムラを低減し、均一な発光特性および強い発光強度をもたらし得る。
【0021】
中間層を形成する窒素化合物半導体には、GaN、AlxGa1-xN(0<x<1)、InyGa1-yN(0<y<1)、AlN、InN、InxGayAl1-(x+y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)などがある。GaNおよびAlxGa1-xN(0≦x≦0.3)は中間層の材料としてより好ましい。後述するように、中間層に適当な組成の窒素化合物半導体を使用することによって、極めて平坦な表面を有する積層物または素子構造物を得ることができる。平坦な表面は、発光素子において、発光強度の面内均一性を向上させ、発光強度を高める。
【0022】
図2は、発光素子のための窒素化合物半導体積層物を二次イオン質量分析法(SIMS)によって分析した結果を示している。図2においてピークが、炭素を不純物として含む中間層の部分を表している。したがって、向かってピークの右側は、第1の結晶層(たとえば、GaN基板)を表し、ピークの左側は、第2の結晶層(たとえば、発光素子のための窒素化合物半導体層)を表している。典型的に、本発明による積層物は、図2に示すように、第1の結晶層と第2の結晶層との間に、それらの層より炭素濃度が顕著に高い中間層を挟んだ構造を有する。典型的に、中間層における炭素濃度の分布は、図2に示すようであり、そこにおいて、炭素濃度は、中間層のいずれかの位置(たとえば中間層の真ん中の位置)で最高値となり、その点から第1および第2の結晶層にそれぞれいくにしたがって、減少する。本発明において、中間層は、第1および第2の結晶層に比べて炭素濃度が顕著に高い層ということができるが、その厚みは、炭素濃度の分布のため、はっきりとした値として特定することが困難であるかもしれない。そこで、本明細書では、以下のようにして求めた値を中間層の厚みとして定義する。まず、SIMS分析により図2に示すような深さに対する炭素濃度の分布を求める。次いで、得られたチャートのうち、炭素濃度のピークに着目し、図3に示すように、ピークの最大値の1/2の値にあたる部分のピーク幅(半値幅)wを中間層の厚みと定義する(ただし、図3は、縦軸がリニアスケールである例を示しており、リニアスケールでない場合も、これに準じて1/2の値にあたる部分の幅から厚みを定義することができる)。ピークの最大値は、バックグラウンドに対する頂点の高さである。
【0023】
本発明において、中間層の厚みは、第2の結晶層の結晶性を良好に保つことができるよう設定される。中間層の厚みは、一般的に5nm〜500nmであり、好ましくは10nm〜200nmである。これらの範囲内の厚みを有する中間層を用いることにより、微小領域において結晶面が独立して形成される影響を効果的に少なくし、平滑な表面を第2の結晶層に効果的にもたらすことができる。また、これらの範囲内の厚みを有する中間層上に第2の結晶層を形成すれば、良好な結晶性および電気的特性を得ることができる。一方、中間層が極端に薄くなると、結晶面の統合により平滑な表面をもたらす効果が小さくなってくる。中間層が極端に厚くなると、第2の結晶層の結晶性が悪くなる可能性がある。
【0024】
中間層に含まれる炭素の濃度は、5×1018cm-3〜5×1021cm-3が好ましい。この濃度範囲は、特に微小領域において結晶面が独立して形成される影響を効果的に少なくし、平滑な表面を第2の結晶層に効果的にもたらすことができる。
【0025】
本発明において、第2の結晶層は、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)、InGaN、AlGaN、InGaAlN等から形成できる。典型的には、第2の結晶層は、ガリウムおよび窒素を主成分とする。特にGaNは、第2の結晶層に好ましい。また、第2の結晶層の好ましい材料として、AlGaN、InGaN、InGaAlNなど、GaNにおけるGaの一部がAl、Inまたはそれら両方で置換された窒素化合物半導体がある。第2の結晶層は、適当な導電型(典型的にはn型)の不純物を適当な密度で含んでいてもよい。第2の結晶層の厚みは、たとえば0.1〜10μmであり、好ましくは1〜5μmである。
【0026】
本発明による窒素化合物半導体積層物は、素子の製造に有用なウェハとして提供できる。この場合、第2の結晶層は、典型的にはエピタキシャル成長層である。ウェハの表面(第2の結晶層の表面)に関し、表面粗さRaは、典型的には30nm未満であり、好ましくは20nm以下である。表面粗さRaの範囲は、典型的には1〜20nmであり、好ましくは1〜10nmである。ここで表面粗さは、中心線平均粗さであり、測定の長さは、100μm〜1mm、典型的には300μmである。本実施例で記述しているRaは、Sloan社のDektak3STを用い、300μmのスキャンを行って測定した。
【0027】
本発明による窒素化合物半導体積層物は、発光ダイオード、半導体レーザ等の発光素子、パワーデバイスなどを含む種々の素子に使用することができる。これらの素子において、典型的には、本発明による窒素化合物半導体積層物は、基板部分を構成する。本発明による窒素化合物半導体積層物は、素子表面の平坦度を飛躍的に向上させることができ、その結果、素子の性能を高めることができる。
【0028】
特に、本発明による発光素子は、平坦度が顕著に向上した発光面を有することができる。そのような発光素子において、面内の発光分布(発光ムラ)は少なく、均一な発光特性を有し得る。また、そのような発光素子において、光の伝播における損失を低減することができ、閾値電流密度を下げることができる。特に、量子井戸型の発光素子において、そのような特性の向上は顕著であり得、安定で強い発光強度を得ることができる。発光素子は、光出力をもたらす任意の素子を含む。典型的な発光素子には、発光ダイオード、半導体レーザ等がある。典型的に、本発明は、ダブルヘテロ接合レーザ、特に量子井戸レーザに適用される。
【0029】
具体的に、本発明による発光素子は、上述した窒素化合物半導体積層物、その第2の結晶層上に形成され、かつ窒素化合物半導体からなる、電力から光出力を生じさせるための積層構造物、および該積層構造物に電力を供給するための電極を備える。光出力のための積層構造物は、ダブルヘテロ接合構造において、n型クラッド層、活性層およびp型クラッド層を含む。活性層は、好ましくは量子井戸層である。電極は、p電極およびn電極を含む。本発明による窒素化合物半導体積層物を基板として用いる場合、電極(典型的にはn電極)を第1の結晶の表面上に形成することができる。
【0030】
本発明による発光素子、特に半導体レーザは、光ピックアップシステムに有用である。具体的に、本発明により、上記発光素子を、光学系に光を供給するための装置として有する光ピックアップシステムが提供される。光学系は、用途に応じて適当な要素を含む。たとえば、光学系は、半導体レーザからの光を受けるコリメータレンズ、回折格子、偏光ビームスプリッタ、1/4波長板、対物レンズ、および光検出器を含む。光学系には、通常のものを使用することができる。光ピックアップシステムにおいて、本発明による半導体レーザ(たとえば、へき開面を有する半導体レーザ)は、安定した特性の遠視野像および近視野像を形成することができ、システムの読み取りおよび書き込み精度を向上させることができる。
【0031】
本発明による窒素化合物半導体積層物は、第1の結晶層の厚みが100μmを超える場合、特に有効である。厚さが100μmを超える窒素化合物半導体基板(第1の結晶層)には、製作時に発生する微小なクラックや、集中した転位が多く存在し得る。本発明らの実験の結果、炭素を含む中間層は、微小クラックや転位の第2結晶層への影響を顕著に低減できることがわかった。
【0032】
また、本発明による窒素化合物半導体積層物は、気相成長法により形成した第1の結晶層に対し、特に有効である。H−VPE法、MOCVD法などの気相成長法によって形成された厚い窒素化合物半導体の表面には、表面粗さRaが50nmを超える凹凸が存在し得る。この凹凸は、厚膜を得る過程において、窒素化合物半導体分子が気相中で凝集することに起因する。凹凸を有する表面上に直接、窒素化合物半導体の結晶層を形成すると、得られる結晶層の表面に、該凹凸がそのまま反映されるか、あるいは該凹凸が増幅されて現れることがある。本発明らの実験の結果、炭素を含む中間層が、そのような凹凸の影響を顕著に低減することがわかった。
【0033】
本発明による窒素化合物半導体積層物は、以下のようなプロセスによって調製できる。まず、窒素化合物半導体からなる第1の結晶層上に、炭素の供給源、周期律表における第3族元素の供給源、および窒素の供給源から、炭素を不純物として含む窒素化合物半導体を形成する。第1の結晶層は、気相成長法等により製造された窒素化合物半導体基板であってもよいし、サファイア等の他の基板上に形成されたものであってもよい。炭素の供給源および第3族元素の供給源は、それぞれ、熱分解によって対応する元素を放出できる化合物、たとえば、有機化合物、ハロゲン化物、水素化物とすることができる。窒素の供給源は、熱分解によってNを供給できる化合物、好ましくはアンモニア(NH3)とすることができる。この工程により、第1の結晶層上に、炭素ドープ窒素化合物半導体層が形成される。炭素のドーピング濃度は、炭素源の供給量および温度によって調節することができる。次いで、この工程に連続して、炭素源の供給を停止し、第3族元素の供給源および窒素の供給源から、窒素化合物半導体からなる第2の結晶層を形成する。第3族元素の供給源および/または窒素の供給源は、炭素ドープ層の形成の時と同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。また、異なる第3族元素の供給源を追加してもよい。使用される典型的な第3族元素は、Ga、AlおよびInである。これらの工程は、有機金属気相成長法によって行うことが好ましい。
【0034】
以下、本発明を具体例に基づいてさらに詳細に説明する。本発明の具体例において、窒素化合物半導体基板は、ハイドライド気相成長法(H−VPE法)、高圧合成法、昇華法等により製造することができる。窒素化合物半導体基板の材料には、窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウム(InN)、窒化アルミニウム(AlN)、InGaN、AlGaN、InGaAlN等がある。典型的には、窒化ガリウム(GaN)が使用される。窒素化合物半導体基板にドーピングされる不純物には、シリコン(Si)、塩素(C1)、マグネシウム(Mg)、酸素(0)等がある。素子を製造するため、ドーピングされた窒素化合物半導体基板がしばしば使用される。基板の表面は、上述した製造方法で得られたままでもよいし、物理的あるいは化学的に研磨されていてもよい。窒素化合物半導体の厚みが100μmを越える場合、当該半導体のみによって基板を構成することができる。一方、窒素化合物半導体の厚みが100μm以下の場合、サファイア等からなる下地の上に当該窒素化合物半導体の結晶層が形成された基板を好ましく使用できる。
【0035】
実施例1
要約すると、本実施例は、以下の工程を行った。H−VPE法を用いて、サファイア基板上に500μmの厚みでSiがドーピングされたGaN厚膜を形成した。GaN厚膜をサファイア基板からはずし、窒素化合物半導体基板として用いた。該基板上に、不純物として炭素を含むGaN膜、および約4μmの厚みを有するGaN膜をそれぞれ有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて形成した。以下、詳細なプロセスを記載する。
【0036】
まず、洗浄を行った2インチ径のサファイア基板をH−VPE装置に導入し、1000℃で加熱した。加熱している基板に対して、800℃に熱したガリウム(Ga)中を通した塩化水素(HCl)300CC/分と窒素ガス(N2)1000CC/分を約15分間流した後、アンモニア(NH3)を1000CC/分、ジクロロシラン(SiH2Cl2)を100nmol/分の流量で導入して、約2時間GaNを基板上に成長させた。次いで、塩化水素およびジクロロシランの供給を停止し、基板の温度を下げた。室温になった時点でアンモニアの供給を停止し、成長したGaN膜をサファイア基板と共にH−VPE装置より取り出した。このようにして成長したサファイア上のGaN膜は、サファイアとGaNとの熱膨張差のため、降温時にその殆どが自然に剥離した。自然剥離したGaN膜は、厚さが約400〜500μmであった。以上の様にして得られたGaN厚膜の裏面(サファイア基板に接触していた側。以下、GaN基板裏面と称する)は、凹凸が激しいため、ダイヤモンド粉を用いて平らに研磨した。また、GaN厚膜の表面(上記裏面に対向する面。以下、GaN基板表面と称する)は、微小な六角状の凹凸をまばらに発生させていたが、大部分は目視で鏡面であった(以下、この得られた基板をGaN基板と称する)。
【0037】
次に、GaN基板をアセトンおよびエタノールを用いて洗浄を行った後、MOCVD装置に導入し、GaN基板の表面上に、以下に示す手順で、炭素を含むGaN膜、および約4μmの厚みを有するGaN膜を順次成長させた。以下、図4を参照しながら説明を行う。まず、MOCVD装置内にセットされたGaN基板201に窒素5000cc/分と水素1000cc/分を流しながら、約15分の時間をかけて、800℃の温度に昇温した。その際、熱によりGaNが分解しないように、温度が400℃を越えた時点でアンモニアを4000cc/分の流量で導入した。温度が800℃に達すると、第3族元素用原料としてトリメチルガリウム(TMG)を20μmol/分、炭素材料として四臭化炭素(CBr4)を20μmol/分の流量でそれぞれ導入して、炭素ドーピングしたGaN膜202を約20nmの厚さで成長させた。その後、四臭化炭素の供給を停止し、基板の温度を1050℃に昇温し、トリメチルガリウムの供給量を100μmol/分に増加し、継続してGaN膜203の成長を始めた。このようにして、1時間かけて約4μmの厚みのGaN膜204の成長を行った。成長が終了すると、トリメチルガリウムの供給を停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温になれば、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、得られたGaNエピタキシャル成長膜を有するGaN基板を装置から取り出した。
【0038】
得られた窒素化合物半導体積層物について、炭素ドーピングしたGaN膜202中の炭素濃度を二次イオン質量分析(SIMS)装置を用いて測定した結果、図2に示すようなチャートが得られた。当該層における炭素濃度は、約1×1020cm-3であった。上記プロセスにおいて、炭素をドーピングしたGaN膜の成長温度が、炭素をドーピングしていないGaN膜の成長温度よりも低い理由は、効率良く炭素をドーピングするためである。成長温度を上げて炭素をドーピングする場合、導入する四臭化炭素の量を増加する必要があった。一方、成長温度を下げて炭素をドーピングすれば、導入する四臭化炭素の量を低減することができた。得られたGaN膜204の表面の表面粗さRaは、約5nmであった。
【0039】
実施例2
実施例1で得られたGaN基板上に、炭素ドープ層およびGaNエピタキシャル成長層を形成し、その上に図5に示すような発光ダイオード(LED)を作製した。以下、製造プロセスを図5を参照しながら記述する。
【0040】
まず、GaN基板にn型の導電性を持たせるため、常法に従い、不純物としてSiを基板にドーピングした。これにより、基板の下部に電極を形成することができ、光の取り出し等に有効である。導電性を有するSiドープGaN基板102をMOVCD装置にセットし、上述したGaN膜と同様に、窒素5000cc/分と水素1000cc/分を流しながら、約15分の時間をかけて、800℃の温度に昇温した。その際、熱によりGaNが分解しないように、温度が400℃を越えた時点でアンモニアを4000cc/分の流量で導入した。温度が800℃に達すると、第3族元素用原料としてトリメチルガリウム(TMG)を20μmol/分、炭素材料として四臭化炭素(CBr4)を20μmol/分の流量でそれぞれ導入し、炭素ドーピングしたGaN膜103を約20nmの厚さに成長させた。その後、四臭化炭素の供給を停止し、基板の温度を1050℃に昇温し、トリメチルガリウムの供給量を100μmol/分に増加し、モノシラン(SiH4)を5nmol/分で供給し、継続してGaN膜901の成長を始めた。このようにして、1時間かけて約4μmの厚みのGaN膜901の成長を行った後、トリメチルガリウムおよびモノシランの供給を停止し、基板の温度を約750℃まで下げた。基板温度が750℃になると、トリメチルガリウムおよびIn原料を供給し、3対のIn0.05Ga0.95N/In0.35Ga0.65Nより構成される発光層902を形成した。その後、トリメチルガリウムおよびIn原料の供給を停止し、再び成長温度を1050℃に昇温して、順次、30nm厚のAl0.2Ga0.8Nよりなるキャリアブロック層903、p型キャリア用ドーパントとしてMgを1×1018cm-3の濃度で有する0.3μm厚のp型GaNコンタクト層904を形成した。Mgをドーピングするための材料として、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を使用した。また、In原料としてトリメチルインジウム、A1原料としてトリメチルアルミニウムを使用した。次いで、第3族元素原料の供給を停止し、基板温度を室温に降温して、LED層構造の調製を終了した。得られたLED構造の最表面に関し、表面粗さRaは、5nmであった。次いで、必要な電極を形成し、発光ダイオードを得た。得られた発光ダイオードにおいて、発光中心波長は460nmであった。発光面を顕微鏡で観察すると、面内は均一に発光しており、強度および色の発光ムラは観測できなかった。
【0041】
比較例1
本比較例では、実施例1と同様の方法で作製したGaN基板上に、炭素をドーピングしたGaN膜を形成せずに、直接4μm厚みのGaN膜を形成し、ついで、その上に、窒素化合物半導体発光素子を形成した。以下、プロセスを図6を参照しながら説明する。実施例1と同様、MOCVD装置内にセットされたGaN基板201を、窒素5000cc/分と水素1000cc/分を流しながら、約15分の時間をかけて、1050℃の温度まで加熱した。その際、熱によりGaNが分解しないように、温度が400℃を越えた時点でアンモニアを4000cc/分の流量で導入した。温度が1050℃に達すると、第3族元素原料としてトリメチルガリウム(TMG)を100μmol/分の流量で導入して、アンドープのGaN膜212の成長を開始した。アンドープGaN膜は、成長初期から六角錐形状の突起が多数発生しており、成長時間が経過するに従い、突起による凹凸は少しずつ増加する傾向にあった(213)。この凹凸は一定の値になるとそれ以上は増加しなかった。このようにして、1時間かけて約4μmの厚みのGaN膜214を形成した。成長が終了するとトリメチルガリウムの供給を停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温になったとき、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、GaN基板を取り出した。炭素ドープ層なしで、得られたGaN膜214の表面粗さRaは、約30nmであった。
【0042】
次に、実施例2と同様にして、GaN膜上にLED構造を形成し、ついで電極を形成して発光ダイオードを得た。得られたLEDの表面には、六角錐形状の突起が多数発生しており、表面粗さRaは約30nmであった。得られたLEDの発光中心波長は460nmであった。その発光面を顕微鏡で観察すると、面内には、突起の形状に依存していると考えられる強度ムラおよび色ムラが観測された。
【0043】
実施例3
本実施例では、炭素ドープ層を形成する前に、GaN基板を高温で熱処理した。以下、図4を参照しながら、プロセスを説明する。H−VPE法を用いて実施例1と同様に作製したGaN基板の裏面を、ダイヤモンド粉を用いて平らに研磨した後、アセトンおよびエタノールを用いて洗浄した。基板201をMOCVD装置に導入し、水素5000cc/分と、アンモニア3000cc/分を流しながら、約15分かけて、基板温度を1000℃に昇温した。昇温後、基板温度を1000℃に保持したまま、約10分、基板を加熱処理した。その後、水素の供給を停止し、窒素を5000cc/分で流し、アンモニアを3000cc/分で流しながら、約15分の時間をかけて、600℃の温度に降温させた。温度が600℃に達すると、第3族元素原料としてトリメチルガリウム(TMG)を20μmol/分の流量、炭素原料として四臭化炭素(CBr4)を5μmol/分の流量でそれぞれ導入し、炭素ドーピングしたGaN膜202を約20nmの厚さで形成した。その後、四臭化炭素の供給を停止し、基板の温度を1050℃に昇温し、トリメチルガリウムの供給量を100μmol/分に増加し、継続してGaN膜203の成長を開始した。このようにして、1時間かけて約4μmの厚みのGaN膜204を形成した。次いで、トリメチルガリウムの供給を停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温になったとき、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、GaN膜を取り出した。炭素ドーピングしたGaN膜202中の炭素濃度は、二次イオン質量分析(SIMS)装置を用いた分析の結果、1×1020cm-3であった。炭素をドーピングしたGaN膜の成長温度が、炭素をドーピングしていないGaN膜の成長温度よりも低い理由は、効率良く炭素をドーピングするためである。成長温度を上げて炭素をドーピングするためには、導入する四臭化炭素の量を増加する必要がある。一方、成長温度を下げて炭素をドーピングすれば、導入する四臭化炭素の量を低減することができる。
【0044】
得られたGaN膜204の表面粗さRaは、約5nmであった。この表面の平坦度は、良好である。GaN膜204は、微小なクラックや転位、研磨傷の影響が実質的になく、より好ましい表面を形成していた。水素およびアンモニアの存在下におけるGaN基板の加熱処理によって、基板最表面の再配列が生じ、クラックや転位がほぼ消滅し得たと考えられた。この加熱処理は、アンモニアを含む雰囲気中で効果的に行うことができ、更には、水素が存在することがより好ましい。微小クラックや転位の消滅に加え、GaN基板の表面に存在する微小な凹凸のGaN膜204への伝播が抑制されることも確認された。
【0045】
基板の加熱処理による効果は、比較的高温において、基板表面の原子を再配列させ、微小クラック、転位、凹凸、傷等を消滅させることに起因し得る。さらなる実験の結果、この効果は、450〜1100℃の温度における熱処理によって得られることがわかった。熱処理の雰囲気に関し、アンモニア、またはアンモニアと水素の混合物に対し、窒素等の不活性ガスを添加してもよい。また、水素の代わりに窒素を用いてもよい。ただし、窒素濃度が高くなると、基板表面が荒れる傾向にあった。アンモニア濃度は、雰囲気全体の1/2以下が好ましく、1/10以下がより好ましい。アンモニア濃度が高くなると、基板表面に団子状の析出物が形成されやすくなる。一方、アンモニア濃度が低いと、基板から窒素が抜けやすくなり、表面の荒れが生じ得る。
【0046】
実施例4
本実施例では、炭素を含む中間層の種類が、得られる発光素子の平坦性および発光特性に与える影響を調査した。実施例1と同様の方法により作製したGaN基板上に、20nm厚さの炭素を含む中間層を介して、約4μmの厚みのGaN膜を形成した。四臭化炭素の導入量を制御し、中間層における炭素ドーピング量が、それぞれ1×1019cm-3および1×1020cm-3である2種類の積層物を得た。また、比較のため、四臭化炭素を導入せずに基板上にGaN膜を成長させた。中間層の窒素化合物半導体として、A1 xGa1-xNおよびIn yGa1-yNを用い、xおよびyの値を、≧x≧0、0.35≧y≧0の範囲で変え、組成の調節を行った。このうち、炭素を含むIn y Ga 1-y 膜を製造する際には、成長温度が高いと組成の調節が困難になるため、700℃で成長を行なった。A1原料として、トリメチルアルミニウム(TMA)を使用し、In原料としてトリメチルインジウム(TMI)を使用した。最終的に得られたGaN膜の表面粗さを測定し、炭素を含む中間層の組成と表面粗さとの関係を評価した。得られた結果を図7および図8に示す。図7を参照すると、明らかに、炭素を含むA1 x Ga 1-x (1≧≧0)を介してGaN膜を成長させると、該GaN膜の表面の凹凸が低減されていることがわかる。しかし、A1組成比が0.3を超えると、中間層自体の抵抗が高くなり、発光素子を形成するとき、基板下部に電極を形成することが困難になる。また、GaN基板を使用する場合、中間層のA1組成比が高くなると、中間層自体にクラック等が発生し得、格子不整合の影響による転位が発生しやすくなる。それらは、発光に起因するキャリアを消滅させるため、発光素子の発光効率が低下し得る。したがて、中間層にA1 x Ga 1-x を用い、その上に発光素子を形成する場合、望まれるA1組成比は0.3以下である。一方、図8に示すように、中間層にIn y Ga 1-y を用いる場合、In組成比が0.35以下(≦0.35)であれば、中間層の作用により、表面の平坦性は顕著に向上する。しかし、In組成比が増加するに従い、全般的に表面の荒れが増加する傾向にあり、中間層の効果は薄くなり得る。また、得られる発光素子の表面粗さと発光ムラには顕著な相関があり、表面粗さの大きい発光素子は、発光ムラが大きくなる傾向を示している。
【0047】
実施例5
本実施例では、中間層の厚さが、その上にエピタキシャル成長されたGaN膜の表面粗さ、ならびにその上に形成された発光素子の表面粗さおよび発光特性に、どのように影響を与えるか調査した。中間層にはGaNまたはAlNを使用した。中間層の炭素濃度を1×1020cm-3に固定し、中間層の膜厚を変化させた。上記と同様、GaN基板上に、種々の厚みの中間層を形成し、その上に約4μmの厚みのGaN膜をエピタキシャル成長させた。中間層の厚みは、製造時間に比例して厚くなるため、製造時間を調節することにより膜厚の制御を行った。得られた積層物について表面粗さRaを測定した。図9に、中間層であるGaN膜およびAlN膜の厚みと、表面粗さとの関係を示す。GaNおよびAlNのいずれの場合も、中間層を設けることにより得られる積層物の表面粗さは小さくなっている。特に、中間層の厚みが5nm〜500Nmの範囲で、顕著に表面粗さが小さくなっていることがわかる。実施例1と同様に、発光素子を作製し発光特性の評価を行った。その結果、表面粗さと発光素子の発光ムラには顕著な相関があり、表面粗さの大きい発光素子は発光ムラが大きくなる結果が得られた。また、発光層に量子井戸を用いる場合、特に中間層の厚みが10nm〜200nm以下の範囲で発光強度が最も強く安定になる傾向がみられた。この範囲で、中間層上に形成される窒素化合物半導体発光泰子の表面凹凸が最も小さくなり、量子井戸が均一に形成され、発光の効率向上がもたらされているためであると推測された。
【0048】
実施例6
本実施例では、中間層の炭素濃度が、GaN膜の表面、ならびに発光素子の表面および特性に与える影響を調査した。中間層の炭素濃度を制御する方法として、以下の2種の方法を比較した。一つの方法は、中間層を形成するときの温度を一定にし、ドーピング材料である四炭化臭素の添加量を変化させる方法であり、もう一つの方法は、中間層を形成する時の温度を変化させ、ドーピング材料である四炭化臭素の添加量を一定にする方法である。
【0049】
まず、前者の方法について記述する。GaN基板をMOCVD装置に導入し、窒素5000cc/分と水素1000cc/分を流しながら、約15分の時問をかけて、700℃の温度に昇温した。その際、熱によりGaNが分解しないように、温度が400℃を越えた時点でアンモニアを4000cc/分の流量で導入した。温度が700℃に違すると、TMGを20μmol/分、CBr4を0.2μmol/分〜200μmol/分の流量でそれぞれ導入し、種々の濃度で炭素ドーピングしたGaN膜を約20nmの厚さで形成した。その後、CBr4の供給を停止し、基板の温度を1050℃に昇温し、TMGの供給量を100μmol/分に増加し、継続してGaN膜の成長を始め、1時問かけて約4μmの厚みのGaN膜を形成した。次いで、TMGの供給を停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温になったとき、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、GaN基板を取り出した。また、比較のため、上記プロセスにおいてCBr4を供給せずに基板上にGaN膜を成長させた。得られた積層物について、中間層の炭素濃度を、SIMSを用いて測定した。その結果、中間層の炭素濃度は、添加するCBr4の量が増加するに従い、1×1018cm-3〜1×1022cm-3の範囲で増加する傾向にあった。なお、SIMSの検出限界以下の値を濃度0とした。得られたGaN膜の表面粗さを測定した結果(701)を図10に示す。
【0050】
次に、中間層形成時の温度を変化させて炭素濃度を制御する方法を示す。GaN基板をMOCVD装置に導入し、窒素5000cc/分と水素1000cc/分を流しながら、約15分の時間をかけて、500℃〜1000℃の温度に昇温した。その際、熱によりGaNが分解しないように、温度が400℃を越えた時点でアンモニアを4000cc/分の流量で導入した。基板が500〜1000℃の間の設定温度に達すると、TMGを20μmol/分、CBr4を20μmol/分の流量でそれぞれ導入して、種々の濃度で炭素ドーピングしたGaN膜を約20nmの厚さで形成した。比較のため、CBr4を添加していない試料も1つ作製した。その後、CBr4の供給を停止し、基板の温度を1050℃に上げ、TMGの供給量を100μmol/分に増加し、継続してGaN膜を成長させた。1時間かけて約4μmの厚みのGaN膜を形成した後、TMGの供給を停止し、基板の温度を下げた。基板の温度が室温になったとき、アンモニアおよび窒素の供給を停止し、GaN基板を取り出した。得られた積層物について、中間層中の炭素濃度を、SIMSを用いて測定した。その結果、炭素濃度は、ドーピング時の設定温度が低くなるに従い、1×1018cm-3〜1×1022cm-3の範囲で増加する傾向にあった。なお、SIMSの検出限界以下の値を濃度0とした。得られたGaN膜の表面粗さを測定した結果(702)を図10に示す。
【0051】
図10から、炭素濃度が1×1018cm-3〜5×1021cm-3の範囲で、炭素を添加しない場合に比べ、得られたGaN膜の表面の平坦性が明らかに向上していることが分かる。炭素濃度が5×1021cm-3を越えると、表面粗さは、炭素ドーピングしていないものと同程度まで増加してきている。これは、不純物濃度が多くなりすぎて、GaN膜自体の結晶性が損なわれたためであると考えられる。これらの傾向は、図10において曲線701および曲線702を比較すると、中間層の成長温度には依存せず、炭素濃度にのみ依存していることがわかる。
【0052】
得られた積層物について、実施例2と同様に、発光素子を作製し、発光特性を評価した。その結果、表面の凹凸と発光素子の発光ムラには顕著な相関関係があり、表面凹凸の大きい発光素子は発光ムラが大きくなる結果が得られた。
【0053】
上述した一連の実施例では、H−VPE法により作製した厚膜GaNを基板として使用した。しかし、本発明は、他の方法たとえばMOCVD法を用いて作製した20μmを越える厚さのGaN基板についても同様の効果が得られる。また、単結晶膜であれば、GaNに限らず、AlN等、他の窒素化合物半導体を使用してもよい。また、窒素化合物半導体基板には不純物として、シリコン(Si)、酸素(O)、マグネシウム(Mg)、水素(H)、塩素(C1)、臭素(Br)、亜鉛(Zn)、ヒ素(As)、リン(P)、セレン(Se)等を含んでいてもよい。
【0054】
実施例7
本実施例では、GaN基板上に、炭素ドープGaN膜を介して、レーザダイオードを作製した。以下、プロセスを図11を参照しながら説明する。実施例1と同様の方法で、H−VPE法によりサファイア基板上にGaN厚膜を成長させた後、得られた厚膜の両面を研磨してGaN基板102を作製した。厚膜成長の際、基板にn型の導電性を持たせるため、不純物としてシリコン(Si)を5×1018cm-3の濃度になるように添加した。Si添加用材料として100ppmに窒素で希釈したジクロロシラン(SiH2C12)を用い、これを約100cc/分で成長中に導入することで上記濃度のSi添加が可能であった。得られたGaN基板102をMOCVD装置に導入し、その後、実施例1と同様の方法で20nmの厚さを有する1×1020cm-3の濃度で炭素を含むGaN膜103を800℃で形成した。その後、温度を1050℃に昇温し、引き続いて、Siを1×1018cm-3の濃度で含有するn型GaN膜104を3μmの厚みで形成した。Siを添加する手段として、100ppmに水素で希釈したモノシラン(SiH4)を用い、これを成長中に10cc/分で導入することにより、上記濃度のSi添加が可能になった。つぎに成長温度を800℃に下げ、クラックを低減する目的で、50nm厚でSiをドーピングしたIn0.05Ga0.95N膜105を成長させ、その後、成長温度を再度1050℃に上げて、n型クラッド層106となる0.7μm厚のSiドーピングしたn型A10.1Ga0.9Nを堆積させた。In原料として、トリメチルインジウム(TMI)、Al原料として、トリメチルアルミニウム(TMA)を使用した。n型クラッド層106の成長後、0.1μm厚のn型GaN光ガイド層107 を成長させ、成長温度を750℃に下げ、3対のIn0.05Ga0.95N/In0.18Ga0.82Nより構成される発光層108を成長させた。再び成長温度を1050℃に上げ、順次、30nm厚のA10.2Ga0.8Nよりなるキャリアブロック層109、Mgをドーピングした1×1018cm-3のp型キャリアを有する0.1μm厚のp型GaN光ガイド層110、0.5μm厚のMgドーピングしたp型A10.1Ga0.9Nクラッド層111、0.1μm厚のMgドーピングしたp型GaNコンタクト層114を成長させた。Mg添加用材料として、ビスエチルシクロペンタジエニルマグネシウム(EtCp2Mg)を使用した。実施例1と同様に室温に下げ、レーザ層構造を有する複合膜の製造を終了した。得られたレーザ構造において最上層の表面粗さRaは約5nmであった。得られたレーザ層構造について、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング法により、p型コンタクト層とp型クラッド層の一部をエッチングして、幅3μmのリッジを形成した。その後、絶縁膜としてSiO2膜112を部分的にコーティングし、Au/Pdからなるp型コンタクト用電極113を形成し、基板102の裏面にAlからなるn型コンタクト用電極101を形成した。約500μmのキャビティ長になるように劈開を行い、レーザ素子を得た。得られたレーザ素子の閾値電圧は6Vで、閾値電流は50mAであった。 比較のために、炭素を含むGaN膜を介さずに、直接GaN基板上に上述した方法でレーザ構造を形成し、レーザ素子を得た。得られたレーザ構造における最表層の表面粗さRaは20nmであった。得られたレーザ素子の閾値電圧は6Vで、これは炭素ドープ中間層を有するものとほぼ同等の値である。しかし、その閾値電流は80mAであり、これは炭素ドープ中間層を有するものより高い。閾値電流が高くなった理由としては、レーザ構造膜の表面粗さが大きくなることにより、レーザ素子内部を伝搬する光の分散が大きくなること、および膜の平坦性が低下したことにより、面内の発光強度および波長に分布が生じ、発光ムラが生じることが考えられる。
【0055】
発光ダイオード(LED)についても、中間層の形成により、ダイオード表面の平坦性を向上させることができた。そして、発光面内の発光強度分布および発光波長分布が低減した。発光ダイオードの場合、特に凹凸があると、凸部と凹部で5nm以上の発光波長の差が生じている。表面の平坦度を向上させることにより、発光効率が高くなり、波長の半値幅が狭くなった。
【0056】
実施例8
上記実施例では、サファイア基板を除去して得られるフリースタンディングのGaN基板を使用した。しかし、表面粗さの改善には、第1の結晶層としてフリースタンディングの基板が必須であるわけではない。たとえば、図12に示すように、サファイア116上に、20μmの厚さのGaN基板層102を形成し、その上に実施例7と同様の方法で積層構造を形成し、レーザ素子を得た。この構造では、n電極をGaN基板層102上に設けることができないため、反応性イオンエッチングにより表面からn型GaN膜104に至るまでエッチングを行い、露出させたn型GaN膜104にA1を堆積して、n型コンタクト用電極101を形成した。得られたレーザ素子の閾値電圧および閾値電流は、実施例7のレーザ素子とほぼ同等であった。
【0057】
実施例9
実施例7で得られた半導体レーザを用いて、光ピックアップのシステムを構成した。使用されるレーザは、窒素化合物半導体を用いたレーザとしては、素子内の発光強度分布が少ないため、安定した特性の遠視野像および近視野像を形成できた。本発明によるレーザを用いた光ピックアップシステムは、従来の窒素化合物半導体レーザを用いた光ピックアップシステムよりも、読み取り精度および書き込み精度において、より良好な特性を示した。本発明による光ピックアップは、パーソナルコンピュータのCD、CD−R,CD−R−RW等の記録メディアや、ゲーム機、ムービー、デジタルビデオディスク等の記録メディアの記録および再生に好ましく使用することができる。
【0058】
【発明の効果】
本発明によると、窒素化合物半導体素子の表面の平坦性を向上させることができる。また、本発明を使用した半導体レーザ、発光ダイオード等の発光素子は、閾値電流を低下させることができ、そのため安定した特性を示すことができる。また、本発明を用いた発光素子においては、発光面内の強度および波長の分布が低減できる。本発明によるレーザ素子を光ピックアップシステムに使用すれば、、その読み取りおよび書き込み精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による窒素化合物半導体積層物の一具体例を示す概略断面図である。
【図2】 本発明による窒素化合物半導体積層物において、中間層の炭素濃度分布を示す、SIMS分析チャートである。
【図3】 SIMS分析チャートから中間層の厚みを規定するためのプロセスを示す概略図である。
【図4】 本発明による窒素化合物半導体積層物を製造するプロセスを示す概略断面図である。
【図5】 本発明による発光素子の一具体例を示す概略断面図である。
【図6】 従来の膜形成プロセスを示す概略断面図である。
【図7】 中間層のAl組成比と、得られる構造物の表面粗さとの関係を示す図である。
【図8】 中間層のIn組成比と、得られる構造物の表面粗さとの関係を示す図である。
【図9】 中間層の厚みと、得られる構造物の表面粗さとの関係を示す図である。
【図10】 中間層の炭素濃度と、得られる構造物の表面粗さとの関係を示す図である。
【図11】 本発明による半導体レーザの一具体例を示す概略断面図である。
【図12】 本発明による半導体レーザのもう一つの具体例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
10 窒素化合物半導体積層物、11 第1の結晶層、12 中間層、13 第2の結晶層、101 nコンタクト電極、102 窒素化合物半導体基板、103 炭素を含む窒素化合物半導体膜、104 n型GaN膜、105 IN0.05Ga0.95Nクラック防止層、106 n型A10.1Ga0.9Nクラッド層、107 n型GaN光ガイド層、108 IN0.05Ga0.95N/In0.18Ga0.82Nよりなる発光層、109 A10.2Ga0.8Nキャリアブロヅク層、110 p型GaN光ガイド層、111 p型A10.1Ga0.9Nクラッド層、112 SiO2絶縁膜、113 p型コンタクト電極、114 p型GaNコンタクト層。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminate made of a nitrogen compound semiconductor, a light emitting device using the laminate, an optical pickup system using the light emitting device, and a method for manufacturing the laminate.
[0002]
[Prior art]
Research and development of light emitting devices and high power devices are advancing using the characteristics of nitrogen compound semiconductors. For example, in the case of a light-emitting element, a wide light-emitting element from violet to orange can be technically obtained by adjusting the composition of the nitrogen compound semiconductor to be used. In recent years, blue light emitting diodes and green light emitting diodes have been put to practical use by utilizing the characteristics of nitrogen compound semiconductors, and blue-violet semiconductor lasers have been developed as semiconductor laser elements.
[0003]
When manufacturing a nitrogen compound semiconductor film, a substrate such as sapphire, SiC, spinel, Si, GaAs, or GaN is used as a substrate. For example, when sapphire is used as a substrate, before the GaN film is epitaxially grown, a buffer layer of GaN or AlN is previously formed on the substrate at a low temperature of 500 ° C. to 600 ° C., and then the substrate is formed at 1000 ° C. to 1100. It is known that when a nitrogen compound semiconductor film is epitaxially grown by raising the temperature to a high temperature of 0 ° C., a crystal having a good surface state and a good structural and electrical property can be obtained. When using SiC as a substrate, it is known that a thin AlN film should be used as a buffer layer at a temperature at which epitaxial growth is performed.
[0004]
However, when a substrate other than a nitrogen compound semiconductor is used, a large number of defects exist in the manufactured nitrogen compound semiconductor due to a difference in thermal expansion coefficient and a lattice constant between the growing nitrogen compound semiconductor film and the substrate. The defect density is about 2 × 10 in total.7cm-2~ 1x109cm-2It also becomes. Many such dislocations are known to trap carriers that control electrical conduction in semiconductor films, for example, and impair the electrical characteristics of the manufactured films. It is known that the lifetime of the element is reduced. Therefore, in order to reduce lattice defects and improve electrical characteristics, nitrogen compound semiconductors such as GaN are used using techniques such as hydride vapor phase epitaxy (H-VPE), high-pressure synthesis, and sublimation. An attempt has been made to form a thick film and use the thick film as a substrate.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a new nitrogen compound semiconductor crystal is grown on a substrate obtained from a thick film of a nitrogen compound semiconductor (hereinafter referred to as a nitrogen compound semiconductor substrate), the flatness of the crystal surface is compared with the original substrate surface. May get worse. This is due to the surface state of the nitrogen compound semiconductor substrate. It is known that the surface of a thick nitrogen compound semiconductor film can have a slight deviation in the c-axis direction and the a-axis direction. Therefore, when a crystal of a nitrogen compound semiconductor is grown on a nitrogen compound semiconductor substrate, a stable surface of crystal growth is formed in a slightly different direction in many regions, which impairs the flatness of the growth film. It can be a cause. A light-emitting element with poor surface flatness can generate a significant distribution of emission intensity in the plane. Such a distribution may cause a phenomenon that the threshold current for starting oscillation is increased in the laser element, or that the far-field image or the near-field image is not stable in the optical pickup system using the laser element.
[0006]
One object of the present invention is to provide a stack of nitrogen compound semiconductors having a flat surface.
[0007]
A further object of the present invention is to provide a nitrogen compound semiconductor laminate useful for light emitting devices such as semiconductor lasers and light emitting diodes.
[0008]
A further object of the present invention is to provide a light emitting device with improved characteristics.
It is a further object of the present invention to provide an optical pickup system with improved performance.
[0009]
It is a further object of the present invention to provide a method for forming a flat crystalline layer on a nitrogen compound semiconductor crystal.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, when a nitrogen compound semiconductor is epitaxially grown on a substrate, it is necessary to integrate stable crystal planes individually generated from minute regions in the substrate in the same direction. In response to this problem, the present inventors can obtain a crystal layer having a very flat surface by growing a crystal layer of a nitrogen compound semiconductor on a substrate through a nitrogen compound semiconductor layer doped with carbon. As a result, the present invention has been completed.
[0011]
According to the present invention, there is provided a nitrogen compound semiconductor laminate, and the laminate comprises a first crystal layer made of a nitrogen compound semiconductor, a nitrogen compound semiconductor formed directly on the first crystal layer and containing carbon as an impurity. An intermediate layer and a second crystal layer formed directly on the intermediate layer and made of a nitrogen compound semiconductor are provided.
[0012]
In the laminate according to the present invention, the thickness of the intermediate layer is preferably 5 nm to 500 nm, more preferably 10 nm to 200 nm. The concentration of carbon in the intermediate layer is 5 × 10.18cm-35 × 10 or moretwenty onecm-3The following is preferable.
[0013]
In the present invention, the first crystal layer can contain gallium and nitrogen as main components. In this case, the nitrogen compound semiconductor of the intermediate layer is GaN and Al.xGa1-xIt is preferable to be selected from the group consisting of N (0 ≦ x ≦ 1). In the case of AlGaN, the intermediate layer nitrogen compound semiconductor is Al.xGa1-xN (0 ≦ x ≦ 0.3) is more preferable. Carbon can be efficiently added to these nitrogen compound semiconductors.
[0014]
In the stack according to the invention, typically the second crystalline layer is an epitaxially grown layer. You may provide the laminated body of this invention as an epitaxial wafer for forming an element on it. In the laminate or the epitaxial wafer, the surface roughness Ra of the second crystal layer is typically 30 nm or less.
[0015]
In addition, a light-emitting element is provided by the present invention, and the light-emitting element is formed on the above-described nitrogen compound semiconductor laminate, the second crystal layer of the laminate, and includes a nitrogen compound semiconductor. A laminated structure for generating the electrode and an electrode for supplying electric power to the laminated structure are provided. The light emitting element is, for example, a semiconductor laser.
[0016]
Furthermore, an optical pickup system according to the present invention is provided, which system comprises a light emitting device according to the present invention, in particular a semiconductor laser, as a device for supplying light to the optical system.
[0017]
Moreover, the manufacturing method of a nitrogen compound semiconductor laminated body is provided by this invention. The manufacturing method includes a nitrogen compound semiconductor containing carbon as an impurity from a carbon source, a group 3 element source in the periodic table, and a nitrogen source on a first crystal layer made of a nitrogen compound semiconductor. And the supply of the carbon source is stopped, and the nitrogen compound semiconductor is supplied from the group 3 element source and the nitrogen source in the periodic table in succession to the first step. A second step of forming a second crystal layer comprising: In this manufacturing method, the first step and the second step are preferably performed by metal organic vapor phase epitaxy.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Typically, the laminate according to the present invention has a structure as shown in FIG. In the nitrogen compound semiconductor laminate 10, a nitrogen compound semiconductor intermediate layer 12 containing carbon as an impurity is formed on a first crystal layer 11 made of a nitrogen compound semiconductor, and a nitrogen compound semiconductor intermediate layer 12 is formed thereon. Two crystal layers 13 are formed. The intermediate layer 12 is in contact with both the first and second crystal layers. In general, the intermediate layer 12 is thinner than the second crystal layer 13. As will be described below, the intermediate layer 12 contributes to smoothing the surface of the second crystal layer 13. Typically, the first crystal layer is a single crystal layer, and the second crystal layer is an epitaxial growth layer.
[0019]
In the laminate according to the present invention, the first crystal layer may be a nitrogen compound semiconductor substrate, or may be formed on another substrate such as sapphire. When the first crystal layer forms a substrate, the thickness thereof is, for example, 20 to 2000 μm, preferably 100 to 500 μm. On the other hand, when the first crystal layer is formed on another substrate such as sapphire, the thickness is, for example, 3 to 500 μm, and preferably 10 to 200 μm. The first crystal layer can be formed of gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), InGaN, AlGaN, InGaN, or the like. Typically, the first crystal layer is mainly composed of gallium and nitrogen. In particular, GaN is preferable for the first crystal layer. A preferable material for the first crystal layer is a nitrogen compound semiconductor in which a part of Ga in GaN is substituted with Al, In, or both, such as AlGaN, InGaN, and InGaAlN. The first crystal layer may contain an impurity of an appropriate conductivity type (typically n-type) at an appropriate density.
[0020]
In the laminate according to the present invention, the intermediate layer made of a nitrogen compound semiconductor doped with carbon plays a role of flattening the surface of the second crystal layer formed thereon. If the second crystal layer is provided on the first crystal layer via the intermediate layer, the stable crystal planes generated in the minute regions can be integrated, and the surface of the second crystal layer can be made flat. can do. As will be described later, the extremely flat surface caused by the intermediate layer can reduce unevenness of light emission in the light emitting element, and can provide uniform light emission characteristics and strong light emission intensity.
[0021]
Nitrogen compound semiconductors that form the intermediate layer include GaN and AlxGa1-xN (0 <x <1), InyGa1-yN (0 <y <1), AlN, InN, InxGayAl1- (x + y)N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). GaN and AlxGa1-xN (0 ≦ x ≦ 0.3) is more preferable as a material for the intermediate layer. As will be described later, a laminate or an element structure having a very flat surface can be obtained by using a nitrogen compound semiconductor having an appropriate composition for the intermediate layer. The flat surface improves the in-plane uniformity of the emission intensity and increases the emission intensity in the light emitting element.
[0022]
FIG. 2 shows the result of analyzing a nitrogen compound semiconductor laminate for a light-emitting element by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In FIG. 2, the peak represents a portion of the intermediate layer containing carbon as an impurity. Accordingly, the right side of the peak represents the first crystal layer (for example, GaN substrate), and the left side of the peak represents the second crystal layer (for example, the nitrogen compound semiconductor layer for the light emitting element). . Typically, the laminate according to the present invention has a structure in which an intermediate layer having a significantly higher carbon concentration than those layers is sandwiched between the first crystal layer and the second crystal layer, as shown in FIG. Have Typically, the carbon concentration distribution in the intermediate layer is as shown in FIG. 2, where the carbon concentration is highest at any position of the intermediate layer (eg, the middle position of the intermediate layer) It decreases as it goes from the point to the first and second crystal layers. In the present invention, the intermediate layer can be said to be a layer having a significantly higher carbon concentration than the first and second crystal layers, but the thickness is specified as a clear value due to the distribution of the carbon concentration. It may be difficult. Therefore, in this specification, the value obtained as follows is defined as the thickness of the intermediate layer. First, the carbon concentration distribution with respect to the depth as shown in FIG. 2 is obtained by SIMS analysis. Next, paying attention to the peak of the carbon concentration in the obtained chart, as shown in FIG. 3, the peak width (half width) w of the portion corresponding to 1/2 of the maximum value of the peak is defined as the thickness of the intermediate layer. (However, FIG. 3 shows an example in which the vertical axis is a linear scale, and even when it is not a linear scale, the thickness can be defined from the width of a portion corresponding to a half value according to this) . The maximum value of the peak is the height of the vertex with respect to the background.
[0023]
In the present invention, the thickness of the intermediate layer is set so that the crystallinity of the second crystal layer can be kept good. The thickness of the intermediate layer is generally 5 nm to 500 nm, preferably 10 nm to 200 nm. By using an intermediate layer having a thickness within these ranges, it is possible to effectively reduce the influence of independent formation of crystal planes in a minute region, and to effectively bring a smooth surface to the second crystal layer. Can do. Moreover, if the second crystal layer is formed on the intermediate layer having a thickness within these ranges, good crystallinity and electrical characteristics can be obtained. On the other hand, when the intermediate layer becomes extremely thin, the effect of providing a smooth surface due to the integration of crystal planes becomes small. When the intermediate layer is extremely thick, the crystallinity of the second crystal layer may be deteriorated.
[0024]
The concentration of carbon contained in the intermediate layer is 5 × 1018cm-3~ 5x10twenty onecm-3Is preferred. This concentration range can effectively reduce the influence of the independent formation of crystal planes, particularly in a minute region, and can effectively bring a smooth surface to the second crystal layer.
[0025]
In the present invention, the second crystal layer can be formed of gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), InGaN, AlGaN, InGaAlN, or the like. Typically, the second crystal layer is mainly composed of gallium and nitrogen. In particular, GaN is preferable for the second crystal layer. A preferable material for the second crystal layer is a nitrogen compound semiconductor in which a part of Ga in GaN is substituted with Al, In, or both, such as AlGaN, InGaN, and InGaAlN. The second crystal layer may contain an impurity of an appropriate conductivity type (typically n-type) at an appropriate density. The thickness of the second crystal layer is, for example, 0.1 to 10 μm, and preferably 1 to 5 μm.
[0026]
The nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention can be provided as a wafer useful for the production of devices. In this case, the second crystal layer is typically an epitaxial growth layer. Regarding the surface of the wafer (the surface of the second crystal layer), the surface roughness Ra is typically less than 30 nm, preferably 20 nm or less. The range of the surface roughness Ra is typically 1 to 20 nm, preferably 1 to 10 nm. Here, the surface roughness is the centerline average roughness, and the measurement length is 100 μm to 1 mm, typically 300 μm. Ra described in the present example was measured by scanning 300 μm using Dektak 3ST manufactured by Sloan.
[0027]
The nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention can be used for various elements including light emitting elements such as light emitting diodes and semiconductor lasers, power devices and the like. In these elements, the nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention typically constitutes a substrate portion. The nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention can drastically improve the flatness of the element surface, and as a result, the performance of the element can be improved.
[0028]
In particular, the light emitting device according to the present invention can have a light emitting surface with significantly improved flatness. In such a light emitting element, in-plane light emission distribution (light emission unevenness) is small, and uniform light emission characteristics can be obtained. In such a light-emitting element, loss in light propagation can be reduced and the threshold current density can be lowered. In particular, in a quantum well type light emitting device, such an improvement in characteristics can be remarkable, and a stable and strong light emission intensity can be obtained. A light emitting element includes any element that provides light output. Typical light-emitting elements include light-emitting diodes and semiconductor lasers. Typically, the present invention applies to double heterojunction lasers, particularly quantum well lasers.
[0029]
Specifically, a light emitting device according to the present invention includes the above-described nitrogen compound semiconductor laminate, a laminate structure formed on the second crystal layer and made of a nitrogen compound semiconductor for generating light output from power, And an electrode for supplying electric power to the laminated structure. The laminated structure for optical output includes an n-type cladding layer, an active layer, and a p-type cladding layer in a double heterojunction structure. The active layer is preferably a quantum well layer. The electrode includes a p-electrode and an n-electrode. When the nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention is used as a substrate, an electrode (typically an n-electrode) can be formed on the surface of the first crystal.
[0030]
The light emitting device according to the present invention, particularly the semiconductor laser, is useful for an optical pickup system. Specifically, the present invention provides an optical pickup system having the light emitting element as a device for supplying light to an optical system. The optical system includes appropriate elements depending on the application. For example, the optical system includes a collimator lens that receives light from a semiconductor laser, a diffraction grating, a polarizing beam splitter, a quarter-wave plate, an objective lens, and a photodetector. A normal optical system can be used. In an optical pickup system, a semiconductor laser (for example, a semiconductor laser having a cleavage plane) according to the present invention can form a far-field image and a near-field image with stable characteristics, and improve the reading and writing accuracy of the system. Can do.
[0031]
The nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention is particularly effective when the thickness of the first crystal layer exceeds 100 μm. In the nitrogen compound semiconductor substrate (first crystal layer) having a thickness exceeding 100 μm, there can be many micro cracks or concentrated dislocations generated during manufacturing. As a result of experiments of the present invention, it was found that the intermediate layer containing carbon can significantly reduce the influence of microcracks and dislocations on the second crystal layer.
[0032]
Moreover, the nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention is particularly effective for the first crystal layer formed by the vapor phase growth method. On the surface of a thick nitrogen compound semiconductor formed by a vapor phase growth method such as H-VPE method or MOCVD method, irregularities having a surface roughness Ra exceeding 50 nm may exist. This unevenness is caused by the aggregation of nitrogen compound semiconductor molecules in the gas phase in the process of obtaining a thick film. When a crystal layer of a nitrogen compound semiconductor is formed directly on a surface having unevenness, the unevenness may be reflected as it is on the surface of the obtained crystal layer, or the unevenness may be amplified. As a result of experiments by the present inventors, it has been found that the intermediate layer containing carbon significantly reduces the influence of such unevenness.
[0033]
The nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention can be prepared by the following process. First, a nitrogen compound semiconductor containing carbon as an impurity is formed from a carbon supply source, a group 3 element supply source in the periodic table, and a nitrogen supply source on a first crystal layer made of a nitrogen compound semiconductor. . The first crystal layer may be a nitrogen compound semiconductor substrate manufactured by a vapor deposition method or the like, or may be formed on another substrate such as sapphire. The carbon source and the Group 3 element source can each be a compound capable of releasing the corresponding element by pyrolysis, such as an organic compound, halide, or hydride. The source of nitrogen is a compound capable of supplying N by thermal decomposition, preferably ammonia (NHThree). By this step, a carbon-doped nitrogen compound semiconductor layer is formed on the first crystal layer. The doping concentration of carbon can be adjusted by supplying the carbon source and the temperature. Subsequently, continuously with this step, the supply of the carbon source is stopped, and a second crystal layer made of a nitrogen compound semiconductor is formed from the Group 3 element supply source and the nitrogen supply source. The source of the Group 3 element and / or the source of nitrogen is preferably the same as in the formation of the carbon doped layer, but may be different. Moreover, you may add the supply source of a different group 3 element. Typical Group 3 elements used are Ga, Al and In. These steps are preferably performed by metal organic vapor phase epitaxy.
[0034]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on specific examples. In a specific example of the present invention, the nitrogen compound semiconductor substrate can be manufactured by a hydride vapor phase epitaxy method (H-VPE method), a high-pressure synthesis method, a sublimation method, or the like. Examples of the material of the nitrogen compound semiconductor substrate include gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), InGaN, AlGaN, InGaAlN, and the like. Typically, gallium nitride (GaN) is used. Impurities doped in the nitrogen compound semiconductor substrate include silicon (Si), chlorine (C1), magnesium (Mg), oxygen (0), and the like. Doped nitrogen compound semiconductor substrates are often used to fabricate devices. The surface of the substrate may remain as obtained by the above-described manufacturing method, or may be physically or chemically polished. When the thickness of the nitrogen compound semiconductor exceeds 100 μm, the substrate can be constituted by only the semiconductor. On the other hand, when the thickness of the nitrogen compound semiconductor is 100 μm or less, a substrate in which a crystal layer of the nitrogen compound semiconductor is formed on a base made of sapphire or the like can be preferably used.
[0035]
Example 1
In summary, this example performed the following steps. A GaN thick film doped with Si with a thickness of 500 μm was formed on a sapphire substrate using the H-VPE method. The GaN thick film was removed from the sapphire substrate and used as a nitrogen compound semiconductor substrate. A GaN film containing carbon as an impurity and a GaN film having a thickness of about 4 μm were formed on the substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), respectively. The detailed process is described below.
[0036]
First, the cleaned 2-inch sapphire substrate was introduced into an H-VPE apparatus and heated at 1000 ° C. Hydrogen chloride (HCl) 300 CC / min passed through gallium (Ga) heated to 800 ° C. and nitrogen gas (N2) After flowing 1000 CC / min for about 15 minutes, ammonia (NH 3) was added at 1000 CC / min, dichlorosilane (SiH2Cl2) Was introduced at a flow rate of 100 nmol / min, and GaN was grown on the substrate for about 2 hours. Next, the supply of hydrogen chloride and dichlorosilane was stopped, and the temperature of the substrate was lowered. When the temperature reached room temperature, the supply of ammonia was stopped, and the grown GaN film was taken out of the H-VPE apparatus together with the sapphire substrate. Most of the GaN film on sapphire grown in this way peeled naturally when the temperature fell due to the difference in thermal expansion between sapphire and GaN. The naturally exfoliated GaN film had a thickness of about 400 to 500 μm. The back surface of the GaN thick film obtained as described above (the side that was in contact with the sapphire substrate; hereinafter referred to as the back surface of the GaN substrate) was severely uneven, and was polished flat using diamond powder. Moreover, although the surface of the GaN thick film (the surface facing the back surface, hereinafter referred to as the GaN substrate surface) generated sparse micro hexagonal irregularities, most of the surface was a mirror surface visually ( Hereinafter, the obtained substrate is referred to as a GaN substrate).
[0037]
Next, after cleaning the GaN substrate with acetone and ethanol, the GaN substrate is introduced into the MOCVD apparatus, and has a GaN film containing carbon and a thickness of about 4 μm on the surface of the GaN substrate in the following procedure. GaN films were grown sequentially. Hereinafter, description will be given with reference to FIG. First, the temperature was raised to 800 ° C. over about 15 minutes while flowing 5000 cc / min of nitrogen and 1000 cc / min of hydrogen through the GaN substrate 201 set in the MOCVD apparatus. At that time, ammonia was introduced at a flow rate of 4000 cc / min when the temperature exceeded 400 ° C. so that GaN was not decomposed by heat. When the temperature reaches 800 ° C., trimethylgallium (TMG) as a raw material for Group 3 elements is 20 μmol / min, and carbon tetrabromide (CBr as carbon material).Four) Was introduced at a flow rate of 20 μmol / min, and a carbon-doped GaN film 202 was grown to a thickness of about 20 nm. Thereafter, the supply of carbon tetrabromide was stopped, the temperature of the substrate was raised to 1050 ° C., the supply amount of trimethylgallium was increased to 100 μmol / min, and the growth of the GaN film 203 was started. In this way, a GaN film 204 having a thickness of about 4 μm was grown over 1 hour. When the growth was completed, the supply of trimethylgallium was stopped and the temperature of the substrate was lowered. When the temperature of the substrate reached room temperature, supply of ammonia and nitrogen was stopped, and the obtained GaN substrate having the GaN epitaxial growth film was taken out from the apparatus.
[0038]
About the obtained nitrogen compound semiconductor laminated body, as a result of measuring the carbon concentration in the carbon-doped GaN film 202 using a secondary ion mass spectrometry (SIMS) apparatus, a chart as shown in FIG. 2 was obtained. The carbon concentration in the layer is about 1 × 1020cm-3Met. In the above process, the reason why the growth temperature of the GaN film doped with carbon is lower than the growth temperature of the GaN film not doped with carbon is that carbon is efficiently doped. In the case of doping carbon by increasing the growth temperature, it was necessary to increase the amount of carbon tetrabromide introduced. On the other hand, if the carbon was doped at a lower growth temperature, the amount of carbon tetrabromide introduced could be reduced. The surface roughness Ra of the surface of the obtained GaN film 204 was about 5 nm.
[0039]
Example 2
A carbon doped layer and a GaN epitaxial growth layer were formed on the GaN substrate obtained in Example 1, and a light emitting diode (LED) as shown in FIG. 5 was produced thereon. Hereinafter, the manufacturing process will be described with reference to FIG.
[0040]
First, in order to give n-type conductivity to the GaN substrate, Si was doped into the substrate as an impurity according to a conventional method. Thereby, an electrode can be formed in the lower part of the substrate, which is effective for extracting light. A conductive Si-doped GaN substrate 102 is set in an MOVCD apparatus, and in the same manner as the GaN film described above, a temperature of 800 ° C. is applied over about 15 minutes while flowing 5000 cc / min of nitrogen and 1000 cc / min of hydrogen. The temperature was raised to. At that time, ammonia was introduced at a flow rate of 4000 cc / min when the temperature exceeded 400 ° C. so that GaN was not decomposed by heat. When the temperature reaches 800 ° C., trimethylgallium (TMG) as a raw material for Group 3 elements is 20 μmol / min, and carbon tetrabromide (CBr as carbon material).Four) Was introduced at a flow rate of 20 μmol / min, and a carbon-doped GaN film 103 was grown to a thickness of about 20 nm. Thereafter, the supply of carbon tetrabromide is stopped, the temperature of the substrate is raised to 1050 ° C., the supply amount of trimethylgallium is increased to 100 μmol / min, and monosilane (SiHFour) Was supplied at 5 nmol / min, and the growth of the GaN film 901 was started. In this way, after the growth of the GaN film 901 having a thickness of about 4 μm over 1 hour, the supply of trimethylgallium and monosilane was stopped, and the temperature of the substrate was lowered to about 750 ° C. When the substrate temperature reaches 750 ° C., trimethylgallium and In raw materials are supplied, and three pairs of In0.05Ga0.95N / In0.35Ga0.65A light emitting layer 902 made of N was formed. Thereafter, the supply of the trimethylgallium and In raw materials was stopped, the growth temperature was raised again to 1050 ° C., and a 30 nm thick Al was sequentially formed.0.2Ga0.8Carrier block layer 903 made of N, 1 × 10 5 Mg as a p-type carrier dopant18cm-3A p-type GaN contact layer 904 having a thickness of 0.3 μm was formed. Bisethylcyclopentadienylmagnesium (EtCp2Mg) was used as a material for doping Mg. Further, trimethylindium was used as the In raw material, and trimethylaluminum was used as the A1 raw material. Next, the supply of the Group 3 element material was stopped, the substrate temperature was lowered to room temperature, and the preparation of the LED layer structure was completed. Regarding the outermost surface of the obtained LED structure, the surface roughness Ra was 5 nm. Next, necessary electrodes were formed to obtain a light emitting diode. In the obtained light emitting diode, the emission center wavelength was 460 nm. When the light emitting surface was observed with a microscope, the light was emitted uniformly within the surface, and no unevenness in intensity and color was observed.
[0041]
Comparative Example 1
In this comparative example, a GaN film having a thickness of 4 μm was formed directly on a GaN substrate manufactured by the same method as in Example 1 without forming a carbon-doped GaN film, and then a nitrogen compound was formed thereon. A semiconductor light emitting device was formed. Hereinafter, the process will be described with reference to FIG. Similar to Example 1, the GaN substrate 201 set in the MOCVD apparatus was heated to a temperature of 1050 ° C. over about 15 minutes while flowing 5000 cc / min of nitrogen and 1000 cc / min of hydrogen. At that time, ammonia was introduced at a flow rate of 4000 cc / min when the temperature exceeded 400 ° C. so that GaN was not decomposed by heat. When the temperature reached 1050 ° C., trimethylgallium (TMG) was introduced as a Group 3 element material at a flow rate of 100 μmol / min, and growth of the undoped GaN film 212 was started. The undoped GaN film had many hexagonal pyramidal protrusions from the beginning of growth, and the unevenness due to the protrusions tended to increase little by little as the growth time passed (213). The unevenness did not increase further when the value became constant. In this way, a GaN film 214 having a thickness of about 4 μm was formed over 1 hour. When the growth was completed, the supply of trimethylgallium was stopped and the temperature of the substrate was lowered. When the temperature of the substrate reached room temperature, the supply of ammonia and nitrogen was stopped, and the GaN substrate was taken out. Without the carbon doped layer, the surface roughness Ra of the obtained GaN film 214 was about 30 nm.
[0042]
Next, in the same manner as in Example 2, an LED structure was formed on the GaN film, and then an electrode was formed to obtain a light emitting diode. A large number of hexagonal pyramidal protrusions were generated on the surface of the obtained LED, and the surface roughness Ra was about 30 nm. The emission center wavelength of the obtained LED was 460 nm. When the light-emitting surface was observed with a microscope, intensity unevenness and color unevenness considered to be dependent on the shape of the protrusions were observed in the surface.
[0043]
Example 3
In this example, the GaN substrate was heat-treated at a high temperature before forming the carbon doped layer. Hereinafter, the process will be described with reference to FIG. The back surface of the GaN substrate produced in the same manner as in Example 1 using the H-VPE method was polished flat using diamond powder and then washed using acetone and ethanol. The substrate 201 was introduced into the MOCVD apparatus, and the substrate temperature was raised to 1000 ° C. over about 15 minutes while flowing hydrogen of 5000 cc / min and ammonia of 3000 cc / min. After the temperature increase, the substrate was heated for about 10 minutes while maintaining the substrate temperature at 1000 ° C. Thereafter, the supply of hydrogen was stopped, and the temperature was lowered to 600 ° C. over about 15 minutes while flowing nitrogen at 5000 cc / min and flowing ammonia at 3000 cc / min. When the temperature reaches 600 ° C., the flow rate of 20 μmol / min of trimethyl gallium (TMG) as a Group 3 element material and carbon tetrabromide (CBr as a carbon material)Four) Was introduced at a flow rate of 5 μmol / min to form a carbon-doped GaN film 202 with a thickness of about 20 nm. Thereafter, the supply of carbon tetrabromide was stopped, the temperature of the substrate was raised to 1050 ° C., the supply amount of trimethylgallium was increased to 100 μmol / min, and the growth of the GaN film 203 was started continuously. In this way, a GaN film 204 having a thickness of about 4 μm was formed over 1 hour. Next, the supply of trimethylgallium was stopped, and the temperature of the substrate was lowered. When the substrate temperature reached room temperature, the supply of ammonia and nitrogen was stopped, and the GaN film was taken out. The carbon concentration in the carbon-doped GaN film 202 is 1 × 10 as a result of analysis using a secondary ion mass spectrometry (SIMS) apparatus.20cm-3Met. The reason why the growth temperature of the GaN film doped with carbon is lower than the growth temperature of the GaN film not doped with carbon is that carbon is efficiently doped. In order to increase the growth temperature and dope carbon, it is necessary to increase the amount of carbon tetrabromide introduced. On the other hand, if carbon is doped at a lower growth temperature, the amount of carbon tetrabromide introduced can be reduced.
[0044]
The surface roughness Ra of the obtained GaN film 204 was about 5 nm. The flatness of this surface is good. The GaN film 204 was substantially free from the effects of minute cracks, dislocations, and polishing flaws, and formed a more preferable surface. It was considered that the heat treatment of the GaN substrate in the presence of hydrogen and ammonia caused rearrangement of the outermost surface of the substrate, and cracks and dislocations could almost disappear. This heat treatment can be effectively performed in an atmosphere containing ammonia, and more preferably hydrogen is present. In addition to the disappearance of microcracks and dislocations, it has also been confirmed that propagation of microscopic irregularities existing on the surface of the GaN substrate to the GaN film 204 is suppressed.
[0045]
The effect of the heat treatment of the substrate can be attributed to the rearrangement of atoms on the surface of the substrate at a relatively high temperature to eliminate microcracks, dislocations, irregularities, scratches, and the like. As a result of further experiments, it was found that this effect was obtained by heat treatment at a temperature of 450 to 1100 ° C. Regarding the atmosphere of the heat treatment, an inert gas such as nitrogen may be added to ammonia or a mixture of ammonia and hydrogen. Further, nitrogen may be used instead of hydrogen. However, as the nitrogen concentration increased, the substrate surface tended to become rough. The ammonia concentration is preferably ½ or less of the whole atmosphere, and more preferably 1/10 or less. When the ammonia concentration becomes high, dumpling-like precipitates are easily formed on the substrate surface. On the other hand, when the ammonia concentration is low, nitrogen is easily released from the substrate, and the surface may be roughened.
[0046]
  Example 4
  In this example, the influence of the kind of the intermediate layer containing carbon on the flatness and the light emission characteristics of the obtained light emitting element was investigated. A GaN film having a thickness of about 4 μm was formed on a GaN substrate manufactured by the same method as in Example 1 through an intermediate layer containing carbon having a thickness of 20 nm. The amount of carbon tetrabromide introduced was controlled, and the carbon doping amount in the intermediate layer was 1 × 10 respectively.19cm-3And 1 × 1020cm-3Two types of laminates were obtained. For comparison, a GaN film was grown on the substrate without introducing carbon tetrabromide. As the nitrogen compound semiconductor of the intermediate layer,A1 xGa1-xN andIn yGa1-yUsing N, the values of x and y are1≧ x ≧ 0,0.35The composition was adjusted by changing within the range of ≧ y ≧ 0. Of these, including carbonIn y Ga 1-y NWhen manufacturing the film, the growth was performed at 700 ° C. because the composition would be difficult to adjust if the growth temperature was high. Trimethylaluminum (TMA) was used as the A1 raw material, and trimethylindium (TMI) was used as the In raw material. The surface roughness of the finally obtained GaN film was measured, and the relationship between the composition of the intermediate layer containing carbon and the surface roughness was evaluated. The obtained results are shown in FIGS. Referring to FIG. 7, it clearly contains carbonA1 x Ga 1-x N(1 ≧xWhen the GaN film is grown via ≧ 0), it can be seen that the unevenness of the surface of the GaN film is reduced. However, when the A1 composition ratio exceeds 0.3, the resistance of the intermediate layer itself becomes high, and it becomes difficult to form an electrode under the substrate when forming a light emitting element. Further, when a GaN substrate is used, if the A1 composition ratio of the intermediate layer is increased, cracks or the like may occur in the intermediate layer itself, and dislocations due to the effect of lattice mismatch are likely to occur. Since they extinguish carriers due to light emission, the light emission efficiency of the light emitting element can be lowered. ButTsuIn the middle layerA1 x Ga 1-x NWhen a light emitting element is formed thereon, the desired A1 composition ratio is 0.3 or less. On the other hand, as shown in FIG.In y Ga 1-y NIs used, the In composition ratio is 0.35 or less (yIf it is ≦ 0.35), the flatness of the surface is remarkably improved by the action of the intermediate layer. However, as the In composition ratio increases, the surface roughness generally tends to increase, and the effect of the intermediate layer can be reduced. Further, there is a significant correlation between the surface roughness and the light emission unevenness of the obtained light emitting element, and the light emitting element having a large surface roughness tends to increase the light emission unevenness.
[0047]
Example 5
In this example, how the thickness of the intermediate layer affects the surface roughness of the GaN film epitaxially grown thereon, and the surface roughness and light emission characteristics of the light emitting device formed thereon. investigated. GaN or AlN was used for the intermediate layer. The carbon concentration of the intermediate layer is 1 × 1020cm-3The thickness of the intermediate layer was changed. Similar to the above, intermediate layers having various thicknesses were formed on a GaN substrate, and a GaN film having a thickness of about 4 μm was epitaxially grown thereon. Since the thickness of the intermediate layer increases in proportion to the manufacturing time, the film thickness was controlled by adjusting the manufacturing time. The surface roughness Ra of the obtained laminate was measured. FIG. 9 shows the relationship between the thickness of the GaN film and AlN film, which are intermediate layers, and the surface roughness. In any case of GaN and AlN, the surface roughness of the laminate obtained by providing the intermediate layer is small. In particular, it can be seen that the surface roughness is remarkably reduced when the thickness of the intermediate layer is in the range of 5 nm to 500 Nm. In the same manner as in Example 1, a light emitting element was manufactured and evaluated for light emission characteristics. As a result, there was a significant correlation between the surface roughness and the light emission unevenness of the light emitting element, and a light emitting element with a large surface roughness had a large light emission unevenness. In addition, when a quantum well was used for the light emitting layer, the light emission intensity tended to be strongest and stable especially in the range where the thickness of the intermediate layer was 10 nm to 200 nm or less. In this range, it was speculated that the surface roughness of the nitrogen compound semiconductor light-emitting element formed on the intermediate layer was the smallest, the quantum well was uniformly formed, and the light emission efficiency was improved.
[0048]
Example 6
In this example, the influence of the carbon concentration of the intermediate layer on the surface of the GaN film and the surface and characteristics of the light emitting element was investigated. The following two methods were compared as methods for controlling the carbon concentration in the intermediate layer. One method is a method in which the temperature at which the intermediate layer is formed is kept constant and the amount of addition of bromine tetracarbide as a doping material is changed, and the other method is to change the temperature at which the intermediate layer is formed. In this method, the amount of addition of bromine tetracarbide as a doping material is made constant.
[0049]
First, the former method will be described. The GaN substrate was introduced into the MOCVD apparatus, and the temperature was raised to 700 ° C. over about 15 minutes while flowing nitrogen of 5000 cc / min and hydrogen of 1000 cc / min. At that time, ammonia was introduced at a flow rate of 4000 cc / min when the temperature exceeded 400 ° C. so that GaN was not decomposed by heat. If the temperature is different from 700 ° C., 20 μmol / min of TMG, CBrFourWere introduced at a flow rate of 0.2 μmol / min to 200 μmol / min, and carbon-doped GaN films with various concentrations were formed to a thickness of about 20 nm. Then CBrFourThe temperature of the substrate is raised to 1050 ° C., the TMG supply rate is increased to 100 μmol / min, and the GaN film starts to grow continuously. A film was formed. Next, the supply of TMG was stopped, and the temperature of the substrate was lowered. When the temperature of the substrate reached room temperature, the supply of ammonia and nitrogen was stopped, and the GaN substrate was taken out. For comparison, in the above process, CBrFourA GaN film was grown on the substrate without supplying. About the obtained laminated body, the carbon concentration of the intermediate | middle layer was measured using SIMS. As a result, the carbon concentration of the intermediate layer is determined by adding CBr.Four1 × 10 as the amount increases18cm-3~ 1x10twenty twocm-3There was a tendency to increase in the range. The value below the SIMS detection limit was defined as 0 concentration. FIG. 10 shows the result (701) of measuring the surface roughness of the obtained GaN film.
[0050]
Next, a method of controlling the carbon concentration by changing the temperature at the time of forming the intermediate layer is shown. The GaN substrate was introduced into the MOCVD apparatus, and heated to a temperature of 500 ° C. to 1000 ° C. over a period of about 15 minutes while flowing nitrogen of 5000 cc / min and hydrogen of 1000 cc / min. At that time, ammonia was introduced at a flow rate of 4000 cc / min when the temperature exceeded 400 ° C. so that GaN was not decomposed by heat. When the substrate reaches a set temperature between 500-1000 ° C., 20 μmol / min of TMG, CBrFourWere introduced at a flow rate of 20 μmol / min, and GaN films doped with carbon at various concentrations were formed to a thickness of about 20 nm. For comparison, CBrFourOne sample without addition of was also prepared. Then CBrFourThe substrate temperature was raised to 1050 ° C., the TMG supply amount was increased to 100 μmol / min, and the GaN film was continuously grown. After forming a GaN film having a thickness of about 4 μm over 1 hour, the supply of TMG was stopped and the temperature of the substrate was lowered. When the temperature of the substrate reached room temperature, the supply of ammonia and nitrogen was stopped, and the GaN substrate was taken out. About the obtained laminated body, the carbon concentration in an intermediate | middle layer was measured using SIMS. As a result, the carbon concentration is 1 × 10 as the set temperature during doping is lowered.18cm-3~ 1x10twenty twocm-3There was a tendency to increase in the range. The value below the SIMS detection limit was defined as 0 concentration. The result (702) of measuring the surface roughness of the obtained GaN film is shown in FIG.
[0051]
From FIG. 10, the carbon concentration is 1 × 10.18cm-3~ 5x10twenty onecm-3It can be seen that the flatness of the surface of the obtained GaN film is clearly improved as compared with the case where no carbon is added. Carbon concentration is 5 × 10twenty onecm-3Above, the surface roughness has increased to the same extent as that without carbon doping. This is presumably because the impurity concentration was too high and the crystallinity of the GaN film itself was impaired. Comparing curve 701 and curve 702 in FIG. 10, it can be seen that these tendencies do not depend on the growth temperature of the intermediate layer, but depend only on the carbon concentration.
[0052]
About the obtained laminated body, the light emitting element was produced similarly to Example 2, and the light emission characteristic was evaluated. As a result, there was a significant correlation between the unevenness of the surface and the light emission unevenness of the light emitting element, and the light emission element having a large surface unevenness had a large light emission unevenness.
[0053]
In the series of examples described above, thick GaN produced by the H-VPE method was used as the substrate. However, the present invention can achieve the same effect with a GaN substrate having a thickness exceeding 20 μm, which is manufactured by using another method such as MOCVD. In addition, as long as it is a single crystal film, not only GaN but also other nitrogen compound semiconductors such as AlN may be used. Further, as impurities in the nitrogen compound semiconductor substrate, silicon (Si), oxygen (O), magnesium (Mg), hydrogen (H), chlorine (C1), bromine (Br), zinc (Zn), arsenic (As) , Phosphorus (P), selenium (Se) and the like may be contained.
[0054]
Example 7
In this example, a laser diode was fabricated on a GaN substrate via a carbon-doped GaN film. Hereinafter, the process will be described with reference to FIG. A GaN thick film was grown on the sapphire substrate by the H-VPE method in the same manner as in Example 1, and then both surfaces of the obtained thick film were polished to produce a GaN substrate 102. During the thick film growth, 5 × 10 5 of silicon (Si) is used as an impurity in order to give the substrate n-type conductivity.18cm-3It added so that it might become the density | concentration of. Dichlorosilane (SiH diluted with nitrogen to 100 ppm as a material for adding Si2C12) And introducing this during growth at about 100 cc / min, it was possible to add Si at the above concentration. The obtained GaN substrate 102 was introduced into an MOCVD apparatus, and then 1 × 10 having a thickness of 20 nm in the same manner as in Example 1.20cm-3A GaN film 103 containing carbon at a concentration of 800 ° C. was formed. Thereafter, the temperature is raised to 1050 ° C., and subsequently Si is 1 × 10 6.18cm-3An n-type GaN film 104 having a concentration of 3 μm was formed. As a means for adding Si, monosilane diluted with hydrogen to 100 ppm (SiHFour) And introduced at 10 cc / min during growth, it was possible to add Si at the above concentration. Next, in order to lower the growth temperature to 800 ° C. and reduce cracks, In doped with Si at a thickness of 50 nm.0.05Ga0.95The N film 105 is grown, and then the growth temperature is raised again to 1050 ° C. to form an n-type cladding layer 106 with a 0.7 μm thick Si-doped n-type A1.0.1Ga0.9N was deposited. Trimethylindium (TMI) was used as the In raw material, and trimethylaluminum (TMA) was used as the Al raw material. After the growth of the n-type cladding layer 106, an n-type GaN optical guide layer 107 having a thickness of 0.1 μm is grown, and the growth temperature is lowered to 750 ° C.0.05Ga0.95N / In0.18Ga0.82A light emitting layer 108 made of N was grown. The growth temperature was raised again to 1050 ° C., and the 30 nm thick A10.2Ga0.8Carrier block layer 109 made of N, 1 × 10 doped with Mg18cm-30.1 μm-thick p-type GaN optical guide layer 110 having a p-type carrier, 0.5 μm-thick Mg-doped p-type A10.1Ga0.9An N-cladding layer 111 and a 0.1 μm-thick Mg-doped p-type GaN contact layer 114 were grown. Bisethylcyclopentadienylmagnesium (EtCp2Mg) was used as a material for adding Mg. As in Example 1, the temperature was lowered to room temperature, and the production of the composite film having a laser layer structure was completed. In the obtained laser structure, the surface roughness Ra of the uppermost layer was about 5 nm. About the obtained laser layer structure, a p-type contact layer and a part of the p-type cladding layer were etched by photolithography and reactive ion etching to form a ridge having a width of 3 μm. After that, SiO as an insulating film2The film 112 was partially coated to form a p-type contact electrode 113 made of Au / Pd, and an n-type contact electrode 101 made of Al was formed on the back surface of the substrate 102. Cleavage was performed to obtain a cavity length of about 500 μm, and a laser element was obtained. The obtained laser element had a threshold voltage of 6 V and a threshold current of 50 mA. For comparison, a laser structure was obtained by directly forming a laser structure on a GaN substrate without using a GaN film containing carbon by the method described above. The surface roughness Ra of the outermost layer in the obtained laser structure was 20 nm. The obtained laser device has a threshold voltage of 6 V, which is almost the same value as that having a carbon-doped intermediate layer. However, its threshold current is 80 mA, which is higher than that with a carbon-doped interlayer. The reason why the threshold current is increased is that the surface roughness of the laser structure film is increased, the dispersion of light propagating inside the laser element is increased, and the flatness of the film is decreased. It is considered that a distribution occurs in the emission intensity and wavelength of the light, resulting in uneven emission.
[0055]
For the light emitting diode (LED), the flatness of the diode surface could be improved by forming the intermediate layer. Then, the emission intensity distribution and emission wavelength distribution in the light emitting surface were reduced. In the case of a light emitting diode, if there is unevenness in particular, a difference in emission wavelength of 5 nm or more occurs between the convex part and the concave part. By improving the flatness of the surface, the light emission efficiency was increased and the half width of the wavelength was narrowed.
[0056]
Example 8
In the above embodiment, a free-standing GaN substrate obtained by removing the sapphire substrate was used. However, in order to improve the surface roughness, a free-standing substrate is not essential as the first crystal layer. For example, as shown in FIG. 12, a 20 μm-thick GaN substrate layer 102 was formed on sapphire 116, and a laminated structure was formed thereon by the same method as in Example 7 to obtain a laser element. In this structure, since the n-electrode cannot be provided on the GaN substrate layer 102, etching is performed from the surface to the n-type GaN film 104 by reactive ion etching, and A1 is deposited on the exposed n-type GaN film 104. Thus, an n-type contact electrode 101 was formed. The threshold voltage and threshold current of the obtained laser element were almost the same as those of the laser element of Example 7.
[0057]
Example 9
An optical pickup system was configured using the semiconductor laser obtained in Example 7. As a laser using a nitrogen compound semiconductor, the used laser was able to form a far-field image and a near-field image with stable characteristics because the emission intensity distribution in the device was small. The optical pickup system using the laser according to the present invention showed better characteristics in reading accuracy and writing accuracy than the optical pickup system using the conventional nitrogen compound semiconductor laser. The optical pickup according to the present invention can be preferably used for recording and reproduction of recording media such as CDs, CD-Rs and CD-R-RWs of personal computers, and recording media such as game machines, movies and digital video disks. .
[0058]
【The invention's effect】
According to the present invention, the flatness of the surface of the nitrogen compound semiconductor element can be improved. In addition, a light-emitting element such as a semiconductor laser or a light-emitting diode using the present invention can reduce the threshold current, and thus can exhibit stable characteristics. Further, in the light emitting device using the present invention, the intensity and wavelength distribution in the light emitting surface can be reduced. If the laser element according to the present invention is used in an optical pickup system, its reading and writing accuracy can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of a nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention.
FIG. 2 is a SIMS analysis chart showing a carbon concentration distribution of an intermediate layer in the nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a process for defining the thickness of an intermediate layer from a SIMS analysis chart.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a process for manufacturing a nitrogen compound semiconductor laminate according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of a light emitting device according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a conventional film forming process.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the Al composition ratio of the intermediate layer and the surface roughness of the resulting structure.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the In composition ratio of the intermediate layer and the surface roughness of the resulting structure.
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the thickness of the intermediate layer and the surface roughness of the resulting structure.
FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the carbon concentration of the intermediate layer and the surface roughness of the resulting structure.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a specific example of a semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing another specific example of a semiconductor laser according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Nitrogen compound semiconductor laminated body, 11 1st crystal layer, 12 Intermediate layer, 13 2nd crystal layer, 101 n contact electrode, 102 Nitrogen compound semiconductor substrate, 103 Nitrogen compound semiconductor film containing carbon, 104 n-type GaN film , 105 IN0.05Ga0.95N crack prevention layer, 106 n-type A10.1Ga0.9N clad layer, 107 n-type GaN light guide layer, 108 IN0.05Ga0.95N / In0.18Ga0.82Light emitting layer made of N, 109 A10.2Ga0.8N carrier block layer, 110 p-type GaN light guide layer, 111 p-type A10.1Ga0.9N clad layer, 112 SiO2Insulating film, 113 p-type contact electrode, 114 p-type GaN contact layer.

Claims (13)

GaN基板からなる第1の結晶層、
前記第1の結晶層上に直接形成され、かつ炭素を不純物として含む窒素化合物半導体からなる、厚みが5nm以上500nm以下である中間層、および
前記中間層上に直接形成され、かつ窒素化合物半導体からなる第2の結晶層
を備え、
前記中間層の窒素化合物半導体がAlxGa1-xN(0≦x≦0.3)であることを特徴とする、窒素化合物半導体積層物。
A first crystal layer comprising a GaN substrate ;
An intermediate layer formed directly on the first crystal layer and made of a nitrogen compound semiconductor containing carbon as an impurity, and having a thickness of 5 nm to 500 nm; and formed directly on the intermediate layer and made of a nitrogen compound semiconductor A second crystal layer comprising:
A nitrogen compound semiconductor laminate, wherein the nitrogen compound semiconductor of the intermediate layer is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3).
GaN基板からなる第1の結晶層、
前記第1の結晶層上に直接形成され、かつ炭素を不純物として含む窒素化合物半導体からなる、厚みが5nm以上500nm以下である中間層、および
前記中間層上に直接形成され、かつ窒素化合物半導体からなる第2の結晶層
を備え、
前記中間層の窒素化合物半導体がInyGa1-yN(0≦y≦0.35)であることを特徴とする、窒素化合物半導体積層物。
A first crystal layer comprising a GaN substrate ;
An intermediate layer formed directly on the first crystal layer and made of a nitrogen compound semiconductor containing carbon as an impurity, and having a thickness of 5 nm to 500 nm; and formed directly on the intermediate layer and made of a nitrogen compound semiconductor A second crystal layer comprising:
The nitrogen compound semiconductor stack according to claim 1, wherein the nitrogen compound semiconductor of the intermediate layer is In y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.35).
前記中間層の厚みが10nm以上200nm以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載の窒素化合物半導体積層物。  The nitrogen compound semiconductor laminate according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 10 nm to 200 nm. 前記中間層における前記炭素の濃度が5×1018cm-3以上5×1021cm-3以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒素化合物半導体積層物。4. The nitrogen compound semiconductor stack according to claim 1, wherein a concentration of the carbon in the intermediate layer is 5 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 21 cm −3 or less. object. 前記第2の結晶層がエピタキシャル成長層であることを特徴とする、請求項1〜のいずれか1項に記載の窒素化合物半導体積層物。The second crystal layer, characterized in that an epitaxial growth layer, a nitrogen compound semiconductor multilayer structure according to any one of claims 1-4. その上に素子を形成するためのエピタキシャルウェハであることを特徴とする、請求項に記載の窒素化合物半導体積層物。6. The nitrogen compound semiconductor laminate according to claim 5 , which is an epitaxial wafer for forming an element thereon. 前記第2の結晶層の表面粗さRaが30nm以下であることを特徴とする、請求項に記載の窒素化合物半導体積層物。The nitrogen compound semiconductor laminate according to claim 6 , wherein the second crystal layer has a surface roughness Ra of 30 nm or less. 請求項1〜のいずれか1項に記載の窒素化合物半導体積層物、
前記第2の結晶層上に形成され、かつ窒素化合物半導体からなる、電力から光出力を生じさせるための積層構造物、および
前記積層構造物に電力を供給するための電極
を備えることを特徴とする、発光素子。
The nitrogen compound semiconductor laminate according to any one of claims 1 to 5 ,
A laminate structure formed on the second crystal layer and made of a nitrogen compound semiconductor for generating optical output from electric power, and an electrode for supplying electric power to the laminate structure, A light emitting element.
半導体レーザであることを特徴とする、請求項に記載の発光素子。The light emitting device according to claim 8 , wherein the light emitting device is a semiconductor laser. 光学系に光を供給するための装置として、請求項に記載の発光素子を備えることを特徴とする、光ピックアップシステム。An optical pickup system comprising the light emitting element according to claim 9 as an apparatus for supplying light to an optical system. GaN基板からなる第1の結晶層上に、炭素の供給源、周期律表における第3族元素の供給源、および窒素の供給源から、炭素を不純物として含む窒素化合物半導体からなる、厚みが5nm以上500nm以下である中間層を形成する第1の工程、および
前記炭素の供給源の供給を停止し、前記第1の工程に連続して、周期律表における第3族元素の供給源および窒素の供給源から、窒素化合物半導体からなる第2の結晶層を形成する第2の工程
を備え、
前記中間層の窒素化合物半導体がAlxGa1-xN(0≦x≦0.3)であることを特徴とする、窒素化合物半導体積層物の製造方法。
On the first crystal layer made of the GaN substrate , the thickness is 5 nm made of a nitrogen compound semiconductor containing carbon as an impurity from a carbon source, a Group 3 element source in the periodic table, and a nitrogen source. The first step of forming an intermediate layer having a thickness of 500 nm or less, and the supply of the carbon supply source are stopped, and the group 3 element supply source and nitrogen in the periodic table are continuously supplied to the first step. A second step of forming a second crystal layer made of a nitrogen compound semiconductor from a supply source of
A method for producing a nitrogen compound semiconductor laminate, wherein the nitrogen compound semiconductor of the intermediate layer is Al x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 0.3).
GaN基板からなる第1の結晶層上に、炭素の供給源、周期律表における第3族元素の供給源、および窒素の供給源から、炭素を不純物として含む窒素化合物半導体からなる、厚みが5nm以上500nm以下である中間層を形成する第1の工程、および
前記炭素の供給源の供給を停止し、前記第1の工程に連続して、周期律表における第3族元素の供給源および窒素の供給源から、窒素化合物半導体からなる第2の結晶層を形成する第2の工程
を備え、
前記中間層の窒素化合物半導体がInyGa1-yN(0≦y≦0.35)であることを特徴とする、窒素化合物半導体積層物の製造方法。
On the first crystal layer made of the GaN substrate , the thickness is 5 nm made of a nitrogen compound semiconductor containing carbon as an impurity from a carbon source, a Group 3 element source in the periodic table, and a nitrogen source. The first step of forming an intermediate layer having a thickness of 500 nm or less, and the supply of the carbon supply source are stopped, and the group 3 element supply source and nitrogen in the periodic table are continuously supplied to the first step. A second step of forming a second crystal layer made of a nitrogen compound semiconductor from a supply source of
The method for producing a nitrogen compound semiconductor laminate, wherein the nitrogen compound semiconductor of the intermediate layer is In y Ga 1-y N (0 ≦ y ≦ 0.35).
前記第1の工程および前記第2の工程が、有機金属気相成長法によって行われることを特徴とする、請求項11または12に記載の製造方法。The manufacturing method according to claim 11 or 12 , wherein the first step and the second step are performed by metal organic vapor phase epitaxy.
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