JP4900336B2 - Method for manufacturing group III nitride light emitting device, and group III nitride light emitting device - Google Patents
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Description
本発明は、III族窒化物発光素子を製造する方法、及びIII族窒化物発光素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride light emitting device, and a group III nitride light emitting device.
特許文献1には、高輝度および高出力の窒化物半導体発光素子の製造方法が記載されている。この方法では、少なくともインジウムを含む窒化物半導体よりなる活性層を用いている。n型窒化物半導体層がAlGaN層を含み、このAlGaN層が活性層に接するように形成されている。p型窒化物半導体層がInGaNまたはGaNの層を含み、この層(InGaN層またはGaN層)が活性層に接するように形成されており、また該層の外側にAlGaN層が形成される。 Patent Document 1 describes a method of manufacturing a nitride semiconductor light emitting device with high luminance and high output. In this method, an active layer made of a nitride semiconductor containing at least indium is used. The n-type nitride semiconductor layer includes an AlGaN layer, and the AlGaN layer is formed in contact with the active layer. The p-type nitride semiconductor layer includes an InGaN or GaN layer, and this layer (InGaN layer or GaN layer) is formed in contact with the active layer, and an AlGaN layer is formed outside the layer.
特許文献2には、高出力化を実現する窒化物半導体レーザが記載されている。窒化物半導体素子では、活性層は、少なくともInを含む窒化物半導体からなる井戸層と障壁層とを有する。この活性層が、障壁層のバンドギャップエネルギと同一又はそれよりも大きく井戸層と障壁層との間の全体に設けられた窒化物半導体層を含む。
長波長の光を発生するIII族窒化物発光素子では、短波長の光を発生する活性層に比べて、活性層のインジウム組成を大きくすることが必要である。発明者の実験によれば、GaN基板といったIII族窒化物基板上に、0.18以上のインジウム組成を有するInGaNを活性層のために成長するとき、InGaNとGaNとの格子不整合に起因して生成された貫通転位が観察された。 In a group III nitride light-emitting device that generates light with a long wavelength, it is necessary to increase the indium composition of the active layer as compared with an active layer that generates light with a short wavelength. According to the inventor's experiment, when an InGaN having an indium composition of 0.18 or more is grown for an active layer on a group III nitride substrate such as a GaN substrate, it is caused by lattice mismatch between InGaN and GaN. The threading dislocations generated were observed.
発明者の実験では、0.18以上のインジウム組成を有するInGaNを成長するとき、その成長の初期において、サファイア基板上に設けられた下地の窒化ガリウム系半導体層とInGaNとの格子不整合に起因して、InGaNが島状に成長されることが促進される。この成長では、島状のInGaN層の結合により新たな貫通転位が発生する可能性がある。 In the inventor's experiment, when growing InGaN having an indium composition of 0.18 or more, in the initial stage of the growth, the underlying gallium nitride semiconductor layer provided on the sapphire substrate is caused by lattice mismatch with InGaN. Thus, it is promoted that InGaN is grown in an island shape. In this growth, there is a possibility that new threading dislocations may occur due to the bonding of the island-shaped InGaN layers.
この結果は、サファイア基板を用いた実験から得られたものであり、サファイア基板上の窒化ガリウム系半導体は、本来的に大きな貫通転位密度(例えば1×10+8cm−2程度以上)を有するので、高インジウムのInGaN成長における上記の現象は、明らかにされていなかった。しかしながら、高インジウムのInGaN成長を低転位の窒化ガリウム基板(例えば、転位密度1×10+7cm−2程度以下)上に行うとき、InGaN層の成長において貫通転位の発生が明らかになってきた。 This result is obtained from an experiment using a sapphire substrate, and the gallium nitride semiconductor on the sapphire substrate inherently has a large threading dislocation density (for example, about 1 × 10 +8 cm −2 or more). The above phenomenon in InGaN growth of high indium has not been clarified. However, when high-indium InGaN growth is performed on a low-dislocation gallium nitride substrate (for example, a dislocation density of about 1 × 10 +7 cm −2 or less), the occurrence of threading dislocations has become apparent in the growth of InGaN layers.
InGaNに替えて、構成元素としてAlを添加してInAlGaNを用いることによって、格子不整合度を少し低減させることができる。しかしながら、InAlGaNの採用により発光波長が短波長にシフトする。故に、波長のシフトを避けるために、井戸層の材料としてInAlGaNを用いることができない。したがって、InGaN成長に伴う貫通転位の生成を防ぐことが求められている。 By replacing the InGaN with Al as a constituent element and using InAlGaN, the degree of lattice mismatch can be slightly reduced. However, adoption of InAlGaN shifts the emission wavelength to a short wavelength. Therefore, InAlGaN cannot be used as the material of the well layer in order to avoid wavelength shift. Therefore, it is required to prevent the generation of threading dislocations associated with InGaN growth.
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、500nmよりも長波長の光を発生可能であると共に、貫通転位により発光強度の低下を避けることが可能な、III族窒化物発光素子を製造する方法を提供することを目的とし、また500nmよりも長波長の光を発生可能であると共に、貫通転位による発光強度低下を回避可能なIII族窒化物発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is capable of generating light having a wavelength longer than 500 nm, and is capable of avoiding a decrease in emission intensity due to threading dislocations. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a light emitting device, and to provide a group III nitride light emitting device capable of generating light having a wavelength longer than 500 nm and avoiding a decrease in light emission intensity due to threading dislocations. Objective.
本発明の一側面は、500nmよりも長波長の光を発生するIII族窒化物発光素子を作製する方法である。この方法は、(a)窒化ガリウム半導体基板の主面上に、窒化ガリウム系半導体からなり活性層のための障壁層を成長する工程と、(b)前記障壁層の主面を部分的に覆うアルミニウム窒化物領域を形成する工程と、(c)前記障壁層の主面及び前記アルミニウム窒化物領域を覆うInGaN井戸層を成長する工程とを備える。前記窒化ガリウム半導体基板は1×10+7cm−2以下の貫通転位密度の領域を有しており、前記アルミニウム窒化物領域の平均膜厚が1モノレイヤよりも薄い。 One aspect of the present invention is a method for manufacturing a group III nitride light-emitting element that generates light having a wavelength longer than 500 nm. In this method, (a) a step of growing a barrier layer for an active layer made of a gallium nitride semiconductor on a main surface of a gallium nitride semiconductor substrate, and (b) partially covering the main surface of the barrier layer. Forming an aluminum nitride region; and (c) growing an InGaN well layer covering the main surface of the barrier layer and the aluminum nitride region. The gallium nitride semiconductor substrate has a region of threading dislocation density of 1 × 10 +7 cm −2 or less, and the average film thickness of the aluminum nitride region is thinner than one monolayer.
この方法によれば、InGaNの成長に先立って障壁層の主面を部分的に覆うアルミニウム窒化物領域を形成するので、InGaNは、アルミニウム窒化物領域に覆われていない表面に成長される。このInGaNの成長はアルミニウム窒化物領域の表面を覆うように進む。これと同様にして、アルミニウム窒化物領域におけるいくつかの開口から複数のInGaNが成長する。これらのInGaN同士は、アルミニウム窒化物領域が薄いので、転位を生成することなく繋がる。この成長により、500nmよりも長波長の光を発生するためのInGaN層が成長される。 According to this method, since the aluminum nitride region that partially covers the main surface of the barrier layer is formed prior to the growth of InGaN, InGaN is grown on the surface that is not covered by the aluminum nitride region. This InGaN growth proceeds so as to cover the surface of the aluminum nitride region. Similarly, a plurality of InGaN grows from several openings in the aluminum nitride region. These InGaNs are connected without generating dislocations because the aluminum nitride region is thin. By this growth, an InGaN layer for generating light having a wavelength longer than 500 nm is grown.
本発明に係る方法では、前記障壁層の主面を覆う前記アルミニウム窒化物領域の被覆率は、0.1以上であり、0.9以下であることが好ましい。この方法では、小さすぎる被覆率は島状成長による結晶品質の低下が顕著になる。大きすぎる被覆率は、アルミニウム窒化物領域上を十分にInGaN井戸層で覆えなくなる。 In the method according to the present invention, the coverage of the aluminum nitride region covering the main surface of the barrier layer is preferably 0.1 or more and 0.9 or less. In this method, if the coverage is too small, the crystal quality is significantly reduced due to island growth. If the coverage is too large, the InGaN well layer cannot sufficiently cover the aluminum nitride region.
本発明に係る方法では、前記井戸層及び障壁層の成長は有機金属気相成長法で行われることができる。 In the method according to the present invention, the well layer and the barrier layer may be grown by metal organic vapor phase epitaxy.
本発明に係る方法では、前記アルミニウム窒化物領域を形成する工程では、インジウム原料及びガリウム原料を成長炉に供給すること無くアルミニウム原料及び窒素原料を成長炉に供給して、前記アルミニウム窒化物領域が成長される。この方法では、アルミニウム原料及び窒素原料を同時に供給してアルミニウム窒化物領域を成長する。好ましくは、アルミニウム原料は誘起アルミニウム原料であり、窒素原料は、アンモニア及びアミン類である。 In the method according to the present invention, in the step of forming the aluminum nitride region, an aluminum source and a nitrogen source are supplied to the growth reactor without supplying an indium source and a gallium source to the growth reactor, Grown up. In this method, an aluminum nitride region is grown by simultaneously supplying an aluminum material and a nitrogen material. Preferably, the aluminum source is an induced aluminum source and the nitrogen source is ammonia and amines.
本発明に係る方法では、前記障壁層を成長した後に、前記アルミニウム窒化物領域を成長するに先立って、前記障壁層の成長の第1の成長温度から前記井戸層の成長の第2の成長温度に基板温度を変更する工程を更に備えることができる。前記アルミニウム窒化物領域を成長する工程は前記基板温度を変更した後に行われ、前記第2の成長温度は前記第1の成長温度よりも低いことが好ましい。 In the method according to the present invention, after growing the barrier layer and before growing the aluminum nitride region, the first growth temperature for the growth of the barrier layer to the second growth temperature for the growth of the well layer. The method may further include a step of changing the substrate temperature. Preferably, the step of growing the aluminum nitride region is performed after changing the substrate temperature, and the second growth temperature is lower than the first growth temperature.
この方法によれば、井戸層の成長がアルミニウム窒化物領域の成長に引き続き行われるので、アルミニウム窒化物領域の成長後に井戸層の成長温度に温度を変更することなく、井戸層の成長が開始される。 According to this method, since the growth of the well layer is continued after the growth of the aluminum nitride region, the growth of the well layer is started without changing the temperature to the growth temperature of the well layer after the growth of the aluminum nitride region. The
本発明に係る方法では、前記基板温度を変更する前記工程では、前記障壁層の成長における第1の圧力から前記井戸層の成長における第2の圧力に成長炉の圧力が変更される。この方法によれば、アルミニウム窒化物領域の成長は、減圧成長の条件で行われる。 In the method according to the present invention, in the step of changing the substrate temperature, the growth furnace pressure is changed from a first pressure in the growth of the barrier layer to a second pressure in the growth of the well layer. According to this method, the growth of the aluminum nitride region is performed under conditions of reduced pressure growth.
本発明に係る方法は、前記障壁層を成長した後に、前記アルミニウム窒化物領域を成長するに先立って、前記障壁層の成長における第1の圧力から前記井戸層の成長における第2の圧力に成長炉の圧力を変更する工程を更に備えることができる。前記第2の圧力は前記第1の圧力よりも低いことが好ましい。 According to the method of the present invention, after growing the barrier layer, before growing the aluminum nitride region, the method grows from a first pressure in the growth of the barrier layer to a second pressure in the growth of the well layer. The method may further comprise changing the furnace pressure. The second pressure is preferably lower than the first pressure.
本発明に係る方法では、前記井戸層の厚さは20nm以下であることが好ましい。また、本発明に係る方法では、前記井戸層の厚さは0.5nm以上であることができる。 In the method according to the present invention, the thickness of the well layer is preferably 20 nm or less. In the method according to the present invention, the well layer may have a thickness of 0.5 nm or more.
本発明に係る方法では、前記InGaN井戸層のInXGa1−XNにおけるインジウム組成Xは、0.18以上であることができる。この方法では、インジウム組成Xが0.18以上であれば、長波長の発光が提供される。本発明に係る方法では、前記インジウム組成Xは0.30以下であることができる。この方法では、大きすぎるインジウム組成は井戸層に大きな歪みを与える。 In the method according to the present invention, the indium composition X of In X Ga 1-X N in the InGaN well layer may be 0.18 or more. In this method, if the indium composition X is 0.18 or more, long wavelength light emission is provided. In the method according to the present invention, the indium composition X may be 0.30 or less. In this method, an indium composition that is too large gives a large strain to the well layer.
本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム基板の前記主面は半極性面であり、 前記窒化ガリウム基板の前記主面は、前記窒化ガリウム基板の六方晶窒化ガリウムのc面から90度未満の角度で傾斜していることができる。この方法によれば、半極性により、ピエゾ電界によるブルーシフトが低減される。本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム基板の前記主面は極性面であることができる。この方法によれば、低転位密度の大口径基板を用いて、III族窒化物発光素子を作製できる。また、窒化ガリウム基板の主面が比較的小さい傾斜の半極性面であれば、非極性表面を用いることに比べて、低転位密度の大口径基板を用いて、III族窒化物発光素子を作製できる。 In the method according to the present invention, the main surface of the gallium nitride substrate is a semipolar surface, and the main surface of the gallium nitride substrate has an angle of less than 90 degrees from the c-plane of hexagonal gallium nitride of the gallium nitride substrate. Can be inclined at. According to this method, the blue shift due to the piezoelectric field is reduced by the semipolarity. In the method according to the present invention, the main surface of the gallium nitride substrate may be a polar surface. According to this method, a group III nitride light-emitting device can be produced using a large-diameter substrate having a low dislocation density. In addition, if the main surface of the gallium nitride substrate is a relatively small inclined semipolar surface, a Group III nitride light-emitting device is fabricated using a large-diameter substrate with a low dislocation density compared to using a nonpolar surface. it can.
本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム基板の前記主面は非極性面であることができる。この方法によれば、非極性面を用いて、貫通転位による発光強度の低下を回避可能なIII族窒化物発光素子が作製される。 In the method according to the present invention, the main surface of the gallium nitride substrate may be a nonpolar surface. According to this method, a group III nitride light-emitting device capable of avoiding a decrease in emission intensity due to threading dislocations using a nonpolar plane is produced.
本発明の別の側面は、500nmよりも長波長の光を発生するIII族窒化物発光素子である。このIII族窒化物発光素子は、(a)1×10+7cm−2以下の貫通転位密度の領域を有する窒化ガリウム支持基体と、(b)前記窒化ガリウム支持基体上に設けられ活性層とを備える。前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層と、前記障壁層の主面を部分的に覆うアルミニウム窒化物領域と、前記障壁層の主面及び前記アルミニウム窒化物領域を覆うInGaN井戸層とを含み、前記アルミニウム窒化物領域の平均膜厚が1モノレイヤよりも薄く、前記障壁層の前記主面は、前記アルミニウム窒化物領域に覆われていない第1のエリアと前記アルミニウム窒化物領域に覆われた第2のエリアとを含み、前記InGaN井戸層は、前記第1のエリアに設けられたエピタキシャル成長部と、該エピタキシャル成長部から前記アルミニウム窒化物領域の表面に沿って延びる延在部とを含む。 Another aspect of the present invention is a group III nitride light-emitting device that generates light having a wavelength longer than 500 nm. The group III nitride light-emitting device includes: (a) a gallium nitride support base having a threading dislocation density region of 1 × 10 +7 cm −2 or less; and (b) an active layer provided on the gallium nitride support base. Prepare. The active layer includes a barrier layer made of a gallium nitride based semiconductor, an aluminum nitride region partially covering the main surface of the barrier layer, an InGaN well layer covering the main surface of the barrier layer and the aluminum nitride region, An average film thickness of the aluminum nitride region is thinner than one monolayer, and the main surface of the barrier layer covers the first area not covered by the aluminum nitride region and the aluminum nitride region. The InGaN well layer includes an epitaxial growth portion provided in the first area and an extension portion extending from the epitaxial growth portion along the surface of the aluminum nitride region. .
このIII族窒化物発光素子によれば、障壁層の主面を部分的にアルミニウム窒化物領域で覆われており、また、高インジウム組成のInGaN井戸層がエピタキシャル成長部及び延在部を含む。アルミニウム窒化物領域上の延在部は障壁層に接していないので、障壁層とInGaNとの格子不整に関係なく、エピタキシャル成長部の結晶性を引き継ぐ。故に、InGaN井戸層の全体にわたって、その結晶品質が良好になる。したがって、III族窒化物発光素子は、500nmよりも長波長の光を発生可能であると共に、貫通転位により発光強度の低下を避けることが可能である。 According to this group III nitride light-emitting device, the main surface of the barrier layer is partially covered with the aluminum nitride region, and the InGaN well layer having a high indium composition includes the epitaxially grown portion and the extended portion. Since the extended portion on the aluminum nitride region is not in contact with the barrier layer, the crystallinity of the epitaxially grown portion is inherited regardless of the lattice mismatch between the barrier layer and InGaN. Therefore, the crystal quality is improved throughout the InGaN well layer. Therefore, the group III nitride light-emitting device can generate light having a wavelength longer than 500 nm, and can avoid a decrease in emission intensity due to threading dislocations.
本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記障壁層の主面を覆う前記アルミニウム窒化物領域の被覆率は、0.1以上であり、0.9以下であることが好ましい。このIII族窒化物発光素子では、小さすぎる被覆率は島状成長による結晶品質の低下が顕著になり、良質なエピタキシャル成長部が得られない。大きすぎる被覆率は、アルミニウム窒化物領域上を十分に延在部で覆えなくなる。 In the group III nitride light-emitting device according to the present invention, the coverage of the aluminum nitride region covering the main surface of the barrier layer is 0.1 or more and preferably 0.9 or less. In this group III nitride light-emitting device, if the coverage is too small, the crystal quality is significantly lowered due to island-like growth, and a high-quality epitaxial growth portion cannot be obtained. If the coverage is too large, the aluminum nitride region cannot be sufficiently covered with the extended portion.
本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記井戸層の厚さは20nm以下であることが好ましい。また、前記井戸層の厚さは0.5nm以上であることができる。本発明に係る方法では、前記InGaN井戸層のインジウム組成Xは、0.18以上であることができる。このIII族窒化物発光素子では、InGaN井戸層のインジウム組成Xが0.18以上であれば、長波長の発光が提供される。本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記InGaN井戸層のインジウム組成Xは0.30以下であることができる。このIII族窒化物発光素子では、大きすぎるインジウム組成は井戸層に大きな歪みを与える。 In the group III nitride light emitting device according to the present invention, the thickness of the well layer is preferably 20 nm or less. The well layer may have a thickness of 0.5 nm or more. In the method according to the present invention, the indium composition X of the InGaN well layer may be 0.18 or more. In this group III nitride light emitting device, long wavelength light emission is provided if the indium composition X of the InGaN well layer is 0.18 or more. In the group III nitride light emitting device according to the present invention, the indium composition X of the InGaN well layer may be 0.30 or less. In this group III nitride light-emitting device, an excessively large indium composition gives a large strain to the well layer.
本発明に係るIII族窒化物発光素子は、前記GaN支持基体と前記活性層との間に設けられたInGaN緩衝層を更に備えることができる。前記InGaN緩衝層のInYGa1−YNにおけるインジウム組成Yは、前記InGaN井戸層のインジウム組成よりも小さい。このIII族窒化物発光素子によれば、高インジウム組成のInGaNの歪みを低減できる。 The group III nitride light emitting device according to the present invention may further include an InGaN buffer layer provided between the GaN support base and the active layer. The indium composition Y in In Y Ga 1-Y N of the InGaN buffer layer is smaller than the indium composition of the InGaN well layer. According to this group III nitride light emitting device, strain of InGaN having a high indium composition can be reduced.
本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記窒化ガリウム支持基体の前記主面は極性面であることができる。このIII族窒化物発光素子によれば、低転位密度の窒化ガリウム支持基体が提供される。 In the group III nitride light emitting device according to the present invention, the main surface of the gallium nitride supporting base may be a polar surface. According to the group III nitride light-emitting device, a gallium nitride supporting base having a low dislocation density is provided.
本発明に係るIII族窒化物発光素子では、前記窒化ガリウム支持基体の前記主面は半極性面であり、前記窒化ガリウム支持基体の前記主面は、前記窒化ガリウム基板の六方晶窒化ガリウムのc面から90度以下の角度で傾斜している。このIII族窒化物発光素子によれば、ピエゾ電界によるブルーシフトが小さい。また、低転位密度の窒化ガリウム支持基体を利用できる。 In the group III nitride light emitting device according to the present invention, the main surface of the gallium nitride support base is a semipolar surface, and the main surface of the gallium nitride support base is c of hexagonal gallium nitride of the gallium nitride substrate. It is inclined at an angle of 90 degrees or less from the surface. According to this group III nitride light emitting device, the blue shift due to the piezoelectric field is small. Moreover, a low dislocation density gallium nitride supporting substrate can be used.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明の一側面によれば、500nmよりも長波長の光を発生可能であると共に、貫通転位により発光強度の低下を避けることが可能な、III族窒化物発光素子を製造する方法が提供される。また本発明の別の側面によれば、500nmよりも長波長の光を発生可能であると共に、貫通転位により発光強度の低下を回避可能なIII族窒化物発光素子が提供される。 As described above, according to one aspect of the present invention, there is provided a group III nitride light-emitting device capable of generating light having a wavelength longer than 500 nm and avoiding a decrease in emission intensity due to threading dislocation. A method of manufacturing is provided. According to another aspect of the present invention, there is provided a group III nitride light emitting device capable of generating light having a wavelength longer than 500 nm and avoiding a decrease in emission intensity due to threading dislocations.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のIII族窒化物発光素子を製造する方法、III族窒化物発光素子のためのエピタキシャルウエハを製造する方法及びIII族窒化物発光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, referring to the attached drawings, a method of manufacturing a group III nitride light emitting device, a method of manufacturing an epitaxial wafer for the group III nitride light emitting device, and an implementation of the group III nitride light emitting device of the present invention will be described. A form is demonstrated. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光素子を製造する方法及びエピタキシャルウエハを製造する方法の主要な工程を示す図面である。図1を参照すると、フローチャート100が示されている。図2及び図3は、III族窒化物発光素子を製造する方法及びエピタキシャルウエハを製造する方法の主要な工程を示す図面である。本実施の形態では、500nmよりも長波長の光を発生するIII族窒化物発光素子を作製する方法を説明する。 FIG. 1 is a drawing showing main steps of a method for manufacturing a group III nitride light emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer according to the present embodiment. Referring to FIG. 1, a flowchart 100 is shown. 2 and 3 are diagrams showing main steps of a method for manufacturing a group III nitride light emitting device and a method for manufacturing an epitaxial wafer. In this embodiment mode, a method for manufacturing a group III nitride light-emitting element that generates light having a wavelength longer than 500 nm will be described.
工程S101において、図2(a)に示されるような窒化ガリウム半導体基板(以下、「GaN基板」として参照する)13を準備する。GaN基板13は、六方晶系窒化ガリウムからなる。GaN基板は、1×10+7cm−2以下の貫通転位密度の領域を有している。この転位密度の条件を満たす入手可能なGaN基板は、例えば、大きな貫通転位密度を有する高転位領域と小さな貫通転位密度を有する低転位領域とを含み、これらが交互に配置されている。GaN基板13は主面13a及び裏面13bを有する。GaN基板13において、エッジ13c上に2点間の最大距離Dは例えば径45mm以上であることができ、例えば2インチサイズのGaN基板がこれに該当する。 In step S101, a gallium nitride semiconductor substrate (hereinafter referred to as “GaN substrate”) 13 as shown in FIG. The GaN substrate 13 is made of hexagonal gallium nitride. The GaN substrate has a region of threading dislocation density of 1 × 10 +7 cm −2 or less. An available GaN substrate that satisfies this dislocation density condition includes, for example, a high dislocation region having a large threading dislocation density and a low dislocation region having a small threading dislocation density, which are alternately arranged. The GaN substrate 13 has a main surface 13a and a back surface 13b. In the GaN substrate 13, the maximum distance D between two points on the edge 13c can be, for example, a diameter of 45 mm or more.
図2(a)を参照すると、ベクトルVCがc軸の方向を示しており、ベクトルVNが主面13aの法線を示している。これらのベクトルは、角度θを成している。GaN基板13の主面13aは、例えば、角度θが実質的にゼロである極性面であることができる。極性面によれば、低転位密度の大口径基板を用いて、III族窒化物発光素子を作製できる。或いは、GaN基板13の主面13aは、例えば半極性面であることができ、また該六方晶窒化ガリウムのc軸に直交する平面に対して15度以上90度未満の角度θで所定の方向に傾斜している。この傾斜により、ピエゾ電界の影響を低減可能な半導体発光素子を作製できる。また、窒化ガリウム基板の主面が比較的小さい傾斜であれば、非極性表面を用いることに比べて、低転位密度の大口径基板を用いて、III族窒化物発光素子を作製できる。角度θは、例えば(θM 2+θA 2)1/2によって規定される。角度成分θAは六方晶窒化ガリウムのa軸方向に対する傾斜角成分であり、角度成分θMは六方晶窒化ガリウムのm軸方向に対する傾斜角成分である。好ましくは、所定の方向は、a軸またはm軸のいずれかの方向であることができる。 Referring to FIG. 2 (a), the vector V C is indicates the direction of the c-axis, the vector V N indicates a normal line of the principal surface 13a. These vectors form an angle θ. The main surface 13a of the GaN substrate 13 can be, for example, a polar surface whose angle θ is substantially zero. According to the polar plane, a group III nitride light-emitting device can be produced using a large-diameter substrate having a low dislocation density. Alternatively, the main surface 13a of the GaN substrate 13 can be, for example, a semipolar surface, and has a predetermined direction at an angle θ of 15 degrees or more and less than 90 degrees with respect to a plane orthogonal to the c-axis of the hexagonal gallium nitride. It is inclined to. With this inclination, a semiconductor light emitting device capable of reducing the influence of the piezoelectric field can be manufactured. Further, if the main surface of the gallium nitride substrate is relatively small, a group III nitride light-emitting device can be manufactured using a large-diameter substrate having a low dislocation density as compared with the case of using a nonpolar surface. The angle θ is defined by, for example, (θ M 2 + θ A 2 ) 1/2 . The angle component θ A is a tilt angle component with respect to the a-axis direction of hexagonal gallium nitride, and the angle component θ M is a tilt angle component with respect to the m-axis direction of hexagonal gallium nitride. Preferably, the predetermined direction can be either the a-axis or m-axis direction.
工程S102では、GaN基板13を反応炉11に設置した後に、図2(b)に示されるように、アンモニア及び水素を用いてGaN基板13の熱処理を行う。反応炉11は、有機金属気相成長炉であることができる。により半導体発光素子を作製するための有機金属気相成長法の原料には、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMI)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(CP2Mg)を用いた。 In step S102, after the GaN substrate 13 is installed in the reaction furnace 11, the GaN substrate 13 is heat-treated using ammonia and hydrogen as shown in FIG. The reaction furnace 11 can be a metal organic vapor phase growth furnace. The raw materials for metal organic vapor phase epitaxy for producing a semiconductor light emitting device by using trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI), ammonia (NH 3 ), silane (SiH 4 ), Biscyclopentadienyl magnesium (CP 2 Mg) was used.
工程S102では、また、図2(c)に示されるように、第1導電型窒化ガリウム系半導体領域15をGaN基板13上に成長する。本実施例は、GaN基板13上にn型GaN層17を成長する。次いで、n型GaN層17上にInGaN緩衝層19を成長する。InGaN緩衝層19の成長温度は、例えば摂氏800度以上摂氏900度以下であることができる。 In step S102, the first conductivity type gallium nitride based semiconductor region 15 is grown on the GaN substrate 13 as shown in FIG. In this embodiment, an n-type GaN layer 17 is grown on the GaN substrate 13. Next, an InGaN buffer layer 19 is grown on the n-type GaN layer 17. The growth temperature of the InGaN buffer layer 19 can be, for example, not less than 800 degrees Celsius and not more than 900 degrees Celsius.
InGaN緩衝層19の厚みD19は、例えば20nm以上であることができ、これにより緩衝層としての効果を持たすことができるという利点がある。厚みD19は、例えば300nm以下であることができ、これにより格子不整合による転位の発生を抑制できるという利点がある。InGaN緩衝層19のインジウム組成は、例えば0.02以上であることができ、これにより緩衝層としての効果を持たすことができるという利点がある。このインジウム組成は、例えば0.08以下であることができ、これにより格子不整合による転位の発生を抑制できるという利点がある。活性層の成長に先立って、井戸層のインジウム組成より小さいInGaN緩衝層19を成長することにより、窒化ガリウム基板と量子井戸層との格子不整合に起因した歪みを緩和でき、発光効率を向上できるという利点がある。 Thickness D 19 of the InGaN buffer layer 19 is, for example, can be at 20nm or more, thereby can be advantageously Motas an effect as the buffer layer. The thickness D 19 can be, for example, it is 300nm or less, thereby there is an advantage that the generation of dislocations due to lattice mismatch can be suppressed. The indium composition of the InGaN buffer layer 19 can be, for example, 0.02 or more, which has the advantage that it can have an effect as a buffer layer. The indium composition can be, for example, 0.08 or less, which has the advantage that the occurrence of dislocations due to lattice mismatch can be suppressed. Prior to the growth of the active layer, an InGaN buffer layer 19 having a smaller indium composition than the well layer is grown, so that strain caused by lattice mismatch between the gallium nitride substrate and the quantum well layer can be alleviated and the light emission efficiency can be improved. There is an advantage.
工程S103では、図3(a)に示されるように、InGaN緩衝層19上に活性層21を成長する。InGaN緩衝層19の主面19aに活性層21が接触している。活性層21は障壁層25及びInXGa1−XN(0<X<1)井戸層29を含む。 In step S103, an active layer 21 is grown on the InGaN buffer layer 19 as shown in FIG. The active layer 21 is in contact with the main surface 19 a of the InGaN buffer layer 19. The active layer 21 includes a barrier layer 25 and an In X Ga 1-X N (0 <X <1) well layer 29.
活性層21の成長では、工程S104において、InGaN緩衝層19上に障壁層25を成膜温度TBで成長する。障壁層25の厚さDBは、例えば6nm以上25nm以下であることができる。障壁層25は、窒化ガリウム系半導体からなり、例えばGaN、InGaN、AlGaN等であることができる。GaNからなる障壁層25の成長温度TBは、例えば摂氏850度以上摂氏950度以下であることができる。
また、InGaNからなる障壁層25の成膜条件として以下のものがある:
成長温度TB:摂氏720度以上摂氏900度以下
炉内圧力:40kPa以上101kPa以下
インジウム気相比:0.1以下
成長速度:0.1マイクロメートル/時以上0.8マイクロメートル/時以下
また、AlGaNからなる障壁層25の成膜条件として以下のものがある:
成長温度TB:摂氏880度以上摂氏950度以下
炉内圧力:20kPa以上101kPa以下
アルミニウム気相比:0.1以下
成長速度:0.1マイクロメートル/時以上0.8マイクロメートル/時以下
In the growth of the active layer 21, the barrier layer 25 is grown on the InGaN buffer layer 19 at the deposition temperature TB in step S < b > 104. The thickness D B of the barrier layer 25 can be, for example, not 6nm or 25nm or less. The barrier layer 25 is made of a gallium nitride based semiconductor, and can be, for example, GaN, InGaN, AlGaN, or the like. The growth temperature T B of the barrier layer 25 made of GaN may be, for example less 950 degrees to 850 degrees Celsius.
In addition, the following are conditions for forming the barrier layer 25 made of InGaN:
The growth temperature T B: C 720 degrees Celsius 900 degrees reactor pressure: 40 kPa above 101kPa less indium vapor ratio: 0.1 Growth rate: 0.1 micrometer / hour to 0.8 micrometers / hour or less or The film forming conditions for the barrier layer 25 made of AlGaN include the following:
Growth temperature TB: 880 degrees Celsius or more and 950 degrees Celsius or less In-furnace pressure: 20 kPa or more and 101 kPa or less Aluminum vapor phase ratio: 0.1 or less Growth rate: 0.1 micrometer / hour or more and 0.8 micrometer / hour or less
活性層21の成長では、工程S105では、障壁層25の主面25aを部分的に覆うアルミニウム窒化物領域27を形成する。この工程では、インジウム原料及びガリウム原料を成長炉に供給すること無くアルミニウム原料(例えば、有機アルミニウム)及び窒素原料(例えば、NH3及び/又はアミン類)を成長炉に供給して、アルミニウム窒化物を堆積する。アルミニウム原料及び窒素原料を同時に供給して、1モノレイヤよりも薄い平均膜厚のアルミニウム窒化物領域27を障壁層25の主面25a上に成長する。アルミニウム窒化物領域27の平均膜厚が1モノレイヤよりも薄いので、アルミニウム窒化物領域27が、障壁層25の主面25aを部分的にしか覆えない。AlNの1モノレイヤは、例えば0.27nm程度の厚さである。好適な成長条件として以下のものを用いる。
TMAの流量:0.005リットル/分
NH3の流量:10リットル/分
成膜温度TAlN:摂氏700度
成膜速度:0.05マイクロメートル/時
厚み:0.5モノレイヤ
成長時間:10秒
炉内圧力:20kPa。
また、アルミニウム窒化物領域27の形成に以下の成膜条件を適用できる:
成長温度TAlN:摂氏900度以上摂氏1100度以下
炉内圧力:20kPa以上60kPa以下
成膜速度:0.01マイクロメートル/時以上0.1マイクロメートル/時以下
In the growth of the active layer 21, in step S105, an aluminum nitride region 27 that partially covers the main surface 25a of the barrier layer 25 is formed. In this step, an aluminum material (for example, organic aluminum) and a nitrogen material (for example, NH 3 and / or amines) are supplied to the growth furnace without supplying the indium material and the gallium material to the growth furnace. To deposit. An aluminum material and a nitrogen material are simultaneously supplied to grow an aluminum nitride region 27 having an average film thickness thinner than one monolayer on the main surface 25a of the barrier layer 25. Since the average film thickness of the aluminum nitride region 27 is thinner than one monolayer, the aluminum nitride region 27 can only partially cover the main surface 25 a of the barrier layer 25. One monolayer of AlN has a thickness of about 0.27 nm, for example. The following are used as suitable growth conditions.
TMA flow rate: 0.005 liter / min NH 3 flow rate: 10 liter / min Deposition temperature T AlN : 700 degrees Celsius Deposition rate: 0.05 micrometer / hour Thickness: 0.5 Monolayer growth time: 10 seconds Furnace pressure: 20 kPa.
Further, the following film formation conditions can be applied to the formation of the aluminum nitride region 27:
Growth temperature T AlN : 900 degrees Celsius or higher and 1100 degrees Celsius or lower In-furnace pressure: 20 kPa or higher and 60 kPa or lower Deposition rate: 0.01 micrometer / hour or higher and 0.1 micrometer / hour or lower
障壁層25の主面25aを覆うアルミニウム窒化物領域27の被覆率は0.1以上であることが好ましい。小さすぎる被覆率は島状成長による結晶品質の低下が顕著になる。また、被覆率は0.9以下であることが好ましい。この方法では、大きすぎる被覆率は、アルミニウム窒化物領域上を十分にInGaN井戸層で覆えなくなる。 The coverage of the aluminum nitride region 27 covering the main surface 25a of the barrier layer 25 is preferably 0.1 or more. If the coverage is too small, the deterioration of crystal quality due to island growth becomes remarkable. Further, the coverage is preferably 0.9 or less. In this method, an excessively large coverage cannot sufficiently cover the aluminum nitride region with the InGaN well layer.
活性層21の成長では、工程S106では、障壁層25の主面25a及びアルミニウム窒化物領域27を覆うInGaN井戸層29を成長する。InGaN井戸層29の形成に以下の成膜条件を適用できる:
成長温度TW:摂氏730度以上摂氏770度以下
炉内圧力:60kPa以上100kPa以下
インジウム気相比:0.5以上0.8以下
成膜速度:0.1マイクロメートル/時以上0.8マイクロメートル/時以下
In the growth of the active layer 21, in step S106, an InGaN well layer 29 that covers the main surface 25a of the barrier layer 25 and the aluminum nitride region 27 is grown. The following deposition conditions can be applied to the formation of the InGaN well layer 29:
Growth temperature T W : 730 degrees Celsius or more and 770 degrees Celsius or less In-furnace pressure: 60 kPa or more and 100 kPa or less Indium gas phase ratio: 0.5 or more and 0.8 or less Deposition rate: 0.1 micrometers / hour or more and 0.8 micrometers Meters per hour or less
井戸層29の厚さDWは20nm以下であることが好ましい。20nmよりも厚いと結晶性が低下し易いからである。井戸層29の厚さDWは0.5nm以上であることができる。0.5nmよりも薄いと、所望の波長を得るためのインジウム組成を高くする必要が生じる。InGaN井戸層29のインジウム組成(InXGa1−XNにおけるX)は、0.18以上であることができる。インジウム組成Xが0.18以上であれば、標準的に用いられる井戸層厚みの3nmで500nmを超える波長を得ることができる。InGaN井戸層29のインジウム組成Xは0.30以下であることができる。0.3よりも大きいと、結晶性が低下し易い。 The thickness DW of the well layer 29 is preferably 20 nm or less. This is because if it is thicker than 20 nm, the crystallinity tends to decrease. The thickness DW of the well layer 29 can be 0.5 nm or more. If it is thinner than 0.5 nm, it is necessary to increase the indium composition for obtaining a desired wavelength. The indium composition of the InGaN well layer 29 ( X in In X Ga 1-X N) can be 0.18 or more. If the indium composition X is 0.18 or more, a wavelength exceeding 500 nm can be obtained with the well layer thickness of 3 nm used as a standard. The indium composition X of the InGaN well layer 29 can be 0.30 or less. If it is larger than 0.3, the crystallinity tends to be lowered.
次いで、活性層21の成長では、工程S107において、InGaN井戸層29上に障壁層31を成長する。障壁層31は障壁層25と同様の条件で成長できる。 Next, in the growth of the active layer 21, the barrier layer 31 is grown on the InGaN well layer 29 in step S107. The barrier layer 31 can be grown under the same conditions as the barrier layer 25.
工程S108において、所望の量子井戸構造が完成するまで、工程S105、工程S106及び工程S107を繰り返すことができる。 In Step S108, Step S105, Step S106, and Step S107 can be repeated until a desired quantum well structure is completed.
図4(a)〜図4(d)は、本実施の形態に係る方法により活性層を形成するときにおける井戸層の成長を模式的に示す図面である。本実施の形態によれば、図4(a)に示されるように、InGaNの成長に先立って障壁層25の主面25aのエリア25bにアルミニウム窒化物領域27を形成する。故に、InGaN29aは、アルミニウム窒化物領域27に覆われていないエリア25cに成長される。このInGaNはアルミニウム窒化物領域27の表面を覆うように成長していき、井戸層の成長途中ではInGaN29cを形成する。これと同様に、アルミニウム窒化物領域におけるいくつかの開口27aから複数のInGaN29a、29bが成長し、これらのInGaN同士が転位を生成することなく繋がってInGaN29cが形成される。一般に、IV族半導体(例えばSiGe/Si基板)やIII−V族化合物半導体(例えばInGaAs/GaAs基板)の格子不整合系エピタキシャル成長では、格子不整合度fが2%よりも大きくなると、島状成長が生じ、それぞれの島と島が合体する際に貫通転位が発生して、結晶性を悪化することがわかっている。InGaNにおいて、In組成0.18のとき、GaNとの格子不整合度は約2%に相当するため、同様のメカニズムで結晶性の悪化が生じる。活性層成長直前の面内の格子定数はGaNの値になるが、格子定数の小さな窒化アルミニウムを面内の被覆率が0.1以上0.9以下で形成すると、InGaN層初期の島状成長が抑制され、貫通転位の発生を抑制できる。このため、窒化アルミニウム層が無い場合に比べて、結晶性を向上でき、発光効率を向上できる。
格子不整合度fは以下のように規定される:
f=100×((エピタキシャル層の格子定数)−(基板の格子定数))/基板の格子定数
GaNのa軸方向の格子定数:0.3189ナノメートル
In組成0.18のInGaNのa軸格子定数:0.3252ナノメートル
InGaN成長を進めると、障壁層25の主面25a及びアルミニウム窒化物領域27の表面の全体に平坦に成長されたInGaN29dが形成される。この成長により、500nmよりも長波長の光を発生する高インジウム組成InGaN層が成長される。
FIG. 4A to FIG. 4D are drawings schematically showing the growth of the well layer when the active layer is formed by the method according to the present embodiment. According to the present embodiment, as shown in FIG. 4A, the aluminum nitride region 27 is formed in the area 25b of the major surface 25a of the barrier layer 25 prior to the growth of InGaN. Therefore, the InGaN 29a is grown in the area 25c that is not covered by the aluminum nitride region 27. This InGaN grows so as to cover the surface of the aluminum nitride region 27, and InGaN 29c is formed during the growth of the well layer. Similarly, a plurality of InGaN 29a and 29b grow from several openings 27a in the aluminum nitride region, and these InGaN are connected to each other without generating dislocations to form InGaN 29c. In general, in the lattice mismatch type epitaxial growth of a group IV semiconductor (for example, SiGe / Si substrate) or a group III-V compound semiconductor (for example, InGaAs / GaAs substrate), when the lattice mismatch degree f is larger than 2%, island-shaped growth is performed. It is known that threading dislocations are generated when the islands merge with each other and the crystallinity is deteriorated. In InGaN, when the In composition is 0.18, the degree of lattice mismatch with GaN corresponds to about 2%, and thus the crystallinity is deteriorated by the same mechanism. The in-plane lattice constant immediately before the growth of the active layer is the value of GaN, but when aluminum nitride with a small lattice constant is formed with an in-plane coverage of 0.1 to 0.9, island growth in the initial stage of the InGaN layer Is suppressed, and the occurrence of threading dislocations can be suppressed. For this reason, compared with the case where there is no aluminum nitride layer, crystallinity can be improved and luminous efficiency can be improved.
The lattice mismatch degree f is defined as follows:
f = 100 × ((epitaxial layer lattice constant) − (substrate lattice constant)) / substrate lattice constant GaN a-axis lattice constant: 0.3189 nanometers InGaN a-axis lattice with an In composition of 0.18 Constant: 0.3252 nanometer InGaN growth progresses, and InGaN 29d grown flat is formed on the main surface 25a of the barrier layer 25 and the entire surface of the aluminum nitride region 27. By this growth, a high indium composition InGaN layer that generates light having a wavelength longer than 500 nm is grown.
図4(e)〜図4(g)は、障壁層上のアルミニウム窒化物領域を用いることなく活性層を形成するときにおける井戸層の成長を模式的に示す図面である。InGaN成長の初期では、障壁層25の表面25a上に、分離された島状のInGaN26a、26bが成長される。さらにInGaN成長を進めると、島状のInGaN26c、26dが成長されて、InGaN26c、26dが互いに繋がるようになる。引き続きInGaN成長を行うと、InGaN26cとInGaN26dとの接続面に転位24が生成される。 FIGS. 4E to 4G are diagrams schematically showing the growth of a well layer when an active layer is formed without using an aluminum nitride region on the barrier layer. In the initial stage of InGaN growth, isolated island-shaped InGaN 26 a and 26 b are grown on the surface 25 a of the barrier layer 25. When the InGaN growth is further advanced, island-shaped InGaN 26c and 26d are grown and the InGaN 26c and 26d are connected to each other. When InGaN is subsequently grown, dislocations 24 are generated on the connection surface between InGaN 26c and InGaN 26d.
本実施の形態の方法によれば、高インジウム組成のInGaN層の成長に際しても、転位の生成が抑制される。 According to the method of the present embodiment, the generation of dislocations is suppressed even when an InGaN layer having a high indium composition is grown.
好適な形態では、工程S103は、障壁層25を成長した後に、アルミニウム窒化物領域27を成長するに先立って、障壁層25の成長における圧力PB(例えば40kPa〜101kPa)から井戸層29の成長における圧力PW(例えば40kPa〜101kPa)に成長炉11の圧力を変更する工程を更に備えることができる。井戸層29の成膜における圧力PWは障壁層25の成膜における圧力PBよりも低いことが好ましい。この方法によれば、アルミニウム窒化物領域27の成長は、減圧成長の条件で行われる。トリメチルアルミニウムは、アンモニアと気相反応し易いため、常圧101kPaに近い成長圧力では、成長速度が得られず、好適でない。 In a preferred embodiment, after the growth of the barrier layer 25, the step S103 is performed by growing the well layer 29 from the pressure P B (for example, 40 kPa to 101 kPa) in the growth of the barrier layer 25 before the growth of the aluminum nitride region 27. The step of changing the pressure of the growth reactor 11 to the pressure P W (for example, 40 kPa to 101 kPa) can be further provided. The pressure P W in the deposition of the well layer 29 is preferably lower than the pressure P B in the deposition of the barrier layer 25. According to this method, the growth of the aluminum nitride region 27 is performed under the conditions of reduced pressure growth. Since trimethylaluminum easily reacts with ammonia in a gas phase, a growth pressure close to normal pressure of 101 kPa is not preferable because a growth rate cannot be obtained.
また、好適な形態では、工程S103は、障壁層25を成長した後に、アルミニウム窒化物領域27を成長するに先立って、障壁層25の成長温度TBから井戸層29の成長温度TWに基板温度を変更する工程を備えることが好ましい。アルミニウム窒化物領域27の成長は、上記の基板温度を変更した後に行われる。障壁層25の成長温度TWは井戸層29の成長温度TBよりも低い。この方法によれば、井戸層29の成長がアルミニウム窒化物領域27の成長に引き続き行われるので、アルミニウム窒化物領域27の成長後に井戸層29の成長温度に温度を変更することなく、井戸層29の成長が開始される。なお、基板温度を変更する工程では、障壁層25の成長における圧力PBから井戸層29の成長における圧力PWに成長炉11の圧力を変更できる。 Further, in a preferred embodiment, step S103, after the growth of the barrier layer 25, prior to growing the aluminum nitride region 27, the substrate to the growth temperature T W of the well layer 29 from the growth temperature T B of the barrier layer 25 It is preferable to provide the process of changing temperature. The growth of the aluminum nitride region 27 is performed after changing the substrate temperature. The growth temperature T W of the barrier layer 25 is lower than the growth temperature T B of the well layer 29. According to this method, since the growth of the well layer 29 is performed following the growth of the aluminum nitride region 27, the well layer 29 is not changed to the growth temperature of the well layer 29 after the growth of the aluminum nitride region 27. Growth begins. In the step of changing the substrate temperature, the pressure of the growth furnace 11 can be changed from the pressure P B in the growth of the barrier layer 25 to the pressure P W in the growth of the well layer 29.
活性層21の成長の後に、図3(b)に示されるように、第2導電型窒化ガリウム系半導体領域33を成長する。本実施例は、活性層21上に電子ブロック層35を成長する。電子ブロック層35は活性層21上に接触している。電子ブロック層35は、例えばAlGaN、GaN等からなることができる。電子ブロック層35の成長温度は、例えば摂氏950度以上摂氏1100度以下であることができる。電子ブロック層35の厚みは、例えば5nm以上50nm以下であることができる。次いで、電子ブロック層35上にp型コンタクト層37を成長する。p型コンタクト層37は、例えばp型GaN、p型InGaN等からなることができる。 After the growth of the active layer 21, as shown in FIG. 3B, a second conductivity type gallium nitride based semiconductor region 33 is grown. In this embodiment, an electron blocking layer 35 is grown on the active layer 21. The electron blocking layer 35 is in contact with the active layer 21. The electron block layer 35 can be made of, for example, AlGaN, GaN, or the like. The growth temperature of the electron blocking layer 35 can be, for example, not less than 950 degrees Celsius and not more than 1100 degrees Celsius. The thickness of the electron block layer 35 can be, for example, 5 nm or more and 50 nm or less. Next, a p-type contact layer 37 is grown on the electron block layer 35. The p-type contact layer 37 can be made of, for example, p-type GaN, p-type InGaN, or the like.
工程S110において、p型コンタクト層37上にアノード電極を形成すると共に、GaN基板13の裏面13b上にカソード電極を形成する。 In step S <b> 110, an anode electrode is formed on the p-type contact layer 37 and a cathode electrode is formed on the back surface 13 b of the GaN substrate 13.
図5は、本実施の形態に係るIII族窒化物発光素子の構造を概略的に示す模式図である。III族窒化物発光素子41は、500nmよりも長波長の光を発生するである。III族窒化物発光素子41としては、例えば発光ダイオード、半導体レーザ等である。III族窒化物発光素子41は、1×10+7cm−2以下の貫通転位密度の領域を有する窒化ガリウム支持基体43と、窒化ガリウム支持基体43上に設けられ活性層45とを備える。活性層45は、障壁層47と、アルミニウム窒化物領域49と、InGaN井戸層51とを含む。障壁層47は、窒化ガリウム系半導体からなり、例えばアンドープGaN、アンドープInGaN等からなることができる。アルミニウム窒化物領域49は、障壁層47の主面47aを部分的に覆う。図5に示されるように、アルミニウム窒化物領域49の形状は、障壁層毎に異なっている。アルミニウム窒化物領域49の平均膜厚が1モノレイヤよりも薄い。InGaN井戸層51は、障壁層47の主面47a及びアルミニウム窒化物領域49を覆う。障壁層47の主面47aは、第1のエリア49b及び第2のエリア49cを含む。第1のエリア49bは、アルミニウム窒化物領域49に覆われておらず、第2のエリア49cは、アルミニウム窒化物領域49に覆われている。InGaN井戸層51は、第1のエリア49bに設けられたエピタキシャル成長部51bと、該エピタキシャル成長部51bからアルミニウム窒化物領域49の表面に沿って延びる延在部51cとを含む。 FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing the structure of the group III nitride light-emitting device according to this embodiment. The group III nitride light-emitting element 41 generates light having a wavelength longer than 500 nm. Examples of the group III nitride light emitting element 41 include a light emitting diode and a semiconductor laser. The group III nitride light-emitting device 41 includes a gallium nitride support base 43 having a threading dislocation density region of 1 × 10 +7 cm −2 or less, and an active layer 45 provided on the gallium nitride support base 43. The active layer 45 includes a barrier layer 47, an aluminum nitride region 49, and an InGaN well layer 51. The barrier layer 47 is made of a gallium nitride based semiconductor, and can be made of, for example, undoped GaN, undoped InGaN, or the like. Aluminum nitride region 49 partially covers main surface 47 a of barrier layer 47. As shown in FIG. 5, the shape of the aluminum nitride region 49 is different for each barrier layer. The average film thickness of the aluminum nitride region 49 is thinner than one monolayer. The InGaN well layer 51 covers the main surface 47 a of the barrier layer 47 and the aluminum nitride region 49. The main surface 47a of the barrier layer 47 includes a first area 49b and a second area 49c. The first area 49 b is not covered with the aluminum nitride region 49, and the second area 49 c is covered with the aluminum nitride region 49. InGaN well layer 51 includes an epitaxial growth portion 51b provided in first area 49b, and an extension portion 51c extending from epitaxial growth portion 51b along the surface of aluminum nitride region 49.
このIII族窒化物発光素子41によれば、障壁層47の主面47aを部分的にアルミニウム窒化物領域49で覆われており、また、高インジウム組成のInGaN井戸層51がエピタキシャル成長部51b及び延在部51cを含む。アルミニウム窒化物領域上の延在部51cは障壁層47に接していないので、障壁層47とInGaNとの格子不整に関係なく、エピタキシャル成長部51bの結晶性を引き継ぐ。故に、InGaN井戸層51の全体にわたって、その結晶品質が良好になる。したがって、III族窒化物発光素子41は、500nmよりも長波長の光を発生可能であると共に、貫通転位による発光強度の低下を避けることが可能になるが提供される。故に、InGaN井戸層の全体にわたって、その結晶品質が良好になる。したがって、III族窒化物発光素子は、500nmよりも長波長の光を発生可能であると共に、貫通転位により発光強度の低下を避けることが可能である。 According to this group III nitride light-emitting device 41, the main surface 47a of the barrier layer 47 is partially covered with the aluminum nitride region 49, and the InGaN well layer 51 having a high indium composition is formed into the epitaxially grown portion 51b and the extended portion. The existing part 51c is included. Since the extension 51c on the aluminum nitride region is not in contact with the barrier layer 47, the crystallinity of the epitaxial growth portion 51b is inherited regardless of the lattice mismatch between the barrier layer 47 and InGaN. Therefore, the crystal quality is improved over the entire InGaN well layer 51. Therefore, the group III nitride light-emitting element 41 is capable of generating light having a wavelength longer than 500 nm and avoiding a decrease in emission intensity due to threading dislocations. Therefore, the crystal quality is improved throughout the InGaN well layer. Therefore, the group III nitride light-emitting device can generate light having a wavelength longer than 500 nm, and can avoid a decrease in emission intensity due to threading dislocations.
エピタキシャル成長部51bは、アルミニウム窒化物領域49の開口に現れる障壁層47上に設けられるので、障壁層と同様に良好な結晶品質を有する。延在部51cには、アルミニウム窒化物領域47の平均膜厚が1モノレイヤよりも薄いので、エピタキシャル成長部51bからのラテラル成長による延在部51cは、エピタキシャル成長部51bの結晶品質と同等の結晶品質を引き継ぐことができる。 Since the epitaxially grown portion 51b is provided on the barrier layer 47 that appears in the opening of the aluminum nitride region 49, it has a good crystal quality like the barrier layer. Since the average film thickness of the aluminum nitride region 47 is thinner than one monolayer in the extension 51c, the extension 51c by lateral growth from the epitaxial growth part 51b has a crystal quality equivalent to the crystal quality of the epitaxial growth part 51b. Can take over.
既に説明したように、障壁層47の主面47aを覆うアルミニウム窒化物領域49の被覆率は0.1以上0.9以下であることが好ましい。小さすぎる被覆率は島状成長による結晶品質の低下が顕著になり、良質なエピタキシャル成長部51bが得られない。大きすぎる被覆率は、アルミニウム窒化物領域上を十分に延在部51cで覆えなくなる。また、より好ましくは、被覆率は0.3以上0.7以下である。また、アルミニウム窒化物領域49の厚さはモノレイヤでるので、量子井戸構造における電気的性質に与える影響は小さい。 As already described, the coverage of the aluminum nitride region 49 covering the main surface 47a of the barrier layer 47 is preferably 0.1 or more and 0.9 or less. If the coverage is too small, the crystal quality is significantly lowered due to island growth, and a high quality epitaxial growth portion 51b cannot be obtained. If the coverage is too large, the aluminum nitride region cannot be sufficiently covered with the extending portion 51c. More preferably, the coverage is not less than 0.3 and not more than 0.7. Further, since the thickness of the aluminum nitride region 49 is a monolayer, the influence on the electrical properties in the quantum well structure is small.
井戸層51の厚さは20nm以下0.5nm以上であることができる。InGaN井戸層51のインジウム組成Xが0.18以上であれば、長波長の発光が提供される。InGaN井戸層51のインジウム組成Xが0.30以下であることができる。大きすぎるインジウム組成は井戸層51に大きな歪みを与える。また、III族窒化物発光素子41は、500nm以上550nm以下の波長範囲の光を発生可能である The thickness of the well layer 51 can be 20 nm or less and 0.5 nm or more. When the indium composition X of the InGaN well layer 51 is 0.18 or more, long wavelength light emission is provided. The indium composition X of the InGaN well layer 51 can be 0.30 or less. An indium composition that is too large gives large strain to the well layer 51. The group III nitride light-emitting element 41 can generate light in the wavelength range of 500 nm or more and 550 nm or less.
III族窒化物発光素子41では、n型窒化ガリウム系半導体領域53とp型窒化ガリウム系半導体領域55との間に設けられている。 In the group III nitride light-emitting device 41, it is provided between the n-type gallium nitride semiconductor region 53 and the p-type gallium nitride semiconductor region 55.
n型窒化ガリウム系半導体領域53は、GaN支持基体43と活性層45との間に設けられたn型InGaN緩衝層57を更に備えることができる。InGaN緩衝層57のInYGa1−YNにおけるインジウム組成Yは、InGaN井戸層51のインジウム組成よりも小さい。これによれば、高インジウム組成のInGaNの歪みを低減できる。また、n型窒化ガリウム系半導体領域53は、GaN支持基体43とInGaN緩衝層57との間に設けられたn型GaN層59を更に備えることができる。 The n-type gallium nitride based semiconductor region 53 can further include an n-type InGaN buffer layer 57 provided between the GaN support base 43 and the active layer 45. The indium composition Y in In Y Ga 1-Y N of the InGaN buffer layer 57 is smaller than the indium composition of the InGaN well layer 51. According to this, strain of InGaN having a high indium composition can be reduced. The n-type gallium nitride based semiconductor region 53 can further include an n-type GaN layer 59 provided between the GaN support base 43 and the InGaN buffer layer 57.
p型窒化ガリウム系半導体領域55は、p型電子ブロック層61及びp型コンタクト層63を含むことができる。 The p-type gallium nitride based semiconductor region 55 can include a p-type electron block layer 61 and a p-type contact layer 63.
窒化ガリウム支持基体43の主面43aは極性面であることができる。これによれば、低転位密度の窒化ガリウム支持基体が提供される。また、窒化ガリウム支持基体43の主面43aは半極性面であることができる。これによればピエゾ電界によるブルーシフトが小さい。また、いずれの場合も、低転位密度で大口径の窒化ガリウム支持基体を利用できる。 The main surface 43a of the gallium nitride support base 43 can be a polar surface. This provides a low dislocation density gallium nitride support substrate. Further, the main surface 43a of the gallium nitride support base 43 can be a semipolar surface. According to this, the blue shift due to the piezoelectric field is small. In either case, a gallium nitride supporting base having a low dislocation density and a large diameter can be used.
図6は、井戸層と障壁層との界面近傍の結晶格子を模式的に示す図面である。図6(a)を参照すると、AlNの部分被覆を利用した活性層が示されている。障壁層Bの表面をAlNが部分的に覆っており、高インジウム組成の井戸層WPが、障壁層及びAlN領域を覆って成長されている。一方、図6(b)を参照すると、AlNの部分被覆を利用されていない活性層が示されている。高インジウム組成の井戸層WCが、障壁層Bの全表面を直接に覆って成長されている。 FIG. 6 is a drawing schematically showing a crystal lattice in the vicinity of the interface between the well layer and the barrier layer. Referring to FIG. 6 (a), an active layer utilizing a partial coating of AlN is shown. The surface of the barrier layer B covers AlN is partially well layers W P of the high indium composition has been growing over the barrier layer and the AlN regions. On the other hand, referring to FIG. 6 (b), an active layer that does not utilize the partial coating of AlN is shown. Well layer W C a high indium composition has been directly overlying growth the entire surface of the barrier layer B.
図6(c)は、図6(a)及び図6(b)に示された量子井戸構造における応力分布を障壁層を基準にして示す図面である。図6(c)には、図6(a)に示された構造の応力特性線SPと図6(b)に示された構造の応力特性線SCとが示されている。井戸層Wのインジウム組成が多いので、格子不整が存在する。しかしながら、AlN部分被覆の作用により、図6(c)に示されるように、障壁層と井戸層の界面付近における応力の分布は変更される。AlN部分被覆により障壁層と井戸層との接触面積が小さくされるので、応力の最大値が小さくなっており、臨界歪みを越えていない。 FIG. 6C shows the stress distribution in the quantum well structure shown in FIGS. 6A and 6B with reference to the barrier layer. In FIG. 6 (c), it is shown and the stress characteristic line S C of the structure of the stress characteristic line S P and Figure of the structure shown in FIG. 6 (a) 6 (b) . Since the indium composition of the well layer W is large, lattice irregularities exist. However, due to the action of the AlN partial coating, the stress distribution near the interface between the barrier layer and the well layer is changed as shown in FIG. Since the contact area between the barrier layer and the well layer is reduced by the AlN partial coating, the maximum value of the stress is reduced and does not exceed the critical strain.
井戸層の表面を覆うAlNを用いることによって、Alを構成元素として含む井戸層を用いること必要がない。格子不整合を低減することを目的とし、例えば被覆率50%(0.5モノレイヤー)となるように井戸層成長の直前にAlNを成長する。井戸層の局所応力に最大値を低減可能であると共に、InGaN成長の島状成長の合体に伴う貫通転位密度が低減される。 By using AlN covering the surface of the well layer, it is not necessary to use a well layer containing Al as a constituent element. For the purpose of reducing lattice mismatch, for example, AlN is grown immediately before the well layer growth so that the coverage is 50% (0.5 monolayer). The maximum value of the local stress in the well layer can be reduced, and the threading dislocation density associated with the combination of island growth of InGaN growth is reduced.
なお、該六方晶窒化ガリウムのc軸に直交する平面に対して15度以上90度以下の角度θで所定の方向に傾斜している。また、窒化ガリウム基板の主面は非極性面であることができる。この非極性面を用いて、貫通転位による発光強度低下を回避可能なIII族窒化物発光素子が作製される。 The hexagonal gallium nitride is inclined in a predetermined direction at an angle θ of 15 degrees or more and 90 degrees or less with respect to a plane orthogonal to the c-axis. The main surface of the gallium nitride substrate can be a nonpolar surface. By using this nonpolar plane, a group III nitride light-emitting device capable of avoiding a decrease in emission intensity due to threading dislocation is produced.
(実施例)
以下の通り有機金属気相成長法により、単一量子井戸(SQW)構造を作製した。発光波長は約510nmである。原料には、トリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH3)、シラン(SiH4)を用いた。基板には、以下の2インチのn型自立GaN基板を用いた:
[11−20]方向オフ角、[1−100]方向オフ角、転位密度(cm−2)
16.3〜16.8度、 0.20〜0.35度、 5×10+5〜7×10+6
以下に手順により成長を行った。まず、炉内圧力を101kPaに制御しながら炉内にNH3とH2を供給して、摂氏1050度の基板温度で10分間のクリーニングを行った。その後、TMG、NH3、SiH4を成長炉に供給しながら、厚さ2000nmのn型GaNバッファ層を成長した。次いで、NH3以外の原料の供給を停止すると共に摂氏750度まで降温した後に、厚さ50nmのIn0.04Ga0.96N緩衝層を成長した。
(Example)
A single quantum well (SQW) structure was fabricated by metal organic vapor phase epitaxy as follows. The emission wavelength is about 510 nm. Trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn), trimethylaluminum (TMA), ammonia (NH 3 ), and silane (SiH 4 ) were used as raw materials. The substrate used was the following 2 inch n-type freestanding GaN substrate:
[11-20] direction off angle, [1-100] direction off angle, dislocation density (cm −2 )
16.3 to 16.8 degrees, 0.20 to 0.35 degrees, 5 × 10 +5 to 7 × 10 +6
The following procedure was used for growth. First, NH 3 and H 2 were supplied into the furnace while controlling the furnace pressure to 101 kPa, and cleaning was performed at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius for 10 minutes. Thereafter, an n-type GaN buffer layer having a thickness of 2000 nm was grown while supplying TMG, NH 3 , and SiH 4 to the growth reactor. Next, after the supply of raw materials other than NH 3 was stopped and the temperature was lowered to 750 degrees Celsius, an In 0.04 Ga 0.96 N buffer layer having a thickness of 50 nm was grown.
基板温度を摂氏880度まで昇温した後に、圧力101kPa、厚さ15nmのGaN障壁層を成長した。 After raising the substrate temperature to 880 degrees Celsius, a GaN barrier layer having a pressure of 101 kPa and a thickness of 15 nm was grown.
次に、NH3以外の原料の供給を停止し、成長温度を摂氏700度まで下げると共に、炉内圧力を20kPaまで減圧にした後に、トリメチルアルミニウムを成長炉に供給を供給して、0.05μm/hの成長速度でAlN初期層を10秒間成長した。AlN初期層の厚さは、0.5モノレイヤであった。 Next, the supply of raw materials other than NH 3 is stopped, the growth temperature is lowered to 700 degrees Celsius, and the pressure in the furnace is reduced to 20 kPa. An AlN initial layer was grown for 10 seconds at a growth rate of / h. The thickness of the AlN initial layer was 0.5 monolayer.
引き続き、TMGaとTMInを成長炉に供給して、厚さ3nmのIn0.18Ga0.82N井戸層を成長した。 Subsequently, TMGa and TMIn were supplied to the growth reactor to grow an In 0.18 Ga 0.82 N well layer having a thickness of 3 nm.
その後、基板温度を再び摂氏880度まで昇温した後に、厚さ10nmのGaN障壁層を成長した。この後に、炉内圧力を101kPaに戻した。 Thereafter, the substrate temperature was raised again to 880 degrees Celsius, and then a GaN barrier layer having a thickness of 10 nm was grown. Thereafter, the furnace pressure was returned to 101 kPa.
基板温度を降温して成長炉からエピタキシャルウエハを取り出した。こうして、図7(a)に示されるSQW構造を作製した。比較のため、AlN初期層MLの無いエピタキシャルウエハも作製した。エピタキシャルウエハ表面を走査型電子顕微鏡にて、2万倍の倍率で観察した。AlN初期層MLの無いエピタキシャルウエハ表面では、図7(b)に示されるように、表面に貫通転位に起因のVピット(V状欠陥)が高密度で観察された。Vピット密度VPDは、例えば8×10+8cm−2程度であった。一方、AlN初期層MLが有るエピタキシャルウエハ表面には、図7(c)に示されるように、Vピットはほとんど存在せず、元々のGaN基板の貫通転位密度と同等であった。Vピット密度VPDは、例えば1×10+6cm−2未満であった。これらの結果は、井戸層で転位が発生したことが示された。 The substrate temperature was lowered and the epitaxial wafer was taken out of the growth furnace. Thus, the SQW structure shown in FIG. For comparison, an epitaxial wafer without the AlN initial layer ML was also produced. The surface of the epitaxial wafer was observed with a scanning electron microscope at a magnification of 20,000 times. On the surface of the epitaxial wafer without the AlN initial layer ML, as shown in FIG. 7B, V pits (V-shaped defects) due to threading dislocations were observed at a high density on the surface. The V pit density VPD was about 8 × 10 +8 cm −2 , for example. On the other hand, as shown in FIG. 7C, the surface of the epitaxial wafer having the AlN initial layer ML has almost no V pits, which is equivalent to the threading dislocation density of the original GaN substrate. The V pit density VPD was, for example, less than 1 × 10 +6 cm −2 . These results indicated that dislocations occurred in the well layer.
室温フォトルミネッセンス(PL)法を用いて活性層の光学特性を評価した。波長325nmのHe−Cdレーザを用い、スポット径200μm、レーザパワー1mWを用いた。図7(d)に示されるように、PLスペクトルのピーク波長はそれぞれ約510nmであった。AlN初期層の有るエピタキシャルウエハは、AlN初期層の無いエピタキシャルウエハと比較して、約2倍のPL強度が得られた。半値全幅は、AlN層有するエピタキシャルウエハでは50nmであり、Al層無しのエピタキシャルウエハで63nmであった。AlN層無いエピタキシャルウエハの半値全幅が大きくなった原因として、転位の生成による歪み不均一化の影響があると考えられる。 The optical properties of the active layer were evaluated using a room temperature photoluminescence (PL) method. A He—Cd laser with a wavelength of 325 nm was used, a spot diameter of 200 μm, and a laser power of 1 mW. As shown in FIG. 7D, the peak wavelength of the PL spectrum was about 510 nm. The epitaxial wafer having the AlN initial layer has a PL strength approximately twice that of the epitaxial wafer having no AlN initial layer. The full width at half maximum was 50 nm for an epitaxial wafer having an AlN layer and 63 nm for an epitaxial wafer without an Al layer. The cause of the increase in the full width at half maximum of an epitaxial wafer without an AlN layer is considered to be the influence of strain nonuniformity due to the generation of dislocations.
(実施例2)
発光ダイオード(LED)を以下の通り有機金属気相成長法によりを作製した。基板には、以下の2インチの自立GaN基板を用いた:
[11−20]方向オフ角、[1−100]方向オフ角、転位密度(cm−2)
16.2〜16.5度、 0.15〜0.32度、 5×10+5〜6×10+6
(Example 2)
A light emitting diode (LED) was fabricated by metal organic vapor phase epitaxy as follows. The substrate used was a 2 inch free standing GaN substrate:
[11-20] direction off angle, [1-100] direction off angle, dislocation density (cm −2 )
16.2 to 16.5 degrees, 0.15 to 0.32 degrees, 5 × 10 +5 to 6 × 10 +6
以下の手順で成長した。まず、成長炉内の圧力を101kPaに調整しながら成長炉内にNH3とH2を供給しながら、摂氏1050度の基板温度で10分間クリーニングを行った。その後、TMG、NH3、SiH4を導入して、厚さ2000nmのn型GaNバッファ層を成長した。NH3以外の原料の供給を停止し、摂氏750度まで降温した後に、厚さ50nmのIn0.04Ga0.96N緩衝層を成長した。 It grew in the following procedure. First, cleaning was performed for 10 minutes at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius while supplying NH 3 and H 2 into the growth furnace while adjusting the pressure in the growth furnace to 101 kPa. Thereafter, TMG, NH 3 and SiH 4 were introduced to grow an n-type GaN buffer layer having a thickness of 2000 nm. After the supply of raw materials other than NH 3 was stopped and the temperature was lowered to 750 degrees Celsius, an In 0.04 Ga 0.96 N buffer layer having a thickness of 50 nm was grown.
次いで、基板温度を摂氏880度まで昇温した後に、厚さ15nmのGaN障壁層を成長した。 Next, after raising the substrate temperature to 880 degrees Celsius, a GaN barrier layer having a thickness of 15 nm was grown.
次に、NH3以外の原料の供給を停止し、成長温度を摂氏700度まで下げ、成長炉内圧力を20kPaまで減圧にした。この後に、トリメチルアルミニウムを成長炉に供給を供給して、AlN初期層を0.5モノレイヤの膜厚を成長した。成長速度は、0.05μm/hであった。 Next, the supply of raw materials other than NH 3 was stopped, the growth temperature was lowered to 700 degrees Celsius, and the pressure in the growth furnace was reduced to 20 kPa. Thereafter, a supply of trimethylaluminum to the growth furnace was supplied to grow an AlN initial layer to a thickness of 0.5 monolayer. The growth rate was 0.05 μm / h.
その後すぐに、TMGaとTMInを導入して、厚さ3nmのIn0.18Ga0.82N井戸層を成長した。 Immediately thereafter, TMGa and TMIn were introduced to grow an In 0.18 Ga 0.82 N well layer having a thickness of 3 nm.
その後、基板温度を再び摂氏880度まで昇温し、厚さ15nmのGaN障壁層を成長した。AlN初期層、井戸層及び障壁層の成長を3回繰り返し、三重量子井戸構造を作製した。 Thereafter, the substrate temperature was raised again to 880 degrees Celsius, and a GaN barrier layer having a thickness of 15 nm was grown. Growth of the AlN initial layer, well layer, and barrier layer was repeated three times to produce a triple quantum well structure.
その後、成長炉内圧力を101kPaに戻すと共に、摂氏1000度に基板温度を昇温した後に、厚さ20nmのMgドープAl0.08Ga0.92N層を成長した。引き続き、厚さ50nmのp型GaNを成長した。降温した後に、LED構造のエピタキシャルウエハを成長炉から取り出した。比較のため、AlN初期層の無いエピタキシャルウエハも同様に作製した。 Thereafter, the growth furnace pressure was returned to 101 kPa and the substrate temperature was raised to 1000 degrees Celsius, and then a 20 nm thick Mg-doped Al 0.08 Ga 0.92 N layer was grown. Subsequently, p-type GaN having a thickness of 50 nm was grown. After the temperature was lowered, the epitaxial wafer having the LED structure was taken out of the growth furnace. For comparison, an epitaxial wafer without an AlN initial layer was produced in the same manner.
引き続き、以下の順にデバイスプロセスを行った。エピタキシャルウエハ上に半透明p電極を形成した。この後に、素子分離のためのメサをエピタキシャルウエハに形成した。GaN基板の裏面にn電極を形成した。電極アニール及びpパッド電極の形成を行って基板生産物を作製した。電極材の堆積には、例えば蒸着法を用い、メサのパターン形成にはフォトリソグラフィー法を用い、メサの形成には反応性イオンエッチング法を用いた。 Subsequently, device processes were performed in the following order. A translucent p-electrode was formed on the epitaxial wafer. Thereafter, a mesa for element isolation was formed on the epitaxial wafer. An n-electrode was formed on the back surface of the GaN substrate. Electrode annealing and p-pad electrode formation were performed to produce a substrate product. For example, a vapor deposition method was used to deposit the electrode material, a photolithography method was used to form a mesa pattern, and a reactive ion etching method was used to form a mesa.
半導体チップのサイズは400μm×400μmであるように、発光ダイオードが基板生産物に配列されている。基板生産物を分離して複数の半導体チップを形成した。基板生産物上のいくつかの発光ダイオードに通電を行って、エレクトロルミネッセンス強度を測定した。発光波長は約510nmであった。印加電流20mAでの光出力値は以下の通りであった。
AlN層有り 0.9mW
AlN層無し 0.4mW。
このことから、AlN層有りのもので、出力が向上することがわかった。
The light emitting diodes are arranged on the substrate product so that the size of the semiconductor chip is 400 μm × 400 μm. The substrate product was separated to form a plurality of semiconductor chips. Several light emitting diodes on the substrate product were energized and the electroluminescence intensity was measured. The emission wavelength was about 510 nm. The light output value at an applied current of 20 mA was as follows.
0.9mW with AlN layer
No AlN layer 0.4 mW.
This indicates that the output is improved with the AlN layer.
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
13…窒化ガリウム半導体基板(GaN基板)、13a…GaN基板主面、13b…GaN基板裏面、13c…エッジ、15…第1導電型窒化ガリウム系半導体領域、17…n型GaN層、19…InGaN緩衝層、21…活性層、25…障壁層、27…アルミニウム窒化物領域、29…InXGa1−XN(0<X<1)井戸層、33…第2導電型窒化ガリウム系半導体領域、35…電子ブロック層、
37…p型コンタクト層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Gallium nitride semiconductor substrate (GaN substrate), 13a ... Main surface of GaN substrate, 13b ... Back surface of GaN substrate, 13c ... Edge, 15 ... First conductivity type gallium nitride semiconductor region, 17 ... N-type GaN layer, 19 ... InGaN buffer layer, 21 ... active layer, 25 ... barrier layer, 27 ... aluminum nitride region, 29 ... In X Ga 1- X N (0 <X <1) well layer, 33 ... second conductive type gallium nitride based semiconductor region 35 ... Electronic block layer,
37 ... p-type contact layer
Claims (18)
窒化ガリウム半導体基板の主面上に、窒化ガリウム系半導体からなり活性層のための障壁層を成長する工程と、
前記障壁層の主面を部分的に覆うアルミニウム窒化物領域を形成する工程と、
前記障壁層の主面及び前記アルミニウム窒化物領域を覆うようにInGaN井戸層を成長する工程と
を備え、
前記窒化ガリウム半導体基板は、1×10+7cm−2以下の貫通転位密度の領域を有しており、
前記障壁層の主面を覆う前記アルミニウム窒化物領域の被覆率は、0.1以上であり、0.9以下であり、
前記アルミニウム窒化物領域の平均膜厚が1モノレイヤよりも薄い、ことを特徴とする方法。 A method for producing a group III nitride light emitting device that generates light having a wavelength longer than 500 nm,
A step of growing a barrier layer for an active layer made of a gallium nitride based semiconductor on the main surface of the gallium nitride semiconductor substrate;
Forming an aluminum nitride region that partially covers the major surface of the barrier layer;
And a step of growing an InGaN well layer so as to cover a main surface of the barrier layer and the aluminum nitride region,
The gallium nitride semiconductor substrate has a region of threading dislocation density of 1 × 10 +7 cm −2 or less,
The coverage of the aluminum nitride region covering the main surface of the barrier layer is 0.1 or more and 0.9 or less,
The method wherein the average thickness of the aluminum nitride region is less than one monolayer.
前記アルミニウム窒化物領域の成長は、前記基板温度を変更した後に行われ、
前記第2の成長温度は前記第1の成長温度よりも低い、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された方法。 After growing the barrier layer, prior to growing the aluminum nitride region, changing a substrate temperature from a first growth temperature in the growth of the barrier layer to a second growth temperature in the growth of the well layer Further comprising
The growth of the aluminum nitride region is performed after changing the substrate temperature,
The method according to any one of claims 1 to 3 , wherein the second growth temperature is lower than the first growth temperature.
前記第2の圧力は前記第1の圧力よりも低い、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された方法。 After growing the barrier layer, prior to growing the aluminum nitride region, changing the growth furnace pressure from a first pressure in the growth of the barrier layer to a second pressure in the growth of the well layer Further comprising
The method according to claim 1, wherein the second pressure is lower than the first pressure.
前記窒化ガリウム半導体基板の前記主面は、前記窒化ガリウム半導体基板の六方晶窒化ガリウムのc面から90度未満の角度で傾斜している、ことを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載された方法。 The main surface of the gallium nitride semiconductor substrate is a semipolar surface;
The primary surface of the gallium nitride semiconductor substrate, any of claims 1 to 8, wherein the c-plane of the hexagonal gallium nitride gallium nitride semiconductor substrate is inclined at an angle less than 90 degrees, and wherein The method described in any one of the paragraphs.
1×10+7cm−2以下の貫通転位密度の領域を有する窒化ガリウム支持基体と、
前記窒化ガリウム支持基体上に設けられ活性層と
を備え、
前記活性層は、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層と、前記障壁層の主面を部分的に覆うアルミニウム窒化物領域と、前記障壁層の主面及び前記アルミニウム窒化物領域を覆うInGaN井戸層とを含み、
前記アルミニウム窒化物領域の平均膜厚が1モノレイヤよりも薄く、
前記障壁層の前記主面は、前記アルミニウム窒化物領域に覆われていない第1のエリアと前記アルミニウム窒化物領域に覆われた第2のエリアとを含み、
前記InGaN井戸層は、前記第1のエリアに設けられたエピタキシャル成長部と、該エピタキシャル成長部から前記アルミニウム窒化物領域の表面に沿って設けられた延在部とを含み、
前記障壁層の主面を覆う前記アルミニウム窒化物領域の被覆率は、0.1以上であり、0.9以下である、ことを特徴とするIII族窒化物発光素子。 A group III nitride light-emitting device that generates light having a wavelength longer than 500 nm,
A gallium nitride support substrate having a region of threading dislocation density of 1 × 10 +7 cm −2 or less,
An active layer provided on the gallium nitride support substrate;
The active layer includes a barrier layer made of a gallium nitride based semiconductor, an aluminum nitride region partially covering the main surface of the barrier layer, an InGaN well layer covering the main surface of the barrier layer and the aluminum nitride region, Including
The average thickness of the aluminum nitride region is thinner than 1 monolayer,
The main surface of the barrier layer includes a first area not covered with the aluminum nitride region and a second area covered with the aluminum nitride region,
The InGaN well layer is seen containing a first epitaxial growth portion provided in the area, and extending portion which is provided from the epitaxial growth unit along the surface of the aluminum nitride region,
The group III nitride light emitting device, wherein a coverage of the aluminum nitride region covering the main surface of the barrier layer is 0.1 or more and 0.9 or less .
前記InGaN緩衝層のInYGa1−YNにおけるインジウム組成Yは、前記InGaN井戸層のインジウム組成よりも小さい、ことを特徴とする請求項12〜請求項15のいずれか一項に記載されたIII族窒化物発光素子。 An InGaN buffer layer provided between the gallium nitride support base and the active layer;
Indium composition Y in an In Y Ga 1-Y N of the InGaN buffer layer is smaller than the indium composition of the InGaN well layer, as described in any one of claims 12 to claim 15, characterized in that Group III nitride light emitting device.
The group III nitride light-emitting element according to any one of claims 12 to 16 , wherein the main surface of the gallium nitride supporting base is a polar surface.
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