JP3661871B2 - Method for producing gallium nitride compound semiconductor - Google Patents
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Description
本発明は、電子濃度や導電率の制御されたN型の窒化ガリウム化合物半導体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an N-type gallium nitride compound semiconductor with controlled electron concentration and conductivity.
従来、青色の発光ダイオードに、GaN 系の化合物半導体が用いられている。そのGaN 系の化合物半導体は直接遷移であることから発光効率が高いこと、光の3原色の1つである青色を発光色とすること等から注目されている。 Conventionally, GaN-based compound semiconductors have been used for blue light-emitting diodes. The GaN-based compound semiconductors are attracting attention because of their direct transition, high luminous efficiency, and the fact that one of the three primary colors of light is blue.
このようなGaN 系の化合物半導体を用いた発光ダイオードは、サファイア基板上に直接又は窒化アルミニウムから成るバッファ層を介在させて、N型のGaN 系の化合物半導体から成るN層を成長させ、そのN層の上にP型不純物を添加してI型のGaN 系の化合物半導体から成るI層を成長させた構造をとっている(特開昭62-119196 号公報、特開昭63-188977 号公報) 。 In such a light emitting diode using a GaN-based compound semiconductor, an N layer made of an N-type GaN-based compound semiconductor is grown on a sapphire substrate directly or with a buffer layer made of aluminum nitride interposed therebetween. The structure is such that an I layer made of an I-type GaN-based compound semiconductor is grown by adding a P-type impurity on the layer (JP-A 62-119196, JP-A 63-188977). )
上記構造の発光ダイオードを製造する場合に、I層とN層との接合が用いられる。そして、GaN 系の化合物半導体を製造する場合には、通常、意図的に不純物をドーピングしなくても、そのGaN 系の化合物半導体はN導電型となり、逆に、シリコン等の半導体と異なり、I(Insulator)型の半導体を得るには、亜鉛をドープしていた。又、N型のGaN を得る場合には、その導電率の制御が困難であった。 When manufacturing a light emitting diode having the above structure, a junction between an I layer and an N layer is used. When a GaN-based compound semiconductor is manufactured, the GaN-based compound semiconductor is usually of N conductivity type without intentionally doping impurities. Conversely, unlike semiconductors such as silicon, I In order to obtain an (insulator) type semiconductor, zinc was doped. In addition, when obtaining N-type GaN, it is difficult to control the conductivity.
しかしながら、本発明者は、上記のGaN 発光ダイオードを製造する過程において、有機金属化合物気相成長法によるGaN 半導体の気相成長技術を確立するに至り、高純度のGaN 気相成長膜を得ることができた。この結果、従来、不純物のドーピングをしない場合には、低抵抗率のN型GaN が得られたが、本発明者等の気相成長技術の確立により、不純物のドーピングなしに高抵抗率のGaN が得られた。 However, in the process of manufacturing the above GaN light emitting diode, the present inventor has established a vapor growth technique for a GaN semiconductor by a metal organic compound vapor deposition method, and obtains a high purity GaN vapor deposition film. I was able to. As a result, low-resistivity N-type GaN has been obtained in the past when no impurity doping is performed. However, the present inventors have established a vapor-phase growth technique and have achieved high-resistivity GaN without doping impurities. was gotten.
一方、今後、上記のGaN 発光ダイオードの特性を向上させるためには、意図的に導電率の制御できるN型のGaN 系化合物半導体の気相成長膜を得ることが必要となってきた。
したがって、本発明の目的は、抵抗率(1/導電率)や電子濃度の制御可能なN型のGaN 系の化合物半導体の製造技術を確立することである。
On the other hand, in the future, in order to improve the characteristics of the GaN light-emitting diode, it has become necessary to obtain an N-type GaN-based compound semiconductor vapor-grown film whose conductivity can be intentionally controlled.
Accordingly, an object of the present invention is to establish a manufacturing technique for an N-type GaN compound semiconductor capable of controlling resistivity (1 / conductivity) and electron concentration.
請求項1に記載の発明は、窒化ガリウム化合物半導体(GaN) の製造方法であって、基板上に前記窒化ガリウム化合物半導体(GaN) の成長温度よりも低温でバッファ層を形成し、バッファ層の形成された基板を用いて、有機金属化合物気相成長法によりシリコンを添加しない場合に高抵抗率となる状態で、シリコンを含むガスを他の原料ガスと同時に流すことにより気相成長させる過程において、前記シリコンを含むガスと前記他の原料ガスとの混合比率を制御することによりシリコンをドナーとして添加して導電率の制御されたN型の窒化ガリウム化合物半導体(GaN) の気相成長膜を得ることを特徴とする窒化ガリウム化合物半導体の製造方法である。
The invention according to
請求項1に記載の発明は、基板上に窒化ガリウム化合物半導体(GaN) の成長温度よりも低温でバッファ層を形成し、そのバッファ層の形成された基板を用いて、有機金属化合物気相成長法によりシリコンを添加しない場合に高抵抗率となる状態で、シリコンを含むガスを他の原料ガスと同時に流すことにより気相成長させる過程において、シリコンを含むガスと他の原料ガスとの混合比率を制御することによりシリコンをドナーとして添加して導電率の制御されたN型の窒化ガリウム化合物半導体(GaN) の気相成長膜を得るようにしている。
これにより、導電率が制御され、導電率が正確に所望の値である窒化ガリウム半導体を得ることができる。この結果、導電率(1/抵抗率)の制御可能な状態で形成された高キャリア濃度層と低キャリア濃度層とを得ることができるため、本発明を発光素子の製造方法に用いれば、発光強度の向上した発光素子を得ることができる。
According to the first aspect of the present invention, a buffer layer is formed on a substrate at a temperature lower than the growth temperature of the gallium nitride compound semiconductor (GaN), and an organic metal compound vapor phase growth is performed using the substrate on which the buffer layer is formed. In the process of vapor phase growth by flowing a gas containing silicon simultaneously with other source gases in a state where the resistivity is high when silicon is not added by the method, the mixing ratio of the gas containing silicon and the other source gases By controlling the above, silicon is added as a donor to obtain an N-type gallium nitride compound semiconductor (GaN) vapor-grown film with controlled conductivity.
Thereby, the electrical conductivity is controlled, and a gallium nitride semiconductor having an electrical conductivity accurately having a desired value can be obtained. As a result, it is possible to obtain a high carrier concentration layer and a low carrier concentration layer that are formed in a state where the conductivity (1 / resistivity) can be controlled. A light-emitting element with improved strength can be obtained.
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
本発明の製造方法を用いて、図1に示す構造の発光ダイオード10を製造した。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
The
図1において、発光ダイオード10はサファイア基板1を有しており、そのサファイア基板1に500 ÅのAlN のバッファ層2が形成されている。そのバッファ層2の上には、順に、膜厚約 2.2μmのGaN から成る高キャリア濃度N+ 層3と膜厚約 1.5μmのGaN から成る低キャリア濃度N層4が形成されている。更に、低キャリア濃度N層4の上に膜厚約 0.2μmのGaN から成るI層5が形成されている。そして、I層5に接続するアルミニウムで形成された電極7と高キャリア濃度N+ 層3に接続するアルミニウムで形成された電極8とが形成されている。
In FIG. 1, a
次に、この構造の発光ダイオード10の製造方法について説明する。
上記発光ダイオード10は、有機金属化合物気相成長法( 以下「M0VPE 」と記す) による気相成長により製造された。用いられたガスは、NH3 とキャリアガスH2とトリメチルガリウム(Ga(CH3)3)(以下「TMG 」と記す) とトリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)(以下「TMA 」と記す) とシラン(SiH4)とジエチル亜鉛(以下「DEZ 」と記す) である。
Next, a method for manufacturing the
The
まず、有機洗浄及び熱処理により洗浄したa面を主面とする単結晶のサファイア基板1をM0VPE 装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、H2を流速 2 l/分で反応室に流しながら温度1200℃でサファイア基板1を10分間気相エッチングした。次に、温度を 400℃まで低下させて、H2を流速20 l/分、NH3 を流速10 l/分、15℃に保持したTMA をバブリングさせたH2を50cc/ 分で供給してAlN のバッファ層2が約 500Åの厚さに形成された。
First, the single
次に、TMA の供給を停止して、サファイア基板1の温度を1150℃に保持し、H2を 20 l/分、他の原料ガスとしてのNH3 を 10 l/分及び、-15 ℃に保持したTMG をバブリングさせたH2を100 cc/ 分で流し、シリコンを含むガスとしてH2で0.86ppm まで希釈したシラン(SiH4)を 200ml/ 分で30分流して、膜厚約 2.2μm、キャリア濃度 1.5×1018/cm3のGaN から成る高キャリア濃度N+ 層3を形成した。
Next, supply of TMA is stopped, the temperature of the
続いて、サファイア基板1の温度を1150℃に保持し、H2を 20 l/分、NH3 を 10 l/分、-15 ℃に保持したTMG をバブリングさせたH2を100 cc/ 分で20分間流して、膜厚約 1.5μm、キャリア濃度 1×1015/cm3以下のGaN から成る低キャリア濃度N層4を形成した。
Subsequently, the temperature of the
次に、サファイア基板1を 900℃にして、H2 を20 l/分、NH3 を10 l/分、TMG を 1.7×10-4モル/分、DEZ を 1.5×10-4モル/分の割合で供給して、膜厚 0.2μmのGaN から成るI層5を形成した。このようにして、図2に示すような多層構造が得られた。
Next, the
次に、図3に示すように、I層5の上に、スパッタリングによりSiO2層11を2000Åの厚さに形成した。次に、そのSiO2層11上にフォトレジスト12を塗布して、フォトリソグラフにより、そのフォトレジスト12を高キャリア濃度N+ 層3に対する電極形成部位のフォトレジストを除去したパターンに形成した。次に、図4に示すように、フォトレジスト12によって覆われていないSiO2層11をフッ酸系エッチング液で除去した。次に、図5に示すように、フォトレジスト12及びSiO2層11によって覆われていない部位のI層5とその下の低キャリア濃度N層4と高キャリア濃度N+ 層3の上面一部を、真空度0.04Torr、高周波電力0.44W/cm2 、CCl2F2ガスを10ml/ 分で供給しドライエッチングした後、Arでドライエッチングした。次に、図6に示すように、I層5上に残っているSiO2層11をフッ酸で除去した。
Next, as shown in FIG. 3, a SiO 2 layer 11 was formed on the I
次に、図7に示すように、試料の上全面にAl層13を蒸着により形成した。そして、そのAl層13の上にフォトレジスト14を塗布して、フォトリソグラフにより、そのフォトレジスト14が高キャリア濃度N+ 層3及びI層5に対する電極部が残るように、所定形状にパターン形成した。次に、図7に示すようにそのフォトレジスト14をマスクとして下層のAl層13の露出部を硝酸系エッチング液でエッチングし、フォトレジスト14をアセトンで除去し、高キャリア濃度N+ 層3の電極8、I層5の電極7を形成した。
Next, as shown in FIG. 7, an
このようにして、図1に示す構造のMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)構造の窒化ガリウム系発光素子を製造することができる。上記の製造過程において、高キャリア濃度N+ 層3を気相成長させるとき、H2を20 l/分、他の原料ガスとしてのNH3 を10 l/分及び、-15 ℃に保持した TMGをバブリングさせたH2を100cc/分で流し、シリコンを含むガスとしてH2で0.86ppm まで希釈したシラン(SiH4)を10cc/ 分〜300 cc/ 分の範囲で制御することにより、高キャリア濃度N+ 層3の抵抗率(=1/導電率)は、図8に示すように、3 ×10-1Ωcmから 8×10-3Ωcmまで変化させることができる。同様に、上記のシラン(SiH4)を10cc/ 分〜300 cc/ 分の範囲で制御すれば、高キャリア濃度N+ 層3のキャリア濃度(電子濃度)は、図8に示すように、6 ×1016/cm3から3 ×1018/cm3まで変化させることができる。 In this manner, a gallium nitride-based light emitting device having a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured. In the above manufacturing process, when the high carrier concentration N + layer 3 is vapor grown, T 2 is maintained at 20 L / min for H 2 , 10 l / min for NH 3 as another source gas, and at −15 ° C. of H 2 which was bubbled flowed at 100 cc / min, by controlling the silane diluted with H 2 to 0.86ppm as a gas containing silicon (SiH 4) in the range of 10 cc / min to 300 cc / min, a high carrier The resistivity (= 1 / conductivity) of the concentration N + layer 3 can be changed from 3 × 10 −1 Ωcm to 8 × 10 −3 Ωcm as shown in FIG. Similarly, if the above silane (SiH 4 ) is controlled in the range of 10 cc / min to 300 cc / min, the carrier concentration (electron concentration) of the high carrier concentration N + layer 3 is 6 as shown in FIG. It can be changed from × 10 16 / cm 3 to 3 × 10 18 / cm 3 .
なお、上記方法では、シラン(SiH4)を制御したが他の原料ガスの流量を制御しても良く、また、両者の混合比率を制御して抵抗率を変化させても良い。また、本実施例ではSiドーパント材料としてシランを使用したが、Siを含む有機化合物例えばテトラエチルシラン(Si(C2H5)4) などをH2でバブリングしたガスを用いても良い。このようにして、高キャリア濃度N+ 層3と低キャリア濃度N層4とを抵抗率の制御可能状態で形成することができた。
In the above method, although silane (SiH 4 ) is controlled, the flow rate of other source gases may be controlled, and the resistivity may be changed by controlling the mixing ratio of the two. In this embodiment, silane is used as the Si dopant material, but a gas obtained by bubbling an organic compound containing Si such as tetraethylsilane (Si (C 2 H 5 ) 4 ) with H 2 may be used. In this manner, the high carrier concentration N + layer 3 and the low carrier
この結果、上記の方法で製造された発光ダイオード10の発光強度は、0.2mcdであり、従来のI層とN層とから成る発光ダイオードの発光強度の4倍に向上した。又、発光面を観察した所、発光点の数が増加していることも観察された。
As a result, the light emission intensity of the
本発明は、電子濃度や導電率の制御されたN型の窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法に用いられる。特に、電子濃度や導電率の制御されたN型の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子の製造方法に有効である。また、本発明は、青色発光の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の発光効率の改善に有効である。 The present invention is used in a method for manufacturing an N-type gallium nitride compound semiconductor with controlled electron concentration and conductivity. In particular, it is effective for a method for manufacturing a light-emitting element using an N-type gallium nitride compound semiconductor whose electron concentration and conductivity are controlled. The present invention is also effective in improving the light emission efficiency of a blue light emitting gallium nitride compound semiconductor light emitting device.
10…発光ダイオード
1…サファイア基板
2…バッファ層
3…高キャリア濃度N+ 層
4…低キャリア濃度N層
5…I層
7,8…電極
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