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JP3735601B2 - Method for manufacturing compound semiconductor device - Google Patents
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JP3735601B2 - Method for manufacturing compound semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成された窒化物系の化合物半導体からなる化合物半導体装置の製造方法に関し、特に、化合物半導体発光装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、青色或いは紫色の発光ダイオード用の材料として、一般式がBAlGaInNで表わされる窒化物系化合物半導体が知られている。この材料を利用した発光ダイオードとして知られているものは、MIS(Metal−Insulator−Semiconductor)構造のものである。このようなMIS型の発光ダイオードは、動作電圧が高く、発光強度も弱く、更に素子の寿命も短いという欠点がある。これらの欠点に対する方策の一つとして、pn接合型にするということが既に知られている。
【0003】
上記材料系は、主として有機金属気相成長法(以下、MOCVD法)や分子線エピタキシー法(MBE法)により、サファイア基板上に成長されている。この方法に限らず窒化物系化合物半導体には、様々な問題点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
窒化物系化合物半導体の問題点の1つは結晶成長過程における問題点である。通常、MOCVD法やMBE法といった非平衡状態を用いた結晶成長では、まず成長するための結晶核が形成され、次に核全体が成長(3次元成長)し、その後複数の核が結合し平坦膜となり、最後にその膜が成長軸方向に成長(2次元成長)するという過程を経る。本発明者らがサファイアを基板として用いて結晶成長を行なったところ、特に珪素を添加したn型結晶の成長においては、故意に添加していないいわゆるアンドープ膜やマグネシウムをドープしたp型膜と比較して3次元成長から2次元成長へ移行する時間が長く、1μm以下の厚さを有する薄膜においては特に平坦膜が得られにくいという問題点が判明した。
【0005】
2番目はこのようにしてできた結晶本質に関する問題点である。一般に窒化物系化合物半導体では、窒素の蒸気圧が非常に高いため、結晶中に窒素空孔が生成しやすいということがよく知られている。この窒素空孔はエネルギーレベルの深いドナー準位を形成する。そのため特に発光素子においては発光層で生じた光がこの深いドナー準位に関与した低エネルギーの遷移によって吸収され、素子の光取り出し効率が低減する。このような窒素空孔を埋める手段としては特開昭49−29770に記載されているように、窒素以外のV族元素、具体的には燐(P)や砒素(As)を用いることが知られている。しかしながら、例えば窒化ガリウム(GaN)にこのような不純物を添加した場合においては、GaNよりも燐化ガリウム(GaP)或いは砒化ガリウム(GaAs)の方がエネルギーギャップが著しく小さい。このため、これらの混晶半導体においてはエネルギーギャップが著しく低下し、窒化物系化合物半導体の特性である大きなエネルギーギャップを利用した短い波長の発光を得られないという問題点がある。
【0006】
3番目も結晶の品質の問題点である。半導体素子形成に通常用いられているSiやGaAsといった半導体基板上に、窒化物系化合物半導体膜を形成した場合においては、それらの半導体基板が立方晶系であるために、基板上に成長された窒化物系化合物半導体膜も基板の結晶型が保存され、エピタキシャル層が立方晶系の膜となり、六方晶系の膜が得られない。このため、これまではサファイアを基板として使用することで、六方晶系の窒化物系化合物半導体膜を得ている。しかしながら、このサファイアを基板として用いた場合には基板に導電性がないために、積層された窒化物系化合物半導体膜構造を形成した半導体素子、特に通常の発光素子においては、表面に現われていない層へ電気的接触を図る場合に表面からいくつかの層をエッチング除去する必要がある。本発明者らが実験を行なった結果、マグネシウムを添加した通常のp型窒化物系化合物半導体結晶層ではエッチング処理によって除去することが非常に困難であるという問題点が判明した。
【0007】
4番目は結晶成長後の素子形成工程に関する問題である不純物の拡散である。本発明の対象である窒化物系化合物半導体に限らず、半導体素子の作製工程では、通常、結晶成長を行なった後に、様々な目的で熱処理が施される。この場合、熱処理のために所望の領域に止まっていることを望まれる不純物が拡散し、素子の諸特性に対して悪影響を及ぼすという問題点がある。本発明者らが実験を行なったところ、通常用いられる不純物の中ではマグネシウムの拡散が最も顕著であることが判明した。
【0008】
上述のように、窒化物系化合物半導体膜には、その結晶自身の特性或いは結晶成長の観点から、平坦な薄膜形成の困難さ、窒素空孔の存在、結晶をエッチングする際の困難さ、熱処理工程における不純物の拡散といった様々な問題点がある。これらの問題点は、特にサファイアを基板として用いた窒化物系化合物半導体膜半導体素子、特に発光素子を形成する上で大きな課題となっている。
【0009】
本発明は以上の問題点に鑑みてなされたもので、半導体発光装置の信頼性及び発光強度を向上させることができる化合物半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の視点は、結晶基板と、前記基板に支持される窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記基板と前記半導体発光層との間に介在する、気相成長により形成されたn型若しくはi型の窒化物系化合物からなる第1半導体層と、を具備する化合物半導体装置の製造方法であって、前記第1半導体層を平坦な薄膜として形成するため、前記第1半導体層に、1×10 15 cm -3 〜1×10 17 cm -3 のマグネシウム若しくは1×10 15 cm -3 〜1×10 17 cm -3 の亜鉛を添加することを特徴とする。
本発明の第2の視点は、結晶基板と、前記基板に支持される窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記基板と前記半導体発光層との間に介在する、気相成長により形成されたn型若しくはi型の窒化物系化合物からなる第1半導体領域と、を具備する化合物半導体装置の製造方法であって、前記第1半導体領域を平坦且つ薄く形成するため、前記第1半導体領域に、1×10 15 cm -3 〜1×10 17 cm -3 のマグネシウム若しくは1×10 15 cm -3 〜1×10 17 cm -3 の亜鉛を添加することを特徴とする。
後述する本発明に係る実施の形態で使用される不純物元素の効果は、その対象とする問題点によって異なる。そのため、それらの元素による問題点への作用を個々に説明する。元素は、マグネシウム及び亜鉛のグループ、炭素、酸素、セレン及び硫黄のグループ、珪素、水素の4つに分けられる。
【0011】
まず、マグネシウム及び亜鉛のグループについて説明する。これらの元素は第1の問題点である成長時の結晶の平坦性に関するものである。本発明者らが実験を行なった結果、Siを添加したn型窒化物系化合物半導体結晶膜では3次元成長から2次元成長への移行が遅いことは上述した通りである。このような成長に対して、マグネシウムを同時に添加したところ、3次元成長から2次元成長への移行がマグネシウムを添加しない場合と比較して早い時間、即ち膜厚が薄い時で起こることが判明した。即ち、マグネシウムを添加することによって平坦な薄膜を形成することができるようになる。しかしながら、マグネシウムは本来アクセプター性の不純物であるため、大量に添加することはn型結晶の形成を阻害する。そのため、本発明者らが実験を行なった結果、n型結晶の形成を阻害することなく、添加による効果が得られる不純物濃度の範囲は、マグネシウムでは1×1015cm-3〜1×1017cm-3であることが判明した。同様の効果は亜鉛においても確認されており、その効果が現われる濃度範囲は1×1015cm-3〜1×1017cm-3であることが判明した。
【0012】
次に、炭素、酸素、セレン、及び硫黄のグループについて説明する。これらの元素は第2の問題点である結晶中の窒素空孔の問題に関するものである。これらの元素の原子は、窒化物系化合物半導体において窒素サイトに入りやすいため、この化合物半導体に特有な窒素空孔を埋めることができる。そのため、窒素空孔に起因する深いドナー準位を消失させることができる。また、上述した4種類の不純物元素はそれ自身、比較的浅いドナーまたはアクセプターを形成する不純物であることから、不純物添加による深い不純物レベルの形成が生じない。そのため、取り出し効率の損失を起こすことなく、深いドナー準位を形成する窒素空孔を埋めることができる。一方、これらの不純物を過剰に添加することは結晶性の低下による発光効率の低下を招くため望ましくない。このため、不純物濃度の適当な範囲を求めたところ、炭素では1×1016cm-3〜5×1017cm-3、酸素では1×1018cm-3〜1×1020cm-3、セレンでは1×1016cm-3〜1×1018cm-3、硫黄1×1016cm-3〜1×1018cm-3であることが判明した。
【0013】
第3に、珪素について説明する。この元素は第3の問題点である結晶のエッチングの困難さに関するものである。本発明者らが実験を行なった結果、マグネシウムを添加した通常のp型窒化物系化合物半導体結晶層では、エッチング除去することが非常に困難であった。しかし、これに珪素を微量添加したところ、エッチングが容易に行なえることが判明した。しかしながら、珪素は本来n型を示すドナー性の不純物であるため、過剰の添加はp型結晶の形成を阻害する。そのため、本発明者らが実験を行なった結果、p型結晶の形成を阻害することなく、添加による効果が得られる不純物濃度の範囲は、1×1016cm-3〜8×1017cm-3の珪素であることが判明した。
【0014】
最後に、水素について説明する。基板上に形成したn型GaN層とマグネシウム(Mg)を添加したp型GaN層とからなるpn接合構造について考える。n型層に水素が含まれていない場合、これらの構造に熱処理を施したところ、Mgはp型層からn型層へ拡散する。このような熱拡散は、通常用いられる不純物元素の中でMgについて顕著に見られるものである。Mgの熱拡散は本来n型であるべき結晶のキャリア濃度を著しく低下させ、n型層にn型としての役割を果たさせない現象を生じさせる。しかしながら、n型層に適量の水素が含まれている場合には、Mgの拡散は抑制され、p型層からn型層へのMgの拡散は殆ど生じない。このように水素には不純物の拡散を抑制させる効果があるものと考えられる。本発明者らが実験を行なった結果、拡散を抑制することができる水素濃度の範囲は1×1018cm-3〜1×1020cm-3であることが判明した。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら以下に説明する。
【0016】
(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係る発光ダイオード10の断面を示す。
【0017】
発光ダイオード10は、サファイア基板11を有しており、そのサファイア基板11の一主面11a上に、格子不整合を緩和することを目的としたバッファ層12が50nmの厚さで形成されている。更にバッファ層12の上に、順に、厚さ4μmのn型GaN層13、厚さ50nmのn型InGaN発光層14、クラッド層として厚さ150nmのp型AlGaN層15、厚さ300nmのp型GaN層16が積層されている。n型GaN層13はクラッド層としても働く。
【0018】
これらのn型GaN層13からp型GaN層16までの各層には、2×1017cm-3の炭素が含有されている。また、第2の実施の形態で述べるように、p型AlGaN層15及びp型GaN層16にSiが微量添加され、これらがエッチングしやすいようになっている。
【0019】
結晶成長の後、p型GaN層16からn型InGaN層14までが、n型GaN層13が露出するまでエッチングされ、その後、ほぼ全面が厚さ400nmのSiO2 膜17で覆われる。このSiO2 膜17の必要な部分に孔が形成され、p型層16に対してAu−Ni膜18が、n型層13に対してAl膜19が形成され、オーミック電極が配設される。
【0020】
以下に、発光ダイオード10の製造方法の実施例を順に説明する。
【0021】
この発光ダイオード10は、周知の有機金属気相成長法(MOCVD法)による気相成長により製造した。用いたガスは、原料ガスとしてアンモニア(NH3 )、シラン(SiH4 )及び四塩化炭素(CCl4 )を用い、キャリアガスとして水素(H2 )及び窒素(N2 )を用いた。有機金属原料として、トリメチルガリウム((CH3 3 Ga)(以下、TMGと記す)、トリメチルアルミニウム((CH3 3 Al)(以下、TMAと記す)、トリメチルインジウム((CH3 3 In)(以下、TMIと記す)、ジメチル亜鉛((CH3 2 Zn)(以下、DMZと記す)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム((C5 5 2 Mg)(以下、Cp2 Mgと記す)を用いた。
【0022】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したc面11aを一主面とした単結晶のサファイア基板11をMOCVD装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でH2 を10L/分の流量で流しながら、温度1050℃で約10分間、サファイア基板11の一主面11aを気相エッチングした。
【0023】
次に、サファイア基板11を510℃まで降温し、H2 を15L/分、N2 を5L/分、NH3 を10L/分、及びTMGを25cc/分の各流量で6分間流すことによって、バッファ層12を形成した。
【0024】
次に、サファイア基板11を1020℃まで昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を5L/分、NH3 を10L/分、TMGを25cc/分、100ppmのSiH4 を1cc/分、及びCCl4 を5cc/分の各流量で60分流すことによって、n型GaN層13を形成した。
【0025】
次に、サファイア基板11を800℃まで降温し、H2 を5L/分、N2 を15L/分、NH3 を10L/分、TMGを3cc/分、TMIを100cc/分、SiH4 を1cc/分、DMZを10cc/分、及びCCl4 を5cc/分の各流量で15分流すことによって、n型InGaN層14を形成した。
【0026】
次に、サファイア基板11を1020℃まで昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を5L/分、NH3 を10L/分、TMGを50cc/分、TMAを25cc/分、Cp2 Mgを30cc/分、CCl4 を25cc/分、及びSiH4 を0.1cc/分の各流量で5分流すことによって、p型AlGaN層15を形成した。
【0027】
更に、サファイア基板を1020℃に保温したまま、H2 を15L/分、N2 を5L/分、NH3 を10L/分、TMGを25cc/分、Cp2 Mgを30cc/分、CCl4 を5cc/分、及びSiH4 を0.1cc/分の各流量で5分程度流すことによって、p型GaN層16を形成した。この様にCCl4 を成長ガスに使用することで各成長層に炭素を含有させることができる。
【0028】
この後、TMG、Cp2 Mg及びCCl4 の流れを切り、H2 を15L/分、N2 を5L/分、及びNH3 を10L/分の各流量で流しながらサファイア基板11を700℃まで降温した。更に、H2 及びNH3 を切り、N2 を5L/分で保持しながらサファイア基板11をサセプタ上に放置し、室温まで降温した(図8参照)。
【0029】
ここで、H2 及びNH3 を切り、N2 のみにする温度は300℃以上であることが必要であり、500℃以上であることが望ましい。これは高温の水素雰囲気下では成長結晶膜の表面付近の不純物が活性水素によって不活性化するためであると考えられる。そのため、このような高温の水素雰囲気下では活性化される不純物の割合は1%程度にすぎない。この様な場合には、活性化されていない不純物は格子欠陥を作り、非発光再結合中心となるため素子の効率を著しく低下させる。これに対して上述したような高温で切り替えを行った場合には、添加された不純物の少なくとも7%以上、多くの場合10%以上が活性化されていることが判明した。
【0030】
また、基板の冷却速度は50℃/分以下であることが望ましい。これ以上の速度で冷却した場合には、特にAlを加えた混晶系、例えばAlGaN等において、結晶に熱応力が掛かるため、結晶表面にクラックが生じることがある。
【0031】
なお、室温まで降温する際のガスとしては、母体結晶の構成元素の1つであるN2 を用いることが望ましいが、He、Ar等の不活性ガスを用いることも可能である。
【0032】
この様な工程を経ることで、不純物の活性化率を向上させるために従来とられてきた熱アニール等の工程を必要としなくなるため、工程の簡略化を図ることができ、製造に要する時間の短縮も図ることができる。更に、熱アニール等の後工程を経るよりも高い活性化率を得ることができる。
【0033】
次に、窒化物系化合物半導体層が成長したサファイア基板11をMOCVD装置から取り出し、レジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系の水溶液によってn型GaN層13が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。その後、CVD装置によって、表面にSiO2 膜17を約400nm形成した。この膜によってメサ構造側面に露出したpn接合界面付近のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
【0034】
次に、SiO2 膜17に弗酸系の溶液を用いて、p型GaN層16が約100μm角の大きさで、またn型GaN層13が約100μmφの大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、p型層16に対して約1μmのAu−Ni膜18を、n型層13に対して約600nmのAl膜19を形成し、オーミック電極とした。以上の工程で発光ダイオードが完成した。
【0035】
かかる発光ダイオード10における各層の不純物濃度はp型GaN層16中のMg濃度のみが1×1020cm-3であり、n型GaN層13、n型InGaN層14、及びp型AlGaN層15に各々含まれるSi、Zn、Mgの濃度は2×1019cm-3であった。また、n型GaN層13からp型GaN層16までの各層中に含まれる炭素濃度は2×1017cm-3であった。
【0036】
この様にして形成された発光ダイオード10を約350μm角の大きさでダイシングして、ステム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオードにおいては、順方向電流20mAに対して2〜3mW程度の光出力を得ることができ、寿命も約2万時間を実現することができた。これらの値は、炭素を実質的に含まない、即ち、測定時の検出限界以下であるような場合の同様の構造を有する発光ダイオードの特性と比較して約2〜3倍の向上となっている。
【0037】
この炭素濃度については1×1016cm-3から5×1017cm-3までの領域でこれまで述べてきたような効果が見られた。これより少ない場合には、窒素空孔による深い準位の形成によって取り出し効率に低下が見られた。即ち、炭素添加による効果が現われなかった。一方、この範囲よりも多い場合には、炭素が結晶内において析出し、非発光再結合センターや、結晶欠陥の要因となり、効果が現われなくなった。効果が顕著に現われるためには、炭素濃度が5×1016cm-3以上で且つ5×1017cm-3以下であることが望ましく、更には炭素濃度が1×1017cm-3から3×1017cm-3までの範囲にあるとき、取り出し効率が極大値をとった。
【0038】
ここでは、発光層をInGaNにした場合について述べたが、発光層がGaN、InGaAlNで形成されている場合でも同様の効果が得られた。
【0039】
(第2の実施の形態)
図2は本発明の第2の実施の形態に係る発光ダイオード20の断面を示す。
【0040】
発光ダイオード20は、サファイア基板21を有しており、そのサファイア基板21上に、格子不整合を緩和するためにGaNのバッファ層22が50nmの厚さで形成されている。そのバッファ層22の上に、順に、厚さ3μmのn型GaN層23、厚さ100nmのn型InGaN発光層24、クラッド層として厚さ300nmのp型AlGaN層25、厚さ500nmのp型GaN層26が積層されている。
【0041】
各層の不純物濃度は以下の通りである。p型GaN層26ではMg濃度が1×1020cm-3、Si濃度は1×1017cm-3である。p型AlGaN層25ではMg濃度が2×1019cm-3、Si濃度は1×1017cm-3である。n型InGaN層24ではSi濃度が2×1019cm-3、Zn濃度が1×1018cm-3である。n型GaN層23中のSi濃度は2×1019cm-3である。
【0042】
以下に、発光ダイオード20の製造方法の実施例を順に説明する。
【0043】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したa面((11-20)面)を主面とした単結晶のサファイア基板21をMOCVD装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でH2 を10L/分の流量で流しながら、温度1050℃で約10分間、サファイア基板21の一主面を気相エッチングした。
【0044】
次に、サファイア基板21を510℃まで降温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMGを25cc/分の各流量で流すことによって、バッファ層22を形成した。
【0045】
次に、サファイア基板21を1020℃まで昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMGを25cc/分、SiH4 を5cc/分の各流量で60分流すことによって、n型GaN層23を形成した。
【0046】
次に、サファイア基板21を800℃まで降温し、H2 を10L/分、N2 を15L/分、NH3 を5L/分、トリエチルガリウム((C2 5 3 Ga)(以下、TEGと記す)を3cc/分、TMIを30cc/分、DMZを1cc/分、SiH4 を1cc/分の各流量で30分流すことによって、n型InGaN層24を形成した。この層形成においてのZn添加は発光中心としての役割と同時に、平坦な薄膜成長を助ける役割をも合わせ持っている。
【0047】
次に、サファイア基板21を1020℃まで昇温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMGを50cc/分、TMAを25cc/分、Cp2 Mgを50cc/分、SiH4 を1cc/分の各流量で10分間流すことによって、p型AlGaN層25を形成した。
【0048】
更に、サファイア基板21を1020℃に保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMGを25cc/分、Cp2 Mgを100cc/分、SiH4 を1cc/分の各流量で10分程度流すことによって、p型GaN層26を形成した。
【0049】
この後、TMG、Cp2 Mg、及びSiH4 を切り、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分の各流量で流したまま、サファイア基板21を800℃まで降温した。その後、N2 を10L/分流しながらサファイア基板21をサセプタ上に放置し、室温まで降温した。
【0050】
次に、窒化物系化合物半導体層が成長したサファイア基板21をMOCVD装置から取り出し、レジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系の水溶液によってn型GaN層23が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。その後、CVD装置によって、表面にSiO2 膜27を約200nm形成した。この膜によってメサ構造側面に露出したpn接合界面付近のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
【0051】
次に、SiO2 膜27に弗酸系の溶液を用いて、p型GaN層26が約100μm角の大きさで、またn型GaN層23が約120μmφの大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、p型GaN層26に対して約2μmのAu−Ni膜28を、n型層23に対して約1μmのAl−Ti膜29を形成し、オーミック電極とした。
【0052】
このようにして形成された発光ダイオード20を約350μm角の大きさでダイシングして、ステム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオード20は、発光強度においても信頼性においても第1の実施の形態で示した発光ダイオード10と同程度の性能を示した。
【0053】
かかる発光ダイオード20において、本発明の主旨であるp型GaN層26及びp型AlGaN層25におけるSi濃度は上述した通り、いずれの層も2×1017cm-3であった。この濃度においてp型GaN層26及びp型AlGaN層25はエッチング除去することができ、素子を形成することが可能であった。このようにエッチングが可能であった濃度は1×1016cm-3以上を必要とした。一方、Siは本来ドナー性の不純物であるため、過剰の添加は本来p型であるべきGaN層26及びAlGaN層25をn型に変化させてしまうという問題を生じる。そのため、Si濃度の上限は、その層のアクセプター濃度に依存するが、素子形成に必要なp型のキャリア濃度が1×1018cm-3であることから、Si濃度が8×1017cm-3以下ではn型に転じることが少ないということが判明した。更に、Si濃度が5×1017cm-3以下であることが望ましく、5×1016cm-3以上5×1017cm-3以下の濃度であることが素子形成に最も望ましいものであった。
【0054】
(第3の実施の形態)
図3は本発明の第3の実施の形態に係る発光ダイオード30の断面を示す。
【0055】
発光ダイオード30は、結晶性のAlN基板31を有しており、そのAlN基板31上に、順に、厚さ4μmのn型AlGaN層33、厚さ100nmのn型GaN発光層34、クラッド層として厚さ300nmのp型AlGaN層35、厚さ500nmのp型GaN層36が積層されている。また、n型AlN層33からp型GaN層36までの各層中には酸素が1×1018cm-3含有されている。
【0056】
以下に、発光ダイオード30の製造方法の実施例を順に説明する。
【0057】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したAlN基板31をMOCVD装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でH2 を10L/分の流量で流しながら、温度1050℃で約10分間、AlN基板の一主面を気相エッチングした。
【0058】
次に、AlN基板31を1000℃まで降温且つ保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMAを25cc/分、TMGを50cc/分、SiH4 を1cc/分、0.1%に希釈した酸素(O2 )を20cc/分の各流量で60分流すことによって、n型AlGaN層33を形成した。
【0059】
次に、AlN基板31を1000℃に保持したまま、H2 を10L/分、N2 を15L/分、NH3 を5L/分、TEGを3cc/分、DMZを10cc/分、SiH4 を1cc/分、希釈した酸素O2 を300cc/分の各流量で4分流すことによって、n型GaN層34を形成した。
【0060】
次に、AlN基板を1000℃に保温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMGを50cc/分、TMAを25cc/分、Cp2 Mgを100cc/分、希釈したO2 を200cc/分の各流量で5分間流すことによって、p型AlGaN層35を形成した。
【0061】
更に、AlN基板を1000℃に保温したまま、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMGを50cc/分、Cp2 Mgを30cc/分、希釈したO2 を200cc/分の各流量で20分程度流すことによって、p型GaN層36を形成した。
【0062】
この後、AlN基板31を900℃まで降温し、常圧でNH3 を10L/分、N2 を10L/分の各流量で流しながらこれをサセプタ上に放置した。
【0063】
窒化物系化合物半導体層が成長したAlN基板31をMOCVD装置から取り出し、レジスト等を用いることによってマスクとし、アルカリ系の水溶液によってn型AlGaN層33が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。その後、CVD装置によって、表面にSiO2 膜37を約300nm形成した。この膜によってメサ構造側面に露出したpn接合界面付近のリーク電流は抑制され、素子の劣化は抑制される。
【0064】
次に、SiO2 膜37に弗酸系の溶液を用いて、p型GaN層36が約100μm角の大きさで、またn型AlGaN層33が約100μmφの大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、p型GaN層36に対して約2μmのAu−Ni膜38を、n型AlGaN層33に対して約1μmのAl膜39を形成し、オーミック電極とした。
【0065】
このようにして形成された発光ダイオード30を約400μm角の大きさでダイシングして、ステム上にマウント、モールドし、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオード30は、発光強度においても信頼性においても第1の実施の形態で示した発光ダイオード10と同程度の性能を示した。
【0066】
かかる発光ダイオード30において各層の不純物濃度はp型GaN層36中のMg濃度のみが1×1020cm-3であり、n型AlGaN層33からp型AlGaN層35までに含まれるSi、Zn、Mg濃度は2×1019cm-3であった。また、本実施の形態の特徴である酸素濃度は上述した値1×1018cm-3を含む1×1018cm-3から1×1020cm-3までの領域で窒素空孔を埋めることによる効果が見られた。これより少ない場合には、発光強度に効果が見られなかった。一方、この範囲よりも多い場合には、装置内で爆発する恐れがあるため、装置の安全性に問題が生じる。この中でも1×1018cm-3から1×1019cm-3の酸素濃度の場合に発光素子として特性が最も向上した。
【0067】
(第4の実施の形態)
図4は本発明の第4の実施の形態に係る発光ダイオード40の断面を示す。
【0068】
発光ダイオード40は、サファイア基板11を有しており、そのサファイア基板11の一主面上に、格子不整合を緩和するためにバッファ層42が50nmの厚さで形成されている。そのバッファ層42の上に、順に、厚さ4μmのn型GaN層43、厚さ50nmのn型InGaN発光層44、クラッド層として厚さ150nmのp型AlGaN層45、厚さ300nmのp型GaN層46が積層されている。これらのn型GaN層43及びn型InGaN層45には、夫々水素が5×1018cm-3含まれている。
【0069】
更に、結晶成長の後、n型InGaN層44からp型GaN層46までが、n型GaN層43が露出するまでエッチングされ、その後、ほぼ全面が厚さ400nmのSiO2 膜47で覆われる。このSiO2 膜47の必要な部分に孔が形成され、p型層46に対してAu−Ni膜48が、n型層43に対してAl膜49が形成され、オーミック電極が配設される。
【0070】
以下に、発光ダイオード40の製造方法の実施例を順に説明する。
【0071】
まず、有機洗浄、酸洗浄及び熱処理によって洗浄したC面を主面とした単結晶のサファイア基板11をMOCVD装置の反応室に載置された加熱可能なサセプタ上に装着した。次に、常圧でH2 を20L/分の流量で流しながら、温度1100℃で約10分間、サファイア基板11を気相エッチングした。
【0072】
次に、サファイア基板11を500℃まで降温し、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を5L/分、TMGを25cc/分、TMAを40cc/分の各流量で流すことによって、バッファ層42を形成した。
【0073】
次に、サファイア基板11を1020℃まで昇温且つ保温し、H2 を20L/分、N2 を10L/分、NH3 を10L/分、TMGを25cc/分、SiH4 を1cc/分の各流量で60分流すことによって、n型GaN層43を形成した。
【0074】
次に、サファイア基板11を800℃まで降温し、H2 を20L/分、N2 を15L/分、NH3 を10L/分、TEGを3cc/分、TMIを30cc/分、DMZを1cc/分、SiH4 を1cc/分の各流量で15分流すことによってn型InGaN層44を形成した。
【0075】
次に、サファイア基板11を1020℃まで昇温し、保温した状態で、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を10L/分、TMGを50cc/分、TMAを25cc/分、Cp2 Mgを30cc/分、SiH4 を0.1cc/分の各流量で5分間流すことによって、p型AlGaN層45を形成した。
【0076】
更に、サファイア基板11を1020℃に保温したまま、H2 を15L/分、N2 を10L/分、NH3 を10L/分、TMGを50cc/分、Cp2 Mgを100cc/分、SiH4 を0.1cc/分の各流量で5分程度流すことによって、p型GaN層46を形成した。上記p型AlGaN層45及びp型GaN層46の成長では第2の実施の形態で述べたエッチングの容易性のためにSiを添加した。
【0077】
この後、サファイア基板11を800℃まで降温し、常温でN2 を10L/分流しながらサセプタ上に放置した。
【0078】
窒化物系化合物半導体層が成長したサファイア基板11をMOCVD装置から取り出し、CVD装置によって、表面にSiO2 膜47を約400nm形成した。このSiO2 膜47をマスクとして、周知の反応性イオンエッチング法(RIE法)によってn型GaN層43が露出するまでエッチングし、メサ構造とした。このSiO2 膜47に弗酸系の溶液を用いて、p型GaN層46が約100μm角の大きさで露出するように孔を形成した。この孔を通して、p型層46に対して約1μmのAu−Ni膜48を形成し、またn型層43に対して約600nmのAl膜49を形成し、夫々オーミック電極とした。
【0079】
このようにして形成された発光ダイオード40を約350μm角の大きさでダイシングした後、ランプ化した。このようにして形成された発光ダイオード40においては、先に述べた発光ダイオード10と同程度の発光強度、信頼性を有していた。
【0080】
かかる発光ダイオード40における各層の不純物濃度はp型GaN層46中のMg濃度のみが1×1020cm-3であり、n型GaN層43からp型AlGaN層45までに含まれるSi、Zn、Mg濃度は2×1019cm-3であった。また、本発明の主旨であるn型GaN層43及びn型InGaN層44に含まれる水素濃度5×1018cm-3であるが、3×1018cm-3から1×1020cm-3までの領域で、p型AlGaN層45及びp型GaN層46からのMgの拡散を抑制することができた。これより少ない場合には、n型層43及び44へのMgの拡散が著しく、これらの層が補償効果によって絶縁層化する、或いはp型に変化してしまう現象が見られた。一方、これより水素は多い場合にはキャリアの要因となる不純物元素に対して水素が結合し、キャリア不活性化の要因となった。従って、水素濃度が上記の範囲3×1018cm-3から1×1020cm-3である必要がある。更に望ましくは、3×1018cm-3から1×1019cm-3程度の濃度である場合にその効果が顕著に現われた。
【0081】
(第5の実施の形態)
図5は本発明の第5の実施の形態に係る発光ダイオード50の断面を示す。
【0082】
第5の実施の形態が上述した4つの実施の形態と大きく異なる点は基板にSiCを使用した点である。各窒化物半導体層における主たる不純物は、SiC基板51がN(窒素)、n型GaN層53がSi、n型InGaN発光層54がSi及びZn、クラッド層であるp型AlGaN層55及びp型GaN層56がMgである。これらの濃度については、上述4つの実施の形態と同様、n型InGaN層54中のZn、p型AlGaN層55中のMgについては2×1019cm-3であり、p型GaN層56中のMgについては1×1020cm-3である。また、Siについては、n型層53及び54で1×1019cm-3程度、p型層55及び56で8×1016cm-3である。その他の不純物としては、n型GaN層53からp型GaN層56までの各層に夫々炭素が1×1018cm-3、酸素が1×1018cm-3含まれている。
【0083】
製造方法については、これまで述べてきた4つの実施の形態と同様にMOCVD法を用いた。この実施の形態でも第1及び第2の実施の形態と同様の効果を奏することに加えて、結晶欠陥密度も非常に低減し、発光ダイオード10と比較して、発光強度について約2倍、寿命について約3倍の性能向上をはかることができた。
【0084】
(第6の実施の形態)
図6は本発明の第6の実施の形態に係るレーザダイオード60の断面を示す。
【0085】
レーザダイオード60は、サファイア基板61を有しており、そのサファイア基板上61に順に、厚さ50nmのGaNバッファ層62、厚さ2μmのn型GaN層63、厚さ500nmのn型AlGaN(Alの組成比0.3)層64、厚さ100nmのアンドープGaN層65、厚さ500nmのp型AlGaN(Alの組成比0.3)層66、厚さ300nmのp型GaN層67が形成されている。
【0086】
これらの各層の不純物濃度は、n型GaN層63ではSiが2×1019cm-3及びMgが5×1016cm-3、n型AlGaN層64ではSiが2×1019cm-3及びMgが8×1016cm-3、アンドープGaN層65ではMgが1×1017cm-3、p型AlGaN層66ではMgが3×1019cm-3、p型GaN層67ではMgが1×1020cm-3である。
【0087】
この素子の製造方法はこれまで示してきた実施の形態と同様に行った。n型GaN層63からアンドープGaN層65までの各層には平坦な薄膜形成のために上述した濃度でMgを添加した。かかるMgの濃度は1×1015cm-3〜1×1017cm-3で効果が見られた。これより少ない場合には平坦な薄膜が得られなかった。一方、これより多い場合においてはn型層ではキャリア濃度に低減が見られ、更にSiを添加しなければならず、平坦な膜が得られにくくなった。このため、Mg濃度は1×1015cm-3〜1×1017cm-3が適当で、1×1016cm-3〜1×1017cm-3の濃度であることが望ましい。
【0088】
(第7の実施の形態)
図7は本発明の第7の実施の形態に係る発光ダイオード70の断面を示す。
【0089】
発光ダイオード70は、a面((11-20)面)を主面とするサファイア基板71上に形成されたものである。層構造はサファイア基板71から順に、GaNバッファ層72、ZnドープGaN層73、Siドープn型GaN層74、n型InGaN発光層75、Mgドープp型AlGaN層76、Mgドープp型GaN層77である。
【0090】
GaNバッファ層72は厚さが0.1μmであり、サファイア基板とGaN層との格子不整合とを緩和するためにある。GaN層73は厚さが0.3μmであり、本発明の主旨である2次元成長の促進をはかるためにZnを添加している。Znの濃度は1×1015cm-3〜1×1017cm-3が適当で、1×1015cm-3〜3×1016cm-3の濃度であることが望ましい。Siドープn型GaN層74は厚さが4μmであり、発光層に電子を注入するためにある。また、基板に絶縁物であるサファイアを用いているためにエッチングによってn型層を露出させなければならないため、層74は厚めに形成している。層74のキャリア濃度は2×1018cm-3程度である。
【0091】
n型InGaN発光層75は厚さが0.3μmである。また、発光波長を450nm程度に合わせるため、Inの組成比は6%である場合には、SiとZnとを同時に添加している。In組成を30%程度まで上げた場合にはSiのみを添加することで発光波長を調整することが可能である。
【0092】
Mgドープp型AlGaN層76は厚さが0.2μmであり、発光層に正孔を注入する働きをする。また、Alの組成比については、電子のオーバーフローを抑制するためには大きいことが望ましい一方、p型キャリア濃度を確保するためには組成比は小さい方が望ましい。これらの条件の複合により、Alの組成比は5%から25%までの範囲にあることが望ましく、更には10%から20%の間にあることがより望ましい。
【0093】
Mgドープp型GaN層77は厚さが0.2μmであり、AlGaN層76では良好なオーミック接触をとることが困難であることから形成されたものである。キャリア濃度は1×1018cm-3以上程度あることが望ましく、ここでは2×1018cm-3と設定した。また、p型層76及び77にはエッチングの実現を考慮してSiを微量添加した。
【0094】
オーミック電極としては、pn両方の層上にNi20nm、Au300nmの積層構造78を形成し、良好なオーミック電極形成のための熱処理をほどこした後、ボンディング用として更にTi50nm、Au2μmの積層構造79を形成した。このような発光ダイオード70においては20mAで2cd程度の輝度を示した。
【0095】
本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。上記実施の形態では発光素子について説明したが、上記実施の形態で説明した膜をチャネル領域に使用した薄膜トランジスタやエミッタ、ベース、コレクタに使ったヘテロ接合型バイポーラトランジスタ等も実現することができる。この場合結晶性が向上した膜でトランジスタを形成できることから高速動作の可能なデバイスの提供を期待できる。
【0096】
【発明の効果】
本発明に係る化合物半導体装置の製造方法によれば、半導体発光装置の信頼性及び発光強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図2】本発明の第2の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図3】本発明の第3の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図4】本発明の第4の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図5】本発明の第5の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図6】本発明の第6の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図7】本発明の第7の実施の形態に係る発光素子の構造断面図。
【図8】本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の製造方法における降温時の操作を説明するための図。
【符号の説明】
11、21、61、71…サファイア基板、31…AlN基板、51…SiC基板、12、22、42、62、72…バッファ層、13、23、43、53、63、74…n型GaN層、33…AlGaN層、14、24、44、54、75…n型InGaN発光層、34…GaN発光層、15、25、35、45、55、66、76…p型AlGaN層、16、26、36、46、56、67、77…p型GaN層、64…n型AlGaN層、65…アンドープGaN層、73…ZnドープGaN層。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor device comprising a nitride-based compound semiconductor formed on a substrate.Manufacturing methodIn particular, compound semiconductor light emitting devicesManufacturing methodAbout.
[0002]
[Prior art]
At present, a nitride compound semiconductor having a general formula represented by BAlGaInN is known as a material for blue or violet light-emitting diodes. What is known as a light-emitting diode using this material is a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) structure. Such a MIS type light emitting diode has the disadvantages that the operating voltage is high, the light emission intensity is weak, and the lifetime of the element is short. As one of measures against these drawbacks, it is already known to use a pn junction type.
[0003]
The material system is grown on a sapphire substrate mainly by a metal organic chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as MOCVD method) or a molecular beam epitaxy method (MBE method). Not limited to this method, nitride-based compound semiconductors have various problems.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
One of the problems of nitride-based compound semiconductors is a problem in the crystal growth process. Usually, in crystal growth using a non-equilibrium state such as MOCVD method or MBE method, crystal nuclei for growth are first formed, then the whole nuclei grow (three-dimensional growth), and then a plurality of nuclei combine to become flat. A film is formed, and finally the film grows in the growth axis direction (two-dimensional growth). When the present inventors performed crystal growth using sapphire as a substrate, especially in the growth of n-type crystals to which silicon was added, compared with a so-called undoped film or magnesium-doped p-type film that was not added intentionally. As a result, it has been found that it is difficult to obtain a flat film particularly in a thin film having a long transition time from three-dimensional growth to two-dimensional growth and having a thickness of 1 μm or less.
[0005]
The second is a problem relating to the essence of the crystal thus formed. It is well known that nitride compound semiconductors generally generate nitrogen vacancies in crystals because the vapor pressure of nitrogen is very high. This nitrogen vacancy forms a donor level with a deep energy level. Therefore, particularly in a light-emitting element, light generated in the light-emitting layer is absorbed by a low-energy transition related to the deep donor level, and the light extraction efficiency of the element is reduced. As a means for filling such nitrogen vacancies, it is known to use group V elements other than nitrogen, specifically phosphorus (P) or arsenic (As), as described in JP-A-49-29770. It has been. However, for example, when such an impurity is added to gallium nitride (GaN), gallium phosphide (GaP) or gallium arsenide (GaAs) has a significantly smaller energy gap than GaN. For this reason, in these mixed crystal semiconductors, the energy gap is remarkably lowered, and there is a problem that it is impossible to obtain light having a short wavelength utilizing the large energy gap that is a characteristic of nitride compound semiconductors.
[0006]
The third problem is the crystal quality. When nitride-based compound semiconductor films are formed on a semiconductor substrate such as Si or GaAs, which is usually used for forming semiconductor elements, the semiconductor substrates are grown on the substrate because they are cubic. In the nitride compound semiconductor film, the crystal form of the substrate is preserved, the epitaxial layer becomes a cubic film, and a hexagonal film cannot be obtained. For this reason, a hexagonal nitride compound semiconductor film has been obtained so far by using sapphire as a substrate. However, when this sapphire is used as a substrate, since the substrate is not conductive, it does not appear on the surface in a semiconductor element formed with a laminated nitride compound semiconductor film structure, particularly a normal light emitting element. It is necessary to etch away some layers from the surface when making electrical contact to the layers. As a result of experiments conducted by the present inventors, it has been found that a normal p-type nitride compound semiconductor crystal layer added with magnesium is very difficult to remove by etching treatment.
[0007]
The fourth is impurity diffusion, which is a problem related to the element formation process after crystal growth. In addition to the nitride-based compound semiconductor that is the subject of the present invention, in the manufacturing process of a semiconductor element, heat treatment is usually performed for various purposes after crystal growth. In this case, there is a problem that impurities desired to remain in a desired region due to heat treatment are diffused and adversely affect various characteristics of the device. As a result of experiments conducted by the present inventors, it has been found that diffusion of magnesium is the most significant among commonly used impurities.
[0008]
As described above, a nitride-based compound semiconductor film has difficulty in forming a flat thin film, the presence of nitrogen vacancies, difficulty in etching a crystal, heat treatment, from the viewpoint of the characteristics of the crystal itself or crystal growth. There are various problems such as diffusion of impurities in the process. These problems are particularly serious in forming a nitride-based compound semiconductor film semiconductor device using sapphire as a substrate, particularly a light-emitting device.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems,To provide a method for manufacturing a compound semiconductor device capable of improving the reliability and emission intensity of a semiconductor light emitting device.Objective.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
First aspect of the present inventionIs an n-type or i-type formed by vapor phase growth, which is interposed between the crystal substrate, a semiconductor light emitting layer made of a nitride compound supported by the substrate, and the substrate and the semiconductor light emitting layer. A method of manufacturing a compound semiconductor device comprising: a first semiconductor layer made of a nitride-based compound, wherein the first semiconductor layer is formed as a flat thin film. 15 cm -3 ~ 1x10 17 cm -3 Of magnesium or 1 × 10 15 cm -3 ~ 1x10 17 cm -3 It is characterized by adding zinc.
Second aspect of the present inventionIs an n-type or i-type formed by vapor phase growth, which is interposed between the crystal substrate, a semiconductor light emitting layer made of a nitride compound supported by the substrate, and the substrate and the semiconductor light emitting layer. A method of manufacturing a compound semiconductor device comprising: a first semiconductor region made of a nitride-based compound, wherein the first semiconductor region is formed with a 1 × 10 1 in order to form the first semiconductor region flat and thin. 15 cm -3 ~ 1x10 17 cm -3 Of magnesium or 1 × 10 15 cm -3 ~ 1x10 17 cm -3 It is characterized by adding zinc.
The effect of the impurity element used in the embodiment according to the present invention to be described later is, The problem to be addressedByDifferent. Therefore, the effect of these elements on the problems will be described individually. The elements are divided into four groups: magnesium and zinc groups, carbon, oxygen, selenium and sulfur groups, silicon and hydrogen.
[0011]
First, the group of magnesium and zinc will be described. These elements are related to crystal flatness during growth, which is the first problem. As a result of experiments conducted by the inventors, as described above, the transition from three-dimensional growth to two-dimensional growth is slow in the n-type nitride compound semiconductor crystal film to which Si is added. For such growth, it was found that when magnesium was added at the same time, the transition from three-dimensional growth to two-dimensional growth occurred earlier than when no magnesium was added, that is, when the film thickness was thin. . That is, a flat thin film can be formed by adding magnesium. However, since magnesium is an acceptor impurity by nature, the addition of a large amount inhibits the formation of n-type crystals. Therefore, as a result of experiments conducted by the present inventors, the impurity concentration range in which the effect of addition can be obtained without inhibiting the formation of n-type crystals is 1 × 10 5 for magnesium.15cm-3~ 1x1017cm-3It turned out to be. A similar effect has been confirmed for zinc, and the concentration range where the effect appears is 1 × 10.15cm-3~ 1x1017cm-3It turned out to be.
[0012]
Next, the group of carbon, oxygen, selenium, and sulfur will be described. These elements relate to the problem of nitrogen vacancies in the crystal, which is the second problem. Since atoms of these elements easily enter nitrogen sites in nitride-based compound semiconductors, nitrogen vacancies unique to this compound semiconductor can be filled. Therefore, the deep donor level resulting from nitrogen vacancies can be eliminated. Further, since the above-described four kinds of impurity elements are impurities that form relatively shallow donors or acceptors, formation of a deep impurity level due to impurity addition does not occur. Therefore, nitrogen vacancies that form deep donor levels can be filled without causing loss of extraction efficiency. On the other hand, excessive addition of these impurities is undesirable because it leads to a decrease in luminous efficiency due to a decrease in crystallinity. For this reason, when an appropriate range of the impurity concentration is obtained, 1 × 10 10 is obtained for carbon.16cm-3~ 5x1017cm-31x10 for oxygen18cm-3~ 1x1020cm-31x10 for selenium16cm-3~ 1x1018cm-3, Sulfur 1 × 1016cm-3~ 1x1018cm-3It turned out to be.
[0013]
Third, silicon will be described. This element relates to the third problem that is the difficulty of etching the crystal. As a result of experiments conducted by the present inventors, it was very difficult to remove by etching in a normal p-type nitride compound semiconductor crystal layer to which magnesium was added. However, it was found that etching can be easily performed when a small amount of silicon is added thereto. However, since silicon is an n-type donor impurity, excessive addition inhibits formation of p-type crystals. Therefore, as a result of experiments conducted by the inventors, the impurity concentration range in which the effect of addition can be obtained without inhibiting the formation of p-type crystals is 1 × 10.16cm-3~ 8x1017cm-3Was found to be silicon.
[0014]
Finally, hydrogen will be described. Consider a pn junction structure composed of an n-type GaN layer formed on a substrate and a p-type GaN layer to which magnesium (Mg) is added. When hydrogen is not contained in the n-type layer, when these structures are subjected to heat treatment, Mg diffuses from the p-type layer to the n-type layer. Such thermal diffusion is noticeable with respect to Mg among commonly used impurity elements. The thermal diffusion of Mg significantly reduces the carrier concentration of crystals that should be n-type and causes the n-type layer not to play the role of n-type. However, when an appropriate amount of hydrogen is contained in the n-type layer, Mg diffusion is suppressed, and Mg diffusion from the p-type layer to the n-type layer hardly occurs. Thus, hydrogen is considered to have an effect of suppressing the diffusion of impurities. As a result of experiments conducted by the present inventors, the range of hydrogen concentration capable of suppressing diffusion is 1 × 10.18cm-3~ 1x1020cm-3It turned out to be.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
(First embodiment)
FIG. 1 shows a cross section of a light emitting diode 10 according to a first embodiment of the present invention.
[0017]
The light emitting diode 10 has a sapphire substrate 11, and a buffer layer 12 having a thickness of 50 nm is formed on one main surface 11 a of the sapphire substrate 11 for the purpose of relaxing lattice mismatch. . Furthermore, on the buffer layer 12, an n-type GaN layer 13 having a thickness of 4 μm, an n-type InGaN light-emitting layer 14 having a thickness of 50 nm, a p-type AlGaN layer 15 having a thickness of 150 nm as a cladding layer, and a p-type having a thickness of 300 nm. A GaN layer 16 is stacked. The n-type GaN layer 13 also functions as a cladding layer.
[0018]
Each layer from the n-type GaN layer 13 to the p-type GaN layer 16 has 2 × 1017cm-3Contains carbon. Further, as described in the second embodiment, a small amount of Si is added to the p-type AlGaN layer 15 and the p-type GaN layer 16 so that they can be easily etched.
[0019]
After crystal growth, the p-type GaN layer 16 to the n-type InGaN layer 14 are etched until the n-type GaN layer 13 is exposed, and then almost the entire surface is SiOnm having a thickness of 400 nm.2Covered with a film 17. This SiO2Holes are formed in necessary portions of the film 17, an Au—Ni film 18 is formed on the p-type layer 16, an Al film 19 is formed on the n-type layer 13, and an ohmic electrode is disposed.
[0020]
Below, the Example of the manufacturing method of the light emitting diode 10 is demonstrated in order.
[0021]
The light emitting diode 10 was manufactured by vapor phase growth by a well-known metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). The gas used was ammonia (NHThree), Silane (SiH)Four) And carbon tetrachloride (CCl)Four) And hydrogen (H2) And nitrogen (N2) Was used. Trimethylgallium ((CHThree)ThreeGa) (hereinafter referred to as TMG), trimethylaluminum ((CHThree)ThreeAl) (hereinafter referred to as TMA), trimethylindium ((CHThree)ThreeIn) (hereinafter referred to as TMI), dimethylzinc ((CHThree)2Zn) (hereinafter referred to as DMZ), biscyclopentadienylmagnesium ((CFiveHFive)2Mg) (hereinafter Cp2(Denoted as Mg).
[0022]
First, a single crystal sapphire substrate 11 having a c-plane 11a cleaned by organic cleaning, acid cleaning, and heat treatment as one main surface was mounted on a heatable susceptor mounted in a reaction chamber of an MOCVD apparatus. Next, H at normal pressure2The main surface 11a of the sapphire substrate 11 was vapor-phase etched for about 10 minutes at a temperature of 1050 ° C. while flowing at a flow rate of 10 L / min.
[0023]
Next, the sapphire substrate 11 is cooled to 510 ° C., and H215L / min, N25L / min, NHThreeWas made to flow at a flow rate of 10 L / min and TMG at a flow rate of 25 cc / min for 6 minutes to form the buffer layer 12.
[0024]
Next, the sapphire substrate 11 is heated to 1020 ° C. and kept warm,215L / min, N25L / min, NHThree10 L / min, TMG 25 cc / min, 100 ppm SiHFour1 cc / min, and CClFourWas flown at a flow rate of 5 cc / min for 60 minutes to form an n-type GaN layer 13.
[0025]
Next, the sapphire substrate 11 is cooled to 800 ° C., and H25L / min, N215L / min, NHThree10L / min, TMG 3cc / min, TMI 100cc / min, SiHFour1 cc / min, DMZ 10 cc / min, and CClFourWas flown at a flow rate of 5 cc / min for 15 minutes to form an n-type InGaN layer 14.
[0026]
Next, the sapphire substrate 11 is heated to 1020 ° C. and kept warm,215L / min, N25L / min, NHThree10L / min, TMG 50cc / min, TMA 25cc / min, Cp2Mg 30cc / min, CClFour25 cc / min and SiHFourWas flown at a flow rate of 0.1 cc / min for 5 minutes to form the p-type AlGaN layer 15.
[0027]
Furthermore, while keeping the sapphire substrate at 1020 ° C., H215L / min, N25L / min, NHThree10L / min, TMG 25cc / min, Cp2Mg 30cc / min, CClFour5 cc / min, and SiHFourWas flown at a flow rate of 0.1 cc / min for about 5 minutes to form the p-type GaN layer 16. In this way, CClFourBy using as a growth gas, carbon can be contained in each growth layer.
[0028]
After this, TMG, Cp2Mg and CClFourCut the flow of H215L / min, N25 L / min, and NHThreeThe sapphire substrate 11 was cooled to 700 ° C. while flowing at a flow rate of 10 L / min. In addition, H2And NHThreeCut N2The sapphire substrate 11 was left on the susceptor while holding at 5 L / min, and the temperature was lowered to room temperature (see FIG. 8).
[0029]
Where H2And NHThreeCut N2It is necessary that the temperature only be 300 ° C. or higher, and it is desirable that the temperature be 500 ° C. or higher. This is presumably because impurities near the surface of the grown crystal film are inactivated by active hydrogen in a high-temperature hydrogen atmosphere. Therefore, the percentage of impurities activated in such a high-temperature hydrogen atmosphere is only about 1%. In such a case, the non-activated impurity creates a lattice defect and becomes a non-radiative recombination center, so that the efficiency of the device is significantly reduced. On the other hand, when switching was performed at a high temperature as described above, it was found that at least 7% or more of the added impurities were activated in many cases.
[0030]
The substrate cooling rate is preferably 50 ° C./min or less. When cooling at a rate higher than this, especially in a mixed crystal system to which Al is added, for example, AlGaN, a thermal stress is applied to the crystal, so that a crack may occur on the crystal surface.
[0031]
Note that the gas used when the temperature is lowered to room temperature is N which is one of the constituent elements of the host crystal.2However, it is also possible to use an inert gas such as He or Ar.
[0032]
By passing through such a process, it is no longer necessary to perform a process such as thermal annealing that has been conventionally used to improve the activation rate of impurities, so that the process can be simplified and the time required for manufacturing can be reduced. Shortening can also be achieved. Furthermore, a higher activation rate can be obtained than after a subsequent process such as thermal annealing.
[0033]
Next, the sapphire substrate 11 on which the nitride-based compound semiconductor layer is grown is taken out of the MOCVD apparatus, is used as a mask by using a resist or the like, and is etched with an alkaline aqueous solution until the n-type GaN layer 13 is exposed. did. Then, the surface is SiO2A film 17 was formed to a thickness of about 400 nm. This film suppresses leakage current in the vicinity of the pn junction interface exposed on the side surface of the mesa structure and suppresses deterioration of the element.
[0034]
Next, SiO2Holes were formed in the film 17 using a hydrofluoric acid-based solution so that the p-type GaN layer 16 was exposed with a size of about 100 μm square and the n-type GaN layer 13 was exposed with a size of about 100 μmφ. Through this hole, an Au—Ni film 18 of about 1 μm was formed on the p-type layer 16 and an Al film 19 of about 600 nm was formed on the n-type layer 13 to form an ohmic electrode. The light emitting diode was completed through the above steps.
[0035]
The impurity concentration of each layer in the light emitting diode 10 is 1 × 10 only for the Mg concentration in the p-type GaN layer 16.20cm-3The concentrations of Si, Zn, and Mg contained in the n-type GaN layer 13, the n-type InGaN layer 14, and the p-type AlGaN layer 15 are 2 × 10, respectively.19cm-3Met. The carbon concentration contained in each layer from the n-type GaN layer 13 to the p-type GaN layer 16 is 2 × 10.17cm-3Met.
[0036]
The light emitting diode 10 thus formed was diced to a size of about 350 μm square, mounted on a stem, molded, and formed into a lamp. In the light emitting diode thus formed, a light output of about 2 to 3 mW was obtained with respect to a forward current of 20 mA, and a lifetime of about 20,000 hours could be realized. These values are improved by about 2-3 times compared to the characteristics of light-emitting diodes having a similar structure in which carbon is substantially not included, that is, below the detection limit at the time of measurement. Yes.
[0037]
This carbon concentration is 1 × 1016cm-3To 5 × 1017cm-3The effects described above have been seen in the previous areas. When the amount was less than this, the extraction efficiency decreased due to the formation of deep levels by nitrogen vacancies. That is, the effect of carbon addition did not appear. On the other hand, when the amount is larger than this range, carbon precipitates in the crystal, causing non-radiative recombination centers and crystal defects, and the effect is not exhibited. In order for the effect to appear remarkably, the carbon concentration is 5 × 1016cm-3And 5 × 1017cm-3It is desirable that the carbon concentration is 1 × 1017cm-3To 3 × 1017cm-3When it was in the range up to, the extraction efficiency took a maximum value.
[0038]
Although the case where the light emitting layer is made of InGaN has been described here, the same effect can be obtained even when the light emitting layer is made of GaN or InGaAlN.
[0039]
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a cross section of a light emitting diode 20 according to a second embodiment of the present invention.
[0040]
The light emitting diode 20 has a sapphire substrate 21, and a GaN buffer layer 22 is formed on the sapphire substrate 21 with a thickness of 50 nm in order to alleviate lattice mismatch. On the buffer layer 22, an n-type GaN layer 23 having a thickness of 3 μm, an n-type InGaN light emitting layer 24 having a thickness of 100 nm, a p-type AlGaN layer 25 having a thickness of 300 nm as a cladding layer, and a p-type having a thickness of 500 nm. A GaN layer 26 is stacked.
[0041]
The impurity concentration of each layer is as follows. In the p-type GaN layer 26, the Mg concentration is 1 × 10.20cm-3, Si concentration is 1 × 1017cm-3It is. In the p-type AlGaN layer 25, the Mg concentration is 2 × 10.19cm-3, Si concentration is 1 × 1017cm-3It is. In the n-type InGaN layer 24, the Si concentration is 2 × 10.19cm-3Zn concentration is 1 × 1018cm-3It is. The Si concentration in the n-type GaN layer 23 is 2 × 10.19cm-3It is.
[0042]
Below, the Example of the manufacturing method of the light emitting diode 20 is described in order.
[0043]
First, a single crystal sapphire substrate 21 having a main surface (a (11-20) plane) cleaned by organic cleaning, acid cleaning and heat treatment is placed on a heatable susceptor placed in a reaction chamber of an MOCVD apparatus. Installed. Next, H at normal pressure2The main surface of the sapphire substrate 21 was vapor-phase etched at a temperature of 1050 ° C. for about 10 minutes while flowing at a flow rate of 10 L / min.
[0044]
Next, the sapphire substrate 21 is cooled to 510 ° C., and H215L / min, N210L / min, NHThreeWas made to flow at a flow rate of 5 L / min and TMG at a flow rate of 25 cc / min to form the buffer layer 22.
[0045]
Next, the sapphire substrate 21 is heated to 1020 ° C. and kept warm, and H215L / min, N210L / min, NHThree5L / min, TMG 25cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 5 cc / min for 60 minutes to form an n-type GaN layer 23.
[0046]
Next, the sapphire substrate 21 is cooled to 800 ° C., and H210 L / min, N215L / min, NHThree5 L / min, triethylgallium ((C2HFive)ThreeGa) (hereinafter referred to as TEG) 3 cc / min, TMI 30 cc / min, DMZ 1 cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 1 cc / min for 30 minutes to form an n-type InGaN layer 24. Zn addition in this layer formation has the role of assisting flat thin film growth as well as the role of light emission center.
[0047]
Next, the sapphire substrate 21 is heated to 1020 ° C. and kept warm, and H215L / min, N210L / min, NHThree5L / min, TMG 50cc / min, TMA 25cc / min, Cp2Mg 50cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 1 cc / min for 10 minutes to form a p-type AlGaN layer 25.
[0048]
Furthermore, the sapphire substrate 21 is kept at 1020 ° C., and H215L / min, N210L / min, NHThree5L / min, TMG 25cc / min, Cp2Mg 100cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 1 cc / min for about 10 minutes to form the p-type GaN layer 26.
[0049]
After this, TMG, Cp2Mg and SiHFourCut H215L / min, N210L / min, NHThreeThe sapphire substrate 21 was cooled to 800 ° C. while flowing at a flow rate of 5 L / min. Then N2The sapphire substrate 21 was left on the susceptor while flowing 10 L / min, and the temperature was lowered to room temperature.
[0050]
Next, the sapphire substrate 21 on which the nitride-based compound semiconductor layer is grown is taken out of the MOCVD apparatus, and is used as a mask by using a resist or the like, and is etched with an alkaline aqueous solution until the n-type GaN layer 23 is exposed. did. Then, the surface is SiO2A film 27 was formed to a thickness of about 200 nm. This film suppresses leakage current in the vicinity of the pn junction interface exposed on the side surface of the mesa structure and suppresses deterioration of the element.
[0051]
Next, SiO2Holes were formed in the film 27 using a hydrofluoric acid-based solution so that the p-type GaN layer 26 was exposed with a size of about 100 μm square and the n-type GaN layer 23 was exposed with a size of about 120 μmφ. Through this hole, an Au—Ni film 28 of about 2 μm was formed on the p-type GaN layer 26 and an Al—Ti film 29 of about 1 μm was formed on the n-type layer 23 to form an ohmic electrode.
[0052]
The light-emitting diode 20 thus formed was diced to a size of about 350 μm square, mounted on a stem, molded, and formed into a lamp. The light emitting diode 20 formed in this way showed the same performance as the light emitting diode 10 shown in the first embodiment in light emission intensity and reliability.
[0053]
In the light emitting diode 20, the Si concentration in the p-type GaN layer 26 and the p-type AlGaN layer 25, which is the gist of the present invention, is 2 × 10 2 as described above.17cm-3Met. At this concentration, the p-type GaN layer 26 and the p-type AlGaN layer 25 can be removed by etching, and an element can be formed. The concentration at which etching was possible was 1 × 1016cm-3Needed more. On the other hand, since Si is essentially a donor impurity, excessive addition causes a problem that the GaN layer 26 and the AlGaN layer 25 that should be p-type are changed to n-type. Therefore, although the upper limit of the Si concentration depends on the acceptor concentration of the layer, the p-type carrier concentration necessary for element formation is 1 × 10.18cm-3Therefore, the Si concentration is 8 × 1017cm-3In the following, it was found that there is little change to n-type. Furthermore, the Si concentration is 5 × 1017cm-3Desirably, the following is desirable: 5 × 1016cm-35 × 10 or more17cm-3The following concentrations were the most desirable for device formation.
[0054]
(Third embodiment)
FIG. 3 shows a cross section of a light emitting diode 30 according to a third embodiment of the present invention.
[0055]
The light-emitting diode 30 includes a crystalline AlN substrate 31. On the AlN substrate 31, an n-type AlGaN layer 33 having a thickness of 4 μm, an n-type GaN light-emitting layer 34 having a thickness of 100 nm, and a cladding layer are sequentially formed. A p-type AlGaN layer 35 having a thickness of 300 nm and a p-type GaN layer 36 having a thickness of 500 nm are stacked. Also, oxygen is 1 × 10 6 in each layer from the n-type AlN layer 33 to the p-type GaN layer 36.18cm-3Contained.
[0056]
Below, the Example of the manufacturing method of the light emitting diode 30 is described in order.
[0057]
First, the AlN substrate 31 cleaned by organic cleaning, acid cleaning and heat treatment was mounted on a heatable susceptor placed in the reaction chamber of the MOCVD apparatus. Next, H at normal pressure2The main surface of the AlN substrate was vapor-phase etched at a temperature of 1050 ° C. for about 10 minutes while flowing 10 L / min.
[0058]
Next, the temperature of the AlN substrate 31 is lowered to 1000 ° C.215L / min, N210L / min, NHThree5L / min, TMA 25cc / min, TMG 50cc / min, SiHFour1 cc / min, 0.1% diluted oxygen (O2) At a flow rate of 20 cc / min for 60 minutes to form an n-type AlGaN layer 33.
[0059]
Next, while maintaining the AlN substrate 31 at 1000 ° C., H210 L / min, N215L / min, NHThree5L / min, TEG 3cc / min, DMZ 10cc / min, SiHFour1 cc / min diluted oxygen O2Was flown at a flow rate of 300 cc / min for 4 minutes to form an n-type GaN layer 34.
[0060]
Next, the AlN substrate is kept at 1000 ° C. and H215L / min, N210L / min, NHThree5L / min, TMG 50cc / min, TMA 25cc / min, Cp2O diluted with 100 cc / min Mg2Was flown at a flow rate of 200 cc / min for 5 minutes to form a p-type AlGaN layer 35.
[0061]
Further, while keeping the AlN substrate at 1000 ° C., H215L / min, N210L / min, NHThree5L / min, TMG 50cc / min, Cp2O diluted with 30 cc / min Mg2Was flown at a flow rate of 200 cc / min for about 20 minutes to form the p-type GaN layer 36.
[0062]
Thereafter, the temperature of the AlN substrate 31 is lowered to 900 ° C., and NHThree10 L / min, N2Was left on the susceptor while flowing at a flow rate of 10 L / min.
[0063]
The AlN substrate 31 on which the nitride-based compound semiconductor layer was grown was taken out of the MOCVD apparatus, used as a mask by using a resist or the like, and etched with an alkaline aqueous solution until the n-type AlGaN layer 33 was exposed to form a mesa structure. Then, the surface is SiO2A film 37 was formed with a thickness of about 300 nm. This film suppresses leakage current in the vicinity of the pn junction interface exposed on the side surface of the mesa structure and suppresses deterioration of the element.
[0064]
Next, SiO2Holes were formed in the film 37 using a hydrofluoric acid-based solution so that the p-type GaN layer 36 was exposed to a size of about 100 μm square and the n-type AlGaN layer 33 was exposed to a size of about 100 μmφ. Through this hole, an Au—Ni film 38 of about 2 μm was formed on the p-type GaN layer 36 and an Al film 39 of about 1 μm was formed on the n-type AlGaN layer 33 to form an ohmic electrode.
[0065]
The light emitting diode 30 thus formed was diced to a size of about 400 μm square, mounted on a stem, molded, and formed into a lamp. The light-emitting diode 30 formed in this way showed the same performance as the light-emitting diode 10 shown in the first embodiment in light emission intensity and reliability.
[0066]
In the light emitting diode 30, the impurity concentration of each layer is 1 × 10 only for the Mg concentration in the p-type GaN layer 36.20cm-3The concentrations of Si, Zn, and Mg contained in the n-type AlGaN layer 33 to the p-type AlGaN layer 35 are 2 × 1019cm-3Met. Further, the oxygen concentration which is a feature of the present embodiment is the above-mentioned value 1 × 10.18cm-31x10 including18cm-3To 1 × 1020cm-3The effect of filling nitrogen vacancies in the region up to was observed. When the amount was less than this, no effect was observed in the emission intensity. On the other hand, if it is larger than this range, there is a risk of explosion in the apparatus, which causes a problem in the safety of the apparatus. 1 × 10 among these18cm-3To 1 × 1019cm-3The characteristics of the light-emitting element were most improved when the oxygen concentration was.
[0067]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 shows a cross section of a light emitting diode 40 according to a fourth embodiment of the present invention.
[0068]
The light emitting diode 40 has a sapphire substrate 11, and a buffer layer 42 is formed on one main surface of the sapphire substrate 11 with a thickness of 50 nm in order to reduce lattice mismatch. On the buffer layer 42, an n-type GaN layer 43 having a thickness of 4 μm, an n-type InGaN light emitting layer 44 having a thickness of 50 nm, a p-type AlGaN layer 45 having a thickness of 150 nm as a cladding layer, and a p-type having a thickness of 300 nm. A GaN layer 46 is stacked. These n-type GaN layer 43 and n-type InGaN layer 45 each have 5 × 10 hydrogen.18cm-3include.
[0069]
Further, after crystal growth, the n-type InGaN layer 44 to the p-type GaN layer 46 are etched until the n-type GaN layer 43 is exposed, and then almost the entire surface is SiOnm having a thickness of 400 nm.2Covered with a film 47. This SiO2A hole is formed in a necessary portion of the film 47, an Au—Ni film 48 is formed on the p-type layer 46, an Al film 49 is formed on the n-type layer 43, and an ohmic electrode is provided.
[0070]
Below, the Example of the manufacturing method of the light emitting diode 40 is demonstrated in order.
[0071]
First, a single crystal sapphire substrate 11 having a C surface as a main surface cleaned by organic cleaning, acid cleaning, and heat treatment was mounted on a heatable susceptor placed in a reaction chamber of an MOCVD apparatus. Next, H at normal pressure2The sapphire substrate 11 was vapor-phase etched at a temperature of 1100 ° C. for about 10 minutes while flowing at a flow rate of 20 L / min.
[0072]
Next, the sapphire substrate 11 is cooled to 500 ° C., and H215L / min, N210L / min, NHThreeWas flown at a flow rate of 5 L / min, TMG at 25 cc / min, and TMA at 40 cc / min to form the buffer layer 42.
[0073]
Next, the sapphire substrate 11 is heated to 1020 ° C. and kept warm,220L / min, N210L / min, NHThree10L / min, TMG 25cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 1 cc / min for 60 minutes to form an n-type GaN layer 43.
[0074]
Next, the sapphire substrate 11 is cooled to 800 ° C., and H220L / min, N215L / min, NHThree10 L / min, TEG 3 cc / min, TMI 30 cc / min, DMZ 1 cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 1 cc / min for 15 minutes to form an n-type InGaN layer 44.
[0075]
Next, the temperature of the sapphire substrate 11 is increased to 1020 ° C. and kept warm,215L / min, N210L / min, NHThree10L / min, TMG 50cc / min, TMA 25cc / min, Cp2Mg 30cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 0.1 cc / min for 5 minutes to form a p-type AlGaN layer 45.
[0076]
Further, while keeping the sapphire substrate 11 at 1020 ° C., H215L / min, N210L / min, NHThree10L / min, TMG 50cc / min, Cp2Mg 100cc / min, SiHFourWas flown at a flow rate of 0.1 cc / min for about 5 minutes to form the p-type GaN layer 46. In the growth of the p-type AlGaN layer 45 and the p-type GaN layer 46, Si was added for the ease of etching described in the second embodiment.
[0077]
Thereafter, the sapphire substrate 11 is cooled to 800 ° C. and N2Was left on the susceptor while flowing at 10 L / min.
[0078]
The sapphire substrate 11 on which the nitride-based compound semiconductor layer is grown is taken out of the MOCVD apparatus, and the surface is SiO 2 by the CVD apparatus.2A film 47 was formed with a thickness of about 400 nm. This SiO2Using the film 47 as a mask, etching was performed by a known reactive ion etching method (RIE method) until the n-type GaN layer 43 was exposed to form a mesa structure. This SiO2Holes were formed in the film 47 using a hydrofluoric acid-based solution so that the p-type GaN layer 46 was exposed with a size of about 100 μm square. Through this hole, an Au—Ni film 48 of about 1 μm was formed on the p-type layer 46, and an Al film 49 of about 600 nm was formed on the n-type layer 43 to form ohmic electrodes.
[0079]
The light emitting diode 40 formed in this way was diced to a size of about 350 μm square and then made into a lamp. The light emitting diode 40 formed in this way had the same light emission intensity and reliability as the light emitting diode 10 described above.
[0080]
The impurity concentration of each layer in the light emitting diode 40 is 1 × 10 only for the Mg concentration in the p-type GaN layer 46.20cm-3The concentrations of Si, Zn, and Mg contained in the n-type GaN layer 43 to the p-type AlGaN layer 45 are 2 × 1019cm-3Met. The hydrogen concentration contained in the n-type GaN layer 43 and the n-type InGaN layer 44, which is the gist of the present invention, is 5 × 10.18cm-3But 3 × 1018cm-3To 1 × 1020cm-3In the region up to this point, Mg diffusion from the p-type AlGaN layer 45 and the p-type GaN layer 46 could be suppressed. When the amount is smaller than this, the diffusion of Mg into the n-type layers 43 and 44 is remarkable, and a phenomenon that these layers become insulating layers due to a compensation effect or change into p-type is observed. On the other hand, when there is more hydrogen than this, hydrogen couple | bonded with the impurity element which becomes a factor of a carrier, and it became a factor of carrier inactivation. Therefore, the hydrogen concentration is in the above range 3 × 1018cm-3To 1 × 1020cm-3Need to be. More desirably, 3 × 1018cm-3To 1 × 1019cm-3The effect was noticeable when the concentration was about a certain level.
[0081]
(Fifth embodiment)
FIG. 5 shows a cross section of a light emitting diode 50 according to a fifth embodiment of the present invention.
[0082]
The fifth embodiment is greatly different from the above-described four embodiments in that SiC is used for the substrate. The main impurities in each nitride semiconductor layer are N (nitrogen) for the SiC substrate 51, Si for the n-type GaN layer 53, Si and Zn for the n-type InGaN light-emitting layer 54, and p-type AlGaN layer 55 and p-type which are cladding layers. The GaN layer 56 is Mg. Regarding these concentrations, as in the above-described four embodiments, Zn in the n-type InGaN layer 54 and Mg in the p-type AlGaN layer 55 are 2 × 10.19cm-31 × 10 for Mg in the p-type GaN layer 5620cm-3It is. For Si, the n-type layers 53 and 54 are 1 × 10 5.19cm-3About 8 × 10 with p-type layers 55 and 5616cm-3It is. As other impurities, each layer from the n-type GaN layer 53 to the p-type GaN layer 56 contains 1 × 10 carbon.18cm-3, Oxygen is 1 × 1018cm-3include.
[0083]
As for the manufacturing method, the MOCVD method was used as in the four embodiments described so far. In this embodiment, in addition to the same effects as those of the first and second embodiments, the crystal defect density is also greatly reduced, and the light emission intensity is about twice as long as that of the light-emitting diode 10, and the lifetime is increased. It was possible to improve the performance about three times.
[0084]
(Sixth embodiment)
FIG. 6 shows a cross section of a laser diode 60 according to a sixth embodiment of the present invention.
[0085]
The laser diode 60 has a sapphire substrate 61. On the sapphire substrate 61, a GaN buffer layer 62 having a thickness of 50 nm, an n-type GaN layer 63 having a thickness of 2 μm, and an n-type AlGaN having a thickness of 500 nm (Al Composition ratio 0.3) layer 64, 100 nm thick undoped GaN layer 65, 500 nm thick p-type AlGaN (Al composition ratio 0.3) layer 66, and 300 nm thick p-type GaN layer 67. ing.
[0086]
The impurity concentration of each of these layers is such that Si in the n-type GaN layer 63 is 2 × 10.19cm-3And Mg is 5 × 1016cm-3In the n-type AlGaN layer 64, Si is 2 × 10.19cm-3And Mg is 8 × 1016cm-3In the undoped GaN layer 65, Mg is 1 × 1017cm-3In the p-type AlGaN layer 66, Mg is 3 × 10.19cm-3In the p-type GaN layer 67, Mg is 1 × 1020cm-3It is.
[0087]
The manufacturing method of this element was carried out in the same manner as the embodiments shown so far. In each layer from the n-type GaN layer 63 to the undoped GaN layer 65, Mg was added at the above-mentioned concentration for forming a flat thin film. The concentration of Mg is 1 × 1015cm-3~ 1x1017cm-3The effect was seen. When the amount was less than this, a flat thin film could not be obtained. On the other hand, when the amount is larger than this, the n-type layer has a reduced carrier concentration, and Si must be added, making it difficult to obtain a flat film. Therefore, the Mg concentration is 1 × 1015cm-3~ 1x1017cm-3Is suitable, 1 × 1016cm-3~ 1x1017cm-3It is desirable that the concentration be
[0088]
(Seventh embodiment)
FIG. 7 shows a cross section of a light emitting diode 70 according to a seventh embodiment of the present invention.
[0089]
The light emitting diode 70 is formed on a sapphire substrate 71 having an a-plane ((11-20) plane) as a main surface. The layer structure is, in order from the sapphire substrate 71, a GaN buffer layer 72, a Zn-doped GaN layer 73, a Si-doped n-type GaN layer 74, an n-type InGaN light-emitting layer 75, a Mg-doped p-type AlGaN layer 76, and a Mg-doped p-type GaN layer 77. It is.
[0090]
The GaN buffer layer 72 has a thickness of 0.1 μm, so as to alleviate the lattice mismatch between the sapphire substrate and the GaN layer. The GaN layer 73 has a thickness of 0.3 μm, and Zn is added to promote the two-dimensional growth that is the gist of the present invention. The concentration of Zn is 1 × 1015cm-3~ 1x1017cm-3Is suitable, 1 × 1015cm-3~ 3x1016cm-3It is desirable that the concentration be The Si-doped n-type GaN layer 74 has a thickness of 4 μm and is for injecting electrons into the light emitting layer. In addition, since sapphire that is an insulator is used for the substrate, the n-type layer must be exposed by etching, so the layer 74 is formed thicker. The carrier concentration of the layer 74 is 2 × 1018cm-3Degree.
[0091]
The n-type InGaN light emitting layer 75 has a thickness of 0.3 μm. Further, in order to adjust the emission wavelength to about 450 nm, Si and Zn are simultaneously added when the In composition ratio is 6%. When the In composition is increased to about 30%, the emission wavelength can be adjusted by adding only Si.
[0092]
The Mg-doped p-type AlGaN layer 76 has a thickness of 0.2 μm and functions to inject holes into the light emitting layer. Further, the Al composition ratio is desirably large in order to suppress the overflow of electrons, whereas the composition ratio is desirably small in order to ensure the p-type carrier concentration. Due to the combination of these conditions, the Al composition ratio is desirably in the range of 5% to 25%, and more desirably in the range of 10% to 20%.
[0093]
The Mg-doped p-type GaN layer 77 has a thickness of 0.2 μm, and the AlGaN layer 76 is formed because it is difficult to make a good ohmic contact. Carrier concentration is 1 × 1018cm-3It is desirable that there be about 2 or more in this case.18cm-3Was set. A small amount of Si was added to the p-type layers 76 and 77 in consideration of the realization of etching.
[0094]
As the ohmic electrode, a stacked structure 78 of Ni 20 nm and Au 300 nm was formed on both layers of pn, and after heat treatment for forming a good ohmic electrode, a stacked structure 79 of Ti 50 nm and Au 2 μm was further formed for bonding. . Such a light emitting diode 70 has a luminance of about 2 cd at 20 mA.
[0095]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Although the light-emitting element has been described in the above embodiment, a thin film transistor using the film described in the above embodiment for a channel region, a heterojunction bipolar transistor using an emitter, a base, and a collector can be realized. In this case, since a transistor can be formed using a film with improved crystallinity, a device capable of high-speed operation can be expected.
[0096]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a compound semiconductor device according to the present invention, the reliability and emission intensity of the semiconductor light emitting device can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a light-emitting element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a structural cross-sectional view of a light emitting device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a structural cross-sectional view of a light emitting device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a structural cross-sectional view of a light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a structural cross-sectional view of a light emitting device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a structural cross-sectional view of a light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a structural cross-sectional view of a light emitting device according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view for explaining an operation when the temperature is lowered in the method for manufacturing the light emitting element according to the first embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
11, 21, 61, 71 ... sapphire substrate, 31 ... AlN substrate, 51 ... SiC substrate, 12, 22, 42, 62, 72 ... buffer layer, 13, 23, 43, 53, 63, 74 ... n-type GaN layer 33, AlGaN layer, 14, 24, 44, 54, 75 ... n-type InGaN light emitting layer, 34 ... GaN light emitting layer, 15, 25, 35, 45, 55, 66, 76 ... p-type AlGaN layer, 16, 26 36, 46, 56, 67, 77 ... p-type GaN layer, 64 ... n-type AlGaN layer, 65 ... undoped GaN layer, 73 ... Zn-doped GaN layer.

Claims (12)

結晶基板と、前記結晶基板上に形成された窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記結晶基板と前記半導体発光層との間に介在する、気相成長により形成されたn型若しくはi型の窒化物系化合物からなる第1半導体層と、を具備する化合物半導体装置の製造方法であって、前記第1半導体層に1×1015cm-3〜1×1017cm-3のマグネシウム若しくは1×1015cm-3〜1×1017cm-3の亜鉛を添加することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。A crystal substrate, a semiconductor light-emitting layer made of a nitride compound formed on the crystal substrate, and an n-type or i-type formed by vapor phase growth interposed between the crystal substrate and the semiconductor light-emitting layer a manufacturing method of a first semiconductor layer made of a nitride-based compound comprises a compound semiconductor device, magnesium 1 × 10 15 cm -3 ~1 × 10 17 cm -3 in the first semiconductor layer or method of manufacturing a compound semiconductor device, characterized in that the addition of zinc 1 × 10 15 cm -3 ~1 × 10 17 cm -3. 前記半導体装置は、前記第1半導体層の反対側で前記半導体発光層に対して積層された第2半導体層を更に具備し、前記第2半導体層がマグネシウムを含有する窒化物系化合物からなり、前記製造方法は、前記第1半導体層または前記半導体発光層に3×1018cm-3〜1×1020cm-3の水素を添加することを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置の製造方法。The semiconductor device further includes a second semiconductor layer stacked on the semiconductor light emitting layer on the opposite side of the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer is made of a nitride-based compound containing magnesium, 2. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein in the manufacturing method, hydrogen of 3 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 is added to the first semiconductor layer or the semiconductor light emitting layer. Manufacturing method. 前記半導体発光層及び前記半導体層の少なくとも一方に1×1016cm-3〜5×1017cm-3の炭素、1×1018cm-3〜1×1020cm-3の酸素、1×1016cm-3〜1×1018cm-3のセレン、若しくは1×1016cm-3〜1×1018cm-3の硫黄を添加することを特徴とする請求項1または2に記載の化合物半導体装置の製造方法。The semiconductor light-emitting layer and at least hand in the 1 × 10 16 cm -3 ~5 × 10 17 cm -3 carbon of the semiconductor layer, the 1 × 10 18 cm -3 ~1 × 10 20 cm -3 oxygen, 1 × 10 16 cm -3 to 1 × of 10 18 cm -3 selenium, or 1 × 10 16 cm -3 ~1 × 10 18 claim 1 or 2, characterized in that the addition of sulfur cm -3 The manufacturing method of the compound semiconductor device. 前記第1半導体層はn型の窒化物系化合物からなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の化合物半導体装置の製造方法。4. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is made of an n-type nitride compound. 前記半導体装置は、発光素子を構成する窒化物系化合物からなる半導体積層部を前記結晶基板上に具備し、前記発光層及び前記半導体層は前記半導体積層部に含まれることと、前記半導体積層部に含まれる各層が、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlNからなる群から選択された材料からなることとを特徴とする請求項4に記載の化合物半導体装置の製造方法。The semiconductor device are that comprises a semiconductor lamination portion made of nitride-based compound constituting the light emission element on the crystal substrate, the light-emitting layer and the semiconductor layer included in the semiconductor lamination portion, the semiconductor lamination 5. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 4, wherein each layer included in the portion is made of a material selected from the group consisting of GaN, InGaN, AlGaN, and InGaAlN. 前記結晶基板と前記第1半導体層との間に窒化物系化合物からなるバッファ層を形成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の化合物半導体装置の製造方法。 6. The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein a buffer layer made of a nitride compound is formed between the crystal substrate and the first semiconductor layer. 結晶基板と、前記結晶基板上に形成された窒化物系化合物からなる半導体発光層と、前記結晶基板と前記半導体発光層との間に介在する、気相成長により形成されたn型若しくはi型の窒化物系化合物からなる第1半導体領域と、を具備する化合物半導体装置の製造方法であって、前記第1半導体領域に1×1015cm-3〜1×1017cm-3のマグネシウム若しくは1×1015cm-3〜1×1017cm-3の亜鉛を添加することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。A crystal substrate, a semiconductor light-emitting layer made of a nitride compound formed on the crystal substrate, and an n-type or i-type formed by vapor phase growth interposed between the crystal substrate and the semiconductor light-emitting layer a manufacturing method of a first semiconductor region made of a nitride-based compound comprises a compound semiconductor device, magnesium 1 × 10 15 cm -3 ~1 × 10 17 cm -3 in the first semiconductor region or method of manufacturing a compound semiconductor device, characterized in that the addition of zinc 1 × 10 15 cm -3 ~1 × 10 17 cm -3. 前記半導体装置は、前記第1半導体領域の反対側で前記半導体発光層に対して積層された第2半導体領域を更に具備し、前記第2半導体領域がマグネシウムを含有する窒化物系化合物からなり、前記製造方法は、前記第1半導体領域または前記半導体発光層に3×1018cm-3〜1×1020cm-3の水素を添加することを特徴とする請求項7に記載の化合物半導体装置の製造方法。The semiconductor device further includes a second semiconductor region stacked on the semiconductor light emitting layer on the opposite side of the first semiconductor region, and the second semiconductor region is made of a nitride-based compound containing magnesium, 8. The compound semiconductor device according to claim 7, wherein in the manufacturing method, hydrogen of 3 × 10 18 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 is added to the first semiconductor region or the semiconductor light emitting layer. Manufacturing method. 前記半導体発光層及び前記半導体領域の少なくとも一方に1×1016cm-3〜5×1017cm-3の炭素、1×1018cm-3〜1×1020cm-3の酸素、1×1016cm-3〜1×1018cm-3のセレン、若しくは1×1016cm-3〜1×1018cm-3の硫黄を添加することを特徴とする請求項7または8に記載の化合物半導体装置の製造方法。The semiconductor light-emitting layer and at least hand in the 1 × 10 16 cm -3 ~5 × 10 17 cm -3 carbon of the semiconductor region, the 1 × 10 18 cm -3 ~1 × 10 20 cm -3 oxygen, 1 × 10 16 cm selenium -3 ~1 × 10 18 cm -3, or according to 1 × 10 16 cm -3 ~1 × 10 18 cm claim 7 or 8, characterized in that the addition of sulfur -3 The manufacturing method of the compound semiconductor device. 前記第1半導体領域はn型の窒化物系化合物からなることを特徴とする請求項7乃至9のいずれかに記載の化合物半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 7, wherein the first semiconductor region is made of an n-type nitride-based compound. 前記半導体装置は、発光素子を構成する窒化物系化合物からなる半導体積層部を前記結晶基板上に具備し、前記半導体発光層及び前記半導体領域は前記半導体積層部に含まれることと、前記半導体積層部に含まれる各層が、GaN、InGaN、AlGaN、InGaAlNからなる群から選択された材料からなることとを特徴とする請求項10に記載の化合物半導体装置の製造方法。The semiconductor device are that comprises a semiconductor lamination portion made of nitride-based compound constituting the light emission element on the crystal substrate, the semiconductor light-emitting layer and the semiconductor region contained in the semiconductor lamination portion, the semiconductor The method for manufacturing a compound semiconductor device according to claim 10, wherein each layer included in the stacked portion is made of a material selected from the group consisting of GaN, InGaN, AlGaN, and InGaAlN. 前記結晶基板と前記第1半導体領域との間に窒化物系化合物からなるバッファ層を形成することを特徴とする請求項7乃至11のいずれかに記載の化合物半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a compound semiconductor device according to claim 7, wherein a buffer layer made of a nitride compound is formed between the crystal substrate and the first semiconductor region.
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