JP3756575B2 - Group III nitride semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
III 族窒化物半導体(Al x Gay In1-x-y N (0 ≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)を用いたレーザダイオードまたは発光ダイオードなどのIII 族窒化物半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
直接遷移で、しかも、光学ギャップが1.9 〜6.2 eVの範囲で制御可能なIII 族窒化物 (Alx Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつは0 ≦x+y ≦1)) を用いたレーザダイオードや発光ダイオードなどのIII 族窒化物半導体装置が試作されている。以下、III 族窒化物をAlx Gay In1-x-y N またはAlGaInN と略記する。III 族窒化物半導体装置は、結晶格子や熱膨張係数の整合性の良さから、主として、サファイア基板上に形成されてきた。そして、Alx Gay In1-x-y N の組成( x 、y ) を変えることによる光学ギャップの制御、Siやマグネシウム (Mg) を添加することによるn型やp型への価電子制御により、ダブルヘテロ構造 (M.C.Yoo,K.H.Shim,et al.: Proceedings of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba Univ.,Japan,March 5-7, 1996,p554-557 ) あるいは量子井戸構造 (S.Nakamura,et al,J.Japanese Journal of Applied Physics,vol35,part2,No 2B(1996),L217 〜L220) などのIII 族窒化物半導体装置が報告されている。
【0003】
図8は従来のIII 族窒化物半導体装置の1例であるレーザダイオードの断面図である。サファイア(c面) からなる基板1 上に、AlN のバッファ層2 、GaN のコンタクト層3 が成膜されている。さらにn 型AlGaN のクラッド層4 、GaN の活性層5 およびp 型のAlGaN のクラッド層6 からなるダブルヘテロ構造が形成されている。その上にはp 型のGaN のキャップ層7 が形成されており、ダブルヘテロ構造とキャップ層7 は一括してフォトエッチされ側面は基板面に垂直にされている。サファイアの導電性が低いために、コンタクト層3 が基板側の電気リードのためにダブルヘテロ構造の外側に延びており、その表面にはAu/Cr からなる第1の電極層8 が形成されている。キャップ層7 の上にはAl/Tiからなる第2の電極層9 が形成されている。
【0004】
Alx Gay In1-x-y N 膜の有機金属気相成長 (以下MOCVD と記す) においては、基板の温度を1000℃程度まで上昇させるため、基板の選択には格子定数の整合性の他に熱膨張係数の整合性も考慮する必要がある。格子定数の整合が良い基板であっても、熱膨張係数がAlx Gay In1-x-y N よりも小さな基板材料を用いると、成膜後の冷却中に Al x Gay In1-x-y N 膜に引っ張り応力が生じ、状況によっては膜に亀裂が入ることが知られている (A. Kuramata,K.Horino,et al.; Proceedings of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba Univ., Japan,March 5-7, 1996, p80-85)。
【0005】
Alx Gay In1-x-y N の成膜用基板材料としてはサファイアが用いられてきた。サファイア基板はAlx Gay In1-x-y N 結晶と格子整合性も良く、しかも、サファイアの熱膨張係数、α(サファイア)は7.5 ×10-6/Kであり(以下、α( 物質名)はその物質の熱膨張係数を表す)、Alx Gay In1-x-y N のα(Al x Gay In1-x-y N)=5.6 ×10-6/Kよりも大きいため、亀裂は発生しない。
【0006】
しかし、サファイア基板には下に挙げる欠点がある。1.へき開性がないため、レーザーダイオードにおける光共振器を簡便な劈開により形成できない。2.導電性が小さく、基板面から電極を取ることができない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
一方、Si結晶または6H-SiC結晶の基板を用いれば、上に挙げた2つの欠点は解決されるが、熱膨張係数がα(Si)=3.59×10-6/K、α(6H-SiC)=4.2 ×10-6/KとAlx Gay In1-x-y N 系の熱膨張係数( 例えばα(GaN)=5.6 ×10-6/K) より小さいため、成膜後の成膜温度 (約1000℃) から室温までの冷却時に、基板より膜の方が多く収縮することになるが、基板の方が膜より厚いため、膜側には引っ張り応力が生じる。その結果、膜に亀裂が生じることがある。そのため、半導体装置が製造できない。図9はSi結晶基板に直接形成されたAlx Gay In1-x-y N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。亀裂が生じていることが判る。
【0008】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、Si結晶または6H-SiC結晶の基板上に亀裂の生じないAlx Gay In1-x-y N 結晶からなるIII 族窒化物半導体装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結晶からなる基板上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層を含むIII 族窒化物半導体装置において、前記基板と前記Alx Gay In1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx Gay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ材料からなる応力緩和層を介在させて、Alx Gay In1-x-y N に生ずる応力を緩和することとする。
【0010】
前記基板材料はシリコン (Si) 結晶または炭素化シリコン (SiC)結晶であると良い。
前記応力緩和層は酸化亜鉛 (ZnO)、酸化マグネシウム (MgO)、サファイア (α−Al2O3)、スピネル (MgAl2O4)またはネオジウムガレイト (NdGaO3) の内の少なくとも1 種類からなると良い。
【0011】
前記応力緩和層と基板との間に、Alx Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)からなる酸化防止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成されるAlx Gay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止すると良い。
前記III 族窒化物半導体装置は発光ダイオードまたはレーザダイオードであると良い。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係るIII 族窒化物半導体装置の層構成の断面図である。基板 1上に酸化防止層T 、応力緩和層S 、次いでAlx Gay In1-x-y N 層Ntが積層されている。
基板 1の表面はSi結晶の(1,1,1) 面またはSiC 結晶の(0,0,0,1) 面である。Alx Gay In1-x-y N 層Ntは組成(x、y)やドーピングの異なる複数の層からなっている。例えばダブルヘテロ構造のダイオードの場合は図 8のバッファ層2 〜キャップ層7 と同じである。用途に応じて他の半導体層または電極層がさらに積層される。
【0013】
応力緩和層S について以下に説明する。
基板材料の熱膨張係数はAlGaInN 結晶の熱膨張係数よりも小さいので、AlGaInN の成膜後の成膜温度 (約1000℃) から室温までの冷却時に、基板よりAlGaInN 膜の方が多く収縮することになるが、基板の方がAlGaInN 膜より厚いため、AlGaInN 膜側には引っ張り応力が生じる。その結果、AlGaInN 膜に亀裂が生じることがある。しかし、基板とAlGaInN 膜との間に、これら2種の材料の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ材料の層を挿入した場合、この挿入層は基板をより収縮させようとする、即ち基板のみかけ上の熱膨張係数を大きくしAlGaInN 膜のそれに近づけるので、AlGaInN 膜に対する引っ張り力は緩和され、AlGaInN 膜に亀裂が入ることが防止される。従って、この挿入層を応力緩和層と呼称する。
【0014】
応力緩和層に適した材料には格子不整合率の小さいことも必要である。表1 にこのような材料を挙げる。表1 に応力緩和層に適した材料のの熱膨張係数とGaN 結晶に対する格子不整合率を示す。
【0015】
【表1 】
しかし、これらの応力緩和層材料は全て酸化物であるため、成膜時におけるSiやSiC 表面の酸化が懸念される。仮に、基板表面が酸化したときには、多くの場合、基板と酸化物材料との界面に非晶質層が形成され、その上に形成された膜の結晶性が悪化する。このため、基板上に酸化抑制のための酸化防止層T として、Alx Gay In1-x-y N を極薄く(10nm 程度) 形成し、その上に応力緩和層S を形成する。そして最後に、Alx Gay In1-x-y N からなるダブルヘテロ構造や量子井戸構造など、目的の半導体装置用の多層AlGaInN 層Ntを形成する。成膜方法として分子線エピタキシャル(MBE)または有機金属気相成長法などが適用できる。
実施例1
先ず、Si単結晶の (1,1,1)面の基板上に直接、厚さ100nm のZnO 層を形成した。スパッタ条件としては、基板温度を250 ℃とし、スパッタガスはArとしその圧力を1Pa とした。ターゲットにはAlを2wt%添加したZnO 焼結体を用いた。Alの添加は応力緩和層に導電性を持たせるためである。
【0016】
得られたZnO 膜は、X線回折パターンからc軸配向していることが確認できた。図2はSi基板上に直接形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像を示し、(a)は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場合のパターンの図、(b)は電子線入射が(1,0,0) 方向の場合であり(a)に対してc面内で30°回転させた場合のパターンの図である。図2から、単結晶のパターン((b)における高輝度(大きい白点)のみ) と低輝度(淡い白点)のみのパターン)がずれて重なっていることから、ZnO 膜のc面内でa軸の向きが回転した多結晶膜であることが判った。
【0017】
図3はSi基板上に直接形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図である。Si基板の領域にも大量の酸素が検出され、Si基板表面が酸化されていることが判る。このため、ZnO の多結晶化は、ZnO を形成するときにSi表面が酸化されたことに起因していることが想定できる。
このZnO 膜上に、多層のAl x Ga y In1-x-y N 膜を窒素ラジカルを使った分子線エピタキシャル(MBE)により形成した。層構成はAlN の第 1のバッファ層、その上にGaN の第 2のバッファ層、n 型AlGaN のクラッド層、GaN の活性層、p 型AlGaN のクラッド層からなるダブルヘテロ構造としたが、亀裂は観測されず、ZnO の応力緩和層の効果が確認できた。
【0018】
Si基板表面の酸化を抑制するため、酸化防止層としてSi基板上にn 型GaN 膜を10nm形成した。その上にZnO 応力緩和層を100nm 形成した。図4はSi基板にGaN 膜を形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図である。図3と比較して、図4からGaN 膜がSiの酸化を防止していることが確認できる。
【0019】
図5はSi基板上のGaN 膜上に形成されたZnO 膜のRHEED 像を示し、(a)は電子線入射が (1,-1,1) 方向の場合のパターンの図、(b)は電子線入射が(1,0,0) 方向の((a)に対してc面内で30°回転させた)場合のパターンの図である。酸化防止層の形成されない場合(図2)と異なり、パターンは二重構造になっていず、ZnO のc面内のa軸の回転は観測されない。このことから、酸化抑制のための GaN層を導入することにより、Si基板の酸化が抑制され、ZnO はエピタキシャル成長(単結晶成長)することが判った。
【0020】
このZnO 膜上に、上記と同じ層構成の多層のAl x Ga y In1-x-y N のダブルヘテロ構造を形成し、さらにキャップ層を形成した。図6はSi基板上のGaN 膜、ZnO 膜の二重層上の Al x Gay In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す図である。図から、その表面は平滑であり、亀裂は生じていないことが判る。この状態の AlGaInN膜を用いて、特に精細な構造を必要としないフォトダイオード等のIII 族窒化物半導体装置は成立する。
【0021】
上記のダブルヘテロ構造を含む層構成のIII 族窒化物半導体装置の1例としてレーザダイオードを作製した。図7は本発明に係るレーザダイオードのへき開面に垂直な面での断面図である。基板1 は(1,1,1) 面Siであり、酸化防止層11、応力緩和層12が順次積層されている。厚さ50nmのAlN の第1 のバッファ層2を形成し、その上に厚さ0.5 μm のGaN の第2のバッファ層、厚さ150nm のn 型AlGaN のクラッド層4、厚さ50nmのGaN の活性層5、厚さ150nm のp 型AlGaN のクラッド層6 からなるダブルヘテロ構造を形成し、さらに厚さ100nm p 型GaN キャップ層7を形成してある。基板1 の電極8aはAl、キャップ層7 の電極9 はAu/Cr である。
【0022】
Si基板1 をへき開することによりIII 族窒化物半導体層は(1,-1,0,0) 面がへき開面となり、光共振器が形成できる。このレーザダイオードにパルス電流を流し、電流密度約10kA/cm2以上でレーザ発振させることができた。
また、酸化防止層として、Ga1-x Alx N (0 <x ≦1)も実施したが、同様に酸化防止の効果があり、応力緩和層は単結晶であり、III 族窒化物半導体層は良好に成膜できた。
実施例2
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタにより形成したサファイア (α−Al2O3)を用いた。なお、基板温度は500℃、ターゲットにはAl2O3 の焼結体を用い、スパッタガスにはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。
【0023】
サファイア応力緩和層の場合も、ZnO 応力緩和層の場合と同様、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でc軸配向に成長はするが、c面内でのa軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、サファイアおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例3
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタリングにより形成したマグネシア (MgO)を用いた。なお、基板温度は400 ℃、ターゲットにはMgO の焼結体を用い、スパッタガスはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は100nm とした。MgO の場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でc軸配向ではあるが、c面内でのa軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、MgO およびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例4
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタリングにより形成したスピネル (MgAl2 O4) を用いた。なお、基板温度は600 ℃、ターゲットにはMgAl2 O4焼結体を用い、スパッタガスにはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。スピネルの場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でc軸配向ではあるが、c面内でのa軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、スピネルおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例5
基板としてSi単結晶の (1,1,1)面を用い、応力緩和層にマグネトロンスパッタリングにより形成したネオジガレイト (NdGaO3) を用いた。なお、基板温度は700 ℃、ターゲットにはNdGaO3焼結体を用い、スパッタガスにはArを使い、圧力は1Pa 、膜厚は120nm とした。ネオジガレイトの場合も、酸化防止層がない場合、Si(1,1,1) 基板上でc軸配向ではあるが、c面内でのa軸方向の回転が見られた。ところが、酸化防止層を導入することにより、ネオジガレイトおよびその上に形成したダブルへテロ構造ともにエピタキシャル成長し、亀裂も観測されなかった。
実施例6
また、6H-SiC基板を用いて、実施例1 と同様に、ZnO を応力緩和層、GaN 酸化防止層とした実験を行ったが、実施例1 と同様に応力緩和層、酸化防止層の効果が確認できた。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)結晶の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を持つ結晶からなる基板上に形成されたAlx Gay In1-x-y N 層を含むIII 族窒化物半導体装置において、前記基板と前記Alx Gay In1-x-y N 層との間に基板材料およびAlx Gay In1-x-y N 結晶の熱膨張係数より大きな熱膨張係数を持つ材料からなる応力緩和層を介在させて、Alx Gay In1-x-y N に生ずる応力を緩和したため、熱膨張係数がAlx Gay In1-x-y N 膜より小さい基板上のAlx Gay In1-x-y N からなる多層膜を有するIII 族窒化物半導体装置には亀裂がなく、またへき開性を利用して個別化が簡単にできる。
【0025】
さらに、応力緩和層と基板との間に、Alx Gay In1-x-y N (0≦x 、y かつ 0≦x+y ≦1)からなる酸化防止層を介在させ、応力緩和層およびその上に形成されるAlx Gay In1-x-y N 膜の結晶性の悪化を防止するようにしたので、精細な層構成の発光ダイオードやレーザダイオードを形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るIII 族窒化物半導体装置の層構成の断面図
【図2】 Si基板上に直接形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像を示し、(a)は電子線入射が(1,-1,1)方向の場合の結晶構造の写真、(b)は電子線入射が(1, 0, 0) 方向の場合であり(a) に対してc 面内で30°回転させた場合の結晶構造の写真
【図3】 Si基板上に直接形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
【図4】 Si基板にGaN 膜を形成されたZnO 膜のオージェ電子分光による深さ方向の元素分析の結果を示す図
【図5】 Si基板上のGaN 膜上に形成されたZnO 膜の反射高速電子線回折(RHEED) 像を示し、(a)は電子線入射が(1,-1,1)方向の場合の結晶構造の写真、(b)は電子線入射が(1, 0, 0) 方向の((a) に対してc 面内で30°回転させた)場合の結晶構造の写真
【図6】 Si基板上のGaN 膜、ZnO 膜の二重層上のAlx Gay In1-x-y N 膜の電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す顕微鏡写真
【図7】本発明に係るレーザダイオードのへき開面に垂直な面での断面図
【図8】従来のIII 族窒化物半導体装置の1例であるレーザダイオードの断面図
【図9】 Si結晶基板上に直接形成されたAlx Gay In1-x-y N 膜の表面の走査型電子顕微鏡観察による結晶の状態を示す顕微鏡写真
【符号の説明】
1 基板
2 バッファ層
2a 第1のバッファ層
2b 第2のバッファ層
3 コンタクト層
4 クラッド層
5 活性層
6 クラッド層
7 キャップ層
8 第1の電極層
8a 第1の電極層
9 第2の電極層
S 応力緩和層
T 酸化防止層
Nt AlGaInN 層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
Group III nitride semiconductor (Al x Ga y In 1- xy N (0 ≦ x, y and relates III nitride semiconductor device such as a laser diode or light emitting diode using a 0 ≦ x + y ≦ 1) .
[0002]
[Prior art]
Group III nitride (Al x Ga y In 1-xy N (0 ≤ x, y and 0 ≤ x + y ≤ 1)) with direct transition and controllable optical gap in the range of 1.9 to 6.2 eV Group III nitride semiconductor devices, such as laser diodes and light-emitting diodes using silicon, have been prototyped. Hereinafter, a group III nitride abbreviated as Al x Ga y In 1-xy N or AlGaInN. Group III nitride semiconductor devices have been mainly formed on sapphire substrates because of the good matching of crystal lattices and thermal expansion coefficients. And by controlling the optical gap by changing the composition (x, y) of Al x Ga y In 1-xy N, by controlling the valence electrons to n-type and p-type by adding Si and magnesium (Mg), Double heterostructure (MCYoo, KHShim, et al .: Proceedings of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba Univ., Japan, March 5-7, 1996, p554-557) or quantum well structure (S. Nakamura, Group III nitride semiconductor devices such as et al, J. Japanese Journal of Applied Physics, vol 35, part 2, No 2B (1996), L217 to L220) have been reported.
[0003]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a laser diode which is an example of a conventional group III nitride semiconductor device. An AlN buffer layer 2 and a GaN contact layer 3 are formed on a substrate 1 made of sapphire (c-plane). In addition, a double heterostructure composed of an n-type AlGaN cladding layer 4, a GaN active layer 5 and a p-type AlGaN cladding layer 6 is formed. A p-type GaN cap layer 7 is formed thereon, and the double heterostructure and the cap layer 7 are collectively photo-etched, and the side surfaces are perpendicular to the substrate surface. Due to the low conductivity of sapphire, the contact layer 3 extends outside the double heterostructure for the electric lead on the substrate side, and a first electrode layer 8 made of Au / Cr is formed on the surface thereof. Yes. A second electrode layer 9 made of Al / Ti is formed on the cap layer 7.
[0004]
In Al x Ga y In 1-xy N film metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as MOCVD), for raising the temperature of the substrate to about 1000 ° C., in addition to the matching of the lattice constant on the choice of substrate It is also necessary to consider the consistency of the thermal expansion coefficient. Even if the substrate has a good lattice constant matching, if a substrate material with a thermal expansion coefficient smaller than Al x Ga y In 1-xy N is used, Al x Ga y In 1-xy N will be applied during cooling after film formation. It is known that tensile stress occurs in the film, and in some situations, the film cracks (A. Kuramata, K. Horino, et al .; Proceedings of International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba Univ., Japan, March 5-7, 1996, p80-85).
[0005]
The al x Ga deposition substrate material y In 1-xy N sapphire have been used. The sapphire substrate Al x Ga y In 1-xy N crystal lattice matching stability, and moreover, the thermal expansion coefficient of sapphire, alpha (sapphire) is 7.5 × 10 -6 / K (hereinafter, alpha (substance name) Represents the thermal expansion coefficient of the material), Al x Ga y In 1-xy N is larger than α (Al x Ga y In 1-xy N) = 5.6 × 10 -6 / K, so no cracks occur .
[0006]
However, the sapphire substrate has the following drawbacks. 1. Since there is no cleavage, an optical resonator in a laser diode cannot be formed by simple cleavage. 2. Conductivity is small and electrodes cannot be taken from the substrate surface.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, if the substrate of Si crystal or 6H-SiC crystal is used, the above two drawbacks are solved, but the coefficient of thermal expansion is α (Si) = 3.59 × 10 -6 / K, α (6H-SiC ) = 4.2 for less than × 10 -6 / K and Al x Ga y in 1-xy N -based coefficient of thermal expansion (e.g., alpha (GaN) = 5.6 × 10 -6 / K), the deposition temperature after the deposition When cooling from (about 1000 ° C.) to room temperature, the film shrinks more than the substrate, but since the substrate is thicker than the film, tensile stress is generated on the film side. As a result, the film may crack. Therefore, a semiconductor device cannot be manufactured. Figure 9 is a diagram showing a state of a crystal by scanning electron microscopy of the surface of the Al x Ga y In 1-xy N film is directly formed on the Si crystal substrate. It can be seen that a crack has occurred.
[0008]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a III-nitride semiconductor device comprising a Al x Ga y In 1-xy N crystal causing no crack on a substrate of Si crystal or 6H-SiC crystals It is in.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, Al x Ga y In 1-xy N (0 ≤ x, y and 0 ≤ x + y ≤ 1) on a substrate made of a crystal having a thermal expansion coefficient smaller than that of the crystal. in group III nitride semiconductor device comprising Al x Ga y in 1-xy N layer formed, said substrate and said Al x Ga y in 1-xy N layer and the substrate material and the Al x Ga y in between 1-xy N with a stress relieving layer composed of a material having a larger thermal expansion coefficient than the thermal expansion coefficient is interposed crystal, and relieving the stress generated in the Al x Ga y in 1-xy N.
[0010]
The substrate material may be silicon (Si) crystal or carbonized silicon (SiC) crystal.
The stress relaxation layer is made of at least one of zinc oxide (ZnO), magnesium oxide (MgO), sapphire (α-Al 2 O 3 ), spinel (MgAl 2 O 4 ), or neodymium gallate (NdGaO 3 ). good.
[0011]
An anti-oxidation layer made of Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x, y and 0 ≦ x + y ≦ 1) is interposed between the stress relaxation layer and the substrate, and the stress relaxation layer and the upper layer Al x Ga y in 1-xy N film may prevent the crystalline deterioration of formed.
The group III nitride semiconductor device may be a light emitting diode or a laser diode.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view of the layer structure of a group III nitride semiconductor device according to the present invention. Substrate 1 antioxidant layer on the T, the stress relaxation layer S, then Al x Ga y In 1-xy N layer Nt is laminated.
The surface of the substrate 1 is a (1,1,1) plane of Si crystal or a (0,0,0,1) plane of SiC crystal. Al x Ga y In 1-xy N layer Nt consists composition (x, y) and a plurality of layers of different doping. For example, a double heterostructure diode is the same as the buffer layer 2 to the cap layer 7 in FIG. Other semiconductor layers or electrode layers are further stacked depending on the application.
[0013]
The stress relaxation layer S will be described below.
Since the thermal expansion coefficient of the substrate material is smaller than the thermal expansion coefficient of the AlGaInN crystal, the AlGaInN film shrinks more than the substrate when it cools from the deposition temperature (approximately 1000 ° C) after deposition of AlGaInN to room temperature. However, since the substrate is thicker than the AlGaInN film, tensile stress is generated on the AlGaInN film side. As a result, cracks may occur in the AlGaInN film. However, if a layer of material having a thermal expansion coefficient greater than the thermal expansion coefficient of these two materials is inserted between the substrate and the AlGaInN film, this insertion layer tends to shrink the substrate, ie, the substrate Since the apparent thermal expansion coefficient is increased to approach that of the AlGaInN film, the tensile force applied to the AlGaInN film is relaxed, and cracking of the AlGaInN film is prevented. Therefore, this insertion layer is called a stress relaxation layer.
[0014]
A material suitable for the stress relaxation layer must also have a low lattice mismatch rate. Table 1 lists these materials. Table 1 shows the coefficient of thermal expansion of the material suitable for the stress relaxation layer and the lattice mismatch ratio for the GaN crystal.
[0015]
[Table 1]
However, since all of these stress relaxation layer materials are oxides, there is a concern about oxidation of Si and SiC surfaces during film formation. If the substrate surface is oxidized, in many cases, an amorphous layer is formed at the interface between the substrate and the oxide material, and the crystallinity of the film formed thereon deteriorates. For this reason, Al x Ga y In 1-xy N is formed extremely thin (about 10 nm) as an antioxidant layer T for suppressing oxidation on the substrate, and a stress relaxation layer S is formed thereon. Finally, a multilayer AlGaInN layer Nt for a target semiconductor device, such as a double hetero structure or a quantum well structure made of Al x Ga y In 1-xy N, is formed. As a film formation method, molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic vapor phase epitaxy can be applied.
Example 1
First, a ZnO layer having a thickness of 100 nm was directly formed on a (1,1,1) plane substrate of a Si single crystal. As sputtering conditions, the substrate temperature was 250 ° C., the sputtering gas was Ar, and the pressure was 1 Pa. A ZnO sintered body added with 2 wt% Al was used as the target. The addition of Al is for imparting conductivity to the stress relaxation layer.
[0016]
It was confirmed from the X-ray diffraction pattern that the obtained ZnO film was c-axis oriented. Fig. 2 shows a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) image of a ZnO film directly formed on a Si substrate. (A) is a pattern diagram when the electron beam incidence is in the (1, -1,1) direction. (B) is a diagram of a pattern when the electron beam incidence is in the (1,0,0) direction and is rotated by 30 ° in the c plane with respect to (a). From FIG. 2, the single crystal pattern (only the high brightness (large white point) in (b)) and the low brightness (light white point) pattern) are shifted and overlapped, and therefore, within the c-plane of the ZnO film. It was found that the film was a polycrystalline film in which the direction of the a-axis was rotated.
[0017]
FIG. 3 is a diagram showing the results of elemental analysis in the depth direction by Auger electron spectroscopy of a ZnO film directly formed on a Si substrate. A large amount of oxygen is also detected in the region of the Si substrate, indicating that the surface of the Si substrate is oxidized. For this reason, it can be assumed that the polycrystallization of ZnO is caused by the oxidation of the Si surface when forming ZnO.
This on the ZnO film, and the Al x Ga y In 1-xy N film multilayer is formed by molecular beam epitaxy using nitrogen radical (MBE). The layer structure is a double heterostructure consisting of a first buffer layer of AlN, a second buffer layer of GaN, a clad layer of n-type AlGaN, an active layer of GaN, and a clad layer of p-type AlGaN. Was not observed, and the effect of the stress relaxation layer of ZnO was confirmed.
[0018]
In order to suppress oxidation of the surface of the Si substrate, an n-type GaN film having a thickness of 10 nm was formed on the Si substrate as an antioxidant layer. A ZnO stress relaxation layer was formed to 100 nm thereon. FIG. 4 is a diagram showing the results of elemental analysis in the depth direction by Auger electron spectroscopy of a ZnO film having a GaN film formed on a Si substrate. Compared with FIG. 3, it can be confirmed from FIG. 4 that the GaN film prevents oxidation of Si.
[0019]
Fig. 5 shows the RHEED image of the ZnO film formed on the GaN film on the Si substrate. (A) is a pattern diagram when the electron beam incidence is in the (1, -1,1) direction. It is a figure of a pattern in case an electron beam incidence is (1,0,0) direction (rotated 30 degrees in c plane with respect to (a)). Unlike the case where the antioxidant layer is not formed (FIG. 2), the pattern does not have a double structure, and rotation of the a-axis in the c-plane of ZnO is not observed. From this, it was found that by introducing a GaN layer to suppress oxidation, oxidation of the Si substrate was suppressed and ZnO was epitaxially grown (single crystal growth).
[0020]
This on the ZnO film, to form a double heterostructure multilayered Al x Ga y In 1-xy N having the same layer structure as described above, further form a cap layer. 6 is a diagram showing a state of a crystal by electron microscopy of Al x Ga y In 1-xy N film on bilayer GaN film, ZnO film on the Si substrate. From the figure, it can be seen that the surface is smooth and no cracks have occurred. By using the AlGaInN film in this state, a group III nitride semiconductor device such as a photodiode that does not require a particularly fine structure is established.
[0021]
A laser diode was fabricated as an example of a group III nitride semiconductor device having a layer structure including the above-described double heterostructure. FIG. 7 is a sectional view taken along a plane perpendicular to the cleavage plane of the laser diode according to the present invention. The substrate 1 is a (1,1,1) plane Si, and an antioxidant layer 11 and a stress relaxation layer 12 are sequentially laminated. A first buffer layer 2 of AlN having a thickness of 50 nm is formed, and a second buffer layer of GaN having a thickness of 0.5 μm, a clad layer 4 of n-type AlGaN having a thickness of 150 nm, and a GaN having a thickness of 50 nm are formed thereon. A double heterostructure comprising an active layer 5 and a 150 nm thick p-type AlGaN cladding layer 6 is formed, and a 100 nm thick p-type GaN cap layer 7 is further formed. The electrode 8a of the substrate 1 is Al, and the electrode 9 of the cap layer 7 is Au / Cr.
[0022]
By cleaving the Si substrate 1, the (1, -1,0,0) plane of the group III nitride semiconductor layer becomes a cleavage plane, and an optical resonator can be formed. By applying a pulse current to the laser diode, laser oscillation was possible at a current density of about 10 kA / cm 2 or more.
In addition, Ga 1-x Al x N (0 <x ≦ 1) was also carried out as the anti-oxidation layer, but it also has an anti-oxidation effect, the stress relaxation layer is a single crystal, and the group III nitride semiconductor layer Successfully formed a film.
Example 2
A (1,1,1) plane of Si single crystal was used as the substrate, and sapphire (α-Al 2 O 3 ) formed by magnetron sputtering was used for the stress relaxation layer. The substrate temperature was 500 ° C., the target was an Al 2 O 3 sintered body, Ar was used as the sputtering gas, the pressure was 1 Pa, and the film thickness was 120 nm.
[0023]
In the case of the sapphire stress relaxation layer, as in the case of the ZnO stress relaxation layer, when there is no anti-oxidation layer, it grows in the c-axis orientation on the Si (1,1,1) substrate, but the a in the c-plane. Axial rotation was seen. However, by introducing the antioxidant layer, both sapphire and the double heterostructure formed thereon were epitaxially grown, and no cracks were observed.
Example 3
The substrate was a (1,1,1) plane of Si single crystal, and magnesia (MgO) formed by magnetron sputtering was used for the stress relaxation layer. The substrate temperature was 400 ° C., the target was a MgO sintered body, the sputtering gas was Ar, the pressure was 1 Pa, and the film thickness was 100 nm. In the case of MgO as well, in the absence of an antioxidant layer, rotation in the a-axis direction within the c-plane was observed although it was in the c-axis orientation on the Si (1,1,1) substrate. However, by introducing the antioxidant layer, both MgO and the double heterostructure formed thereon were epitaxially grown, and no cracks were observed.
Example 4
The substrate was a (1,1,1) surface of Si single crystal, and spinel (MgAl 2 O 4 ) formed by magnetron sputtering was used for the stress relaxation layer. The substrate temperature was 600 ° C., the target was an MgAl 2 O 4 sintered body, the sputtering gas was Ar, the pressure was 1 Pa, and the film thickness was 120 nm. Also in the case of spinel, when there was no antioxidant layer, rotation in the a-axis direction in the c-plane was observed although it was c-axis orientation on the Si (1,1,1) substrate. However, by introducing the antioxidant layer, both the spinel and the double heterostructure formed thereon were epitaxially grown, and no cracks were observed.
Example 5
The substrate was a (1,1,1) plane of Si single crystal, and neodygallate (NdGaO 3 ) formed by magnetron sputtering was used for the stress relaxation layer. The substrate temperature was 700 ° C., the target was NdGaO 3 sintered body, Ar was used as the sputtering gas, the pressure was 1 Pa, and the film thickness was 120 nm. Also in the case of neodigalate, when there was no antioxidant layer, rotation in the a-axis direction in the c-plane was observed although it was c-axis orientation on the Si (1,1,1) substrate. However, by introducing the antioxidant layer, both neodigallate and the double heterostructure formed thereon were epitaxially grown, and no cracks were observed.
Example 6
In addition, using a 6H-SiC substrate, an experiment was conducted using ZnO as a stress relaxation layer and a GaN antioxidant layer in the same manner as in Example 1. However, as in Example 1, the effects of the stress relaxation layer and the antioxidant layer were evaluated. Was confirmed.
[0024]
【The invention's effect】
According to the present invention, Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x, y and 0 ≦ x + y ≦ 1) is formed on a substrate made of a crystal having a thermal expansion coefficient smaller than that of the crystal. and Al x Ga y in group III nitride semiconductor device comprising an in 1-xy N layer, the substrate material and Al x Ga y in 1-xy between the substrate and Al x Ga y in 1-xy N layer The stress generated in Al x Ga y In 1-xy N is relaxed by interposing a stress relaxation layer made of a material having a thermal expansion coefficient larger than that of the N crystal, so that the thermal expansion coefficient is Al x Ga y In 1 -xy N no cracks in the III-nitride semiconductor device small having a multilayer film composed of Al x Ga y in 1-xy N on a substrate from the film, also individualized by utilizing the cleavage property can be easy.
[0025]
Further, an anti-oxidation layer composed of Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x, y and 0 ≦ x + y ≦ 1) is interposed between the stress relaxation layer and the substrate, and the stress relaxation layer and its since the deterioration of crystallinity of the Al x Ga y in 1-xy N film formed on the to prevent, to form a light-emitting diode or laser diode of fine layer structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a layer structure of a group III nitride semiconductor device according to the present invention. FIG. 2 shows a reflection high-energy electron diffraction (RHEED) image of a ZnO film formed directly on a Si substrate. Is a photograph of the crystal structure when the electron beam incidence is in the (1, -1,1) direction. (B) is the case where the electron beam incidence is in the (1, 0, 0) direction. Fig. 3 shows the result of elemental analysis in the depth direction by Auger electron spectroscopy of the ZnO film directly formed on the Si substrate. Fig. 4 shows the result of elemental analysis in the depth direction. Fig. 5 shows the results of elemental analysis in the depth direction by Auger electron spectroscopy of a ZnO film formed with a GaN film. Fig. 5 Reflected high-energy electron diffraction (RHEED) of a ZnO film formed on a GaN film on a Si substrate. (A) is a photograph of the crystal structure when the electron beam is incident in the (1, -1,1) direction, and (b) is the ((a) where the electron beam is incident in the (1, 0, 0) direction. (When rotated 30 ° in the c plane) Crystal structure Photo 6 Si GaN film on a substrate, micrograph Figure 7] present invention showing the state of the crystal by electron microscopy of Al x Ga y In 1-xy N film on bilayer ZnO film FIG. 8 is a cross-sectional view of a laser diode according to the present invention perpendicular to the cleavage plane. FIG. 8 is a cross-sectional view of a laser diode which is an example of a conventional group III nitride semiconductor device. FIG. 9 is formed directly on a Si crystal substrate. Scanning electron microscope observation of the surface of the Al x Ga y In 1-xy N film
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Buffer layer 2a First buffer layer 2b Second buffer layer 3 Contact layer 4 Cladding layer 5 Active layer 6 Cladding layer 7 Cap layer 8 First electrode layer 8a First electrode layer 9 Second electrode layer S Stress relaxation layer T Antioxidation layer Nt AlGaInN layer
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