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JP4282976B2 - BORON PHOSPHIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND LIGHT EMITTING DIODE - Google Patents
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JP4282976B2 - BORON PHOSPHIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND LIGHT EMITTING DIODE - Google Patents

BORON PHOSPHIDE COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, AND LIGHT EMITTING DIODE Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物半導体層と配向性に優れたリン化硼素層とから構成される異種(ヘテロ)接合構造を備えたリン化硼素系化合物半導体素子、及びその製造方法、並びに発光ダイオードに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(AlGaInN:0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1)等のIII族窒化物半導体は、発光ダイオード(LED)の発光層或いはクラッド(clad)層や、高移動度電界効果型トランジスタ(TEGFET)の電子チャネル(channel)層或いは電子供給層等として利用されている(特許文献1、非特許文献1等)。
III族窒化物半導体を利用した素子(III族窒化物半導体素子)にあっては、素子機能を発現させるために、III族窒化物半導体層相互の異種(ヘテロ)接合構造を備えたものが一般的である。例えば特許文献1には、窒化ガリウム(GaN)と窒化ガリウム・インジウム(GaInN:0≦Y,Z≦1,Y+Z=1)との異種接合によって、LED或いはレーザダイオード(LD)の発光部を構成した例が開示されている。
【0003】
化合物半導体素子を構成するIII族窒化物半導体層またはIII族窒化物半導体層からなる異種接合構造は、従来主にサファイア(α−Al単結晶)基板上に気相成長法により生成されていた(特許文献2等)。
しかしながら、例えば、サファイア基板と窒化ガリウム(GaN)との格子ミスマッチ(mismatch)は約16%と大きく(非特許文献2等)、サファイア基板上に形成された窒化ガリウム層には、1×10/cmを超える多量のミスフィト転位が含まれることが知られている(非特許文献3等)。窒化ガリウム等のIII族窒化物半導体からなる異種接合では、ミスフィット転位は異種接合部を越えて上層へと伝搬してしまう。そのため、従来技術では、転位密度の低い異種接合構造を安定して得ることが困難であった。
【0004】
一方、本発明者は、リン化硼素(BP)層が、III族窒化物半導体層からのミスフィット転位の伝搬の阻止に効果的であることを見出している。
特許文献2〜7等には、六方晶ウルツ鉱結晶型(Wurtzite)の窒化ガリウム等からなるIII族窒化物半導体層上にリン化硼素層を接合形成して、発光素子を構成する技術が開示されている。しかしながら、かかる従来技術においては、III族窒化物半導体層からのミスフィット転位の伝搬の阻止を意図したものではなく(特許文献8、9参照)、III族窒化物半導体層からのミスフィット転位の伝搬を充分にかつ安定して阻止するに有効なリン化硼素層が備えるべき結晶組織的構成は未だ知られていない。そのため、従来は、漏洩電流が少なく、良好な整流特性を発現し得るIII族窒化物半導体層とリン化硼素層とのpn接合構造を安定して得ることが困難であった。
【0005】
【特許文献1】
特公昭55−3834号公報
【特許文献2】
特開平10−242514号公報
【特許文献3】
特開平10−242515号公報
【特許文献4】
特開平10−242567号公報
【特許文献5】
特開平10−242568号公報
【特許文献6】
特開平10−242569号公報
【特許文献7】
特開平10−247745号公報
【特許文献8】
特開平10−247760号公報
【特許文献9】
特開平10−247761号公報
【非特許文献1】
赤崎 勇編著、「III族窒化物半導体(アドバンスト・エレクトロニクスI−21)」、初版、(株)培風館、1999年12月8日、p.285−293
【非特許文献2】
イサム アカサキ(Isamu Akasaki)他、“EFFECTS OF AlN BUFFER LAYER ON CRYSTALLOGRAPHIC STRUCTURE AND ON ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF GaN AND Ga1-xAlxN(0<X≦0.4) FILMS GROWN ON SAPPHIRE SUBSTARTE BY MOVPE”、(オランダ)、ジャーナル オブ クリスタル グロース(Journal of Crystal Growth)、1989年、第98巻、p.209−219
【非特許文献3】
エル・ティー・ロマノ(L.T.Romana)他、“STRUCTUAL CHARACTERIZATION OF THICK GaN FILMS GROWN BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY”、(米国)、マテリアル リサーチ ソサエティ シンポジウム プロシーディング(Mat. Res. Soc. Symp. Proc.)、1996年、第423巻、p.245−250
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、III族窒化物半導体層からのミスフィット転位の伝搬を充分にかつ安定して抑止することが可能なリン化硼素層の結晶的構成を明らかとし、これによって、III族窒化物半導体層とリン化硼素層との接合構造を有する、素子特性に優れたリン化硼素系化合物半導体素子を提供することを目的とする。また、その製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題を解決するべく検討を行った結果、以下のリン化硼素系化合物半導体素子及びその製造方法、並びに発光ダイオードを発明した。
【0008】
すなわち、本発明は、
(1)III族窒化物半導体層とリン化硼素層とからなる異種接合構造を備えたリン化硼素系化合物半導体素子において、前記III族窒化物半導体層がウルツ鉱結晶型であり、前記III族窒化物半導体層の表面が(0.0.0.1.)結晶面であり、前記リン化硼素層が、前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面上に該結晶面と平行に積重された{111}結晶面を有する{111}−リン化硼素層であり、前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位と、前記リン化硼素層の{111}結晶面の<110>結晶方位とが平行であることを特徴とするリン化硼素系化合物半導体素子、
)前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位に平行な前記リン化硼素層の<110>結晶方位が2方位存在し、これらのなす角度が180°であることを特徴とする()に記載のリン化硼素系化合物半導体素子、
)前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位に平行な前記リン化硼素層の<110>結晶方位が[1.−1.0.]及び[−1.1.0.]であることを特徴とする()に記載のリン化硼素系化合物半導体素子、
)前記III族窒化物半導体層が(0.0.0.1.)−窒化ガリウム層であり、前記リン化硼素層が<111>結晶方位に積層欠陥及び/または双晶を含む{111}−リン化硼素層であることを特徴とする(1)から()までのいずれか1項に記載のリン化硼素系化合物半導体素子、
)前記リン化硼素層が、前記III族窒化物半導体層より小さい転位密度を有することを特徴とする(1)から()までのいずれか1項に記載のリン化硼素系化合物半導体素子、である。
【0009】
また、本発明は、
)III族窒化物半導体層とリン化硼素層とからなる異種接合構造を備えたリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法において、表面が(0.0.0.1.)結晶面であるウルツ鉱結晶型のIII族窒化物半導体層を下地として、硼素含有化合物とリン含有化合物とを気相成長領域に供給し、前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面と平行に{111}結晶面を有する{111}−リン化硼素層を積重させ、なおかつ前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位に対して、前記リン化硼素層の{111}結晶面の<110>結晶方位が平行となるように気相成長させる工程を有することを特徴とするリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法、
)750℃以上1200℃以下の温度で、前記リン化硼素層を気相成長させることを特徴とする()に記載のリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法、
)600以上のV/III比率で、前記リン化硼素層を気相成長させることを特徴とする()又は()に記載のリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法、である。
なお、本明細書において、「V/III比率」は、気相成長領域に供給する硼素含有化合物(硼素原料)中の硼素原子の濃度に対する、リン含有化合物(リン原料)中のリン原子の濃度の比率を意味しているものとする。
【0010】
また、本発明は、
)下部クラッド層と、発光層と、該発光層を保護する保護層と、上部クラッド層とを順次積層してなる積層体を備えた発光ダイオードにおいて、前記保護層が、表面を(0.0.0.1.)結晶面とするIII族窒化物半導体層からなり、かつ前記上部クラッド層が、前記保護層の(0.0.0.1.)結晶面上に該結晶面と平行に積重された{111}結晶面を有する{111}−リン化硼素層からなることを特徴とする発光ダイオード、である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
[リン化硼素系化合物半導体素子]
本発明のリン化硼素系化合物半導体素子は、III族窒化物半導体層とリン化硼素層とからなる異種接合構造を備えたものであり、III族窒化物半導体層とリン化硼素層の結晶的構成が特徴的なものとなっている。
【0012】
リン化硼素層の下地となるIII族窒化物半導体層を構成する化合物としては、例えば、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム・ガリウム(AlGa1−XN:0≦X≦1)等の組成式AlGaInN(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1)で表記される化合物が好適である。また、窒素(N)の他に他の第V族元素(例えば、リン(P)や砒素(As)等)を含む化合物、例えば、組成式AlGaIn1−Q(0≦X,Y,Z≦1,X+Y+Z=1、0<Q≦1、Mは窒素以外の第V族元素)で表記される化合物等も好適である。
【0013】
本発明のリン化硼素系化合物半導体素子は、III族窒化物半導体層の表面が(0.0.0.1.)結晶面であり、該結晶面上にリン化硼素層が接合して形成されたものである。さらに、本発明において、リン化硼素層は、III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面と平行に積重された{111}結晶面を有する{111}−リン化硼素層である。かかる構成を採用することによって、ミスフイット転位等の少ない良質のリン化硼素層が得られる。
これは、単量体のリン化硼素の{110}結晶格子面の間隔(格子面間隔)と、III族窒化物半導体の(0.0.0.1.)結晶面のa軸格子定数とがほぼ一致するため、III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面上には、格子ミスマッチに起因するミスフイット転位等の少ない良質の{111}−リン化硼素層を成長させることができるからである。
例えば、単量体のリン化硼素結晶の格子面間隔は0.320nmであるのに対し、窒化ガリウム(GaN)のa軸格子定数は0.318nm、窒化アルミニウム(AlN)のa軸格子定数は、0.311nmである(a軸格子定数については、寺本 巌著、「半導体デバイス概論」、初版、(株)培風館、1995年3月30日、p.28参照)。このように、III族窒化物半導体の(0.0.0.1.)結晶面のa軸格子定数と、リン化硼素の{110}結晶面の格子面間隔との格子ミスマッチは、GaNでは殆ど無く、AlNにしても高々2.8%に過ぎず、III族窒化物半導体の(0.0.0.1.)結晶面上には良質のリン化硼素層を成長させることができる。
【0014】
図1に基づいて、III族窒化物半導体層がウルツ鉱結晶型の窒化ガリウム単結晶からなる場合を取り上げて、本発明について具体的に説明する。図1は、ウルツ鉱結晶型の窒化ガリウム単結晶の(0.0.0.1.)結晶面、及びその上に形成されたリン化硼素結晶の配列の様子を模式的に示す平面図である。
窒化ガリウム単結晶の(0.0.0.1.)結晶面1は、多数の平面視正六角形状の単位胞(単位的平面結晶格子)1aが緻密に配列して構成されている。本発明では該結晶面1上に、該結晶面1と平行にリン化硼素の{111}結晶体2(2a及び2b)を積重し、窒化ガリウムとリン化硼素との間で良好な格子マッチングを発揮させる様にする。
窒化ガリウムとリン化硼素との間の格子マッチングが最も良好となるのは、リン化硼素の{111}結晶面における<110>結晶方位が、窒化ガリウムの(0.0.0.1.)結晶面1における[2.−1.−1.0.]結晶方位に平行となる様に、リン化硼素の{111}結晶面を配置させた場合である。これは、窒化ガリウムの(0.0.0.1.)結晶面1におけるa軸格子定数(図1では符号aで示してある。)と、リン化硼素の{111}結晶面における{110}格子面の間隔がほぼ一致するからである。
【0015】
特に、窒化ガリウムの[2.−1.−1.0]結晶方位と、リン化硼素の[1.−1.0.]または[−1.1.0.]結晶方位が平行となる様に、平面視正三角形状のリン化硼素の{111}−結晶体2a及び2bを配置させると、優れた品質の{111}−リン化硼素層を得ることができる。ここで、[1.−1.0.]結晶方位と[−1.1.0.]結晶方位は互いに、角度にして180°相違する方向である。なお、図1において、窒化ガリウムの[2.−1.−1.0]結晶方位と、[1.−1.0.]結晶方位とが平行な関係にあるのがリン化硼素結晶体2aであり、窒化ガリウムの[2.−1.−1.0]結晶方位と、[−1.1.0.]結晶方位とが平行な関係にあるのがリン化硼素結晶体2bである。互いに頂点の向きを180°異にする{111}−結晶体2aと2bとを組み合わせて集合させることにより、窒化ガリウムの(0.0.0.1.)結晶面にマッチングする、全体として平面視正六角形状を呈する{111}−リン化硼素結晶層を構成することができる。
【0016】
[リン化硼素系化合物半導体素子の製造方法]
上記の本発明のリン化硼素系化合物半導体素子は、例えば、III族窒化物半導体層を下地とし、硼素含有化合物とリン含有化合物とを気相成長領域に供給し、気相成長法により特定条件下でリン化硼素層を成長させることにより製造できる。気相成長法としては、有機金属気相エピタキシー(MOVPE)法、ハロゲン(halogen)VPE法、ハイドライド(hydride)VPE法、分子線エピタキシー(MBE)法等が挙げられる。
【0017】
ここで、上記の様な六方晶のIII族窒化物半導体結晶の(0.0.0.1.)結晶面を構成する平面視正六角形状の単位胞の形状に合致するように、規則的に整然と配列した多数の平面視正三角形状の{111}結晶体からなる{111}リン化硼素結晶層を得るためには、以下の条件(A)〜(G)を充足させることが好ましい。
【0018】
(A){111}−リン化硼素結晶層を気相成長させるに際し、下地とするIII族窒化物半導体層(例えば、窒化ガリウム結晶層)の表面が、(0.0.0.1.)結晶面からなる単結晶面であることが必要である。
【0019】
(B)III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)単結晶表面の傾斜角度が、(0.0.0.1.)結晶面を水平面として角度にして±5°以内であることが好ましい。(0.0.0.1.)結晶面から5°を超え傾斜した単結晶表面では、結晶を構成する原子の配列と{111}−リン化硼素結晶の{110}格子面との間隔の差異が増大するため、平面視正三角形状の{111}−リン化硼素結晶体が図1の如く整然と規則的に配列した{111}−リン化硼素結晶層を安定して形成することが困難となる。
【0020】
(C)リン化硼素結晶層を気相成長させる下地として有効に機能させるために、III族窒化物半導体層の表面を、化学量論的にほぼ均衡の取れた組成に維持することが好ましい。例えば、リン化硼素結晶層を気相成長させる際に、III族窒化物半導体層を高温に保持すると、III族窒化物半導体層を構成する第V族元素が揮散し、III族窒化物半導体層の表面において第III族元素が第V族元素に対して富裕となる場合には、化学量論的にほぼ均衡の取れた(0.0.0.1.)結晶表面を維持するために、III族窒化物半導体層をアンモニア(NH)やヒドラジン(N)類等の含窒素化合物を過剰に含む雰囲気内で昇温させるなどの措置を取ることが好ましい。
【0021】
(D)750℃以上1200℃以下の温度で、リン化硼素結晶層を気相成長させることが好ましい。成膜温度(下地の温度)が750℃未満では、リン化硼素の{111}単結晶層を安定して得ることが難しく、1200℃超ではB13等のリン化硼素多量体の発生を招き、単量体のリン化硼素を安定して得ることが難しい。なお、n形{111}−リン化硼素結晶層を得る場合には、成膜温度は750℃〜約1000℃とするのが好ましく、p形{111}−リン化硼素結晶層を得る場合には、成膜温度は約1000℃〜1200℃とするのが好ましい。
【0022】
(E)リン化硼素結晶層を気相成長させる際のV/III比率は、600以上とすることが好ましく、1000〜2000とすることが特に好ましい。
【0023】
(F)リン化硼素結晶層を気相成長させる前にあらかじめ、原料気体(硼素含有化合物及びリン含有化合物)を気相成長領域に流通させ、気相成長領域内において原料気体に接する部位の表面にリンと硼素とを含む被膜を形成しておくことが好ましい。被膜の厚さは特に限定されないが、100nm程度で充分である。
【0024】
(G)リン化硼素結晶層を気相成長させる際には、原料気体である硼素含有化合物及びリン含有化合物が、時間的にほぼ同時に気相成長領域に載置されたIII族窒化物半導体層の表面に到達する様に調整されていることが好ましい。原料気体のIII族窒化物半導体層への到達時間は、搬送(carrier)ガスの流量によって調整できる。「搬送ガス」とは、原料気体を気相成長領域に搬送する役目を担う気体であり、高純度の水素(H)や窒素(N)及びアルゴン(Ar)等の不活性気体、及びこれらを含む混合気体等から構成できる。許容される原料気体の到達時間の差異は、例えば、50nm/分の成長速度で{111}−リン化硼素結晶層を気相成長させる場合、約5秒である。なお、到達時間はほぼ同等ではあるが若干の差異がある場合、揮発性の高い第V族元素の原料(リン含有化合物)を第III族元素の原料(硼素含有化合物)よりも時間的に先にIII族窒化物半導体層の表面に到達する様に搬送ガスの流量を調整すると、{111}−リン化硼素結晶層はより形成され易くなり、好適である。
【0025】
III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面上に、配向性を有する{111}−リン化硼素結晶層が形成されているか否かは、X線回折或いは電子線回折の回折像により判定することができる。
III族窒化物半導体層の(0.0.0.1)結晶面上に、{111}−リン化硼素結晶層が成長している場合、特に{111}−リン化硼素結晶層の層厚がほぼ500nm未満の薄膜層であると、X線回折像にIII族窒化物半導体結晶の(0.0.0.1.)結晶面とリン化硼素の{111}結晶面に由来するブラッグ回折ピークが明瞭に現れる。
電子線回折像では、III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面に由来する回折斑点(spot)を結ぶ直線上に、リン化硼素結晶層の{111}結晶面に由来する回折斑点が現れる。また、入射電子線の方向を<110>とした場合、一頂点の向きを角度にして180°異にする{111}−リン化硼素結晶、即ち、<110>結晶軸を中心として左右対称に配向した{111}−リン化硼素結晶から、180°反転した関係にある{110}結晶面の逆格子像が得られる。
【0026】
本発明のリン化硼素系化合物半導体素子では、III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面を下地としてリン化硼素結晶層を気相成長させ、規則的に整然と配列した{111}−リン化硼素結晶層を設ける構成としたので、下地からの転位の伝搬を抑止する効果が高いレベルでしかも安定して発揮される。その結果、リン化硼素結晶層がIII族窒化物半導体層より小さい転位密度を有するリン化硼素系化合物半導体素子を提供できる。
特に、III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位と、リン化硼素結晶層の<110>結晶方位とを平行とする結晶の配置は、III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面に良好にマッチングする{111}−リン化硼素結晶層が安定して得られ、好適である。
【0027】
例えば、窒化ガリウムの(0.0.0.1.)結晶面上に設けた{111}−リン化硼素結晶層は、窒化ガリウムからの転位の伝搬を両層の接合界面でくい止め、それ自身、1×10/cm以下の低転位密度の結晶層となる。この様な低転位密度のリン化硼素結晶層の内部には、リン化硼素の<111>結晶方位に積層欠陥(stacking fault)及び/または双晶(twinning)が含まれているのが特徴である。積層欠陥や双晶が転位を吸収する結果、転位密度が減少するものと思量される。
【0028】
上述のように本発明によれば、リン化硼素結晶層によって下地からの転位の伝搬を充分に且つ安定して抑止することができるので、漏洩電流が少なく、良好な整流特性を発現し得る、素子特性に優れたリン化硼素系化合物半導体素子を提供することができる。
本発明のリン化硼素系化合物半導体素子において、上記の様な特性を有する{111}−リン化硼素結晶層は、素子駆動電流の転位を介しての短絡を回避できる機能層として有効に利用できる。例えば、III族窒化物半導体層と異種(ヘテロ)接合をなす低転位密度の{111}−リン化硼素結晶層は、短絡に因る耐圧不良を伴わないオーミック(Ohmic)電極を形成するためのコンタクト(contact)層として利用できる。また、ゲート(gate)電流の短絡的な漏洩(leak)が抑制されたショットキー(Schottky)接合型ゲート電極を形成するためのコンタクト層として利用できる。
【0029】
【実施例】
次に、本発明に係る実施例について説明する。
(実施例)
本発明のリン化硼素系化合物半導体素子として、サファイア基板上に堆積した(0.0.0.1.)−窒化ガリウム単結晶層の表面に{111}−リン化硼素結晶層を気相成長させ、pn接合型ダブルヘテロ(DH)接合構造の発光ダイオード(LED)を製造した。製造したLEDの断面構造を図2に模式的に示す。
【0030】
はじめに、(0.0.0.1.)結晶面を表面とするサファイア基板101の表面上に、トリメチルガリウム((CHGa)/アンモニア(NH)/水素(H)反応系常圧(略大気圧)MOCVD法により、1050℃でn形(0.0.0.1.)−窒化ガリウム(GaN)単結晶層からなる下部クラッド層102を形成した。下部クラッド層102をなすn形窒化ガリウム結晶層のキャリア濃度は約2×1018cm−3とし、層厚は3μmとした。
【0031】
下部クラッド層102の(0.0.0.1.)結晶表面上には、(CHGa/トリメチルインジウム((CHIn)/NH/H反応系常圧(略大気圧)MOCVD法により、850℃でn形(0.0.0.1.)−窒化ガリウム・インジウム(Ga0.90In0.10N)からなる発光層103を気相成長させた。発光層103をなすn形窒化ガリウム・インジウム混晶層のキャリア濃度は約8×1017cm−3とし、層厚は約50nmとした。
【0032】
気相成長領域へのインジウム原料((CHIn)の供給を停止し、発光層103の成長を終了させた後、(CHGaとNHとを搬送ガスのHと共に気相成長領域に継続して流通させておいた。これにより、発光層103上に引き続きアンドープで高抵抗の(0.0.0.1.)−窒化ガリウム層からなる保護層104を形成した。保護層104は、発光層103の発光強度の低下を防止するための層である。保護層104のキャリア濃度は約5×1017cm−3以下とし、層厚は約12nmとした。
保護層104の気相成長を終了した後、降温を開始した。600℃の温度に降温するまでは、気相成長領域にアンモニアを流通し続け、保護層104の(0.0.0.1.)結晶表面からの窒素の揮散を防止して、保護層104の化学量論的な組成を維持できる様にした。
室温に冷却後、基板101上に下部クラッド層102と発光層103と保護層104とを順次積層した積層体を、気相成長領域から、原料気体との接触が避けられるチャンバー内に待避させた。積層体を格納している間、チャンバー内には水素ガスを流通させておいた。
【0033】
上記の如く積層体を待避させている間に、気相成長領域にトリエチル硼素((CB)の蒸気を随伴する水素ガス、及びホスフィン(PH)を流通させて、気相成長領域にある石英製成長炉の内壁等に硼素とリンとを含む被膜を形成した。厚さ約1μmの被膜を1100℃で堆積した後、水素ガスを流通させつつ、気相成長領域の温度を室温近傍の温度まで降温させた。
【0034】
然る後、待避させていた積層体を再び気相成長領域に戻して、アンモニア(NH)と水素(H)との混合雰囲気中で室温より1025℃に昇温させた。昇温後、NHの気相成長領域への供給を停止すると同時に、リン原料のホスフィン(PH)と硼素原料のトリエチル硼素((CB)とを同時に気相成長領域に流通させた。リン原料と硼素原料とを保護層104の(0.0.0.1.)結晶面に同時に到達させるために、PHを搬送する水素キャリアガスの流量は9L/分とし、(CB)の蒸気を搬送する水素キャリアガスの流量は7L/分とした。これにより、保護層104の(0.0.0.1.)−窒化ガリウム(GaN)結晶表面上に、(CB/PH/H反応系常圧MOCVD法により、アンドープでp形リン化硼素層からなる上部クラッド層105を接合形成した。上部クラッド層105(リン化硼素層)を成長させる際のV/III比率(=PH/(CB濃度比率)は1000とした。上部クラッド層105(リン化硼素層)のキャリア濃度は2×1019cm−3とし、層厚は500nmとした。
以上のようにして、基板101上に下部クラッド層102と発光層103と保護層104と上部クラッド層105とを順次積層してなる積層体200を得た。
【0035】
積層体200の薄片の断面TEM観察を行い、上部クラッド層105をなすリン化硼素層の結晶構造を観察したところ、内部には、保護層104の(0.0.0.1.)結晶表面に対し、角度にして70°の方向、即ち、リン化硼素の<111>結晶方位に沿って、双晶(積層欠陥)が存在するのが認められた。
【0036】
また、保護層104をなす窒化ガリウム層と上部クラッド層105をなすリン化硼素層とからの電子線回折像の模写図を図3に示す。図3では、リン化硼素結晶からの回折点を○印、窒化ガリウムからの回折点を●印で示してある。なお、これらの印が重なっている部分は、双方の結晶からの回折点が同位置に出現していることを示す。
図示するように、窒化ガリウムの(0.0.0.1.)結晶面に係る回折が発現する方向と、リン化硼素の{111}結晶面に係る回折点が発現する方向とが平行となっており、窒化ガリウムの(0.0.0.1.)結晶面上にリン化硼素の{111}−結晶面が積重されていることが確認された。
また、入射電子線の方向を窒化ガリウムの[2.−1.−1.0.]結晶方位とした際に、リン化硼素の<110>結晶方向から見た閃亜鉛鉱結晶型のリン化硼素の逆格子像が出現している。このことから、窒化ガリウムの(0.0.0.1.)の[2.−1.−1.0.]結晶方位とリン化硼素の<110>結晶方位とは平行であるのが示された。
さらに、リン化硼素の<110>結晶方位から見た逆格子像(図3において破線で示した長方形c及びd)が互いに180°回転した位置に出現していることから、{111}−リン化硼素層が向きを互いに180°異にする{111}−リン化硼素結晶から構成されているのが示された。
【0037】
また、リン化硼素層からなる上部クラッド層105の転位密度は1×10cm−3未満であった。これは、サファイア基板101との格子ミスマッチに起因して発生し、n形窒化ガリウム層からなる下部クラッド層102の内部から発光層103及び保護層104を通して伝搬して来た転位が、リン化硼素層からなる上部クラッド層105と保護層104との接合界面で阻止されたためである。
【0038】
以上の評価を行った後、上部クラッド層105の表面中央部に金・ベリリウム合金(Au99質量%・Be1質量%)からなる、直径130μmの平面視円形状のp形オーミック電極106を配置した。一方、上部クラッド層105、保護層104、及び発光層103の一部を除去して、n形窒化ガリウム層からなる下部クラッド層102を露出させ、この露出面にn形オーミック電極107を配置した。n形オーミック電極107は、下層をチタン(Ti)とし、上層をアルミニウム(Al)とする2層構造の電極により構成した。
【0039】
以上のようにして、平面視一辺約300μmの正方形状のpn接合型DH構造のLEDを製造した。このLEDのp形及びn形オーミック電極106、107間に順方向に20mAの動作電流を通流した際の発光特性は、以下の通りであった。
(1)発光色:青紫
(2)発光中心波長:約430nm
(3)輝度(チップ状態):約7mcd
(4)順方向電圧:約3.6V
なお、p形及びn形オーミック電極106、107間に逆方向に10μAの電流を通流した際の逆方向電圧は10Vであった。
【0040】
本実施例では、上部クラッド層105を、保護層104をなす(0.0.0.1.)−窒化ガリウム結晶表面上に規則的に整然と配列した低抵抗のp形{111}−リン化硼素層により構成したため、素子動作電流を発光層103の広範囲に拡散させることができた。また、低転位密度の{111}−転位を介しての局所的な耐圧不良(local breakdown)の発生も殆ど認めらなかった。このため、転位を介しての素子動作電流の短絡的な流通に因る発光輝点がまばらに発生することもなく、近視野発光像からは、発光層103の略全面から均一な強度の発光がもたらされていることが確認された。このように本実施例では、耐圧特性に優れ、且つ均一な発光強度の、素子特性に優れた短波長可視発光ダイオードを得ることができた。
【0041】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、III族窒化物半導体層からのミスフィット転位の伝搬が充分にかつ安定して抑止され、素子特性に優れたリン化硼素系化合物半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 ウルツ鉱結晶型の窒化ガリウム単結晶の(0.0.0.1.)結晶表面上での{111}−リン化硼素結晶の配列の様子を示す模式図である。
【図2】 本発明に係る実施例において製造したpn接合型LEDの断面構造を示す模式図である。
【図3】 本発明に係る実施例において得られた積層体の(0.0.0.1.)−窒化ガリウム/{111}−リン化硼素接合構造からの電子線回折像の模写図である。
【符号の説明】
1 窒化ガリウムの(0.0.0.1.)結晶面
2 {111}−リン化硼素結晶体
101 サファイア基板
102 下部クラッド層
103 発光層
104 保護層
105 上部クラッド層
106 p形オーミック電極
107 n形オーミック電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a boron phosphide-based compound semiconductor device having a heterogeneous (hetero) junction structure composed of a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer excellent in orientation, a method for manufacturing the same, and a light emitting diode It is about.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, aluminum nitride, gallium, indium (Al X Ga Y In Z Group III nitride semiconductors such as N: 0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1) are light emitting diode (LED) light emitting layers or clad layers, high mobility field effect transistors (TEGFETs) ) As an electron channel layer or an electron supply layer (Patent Document 1, Non-Patent Document 1, etc.).
In a device using a group III nitride semiconductor (group III nitride semiconductor device), a device having a heterogeneous (hetero) junction structure between group III nitride semiconductor layers is generally used in order to develop a device function. Is. For example, Patent Document 1 discloses gallium nitride (GaN) and gallium nitride indium (Ga). Y In Z An example is disclosed in which a light emitting portion of an LED or a laser diode (LD) is formed by heterogeneous junctions with N: 0 ≦ Y, Z ≦ 1, Y + Z = 1).
[0003]
A heterojunction structure composed of a group III nitride semiconductor layer or a group III nitride semiconductor layer constituting a compound semiconductor element has conventionally been mainly sapphire (α-Al 2 O 3 (Single crystal) produced on a substrate by vapor phase growth (Patent Document 2, etc.).
However, for example, the lattice mismatch between the sapphire substrate and gallium nitride (GaN) is as large as about 16% (Non-Patent Document 2, etc.), and the gallium nitride layer formed on the sapphire substrate has 1 × 10 8 / Cm 2 It is known that a large amount of misfit rearrangement exceeding 1 is included (Non-patent Document 3, etc.). In a heterogeneous junction made of a group III nitride semiconductor such as gallium nitride, misfit dislocations propagate beyond the heterogeneous junction to the upper layer. For this reason, it has been difficult for the prior art to stably obtain a heterogeneous junction structure having a low dislocation density.
[0004]
On the other hand, the present inventor has found that the boron phosphide (BP) layer is effective in preventing the propagation of misfit dislocations from the group III nitride semiconductor layer.
Patent Documents 2 to 7 disclose a technique for forming a light-emitting element by bonding a boron phosphide layer on a group III nitride semiconductor layer made of hexagonal wurtzite crystal type (Wurtzite) gallium nitride or the like. Has been. However, this conventional technique is not intended to prevent the propagation of misfit dislocations from the group III nitride semiconductor layer (see Patent Documents 8 and 9). The crystallographic structure to be provided in the boron phosphide layer effective to sufficiently and stably prevent propagation is not yet known. Therefore, conventionally, it has been difficult to stably obtain a pn junction structure of a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer that has a small leakage current and can exhibit good rectification characteristics.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No.55-3834
[Patent Document 2]
JP-A-10-242514
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-242515
[Patent Document 4]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-242567
[Patent Document 5]
JP-A-10-242568
[Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-242569
[Patent Document 7]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-247745
[Patent Document 8]
JP 10-247760 A
[Patent Document 9]
JP 10-247671 A
[Non-Patent Document 1]
Akazaki Isao, “Group III Nitride Semiconductor (Advanced Electronics I-21)”, first edition, Baifukan Co., Ltd., December 8, 1999, p. 285-293
[Non-Patent Document 2]
Isamu Akasaki et al., “EFFECTS OF AlN BUFFER LAYER ON CRYSTALLOGRAPHIC STRUCTURE AND ON ELECTRICAL AND OPTICAL PROPERTIES OF GaN AND Ga1-xAlxN (0 <X ≦ 0.4) FILMS GROWN ON SAPPHIRE SUBSTARTE BY MOVPE” (Netherlands) , Journal of Crystal Growth, 1989, Vol. 98, p. 209-219
[Non-Patent Document 3]
LTRomana et al., “STRUCTUAL CHARACTERIZATION OF THICK GaN FILMS GROWN BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY” (USA), Material Research Society Symposium Proc. (Mat. Res. Soc. Symp. Proc.), 1996 423, p. 245-250
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the crystal structure of the boron phosphide layer capable of sufficiently and stably suppressing the propagation of misfit dislocations from the group III nitride semiconductor layer is clarified. Thus, an object of the present invention is to provide a boron phosphide-based compound semiconductor device having a junction structure of a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer and having excellent device characteristics. Moreover, it aims at providing the manufacturing method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of investigations to solve the above problems, the present inventors have invented the following boron phosphide-based compound semiconductor element, a method for manufacturing the same, and a light emitting diode.
[0008]
That is, the present invention
(1) In a boron phosphide-based compound semiconductor element having a heterogeneous junction structure composed of a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer, The group III nitride semiconductor layer is a wurtzite crystal type; The surface of the group III nitride semiconductor layer is a (0.0.0.1.) Crystal plane, and the boron phosphide layer is (0.0.0.1.) Of the group III nitride semiconductor layer. {111} -boron phosphide layer having {111} crystal planes stacked parallel to the crystal planes on the crystal planes [2 .. of the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer. -1. -1.0. The crystal orientation is parallel to the <110> crystal orientation of the {111} crystal plane of the boron phosphide layer. A boron phosphide-based compound semiconductor device,
( 2 ) On the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer [2. -1. -1.0. There are two <110> crystal orientations of the boron phosphide layer parallel to the crystal orientation, and the angle formed by these is 180 ° ( 1 ) Boron phosphide-based compound semiconductor device,
( 3 ) On the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer [2. -1. -1.0. The <110> crystal orientation of the boron phosphide layer parallel to the crystal orientation is [1. -1.0. ] And [-1.1.0. ] ( 2 ) Boron phosphide-based compound semiconductor device,
( 4 ) The group III nitride semiconductor layer is a (0.0.0.1.)-Gallium nitride layer, and the boron phosphide layer includes stacking faults and / or twins in the <111> crystal orientation {111} -A boron phosphide layer, characterized in that (1) to ( 3 ) A boron phosphide-based compound semiconductor device according to any one of
( 5 The boron phosphide layer has a dislocation density smaller than that of the group III nitride semiconductor layer (1) to (1) 4 The boron phosphide-based compound semiconductor device according to any one of items 1 to 3).
[0009]
The present invention also provides:
( 6 ) In a method for manufacturing a boron phosphide-based compound semiconductor device having a heterojunction structure composed of a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer, the surface is a (0.0.0.1.) Crystal plane. Wurtzite crystal type A boron-containing compound and a phosphorus-containing compound are supplied to the vapor phase growth region with the group III nitride semiconductor layer as a base, and the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer is In parallel {111} -boron phosphide layer having {111} crystal planes In addition, the [0.0.0.1.] Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer [2. -1. -1.0. The <110> crystal orientation of the {111} crystal plane of the boron phosphide layer is parallel to the crystal orientation. A process for producing a boron phosphide-based compound semiconductor device comprising a step of vapor-phase growth,
( 7 ) The boron phosphide layer is vapor-phase grown at a temperature of 750 ° C. to 1200 ° C. ( 6 ) A process for producing a boron phosphide-based compound semiconductor device according to claim 1,
( 8 ) The boron phosphide layer is vapor grown at a V / III ratio of 600 or more ( 6 Or ( 7 ). The method for producing a boron phosphide-based compound semiconductor device according to).
In the present specification, “V / III ratio” means the concentration of phosphorus atoms in the phosphorus-containing compound (phosphorus raw material) relative to the concentration of boron atoms in the boron-containing compound (boron raw material) supplied to the vapor phase growth region. It means the ratio of
[0010]
The present invention also provides:
( 9 ) In a light emitting diode including a laminate formed by sequentially laminating a lower clad layer, a light emitting layer, a protective layer protecting the light emitting layer, and an upper clad layer, the protective layer has a surface of (0.0 .0.1.) A group III nitride semiconductor layer having a crystal plane, and the upper cladding layer is parallel to the crystal plane on the (0.0.0.1.) Crystal plane of the protective layer A light emitting diode comprising a {111} -boron phosphide layer having stacked {111} crystal faces.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
[Boron phosphide compound semiconductor element]
The boron phosphide-based compound semiconductor element of the present invention has a heterogeneous junction structure composed of a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer, and the crystallinity of the group III nitride semiconductor layer and the boron phosphide layer. The structure is characteristic.
[0012]
Examples of the compound constituting the group III nitride semiconductor layer that forms the base of the boron phosphide layer include gallium nitride (GaN), aluminum nitride / gallium (Al X Ga 1-X Composition formula Al such as N: 0 ≦ X ≦ 1) X Ga Y In Z A compound represented by N (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1) is preferable. Further, in addition to nitrogen (N), other group V elements (for example, phosphorus (P), arsenic (As), etc.), for example, a composition formula Al X Ga Y In Z N Q M 1-Q A compound represented by (0 ≦ X, Y, Z ≦ 1, X + Y + Z = 1, 0 <Q ≦ 1, M is a Group V element other than nitrogen) is also suitable.
[0013]
In the boron phosphide-based compound semiconductor element of the present invention, the surface of the group III nitride semiconductor layer is a (0.0.0.1.) Crystal plane, and the boron phosphide layer is bonded to the crystal plane. It has been done. Further, in the present invention, the boron phosphide layer has {111} -phosphorus having {111} crystal planes stacked in parallel with the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer. It is a boron fluoride layer. By adopting such a configuration, a high-quality boron phosphide layer with few misfit dislocations and the like can be obtained.
This is because the {110} crystal lattice spacing (lattice spacing) of the boron phosphide monomer and the a-axis lattice constant of the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor Therefore, on the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer, a high-quality {111} -boron phosphide layer with few misfit dislocations caused by lattice mismatch is formed. This is because it can be grown.
For example, while the lattice spacing of monomeric boron phosphide crystal is 0.320 nm, the a-axis lattice constant of gallium nitride (GaN) is 0.318 nm, and the a-axis lattice constant of aluminum nitride (AlN) is (For the a-axis lattice constant, see Teramoto Satoshi, “Introduction to Semiconductor Devices”, first edition, Baifukan Co., Ltd., March 30, 1995, p. 28). Thus, the lattice mismatch between the a-axis lattice constant of the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor and the lattice spacing of the {110} crystal plane of boron phosphide is AlN is almost 2.8% even with AlN, and a high-quality boron phosphide layer can be grown on the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor.
[0014]
Based on FIG. 1, the present invention will be specifically described by taking up a case where the group III nitride semiconductor layer is made of a wurtzite crystal type gallium nitride single crystal. FIG. 1 is a plan view schematically showing the (0.0.0.1.) Crystal plane of a wurtzite crystal type gallium nitride single crystal and the state of arrangement of boron phosphide crystals formed thereon. is there.
The (0.0.0.1.) Crystal plane 1 of the gallium nitride single crystal is formed by densely arranging a large number of regular hexagonal unit cells (unitary plane crystal lattice) 1a in plan view. In the present invention, {111} crystals 2 (2a and 2b) of boron phosphide are stacked on the crystal plane 1 in parallel with the crystal plane 1, and a good lattice is obtained between gallium nitride and boron phosphide. Try to demonstrate matching.
The best lattice matching between gallium nitride and boron phosphide is that the <110> crystal orientation in the {111} crystal plane of boron phosphide is (0.0.0.1.) Of gallium nitride. [2. -1. -1.0. This is the case where the {111} crystal face of boron phosphide is arranged so as to be parallel to the crystal orientation. This is because the a-axis lattice constant in the (0.0.0.1.) Crystal plane 1 of gallium nitride (indicated by symbol a in FIG. 1) and {110} in the {111} crystal plane of boron phosphide. } This is because the lattice plane spacing is almost the same.
[0015]
In particular, [2. -1. -1.0] crystal orientation and [1. -1.0. ] Or [-1.1.0. When the {111} -crystals 2a and 2b of boron phosphide having a regular triangular shape in plan view are arranged so that the crystal orientations are parallel, an excellent quality {111} -boron phosphide layer can be obtained. it can. Here, [1. -1.0. ] Crystal orientation and [-1.1.0. The crystal orientations are directions different from each other by 180 ° in angle. In FIG. 1, [2. -1. -1.0] crystal orientation, and [1. -1.0. The boron phosphide crystal body 2a has a parallel relationship with the crystal orientation, and [2. -1. -1.0] crystal orientation, and [-1.1.0. It is the boron phosphide crystal body 2b that has a parallel relationship with the crystal orientation. Matching with the (0.0.0.1.) Crystal plane of gallium nitride by combining {111} -crystals 2a and 2b that have apexes 180 degrees different from each other and assembled together, a plane as a whole A {111} -boron phosphide crystal layer exhibiting a regular hexagonal shape can be formed.
[0016]
[Method of Manufacturing Boron Phosphide Compound Semiconductor Device]
The boron phosphide-based compound semiconductor device of the present invention described above includes, for example, a group III nitride semiconductor layer as a base, a boron-containing compound and a phosphorus-containing compound are supplied to a vapor phase growth region, and a specific condition is obtained by a vapor phase growth method. It can be produced by growing a boron phosphide layer underneath. Examples of the vapor phase growth method include a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method, a halogen VPE method, a hydride VPE method, and a molecular beam epitaxy (MBE) method.
[0017]
Here, the hexagonal group III nitride semiconductor crystal has a regular hexagonal unit cell shape that conforms to the shape of the regular hexagonal unit cell constituting the (0.0.0.1.) Crystal plane. In order to obtain a {111} boron phosphide crystal layer composed of a large number of {111} crystals arranged in a regular manner in a plan view, it is preferable to satisfy the following conditions (A) to (G).
[0018]
(A) When vapor-phase-growing the {111} -boron phosphide crystal layer, the surface of the underlying group III nitride semiconductor layer (eg, gallium nitride crystal layer) is (0.0.0.1.) It must be a single crystal plane composed of crystal planes.
[0019]
(B) The inclination angle of the (0.0.0.1.) Single crystal surface of the group III nitride semiconductor layer is within ± 5 ° with the (0.0.0.1.) Crystal plane as the horizontal plane. It is preferable that (0.0.0.1.) On the single crystal surface inclined more than 5 ° from the crystal plane, the distance between the arrangement of atoms constituting the crystal and the {110} lattice plane of the {111} -boron phosphide crystal Since the difference increases, it is difficult to stably form a {111} -boron phosphide crystal layer in which {111} -boron phosphide crystals having a regular triangular shape in plan view are regularly and regularly arranged as shown in FIG. It becomes.
[0020]
(C) In order to effectively function the boron phosphide crystal layer as an underlayer for vapor phase growth, it is preferable to maintain the surface of the group III nitride semiconductor layer in a composition that is almost stoichiometrically balanced. For example, when the group III nitride semiconductor layer is kept at a high temperature during the vapor phase growth of the boron phosphide crystal layer, the group V element constituting the group III nitride semiconductor layer is volatilized, and the group III nitride semiconductor layer In order to maintain a stoichiometrically balanced (0.0.0.1.) Crystal surface when the Group III element is richer than the Group V element on the surface of Group III nitride semiconductor layer is made of ammonia 3 ) And hydrazine (N 2 H 2 It is preferable to take measures such as raising the temperature in an atmosphere containing an excessive amount of nitrogen-containing compounds such as).
[0021]
(D) It is preferable to vapor-phase grow the boron phosphide crystal layer at a temperature of 750 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. If the film forming temperature (underlying temperature) is less than 750 ° C., it is difficult to stably obtain a {111} single crystal layer of boron phosphide. 13 P 2 It is difficult to stably obtain a monomeric boron phosphide due to the generation of boron phosphide multimers such as. When obtaining an n-type {111} -boron phosphide crystal layer, the film forming temperature is preferably 750 ° C. to about 1000 ° C. When obtaining a p-type {111} -boron phosphide crystal layer, The film forming temperature is preferably about 1000 ° C. to 1200 ° C.
[0022]
(E) The V / III ratio during vapor phase growth of the boron phosphide crystal layer is preferably 600 or more, and particularly preferably 1000 to 2000.
[0023]
(F) Before the vapor phase growth of the boron phosphide crystal layer, the source gas (boron-containing compound and phosphorus-containing compound) is passed through the vapor phase growth region in advance, and the surface of the portion in contact with the raw material gas in the vapor phase growth region It is preferable to form a film containing phosphorus and boron. The thickness of the coating is not particularly limited, but about 100 nm is sufficient.
[0024]
(G) When vapor-growing a boron phosphide crystal layer, a group III nitride semiconductor layer in which a boron-containing compound and a phosphorus-containing compound, which are source gases, are placed in the vapor phase growth region almost simultaneously in time It is preferably adjusted so as to reach the surface. The arrival time of the source gas to the group III nitride semiconductor layer can be adjusted by the flow rate of the carrier gas. The “carrier gas” is a gas that plays a role of transporting the raw material gas to the vapor phase growth region. 2 ) And nitrogen (N 2 ) And argon (Ar), and a mixed gas containing them. The allowable difference in the arrival time of the source gas is, for example, about 5 seconds when the {111} -boron phosphide crystal layer is vapor-phase grown at a growth rate of 50 nm / min. If the arrival times are almost the same but have a slight difference, the highly volatile Group V element material (phosphorus-containing compound) precedes the Group III element material (boron-containing compound) in terms of time. If the flow rate of the carrier gas is adjusted so as to reach the surface of the group III nitride semiconductor layer, the {111} -boron phosphide crystal layer is more easily formed.
[0025]
Whether or not the {111} -boron phosphide crystal layer having orientation is formed on the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer is determined by X-ray diffraction or electron beam. It can be determined from the diffraction image of the diffraction.
When the {111} -boron phosphide crystal layer is grown on the (0.0.0.1) crystal plane of the group III nitride semiconductor layer, the layer thickness of the {111} -boron phosphide crystal layer is particularly large Is a thin film layer of less than about 500 nm, the Bragg diffraction derived from the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor crystal and the {111} crystal plane of boron phosphide in the X-ray diffraction image A peak appears clearly.
In the electron diffraction pattern, the {111} crystal plane of the boron phosphide crystal layer is on a straight line connecting diffraction spots derived from the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer. Diffraction spots derived from. In addition, when the direction of the incident electron beam is <110>, {111} -boron phosphide crystal in which the direction of one vertex is different by 180 ° with respect to the angle, that is, bilaterally symmetric about the <110> crystal axis. From the oriented {111} -boron phosphide crystal, a reciprocal lattice image of the {110} crystal plane in a 180 ° inverted relationship is obtained.
[0026]
In the boron phosphide-based compound semiconductor device of the present invention, the boron phosphide crystal layer is vapor-phase grown with the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer as a base, and is regularly and regularly arranged. Since the {111} -boron phosphide crystal layer is provided, the effect of suppressing the propagation of dislocations from the underlayer is exhibited at a high level and stably. As a result, it is possible to provide a boron phosphide-based compound semiconductor element in which the boron phosphide crystal layer has a dislocation density smaller than that of the group III nitride semiconductor layer.
In particular, the [0.0.0.1.] Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer [2. -1. -1.0. The crystal orientation in which the crystal orientation is parallel to the <110> crystal orientation of the boron phosphide crystal layer matches well with the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer A {111} -boron phosphide crystal layer is obtained stably and is preferred.
[0027]
For example, the {111} -boron phosphide crystal layer provided on the (0.0.0.1.) Crystal plane of gallium nitride stops dislocation propagation from gallium nitride at the junction interface between the two layers. 1 × 10 3 / Cm 2 The crystal layer has the following low dislocation density. Such a low dislocation density boron phosphide crystal layer is characterized in that stacking faults and / or twinning are included in the <111> crystal orientation of boron phosphide. is there. It is thought that the dislocation density decreases as a result of stacking faults and twins absorbing dislocations.
[0028]
As described above, according to the present invention, the boron phosphide crystal layer can sufficiently and stably suppress the propagation of dislocations from the underlayer, so that the leakage current is small and good rectification characteristics can be expressed. A boron phosphide-based compound semiconductor device having excellent device characteristics can be provided.
In the boron phosphide-based compound semiconductor element of the present invention, the {111} -boron phosphide crystal layer having the above-described characteristics can be effectively used as a functional layer that can avoid a short circuit through dislocation of the element driving current. . For example, a low dislocation density {111} -boron phosphide crystal layer that forms a heterogeneous (hetero) junction with a group III nitride semiconductor layer is used to form an ohmic electrode that does not have a breakdown voltage failure due to a short circuit. It can be used as a contact layer. In addition, it can be used as a contact layer for forming a Schottky junction gate electrode in which short-circuit leakage of gate current is suppressed.
[0029]
【Example】
Next, examples according to the present invention will be described.
(Example)
As a boron phosphide-based compound semiconductor element of the present invention, a {111} -boron phosphide crystal layer is vapor-phase grown on the surface of a (0.0.0.1.)-Gallium nitride single crystal layer deposited on a sapphire substrate. Thus, a light emitting diode (LED) having a pn junction type double hetero (DH) junction structure was manufactured. A cross-sectional structure of the manufactured LED is schematically shown in FIG.
[0030]
First, on the surface of the sapphire substrate 101 having the (0.0.0.1.) Crystal plane as a surface, trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga) / Ammonia (NH 3 ) / Hydrogen (H 2 ) A lower cladding layer 102 made of an n-type (0.0.0.1.)-Gallium nitride (GaN) single crystal layer was formed at 1050 ° C. by a reaction system normal pressure (substantially atmospheric pressure) MOCVD method. The carrier concentration of the n-type gallium nitride crystal layer forming the lower cladding layer 102 is about 2 × 10 18 cm -3 The layer thickness was 3 μm.
[0031]
On the (0.0.0.1.) Crystal surface of the lower cladding layer 102, (CH 3 ) 3 Ga / trimethylindium ((CH 3 ) 3 In) / NH 3 / H 2 N-type (0.0.0.1.)-Gallium nitride indium (Ga) at 850 ° C. by a reaction system normal pressure (substantially atmospheric pressure) MOCVD method. 0.90 In 0.10 The light emitting layer 103 made of N) was vapor grown. The carrier concentration of the n-type gallium nitride / indium mixed crystal layer forming the light emitting layer 103 is about 8 × 10 17 cm -3 The layer thickness was about 50 nm.
[0032]
Indium raw material ((CH 3 ) 3 After the supply of In) is stopped and the growth of the light emitting layer 103 is terminated, (CH 3 ) 3 Ga and NH 3 And carrier gas H 2 At the same time, it was continuously distributed to the vapor phase growth region. Thus, a protective layer 104 made of an undoped, high-resistance (0.0.0.1.)-Gallium nitride layer was formed on the light-emitting layer 103. The protective layer 104 is a layer for preventing a decrease in light emission intensity of the light emitting layer 103. The carrier concentration of the protective layer 104 is about 5 × 10. 17 cm -3 The layer thickness was about 12 nm.
After completing the vapor phase growth of the protective layer 104, the temperature drop was started. Until the temperature is lowered to 600 ° C., ammonia continues to flow through the vapor phase growth region to prevent the volatilization of nitrogen from the (0.0.0.1.) Crystal surface of the protective layer 104. The stoichiometric composition can be maintained.
After cooling to room temperature, a laminate in which the lower clad layer 102, the light emitting layer 103, and the protective layer 104 were sequentially laminated on the substrate 101 was retracted from the vapor phase growth region into a chamber in which contact with the source gas was avoided. . While storing the laminate, hydrogen gas was allowed to flow through the chamber.
[0033]
While the laminate is retracted as described above, triethylboron ((C 2 H 5 ) 3 B) Hydrogen gas accompanied by vapor and phosphine (PH 3 ) To form a film containing boron and phosphorus on the inner wall of a quartz growth furnace in the vapor phase growth region. After a film having a thickness of about 1 μm was deposited at 1100 ° C., the temperature of the vapor phase growth region was lowered to a temperature near room temperature while flowing hydrogen gas.
[0034]
Thereafter, the stacked body that has been saved is returned to the vapor phase growth region, and ammonia (NH 3 ) And hydrogen (H 2 The temperature was raised from room temperature to 1025 ° C. in a mixed atmosphere. After temperature rise, NH 3 Of phosphine (PH) as a phosphorus raw material at the same time 3 ) And boron triethylboron ((C 2 H 5 ) 3 B) was simultaneously distributed to the vapor phase growth region. In order to cause the phosphorus raw material and the boron raw material to simultaneously reach the (0.0.0.1.) Crystal plane of the protective layer 104, PH 3 The flow rate of the hydrogen carrier gas for transporting the gas is 9 L / min, and (C 2 H 5 ) 3 The flow rate of the hydrogen carrier gas carrying the vapor of B) was 7 L / min. Thereby, on the (0.0.0.1.)-Gallium nitride (GaN) crystal surface of the protective layer 104, (C 2 H 5 ) 3 B / PH 3 / H 2 An upper cladding layer 105 made of an undoped p-type boron phosphide layer was formed by bonding using a reaction-type atmospheric pressure MOCVD method. V / III ratio (= PH) when growing the upper cladding layer 105 (boron phosphide layer) 3 / (C 2 H 5 ) 3 B concentration ratio) was 1000. The carrier concentration of the upper cladding layer 105 (boron phosphide layer) is 2 × 10 19 cm -3 The layer thickness was 500 nm.
As described above, a laminated body 200 in which the lower clad layer 102, the light emitting layer 103, the protective layer 104, and the upper clad layer 105 were sequentially laminated on the substrate 101 was obtained.
[0035]
When the cross-section TEM observation of the thin piece of the laminated body 200 was performed and the crystal structure of the boron phosphide layer forming the upper cladding layer 105 was observed, the (0.0.0.1.) Crystal surface of the protective layer 104 was found inside. On the other hand, twins (stacking faults) were observed to be present in the direction of 70 ° in angle, that is, along the <111> crystal orientation of boron phosphide.
[0036]
Further, FIG. 3 shows a copy of an electron diffraction pattern from the gallium nitride layer forming the protective layer 104 and the boron phosphide layer forming the upper cladding layer 105. In FIG. 3, the diffraction points from the boron phosphide crystal are indicated by ◯, and the diffraction points from gallium nitride are indicated by ●. The part where these marks overlap indicates that the diffraction points from both crystals appear at the same position.
As shown in the figure, the direction in which diffraction occurs on the (0.0.0.1.) Crystal plane of gallium nitride is parallel to the direction in which diffraction points on the {111} crystal plane of boron phosphide appear. It was confirmed that the {111} -crystal face of boron phosphide was stacked on the (0.0.0.1.) Crystal face of gallium nitride.
Further, the direction of the incident electron beam is changed to [2. -1. -1.0. ] When the crystal orientation is taken, a reciprocal lattice image of zincblende crystal-type boron phosphide appears from the <110> crystal direction of boron phosphide. From this, [0.0.0.1.] Of [2. -1. -1.0. The crystal orientation and the <110> crystal orientation of boron phosphide were shown to be parallel.
Further, since the reciprocal lattice images (rectangles c and d shown by broken lines in FIG. 3) viewed from the <110> crystal orientation of boron phosphide appear at positions rotated by 180 °, {111} -phosphorus It has been shown that the boron phosphide layer is composed of {111} -boron phosphide crystals whose orientations differ from each other by 180 °.
[0037]
The dislocation density of the upper cladding layer 105 made of a boron phosphide layer is 1 × 10 3 cm -3 Was less than. This occurs due to a lattice mismatch with the sapphire substrate 101, and dislocations propagated from the inside of the lower cladding layer 102 made of the n-type gallium nitride layer through the light emitting layer 103 and the protective layer 104 are boron phosphide. This is because it is blocked at the junction interface between the upper clad layer 105 made of a layer and the protective layer 104.
[0038]
After the above evaluation, a p-type ohmic electrode 106 having a diameter of 130 μm in a plan view and made of gold / beryllium alloy (Au 99 mass% · Be 1 mass%) was disposed at the center of the surface of the upper clad layer 105. On the other hand, the upper clad layer 105, the protective layer 104, and the light emitting layer 103 are partially removed to expose the lower clad layer 102 made of an n-type gallium nitride layer, and the n-type ohmic electrode 107 is disposed on the exposed surface. . The n-type ohmic electrode 107 was composed of a two-layer electrode having a lower layer made of titanium (Ti) and an upper layer made of aluminum (Al).
[0039]
As described above, a square pn junction type DH structure LED having a side of about 300 μm in a plan view was manufactured. The light emission characteristics when an operating current of 20 mA was passed in the forward direction between the p-type and n-type ohmic electrodes 106 and 107 of this LED were as follows.
(1) Luminous color: Blue purple
(2) Emission center wavelength: about 430 nm
(3) Luminance (chip state): about 7 mcd
(4) Forward voltage: about 3.6V
The reverse voltage when a current of 10 μA was passed in the reverse direction between the p-type and n-type ohmic electrodes 106 and 107 was 10V.
[0040]
In this embodiment, the upper clad layer 105 is formed as a protective layer 104 (0.0.0.1.)-A low resistance p-type {111} -phosphide regularly and regularly arranged on the gallium nitride crystal surface. Since it is composed of a boron layer, the device operating current can be diffused over a wide area of the light emitting layer 103. In addition, almost no occurrence of local breakdown (local breakdown) was observed through {111} -dislocations having a low dislocation density. For this reason, light emission luminescent spots due to short-circuit distribution of element operating current via dislocations are not generated sparsely, and from a near-field light emission image, light emission with uniform intensity is obtained from substantially the entire surface of the light emitting layer 103. It was confirmed that As described above, in this example, it was possible to obtain a short wavelength visible light emitting diode excellent in device characteristics, having excellent withstand voltage characteristics and uniform emission intensity.
[0041]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, there is provided a boron phosphide-based compound semiconductor device excellent in device characteristics in which propagation of misfit dislocations from the group III nitride semiconductor layer is sufficiently and stably suppressed. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the arrangement of {111} -boron phosphide crystals on the (0.0.0.1.) Crystal surface of a wurtzite crystal-type gallium nitride single crystal.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a pn junction type LED manufactured in an example according to the present invention.
FIG. 3 is a copy of an electron diffraction pattern from a (0.0.0.1.)-Gallium nitride / {111} -boron phosphide junction structure of a laminate obtained in an example according to the present invention. is there.
[Explanation of symbols]
1 (0.0.0.1) crystal plane of gallium nitride
2 {111} -Boron Phosphide Crystal
101 Sapphire substrate
102 Lower cladding layer
103 Light emitting layer
104 Protective layer
105 Upper cladding layer
106 p-type ohmic electrode
107 n-type ohmic electrode

Claims (9)

III族窒化物半導体層とリン化硼素層とからなる異種接合構造を備えたリン化硼素系化合物半導体素子において、
前記III族窒化物半導体層がウルツ鉱結晶型であり、前記III族窒化物半導体層の表面が(0.0.0.1.)結晶面であり、
前記リン化硼素層が、前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面上に該結晶面と平行に積重された{111}結晶面を有する{111}−リン化硼素層であり、前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位と、前記リン化硼素層の{111}結晶面の<110>結晶方位とが平行であることを特徴とするリン化硼素系化合物半導体素子。
In a boron phosphide-based compound semiconductor device having a heterogeneous junction structure composed of a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer,
The group III nitride semiconductor layer is a wurtzite crystal type, and the surface of the group III nitride semiconductor layer is a (0.0.0.1.) Crystal plane;
The boron phosphide layer has {111}-crystal planes stacked in parallel with the crystal plane on the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer. It is a boron phosphide layer , [2. -1. -1.0. A boron phosphide-based compound semiconductor device , wherein a crystal orientation and a <110> crystal orientation of a {111} crystal plane of the boron phosphide layer are parallel to each other .
前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位に平行な前記リン化硼素層の<110>結晶方位が2方位存在し、これらのなす角度が180°であることを特徴とする請求項1に記載のリン化硼素系化合物半導体素子。  The [2.0.0.] Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer [2. -1. -1.0. 2. The boron phosphide-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein there are two <110> crystal orientations of the boron phosphide layer parallel to the crystal orientation, and an angle formed by these two orientations is 180 °. . 前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位に平行な前記リン化硼素層の<110>結晶方位が[1.−1.0.]及び[−1.1.0.]であることを特徴とする請求項2に記載のリン化硼素系化合物半導体素子。  The [2.0.0.] Crystal plane of the group III nitride semiconductor layer [2. -1. -1.0. The <110> crystal orientation of the boron phosphide layer parallel to the crystal orientation is [1. -1.0. ] And [-1.1.0. The boron phosphide-based compound semiconductor device according to claim 2, wherein 前記III族窒化物半導体層が(0.0.0.1.)−窒化ガリウム層であり、前記リン化硼素層が<111>結晶方位に積層欠陥及び/または双晶を含む{111}−リン化硼素層であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のリン化硼素系化合物半導体素子。  The group III nitride semiconductor layer is a (0.0.0.1.)-Gallium nitride layer, and the boron phosphide layer includes a stacking fault and / or a twin crystal in the <111> crystal orientation. The boron phosphide-based compound semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the boron phosphide layer is a boron phosphide layer. 前記リン化硼素層が、前記III族窒化物半導体層より小さい転位密度を有することを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のリン化硼素系化合物半導体素子。  5. The boron phosphide-based compound semiconductor device according to claim 1, wherein the boron phosphide layer has a dislocation density smaller than that of the group III nitride semiconductor layer. III族窒化物半導体層とリン化硼素層とからなる異種接合構造を備えたリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法において、
表面が(0.0.0.1.)結晶面であるウルツ鉱結晶型のIII族窒化物半導体層を下地として、硼素含有化合物とリン含有化合物とを気相成長領域に供給し、前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面と平行に{111}結晶面を有する{111}−リン化硼素層を積重させ、なおかつ前記III族窒化物半導体層の(0.0.0.1.)結晶面の[2.−1.−1.0.]結晶方位に対して、前記リン化硼素層の{111}結晶面の<110>結晶方位が平行となるように気相成長させる工程を有することを特徴とするリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法。
In a method for manufacturing a boron phosphide-based compound semiconductor element having a heterogeneous junction structure comprising a group III nitride semiconductor layer and a boron phosphide layer,
A boron-containing compound and a phosphorus-containing compound are supplied to a vapor phase growth region using a wurtzite crystal group III nitride semiconductor layer having a (0.0.0.1.) Crystal plane as a base, and the III A {111} -boron phosphide layer having a {111} crystal plane parallel to the (0.0.0.1.) Crystal plane of the group nitride semiconductor layer is stacked; (0.0.0.1.) [2. -1. -1.0. A boron phosphide-based compound semiconductor device comprising a step of vapor-phase growth so that the <110> crystal orientation of the {111} crystal plane of the boron phosphide layer is parallel to the crystal orientation . Production method.
750℃以上1200℃以下の温度で、前記リン化硼素層を気相成長させることを特徴とする請求項6に記載のリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法。  The method for manufacturing a boron phosphide-based compound semiconductor device according to claim 6, wherein the boron phosphide layer is vapor-phase grown at a temperature of 750 ° C to 1200 ° C. 600以上のV/III比率で、前記リン化硼素層を気相成長させることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載のリン化硼素系化合物半導体素子の製造方法。  The method for manufacturing a boron phosphide-based compound semiconductor device according to claim 6 or 7, wherein the boron phosphide layer is vapor-phase grown at a V / III ratio of 600 or more. 下部クラッド層と、発光層と、該発光層を保護する保護層と、上部クラッド層とを順次積層してなる積層体を備えた発光ダイオードにおいて、
前記保護層が、表面を(0.0.0.1.)結晶面とするIII族窒化物半導体層からなり、かつ前記上部クラッド層が、前記保護層の(0.0.0.1.)結晶面上に該結晶面と積重に形成された{111}結晶面を有する{111}−リン化硼素層からなることを特徴とする発光ダイオード。
In a light emitting diode including a laminate formed by sequentially laminating a lower clad layer, a light emitting layer, a protective layer protecting the light emitting layer, and an upper clad layer,
The protective layer is composed of a group III nitride semiconductor layer having a (0.0.0.1.) Crystal plane on the surface, and the upper cladding layer is (0.0.0.1. (1) A light emitting diode comprising a {111} -boron phosphide layer having a {111} crystal plane formed on the crystal plane so as to be stacked on the crystal plane.
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