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JP4285337B2 - Method for producing gallium nitride compound semiconductor wafer - Google Patents
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JP4285337B2 - Method for producing gallium nitride compound semiconductor wafer - Google Patents

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Description

本発明は紫外、青色発光レーザーダイオード、紫外、青色発光ダイオード等の発光デバイスに利用される窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a gallium nitride compound semiconductor wafer used for light emitting devices such as ultraviolet, blue light emitting laser diode, ultraviolet, blue light emitting diode and the like.

青色発光素子は、II−VI族のZnSe、IV−IV族のSiC、III−V族のGaN等を用いて研究が進められ、最近、その中でも窒化ガリウム系化合物半導体〔InxAlYGa1-x-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)〕が、常温で、比較的優れた発光を示すことが発表され注目されている。その窒化物半導体を有する青色発光素子は、基本的に、サファイアよりなる基板の上に一般式がInXAlYGa1-X-YN(0≦X、0≦Y、X+Y≦1)で表される窒化物半導体のエピタキシャル層が順にn型およびi型、あるいはp型に積層された構造を有するものである。 Blue light-emitting elements have been studied using II-VI group ZnSe, IV-IV group SiC, III-V group GaN, and the like. Recently, among them, gallium nitride compound semiconductors [In x Al Y Ga 1 -xYN (0.ltoreq.X, 0.ltoreq.Y, X + Y.ltoreq.1 )] exhibits a relatively excellent light emission at room temperature and has attracted attention. The blue light-emitting element having the nitride semiconductor basically has a general formula of In X Al Y Ga 1-XY N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1) on a substrate made of sapphire. The represented nitride semiconductor epitaxial layer has a structure in which n-type and i-type or p-type layers are sequentially stacked.

窒化物半導体を積層する方法として、有機金属化合物気相成長法(以下MOCVD法という。)、分子線エピタキシー法(以下MBE法という。)等の気相成長法がよく知られている。例えば、MOCVD法を用いた方法について簡単に説明すると、この方法は、サファイア基板を設置した反応容器内に反応ガスとして有機金属化合物ガス{トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア等}を供給し、結晶成長温度をおよそ900℃〜1100℃の高温に保持して、基板上に窒化物半導体を成長させ、また必要に応じて他の不純物ガスを供給しながら窒化物半導体をn型、i型、あるいはp型に積層する方法である。基板にはサファイアの他にSiC、Si等もあるが一般的にはサファイアが用いられている。n型不純物としてはSi、Ge、Sn(但し、窒化物半導体の場合、n型不純物をドープしなくともn型になる性質がある。)が良く知られており、p型不純物としてはZn、Cd、Be、Mg、Ca、Ba等が挙げられるが、その中でもMg、Znが最もよく知られている。   As a method for stacking nitride semiconductors, vapor phase growth methods such as an organic metal compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as MOCVD method) and a molecular beam epitaxy method (hereinafter referred to as MBE method) are well known. For example, a method using the MOCVD method will be briefly described. In this method, an organic metal compound gas {trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), ammonia, etc.} is used as a reaction gas in a reaction vessel provided with a sapphire substrate. The crystal growth temperature is maintained at a high temperature of approximately 900 ° C. to 1100 ° C. to grow a nitride semiconductor on the substrate, and another impurity gas is supplied as necessary to make the nitride semiconductor an n-type. , I-type or p-type. In addition to sapphire, the substrate includes SiC, Si, etc., but sapphire is generally used. As n-type impurities, Si, Ge, Sn (however, in the case of a nitride semiconductor, there is a property of becoming n-type without doping n-type impurities), p-type impurities are Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Ba and the like can be mentioned, among which Mg and Zn are most well known.

また、MOCVD法による窒化物半導体の形成方法の一つとして、高温でサファイア基板上に直接窒化物半導体を成長させると、その表面状態、結晶性が著しく悪くなるため、高温で成長を行う前に、まず600℃前後の低温でAlNよりなるバッファ層を形成し、続いてバッファ層の上に、高温で成長を行うことにより、結晶性が格段に向上することが明らかにされている(特開平2−229476号公報)。また、本発明者は特願平3−89840号において、AlNをバッファ層とする従来の方法よりも、GaNをバッファ層とする方が優れた結晶性の窒化物半導体が積層できることを示した。   In addition, as one method of forming a nitride semiconductor by MOCVD, if a nitride semiconductor is grown directly on a sapphire substrate at a high temperature, its surface state and crystallinity will be significantly deteriorated. First, it has been clarified that the crystallinity is remarkably improved by forming a buffer layer made of AlN at a low temperature of about 600 ° C. and subsequently growing the buffer layer on the buffer layer at a high temperature (Japanese Patent Laid-Open No. 2-247676). In addition, in the Japanese Patent Application No. 3-89840, the present inventor has shown that a crystalline nitride semiconductor can be stacked by using GaN as a buffer layer better than the conventional method using AlN as a buffer layer.

しかしながら、窒化物半導体を有する青色発光デバイスは未だ実用化には至っていない。なぜなら、窒化物半導体が低抵抗なp型にできないため、ダブルヘテロ、シングルヘテロ等の数々の構造の発光素子ができないからである。気相成長法でp型不純物をドープした窒化物半導体を成長しても、得られた窒化物半導体はp型とはならず、抵抗率が108Ω・cm以上の高抵抗な半絶縁材料、すなわちi型となってしまうのが実状であった。このため現在、青色発光素子の構造は基板の上にバッファ層、n型層、その上にi型層を順に積層した、いわゆるMIS構造のものしか知られていない。 However, blue light emitting devices having nitride semiconductors have not yet been put into practical use. This is because a nitride semiconductor cannot be made into a p-type having a low resistance, and thus light emitting elements having a number of structures such as double hetero and single hetero cannot be formed. Even if a nitride semiconductor doped with a p-type impurity is grown by vapor phase epitaxy, the resulting nitride semiconductor does not become p-type and has a high resistance semi-insulating material with a resistivity of 10 8 Ω · cm or more. That is, the actual situation was i-type. For this reason, the structure of the blue light-emitting element is currently known only to have a so-called MIS structure in which a buffer layer, an n-type layer, and an i-type layer are sequentially stacked on a substrate.

高抵抗なi型を低抵抗化してp型に近づけるための手段として特開平2−257679号公報において、p型不純物としてMgをドープした高抵抗なi型窒化ガリウム化合物半導体を最上層に形成した後に、加速電圧6kV〜30kVの電子線をその表面に照射することにより、表面から約0.5μmの層を低抵抗化する技術が開示されている。しかしながら、この方法では電子線の侵入深さのみ、すなわち極表面しか低抵抗化できず、また電子線を走査しながらウエハー全体を照射しなければならないため面内均一に低抵抗化できないという問題があった。   In JP-A-2-257679, as a means for reducing the resistance of a high-resistance i-type and bringing it closer to the p-type, a high-resistance i-type gallium nitride compound semiconductor doped with Mg as a p-type impurity is formed in the uppermost layer. Later, a technique for reducing the resistance of a layer of about 0.5 μm from the surface by irradiating the surface with an electron beam having an acceleration voltage of 6 kV to 30 kV is disclosed. However, with this method, only the penetration depth of the electron beam, that is, only the extreme surface can be reduced in resistance, and the entire wafer must be irradiated while scanning the electron beam, so that the resistance cannot be reduced uniformly in the plane. there were.

従って本発明の目的は、p型不純物がドープされた窒化物半導体を低抵抗なp型とし、さらに膜厚によらず抵抗値がウエハー全体に均一であり、発光素子をダブルヘテロ、シングルヘテロ構造可能な構造とできるp−n接合を有する窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの製造方法を提供するものである。 Accordingly, an object of the present invention is to make a nitride semiconductor doped with a p-type impurity a p-type having a low resistance, and further, the resistance value is uniform over the entire wafer regardless of the film thickness. The present invention provides a method for manufacturing a gallium nitride compound semiconductor wafer having a pn junction that can have a possible structure.

本発明の窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの製造方法は、気相成長法により、基板上に、少なくともn型窒化ガリウム系化合物半導体層と、p型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた後、その上にさらに400℃以上で安定な材料からなるキャップ層を形成し、アニーリングしてp型不純物のドープされた窒化ガリウム系化合物半導体層の水素を除去して、p型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体を全面均一にp型の窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーとする
成長されたn型窒化ガリウム系化合物半導体層と、p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の全体を、その温度における窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上に加圧した雰囲気中でアニーリングすることにより、水素を熱的に解離してp型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層からp型不純物と結合している水素を出して深さ方向均一に低抵抗なp型窒化ガリウム系化合物半導体層とすることができる。
The method for producing a gallium nitride compound semiconductor wafer of the present invention grows at least an n-type gallium nitride compound semiconductor layer and a gallium nitride compound semiconductor layer doped with a p-type impurity on a substrate by vapor phase growth. After that, a cap layer made of a stable material at 400 ° C. or more is further formed thereon, and annealing is performed to remove hydrogen from the gallium nitride compound semiconductor layer doped with the p-type impurity. The doped gallium nitride compound semiconductor is uniformly formed as a p-type gallium nitride compound semiconductor wafer over the entire surface .
Annealing the grown n-type gallium nitride compound semiconductor layer and the entire gallium nitride compound semiconductor layer containing p-type impurities in an atmosphere pressurized above the decomposition pressure of the gallium nitride compound semiconductor at that temperature The p-type gallium nitride compound semiconductor layer has a low resistance uniformly in the depth direction by releasing hydrogen bonded to the p-type impurity from the gallium nitride compound semiconductor layer containing the p-type impurity by thermally dissociating hydrogen It can be.

アニーリング(Annealing:焼きなまし、熱処理)は、p型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層を成長した後、反応容器内で行ってもよいし、ウエハーを反応容器から取り出してアニーリング専用の装置で行ってもよい。アニーリング雰囲気は真空中、N2、He、Ne、Ar等の不活性ガス、またはこれらの混合ガス雰囲気中で行い、好ましくは、アニーリング温度における窒化ガリウム系化合物半導体の分解圧以上で加圧した窒素雰囲気中で行う。なぜなら、窒素雰囲気として加圧することにより、アニーリング中に、窒化ガリウム系化合物半導体中のNが分解して出て行くのを防止する作用があるからである。 Annealing (annealing: heat treatment) may be performed in a reaction vessel after growing a gallium nitride compound semiconductor layer doped with a p-type impurity, or the wafer is taken out of the reaction vessel and used in an annealing apparatus. May be. The annealing atmosphere is performed in a vacuum, an inert gas such as N 2 , He, Ne, or Ar, or a mixed gas atmosphere thereof, preferably nitrogen pressurized at a pressure higher than the decomposition pressure of the gallium nitride compound semiconductor at the annealing temperature Perform in an atmosphere. This is because pressurizing as a nitrogen atmosphere has an effect of preventing N in the gallium nitride compound semiconductor from decomposing and exiting during annealing.

例えばGaNの場合、GaNの分解圧は800℃で約0.01気圧、1000℃で約1気圧、1100℃で約10気圧程である。このため、窒化ガリウム系化合物半導体を400℃以上でアニーリングする際、多かれ少なかれ窒化ガリウム系化合物半導体の分解が発生し、その結晶性が悪くなる傾向にある。従って前記のように窒素で加圧することにより分解を防止できる。   For example, in the case of GaN, the decomposition pressure of GaN is about 0.01 atm at 800 ° C., about 1 atm at 1000 ° C., and about 10 atm at 1100 ° C. For this reason, when annealing a gallium nitride compound semiconductor at 400 ° C. or higher, the gallium nitride compound semiconductor is more or less decomposed and its crystallinity tends to deteriorate. Therefore, decomposition can be prevented by pressurizing with nitrogen as described above.

アニーリング温度は、たとえば、400℃以上、好ましくは700℃以上で、1分以上保持、好ましくは10分以上保持して行う。1000℃以上で行っても、前記したように窒素で加圧することにより分解を防止することができ、後に述べるように、安定して、結晶性の優れたp型窒化ガリウム系化合物半導体が得られる。   The annealing temperature is, for example, 400 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher, and held for 1 minute or longer, preferably 10 minutes or longer. Even if it is performed at 1000 ° C. or higher, decomposition can be prevented by pressurizing with nitrogen as described above, and a p-type gallium nitride compound semiconductor having excellent crystallinity can be obtained stably as described later. .

また、アニーリング中の、窒化ガリウム系化合物半導体の分解を抑える手段として、p型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層の上にさらにキャップ層を形成させたのち、アニーリングを行う。キャップ層とは、すなわち保護膜であって、それをp型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体の上に形成した後、400℃以上でアニーリングすることによって、加圧下はいうまでもなく、減圧、常圧中においても、窒化ガリウム系化合物半導体を分解させることなく低抵抗なp型とすることができる。   Further, as a means for suppressing decomposition of the gallium nitride compound semiconductor during annealing, a cap layer is further formed on the gallium nitride compound semiconductor layer doped with the p-type impurity, and then annealing is performed. The cap layer, that is, a protective film, is formed on a gallium nitride compound semiconductor doped with a p-type impurity, and then annealed at 400 ° C. or higher to reduce the pressure. Even under normal pressure, a low resistance p-type can be obtained without decomposing the gallium nitride compound semiconductor.

キャップ層を形成するには、p型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、続いて反応容器内で形成してもよいし、また、ウエハーを反応容器から取り出し、他の結晶成長装置、例えばプラズマCVD装置等で形成してもよい。キャップ層の材料としては、窒化ガリウム系化合物半導体の上に形成できる材料で、400℃以上で安定な材料であればどのようなものでもよく、好ましくはGaxAl1-XN(但し0≦X≦1)、Si34、SiO2を挙げることができ、アニーリング温度により材料の種類を適宜選択する。また、キャップ層の膜厚は通常0.01〜5μmの厚さで形成する。0.01μmより薄いと保護膜としての効果が十分に得られず、また5μmよりも厚いと、アニーリング後、キャップ層をエッチングにより取り除き、p型窒化ガリウム系化合物半導体層を露出させるのに手間がかかるため、経済的ではない。 In order to form the cap layer, after forming a gallium nitride compound semiconductor layer doped with a p-type impurity, it may be subsequently formed in a reaction vessel, or the wafer is taken out of the reaction vessel and another crystal is formed. You may form with a growth apparatus, for example, a plasma CVD apparatus. The material of the cap layer may be any material that can be formed on a gallium nitride compound semiconductor and is stable at 400 ° C. or higher, and preferably Ga x Al 1-X N (where 0 ≦ X ≦ 1), Si 3 N 4, SiO 2 can be cited, appropriately selecting the type of the material by annealing temperature. The cap layer is usually formed with a thickness of 0.01 to 5 μm. If the thickness is less than 0.01 μm, the effect as a protective film cannot be sufficiently obtained. If the thickness is more than 5 μm, it takes time to remove the cap layer by etching after annealing and expose the p-type gallium nitride compound semiconductor layer. Therefore, it is not economical.

本発明は、下記の極めて優れた特長を実現する。
(1) これまで、p型不純物をドープしても、低抵抗なp型層にするのが極めて難しかった窒化ガリウム系化合物半導体層を、アニーリングして低抵抗なp型窒化ガリウム系化合物半導体にできる。このため、アニーリングするときに、p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層から除去される水素を速やかに除去できる。p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層から除去される水素が、基板とn型窒化ガリウム系化合物半導体層とを透過することなく除去されるからである。
本発明は、基板にn型窒化ガリウム系化合物半導体層とp型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層とを成長させた後、これをアニーリングするという極めて簡単な方法で、p型不純物を含む層をp型化して、極めて低コストに、優れた発光特性の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を多量生産できる特長がある。
(2) 本発明は、p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の全面を均一に能率よくp型化できる特長がある。p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層のアニーリングは、層体を均一に加熱してp型化させる。
p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の全体を均一にp型化できることは、半導体ウエハーを製作するときに極めて大切なことである。それは、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、大きな、ウエハーを製作し、これを小さく切断して窒化ガリウム系化合物半導体発光素子のチップを製作するので、窒化ガリウム系化合物半導体層が均一にp型化されていないと、製作されたチップの歩留が著しく低下してしまうからである。
(3) p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層が、深くp型化されて、全体としてより均一にp型化されて、優れた発光特性を実現する。
これに対して、p型不純物を含む半導体層を、電子ビームでp型化している従来の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は、p型不純物を含む半導体層を最上層とし、しかも、その極表面しかp型化して低抵抗化されていない。加速された電子ビームを深く打ち込むことができないからである。
本発明は、p型不純物の含まれる窒化ガリウム系化合物半導体層の全体を、アニーリングにより加熱して、p型化しているので、p型不純物を含む窒化ガリウム系化合物半導体層の全体が加熱されてより均一にp型化されて、極めて高輝度な発光素子を実現できる。
The present invention achieves the following excellent features.
(1) A gallium nitride compound semiconductor layer that has been extremely difficult to form into a low-resistance p-type layer even if doped with a p-type impurity until now is annealed into a low-resistance p-type gallium nitride compound semiconductor. it can. For this reason, when annealing, the hydrogen removed from the gallium nitride compound semiconductor layer containing the p-type impurity can be quickly removed. This is because hydrogen removed from the gallium nitride compound semiconductor layer containing the p-type impurity is removed without passing through the substrate and the n-type gallium nitride compound semiconductor layer.
In the present invention, an n-type gallium nitride compound semiconductor layer and a gallium nitride compound semiconductor layer doped with a p-type impurity are grown on a substrate and then annealed. The p-type layer is advantageous in that mass production of gallium nitride compound semiconductor light emitting devices having excellent light emission characteristics can be achieved at extremely low cost.
(2) The present invention is characterized in that the entire surface of a gallium nitride compound semiconductor layer containing p-type impurities can be uniformly and efficiently converted to p-type. In annealing the gallium nitride compound semiconductor layer containing the p-type impurity, the layer body is uniformly heated to be p-type.
The ability to uniformly convert the entire gallium nitride compound semiconductor layer containing p-type impurities into p-type is extremely important when manufacturing a semiconductor wafer. The gallium nitride compound semiconductor light emitting device is a large wafer, and is cut into small pieces to produce a chip of the gallium nitride compound semiconductor light emitting device so that the gallium nitride compound semiconductor layer is uniformly p-type. Otherwise, the yield of manufactured chips will be significantly reduced.
(3) The gallium nitride compound semiconductor layer containing the p-type impurity is deeply p-typed to be more uniformly p-type as a whole, thereby realizing excellent light emission characteristics.
On the other hand, a conventional gallium nitride compound semiconductor light emitting device in which a semiconductor layer containing a p-type impurity is converted to a p-type by an electron beam has a semiconductor layer containing a p-type impurity as the uppermost layer, and its extreme surface. However, the p-type has not been reduced in resistance. This is because the accelerated electron beam cannot be driven deeply.
In the present invention, since the entire gallium nitride compound semiconductor layer containing the p-type impurity is heated to p-type by annealing, the entire gallium nitride compound semiconductor layer containing the p-type impurity is heated. It is possible to realize a light emitting element that is more uniformly p-type and extremely bright.

作用Action

図1は、p型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層がアニーリングによって低抵抗なp型に変わることを示す図である。ただし、この図は、MOCVD法を用いて、サファイア基板上にまずGaNバッファ層を形成し、その上にp型不純物としてMgをドープしながらGaN層を4μmの膜厚で形成した後、ウエハーを取り出し、温度を変化させて窒素雰囲気中でアニーリングを10分間行った後、ウエハーのホール測定を行い、抵抗率をアニーリング温度の関数としてプロットした図である。   FIG. 1 is a diagram showing that a gallium nitride compound semiconductor layer doped with a p-type impurity is changed to a low-resistance p-type by annealing. In this figure, however, the MOCVD method is used to first form a GaN buffer layer on a sapphire substrate, and then form a GaN layer with a film thickness of 4 μm while doping Mg as a p-type impurity on the sapphire substrate. FIG. 5 is a diagram in which after taking out and annealing in a nitrogen atmosphere while changing the temperature for 10 minutes, hole measurement of the wafer was performed, and resistivity was plotted as a function of annealing temperature.

この図からわかるように、アニーリング時間を10分に設定すると、400℃を越えるあたりから急激にMgをドープしたGaN層の抵抗率が減少し、700℃以上からはほぼ一定の低抵抗なP型特性を示し、アニーリングの効果が現れている。なお、アニーリングしないGaN層と700℃以上でアニーリングしたGaN層のホール測定結果は、アニーリング前のGaN層は抵抗率2×105Ω・cm、ホールキャリア濃度8×1010/cm3であったのに対し、アニーリング後のGaN層は抵抗率2Ω・cm、ホールキャリア濃度2×1017/cm3であった。 As can be seen from this figure, when the annealing time is set to 10 minutes, the resistivity of the Mg-doped GaN layer suddenly decreases from around 400 ° C., and the P-type has a substantially constant low resistance from 700 ° C. or higher. The characteristic is shown and the effect of annealing appears. As a result of hole measurement of the GaN layer not annealed and the GaN layer annealed at 700 ° C. or more, the resistivity of the GaN layer before annealing was 2 × 10 5 Ω · cm and the hole carrier concentration was 8 × 10 10 / cm 3 . In contrast, the annealed GaN layer had a resistivity of 2 Ω · cm and a hole carrier concentration of 2 × 10 17 / cm 3 .

さらに、700℃でアニーリングした上記4μmのGaN層をエッチングして2μmの厚さにし、ホール測定を行った結果、ホールキャリア濃度2×1017/cm3、抵抗率3Ω・cmであり、エッチング前とほぼ同一の値であった。すなわちP型不純物をドープしたGaN層がアニーリングによって、深さ方向均一に全領域にわたって低抵抗なp型となっていた。 Further, the 4 μm GaN layer annealed at 700 ° C. was etched to a thickness of 2 μm, and hole measurement was performed. As a result, the hole carrier concentration was 2 × 10 17 / cm 3 and the resistivity was 3 Ω · cm. And almost the same value. In other words, the GaN layer doped with the P-type impurity has been p-type with low resistance over the entire region uniformly in the depth direction by annealing.

また、図2は、同じくMOCVD法を用いて、サファイア基板上にGaNバッファ層とMgをドープした4μmのGaN層を形成したウエハーを用い、1000℃で窒素雰囲気中20分間のアニーリングを行い、20気圧の加圧下で行ったウエハー(a)と、大気圧で行ったウエハー(b)のp型GaN層にそれぞれHe−Cdレーザーを励起光源として照射し、そのフォトルミネッセンス強度で結晶性を比較して示す図であり、そのフォトルミネッセンスの450nmにおける青色発光強度が強いほど、結晶性が優れていると評価することができる。   Also, FIG. 2 shows that the MOCVD method is used, and a wafer in which a GaN buffer layer and a 4 μm GaN layer doped with Mg are formed on a sapphire substrate is annealed in a nitrogen atmosphere at 1000 ° C. for 20 minutes. The p-type GaN layers of the wafer (a) performed under atmospheric pressure and the wafer (b) performed at atmospheric pressure are irradiated with He—Cd laser as an excitation light source, respectively, and the crystallinity is compared with the photoluminescence intensity. It can be evaluated that the higher the blue emission intensity at 450 nm of the photoluminescence, the better the crystallinity.

図2に示すように、1000℃以上の高温でアニーリングを行った場合、GaN層が熱分解することにより、その結晶性が悪くなる傾向にあるが、加圧することにより熱分解を防止でき、優れた結晶性のp型GaN層が得られる。   As shown in FIG. 2, when annealing is performed at a high temperature of 1000 ° C. or higher, the GaN layer tends to be thermally decomposed, so that its crystallinity tends to be deteriorated. A crystalline p-type GaN layer is obtained.

また、図3は、同じくサファイア基板上にGaNバッファ層とMgをドープした4μmのGaN層を形成したウエハー(c)と、さらにその上にキャップ層としてAlN層を0.5μmの膜厚で成長させたウエハー(d)とを、今度は大気圧中において、1000℃、窒素雰囲気で20分間のアニーリングを行った後、エッチングによりキャップ層を取り除いて露出させたp型GaN層の結晶性を、同じくフォトルミネッセンス強度で比較して示す図である。   FIG. 3 also shows a wafer (c) in which a GaN buffer layer and a 4 μm GaN layer doped with Mg are formed on a sapphire substrate, and an AlN layer as a cap layer is further grown thereon to a thickness of 0.5 μm. The annealed wafer (d) is now subjected to annealing at 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere at atmospheric pressure for 20 minutes, and then the crystallinity of the p-type GaN layer exposed by removing the cap layer by etching is determined. It is a figure similarly shown in comparison with photoluminescence intensity.

図3に示すように、キャップ層を成長させずにアニーリングを行ったp型GaN層(c)は高温でのアニーリングになるとp型GaN層の分解が進むため、450nmでの発光強度は弱くなってしまう。しかし、キャップ層(この場合AlN)を成長させることにより、キャップ層のAlNは分解するがp型GaN層は分解しないため、発光強度は依然強いままである。   As shown in FIG. 3, the p-type GaN layer (c) that has been annealed without growing the cap layer undergoes decomposition at a high temperature, so that the decomposition of the p-type GaN layer proceeds, and the emission intensity at 450 nm becomes weak. End up. However, by growing the cap layer (in this case, AlN), the AlN of the cap layer is decomposed but the p-type GaN layer is not decomposed, so that the emission intensity remains strong.

アニーリングにより低抵抗なp型窒化ガリウム系化合物半導体が得られる理由は以下のとおりであると推察される。   The reason why a low-resistance p-type gallium nitride compound semiconductor can be obtained by annealing is presumed as follows.

すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体層の成長において、N源として、一般にNH3が用いられており、成長中にこのNH3が分解して原子状水素ができると考えられる。この原子状水素がアクセプター不純物としてドープされたMg、Zn等と結合することにより、Mg、Zn等のp型不純物がアクセプターとして働くのを妨げていると考えられる。このため、反応後のp型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体は高抵抗を示す。 That is, in the growth of the gallium nitride compound semiconductor layer, NH 3 is generally used as the N source, and it is considered that this NH 3 is decomposed during the growth to generate atomic hydrogen. It is considered that this atomic hydrogen is bonded to Mg, Zn, etc. doped as acceptor impurities, thereby preventing p-type impurities such as Mg, Zn from acting as acceptors. For this reason, the gallium nitride compound semiconductor doped with the p-type impurity after the reaction exhibits high resistance.

ところが、成長後アニーリングを行うことにより、Mg−H、Zn−H等の形で結合している水素が熱的に解離されて、p型不純物をドープした窒化ガリウム系化合物半導体層から出て行き、正常にp型不純物がアクセプターとして働くようになるため、低抵抗なp型窒化ガリウム系化合物半導体が得られるのである。従って、アニーリング雰囲気中にNH3、H2等の水素原子を含むガスを使用することは好ましくない。また、キャップ層においても、水素原子を含む材料を使用することは以上の理由で好ましくない。なお、本発明において、p型不純物の含まれる窒化ガリウム系化合物半導体から除去される水素とは、必ずしも水素が全て除去されるのではなく、一部の水素が除去されることも、本発明の範囲内であることは言うまでもない。 However, by annealing after the growth, hydrogen bonded in the form of Mg—H, Zn—H, etc. is thermally dissociated and leaves the gallium nitride compound semiconductor layer doped with p-type impurities. Since p-type impurities normally function as acceptors, a low-resistance p-type gallium nitride compound semiconductor can be obtained. Therefore, it is not preferable to use a gas containing hydrogen atoms such as NH 3 and H 2 in the annealing atmosphere. Also, in the cap layer, it is not preferable to use a material containing hydrogen atoms for the above reasons. In the present invention, hydrogen removed from a gallium nitride compound semiconductor containing a p-type impurity does not necessarily remove all hydrogen but also removes part of hydrogen. Needless to say, it is within the range.

以下実施例で本発明を詳述する。ただし、以下の参考例1はキャップ層を設けていない発光素子の製造を例示するが、この参考例で製造される発光素子に、[0012]と[0013]に示す方法でキャップ層を設けることができる。
参考例1]
まず良く洗浄したサファイア基板を反応容器内のサセプターに設置する。容器内を真空排気した後、水素ガスを流しながら基板を1050℃で、20分間加熱し、表面の酸化物を除去する。その後、温度を510℃にまで冷却し、510℃においてGa源としてTMGガスを27×10-6モル/分、N源としてアンモニアガスを4.0リットル/分、キャリアガスとして水素ガスを2.0リットル/分で流しながら、GaNバッファ層を200オングストロームの膜厚で成長させる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the following Reference Example 1 illustrates the manufacture of a light emitting device without a cap layer, but the cap layer is provided by the method shown in [0012] and [0013] on the light emitting device manufactured in this Reference Example. Can do.
[ Reference Example 1]
First, a well-washed sapphire substrate is placed on the susceptor in the reaction vessel. After evacuating the inside of the container, the substrate is heated at 1050 ° C. for 20 minutes while flowing hydrogen gas to remove oxides on the surface. Thereafter, the temperature was cooled to 510 ° C., and at 510 ° C., TMG gas as a Ga source was 27 × 10 −6 mol / min, ammonia gas as an N source was 4.0 liter / min, and hydrogen gas was used as a carrier gas. A GaN buffer layer is grown to a thickness of 200 Å while flowing at 0 liter / min.

次にTMGガスのみを止め、温度を1030℃にまで上昇させた後、再びTMGガスを54×10-6モル/分と、新たにSiH4(モノシラン)ガスを2.2×10-10モル/分で流しながら60分間成長させて、Siがドープされたn型GaN層を4μmの膜厚で成長する。 Next, after stopping only TMG gas and raising the temperature to 1030 ° C., TMG gas was again 54 × 10 −6 mol / min, and SiH 4 (monosilane) gas was newly added to 2.2 × 10 −10 mol. The n-type GaN layer doped with Si is grown to a thickness of 4 μm by growing for 60 minutes while flowing at a rate of / min.

続いてSiH4ガスを止め、Cp2Mgガスを3.6×10-6モル/分で流しながら30分間成長させて、MgドープGaN層を2.0μmの厚さで成長させる。 Subsequently, the SiH4 gas is stopped, and the Mg-doped GaN layer is grown to a thickness of 2.0 μm by growing for 30 minutes while flowing Cp 2 Mg gas at 3.6 × 10 −6 mol / min.

TMGガス、Cp2Mgガスを止め、水素ガスとアンモニアガスを流しながら、室温まで冷却した後、反応容器内に流れるガスを窒素ガスに置換し、窒素ガスを流しながら反応容器内の温度を1000℃まで上昇させ、反応容器内で20分間保持してアニーリングを行う。 After stopping TMG gas and Cp 2 Mg gas and flowing hydrogen gas and ammonia gas and cooling to room temperature, the gas flowing in the reaction vessel is replaced with nitrogen gas, and the temperature in the reaction vessel is changed to 1000 while flowing nitrogen gas. The temperature is raised to 0 ° C. and kept in the reaction vessel for 20 minutes for annealing.

このようにして得られた素子を発光ダイオードにして発光させたところ430nm付近に発光ピークを持つ青色発光を示し、発光出力は20mAで50μWであり、順方向電圧は同じく20mAで4Vであった。またアニーリングを行わず同様の構造の素子を作製し発光ダイオードとしたところ、20mAにおいてわずかに黄色に発光し、すぐにダイオードが壊れてしまった。   When the device thus obtained was made to emit light as a light emitting diode, it showed blue light emission having an emission peak near 430 nm, the light emission output was 50 μW at 20 mA, and the forward voltage was also 4 V at 20 mA. Further, when an element having a similar structure was fabricated without performing annealing and a light emitting diode was formed, the light emitted slightly yellow at 20 mA, and the diode was immediately broken.

本発明の一実施例に係るアニーリング温度と、抵抗率の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the annealing temperature and resistivity which concern on one Example of this invention. 本発明の一実施例に係るp型GaN層の結晶性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。The figure which compares the crystallinity of the p-type GaN layer which concerns on one Example of this invention with photoluminescence intensity | strength. 本発明の一実施例に係るp型GaN層の結晶性をフォトルミネッセンス強度で比較して示す図。The figure which compares the crystallinity of the p-type GaN layer which concerns on one Example of this invention with photoluminescence intensity | strength.

Claims (3)

気相成長法により、基板上に、少なくともn型窒化ガリウム系化合物半導体層と、p型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた後、その上にさらに400℃以上で安定な材料からなるキャップ層を形成し、アニーリングして前記p型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体層の水素を除去して、前記p型不純物がドープされた窒化ガリウム系化合物半導体を全面均一にp型の窒化ガリウム系化合物半導体とする窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの製造方法。 After growing at least an n-type gallium nitride compound semiconductor layer and a p-type impurity-doped gallium nitride compound semiconductor layer on a substrate by vapor phase growth, it is further stable at 400 ° C. or higher. A cap layer made of a material is formed, annealed to remove hydrogen from the gallium nitride compound semiconductor layer doped with the p-type impurity, and the gallium nitride compound semiconductor doped with the p-type impurity is made uniform over the entire surface. A method of manufacturing a gallium nitride compound semiconductor wafer which is a p-type gallium nitride compound semiconductor. 前記キャップ層の膜厚は、0.01〜5μmである請求項1記載の窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの製造方法。 2. The method for producing a gallium nitride compound semiconductor wafer according to claim 1, wherein the cap layer has a thickness of 0.01 to 5 μm. 前記アニーリングは、400℃以上で行う請求項1記載の窒化ガリウム系化合物半導体ウエハーの製造方法。 2. The method for producing a gallium nitride compound semiconductor wafer according to claim 1, wherein the annealing is performed at 400 ° C. or higher.
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