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JP4304497B2 - Semiconductor element - Google Patents
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JP4304497B2 - Semiconductor element - Google Patents

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JP4304497B2 JP2004247425A JP2004247425A JP4304497B2 JP 4304497 B2 JP4304497 B2 JP 4304497B2 JP 2004247425 A JP2004247425 A JP 2004247425A JP 2004247425 A JP2004247425 A JP 2004247425A JP 4304497 B2 JP4304497 B2 JP 4304497B2
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Description

本発明は、紫外や青色の発光ダイオードや半導体レーザなどとして実現される半導体素子に関し、詳しくは基板上にバッファ層を形成して、その上に高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層を結晶成長させる方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor element which is implemented as a like ultraviolet or blue light emitting diodes and semiconductor lasers, and more particularly to forming a buffer layer on a substrate, the crystal quality gallium nitride-based compound semiconductor layer thereon It relates to the method of growing.

近年、青色光を得ることができる窒化ガリウム系化合物半導体層を有する半導体素子が注目されている。その窒化ガリウム系化合物半導体層は、従来から、気相堆積法や気相成長法によって、基板上に結晶成長されている。ところが、窒化ガリウムの単結晶を得ることが困難であることから、前記基板としてはサファイアなどの異種基板が用いられている。この場合、基板と窒化ガリウム系化合物半導体層との格子定数が異なるので、成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層中には格子欠陥や応力が発生する。これらを緩和するために、基板上にはバッファ層と呼ばれる層が設けられている。このバッファ層の構造や成長方法としては、たとえば特許文献1や特許文献2および特許文献3や特許文献4が知られている。   In recent years, a semiconductor element having a gallium nitride compound semiconductor layer capable of obtaining blue light has attracted attention. Conventionally, the gallium nitride compound semiconductor layer has been crystal-grown on a substrate by vapor deposition or vapor deposition. However, since it is difficult to obtain a single crystal of gallium nitride, a heterogeneous substrate such as sapphire is used as the substrate. In this case, since the lattice constants of the substrate and the gallium nitride compound semiconductor layer are different, lattice defects and stress are generated in the grown gallium nitride compound semiconductor layer. In order to alleviate these problems, a layer called a buffer layer is provided on the substrate. As the structure and growth method of this buffer layer, for example, Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4 are known.

特許文献1は、サファイア基板上に形成するバッファ層の構造と結晶成長方法に関する特許であり、バッファ層としてAlx1Ga1−x1N(0.5≦x1≦1)を窒化ガリウム系化合物半導体層の成長温度より低い温度条件にて、0.2μm以下の厚さでサファイア基板上に形成し、さらに低温によって成された多結晶を温度を上昇することで部分的に単結晶として、それを種結晶とし、その上にSiまたはMgをドープした窒化ガリウム化合物半導体を成長させることで、発光素子をサファイア基板上に形成している。 Patent Document 1 relates to a structure of a buffer layer formed on a sapphire substrate and a crystal growth method, and Al x1 Ga 1-x1 N (0.5 ≦ x1 ≦ 1) is used as the buffer layer. It is formed on a sapphire substrate with a thickness of 0.2 μm or less under a temperature condition lower than the growth temperature of the substrate, and a polycrystalline formed by low temperature is partially raised as a single crystal by raising the temperature. A light emitting element is formed on the sapphire substrate by growing a gallium nitride compound semiconductor doped with Si or Mg on the crystal.

また、特許文献3や特許文献4は、サファイア基板上の窒化ガリウム系化合物発光素子の結晶成長方法に関する特許であって、n型窒化ガリウム層とサファイア基板との間にバッファ層を形成しており、バッファ層はAlNとし、400〜600℃の間または500℃以下の温度にて結晶成長を行い、厚みを100〜1000Åとしている。   Patent Documents 3 and 4 are patents relating to a crystal growth method of a gallium nitride compound light-emitting element on a sapphire substrate, in which a buffer layer is formed between the n-type gallium nitride layer and the sapphire substrate. The buffer layer is made of AlN, and crystal growth is performed at a temperature between 400 to 600 ° C. or 500 ° C. or less, and the thickness is made 100 to 1000 mm.

これらの従来例に係る半導体発光素子は、サファイアを支持基板としてその上にバッファ層を介してSiをはじめとするn型ドーパントを含むn型窒化ガリウム系化合物半導体層がコンタクト層として積層され、さらに発光接合層(活性層)を有する発光層、その上にMgなどのp型ドーパントを含むp型窒化ガリウム系化合物半導体層とコンタクト層とが順次積層された構造を有している。そして、前記発光層は、III族窒化物半導体から成るn型クラッド層とp型クラッド層とが下位と上位に配されており、これらの境界に発光接合部が形成されている。前記発光層中においては、発光接合層にてホールと電子が結合し、発光層のバンドギャップエネルギーによって決定された波長の光を放出する。
特許第3257498号公報 特許第3257344号公報 特許第3140751号公報 特許第3026087号公報
In the semiconductor light emitting devices according to these conventional examples, an n-type gallium nitride compound semiconductor layer containing n-type dopants including Si is stacked as a contact layer on a sapphire as a supporting substrate, and a buffer layer is further formed thereon. A light emitting layer having a light emitting junction layer (active layer), a p-type gallium nitride compound semiconductor layer containing a p-type dopant such as Mg, and a contact layer are sequentially stacked thereon. In the light emitting layer, an n-type clad layer and a p-type clad layer made of a group III nitride semiconductor are arranged on the lower and upper sides, and a light emitting junction is formed at the boundary between them. In the light emitting layer, holes and electrons are combined in the light emitting bonding layer, and light having a wavelength determined by the band gap energy of the light emitting layer is emitted.
Japanese Patent No. 3257498 Japanese Patent No. 3257344 Japanese Patent No. 3140751 Japanese Patent No. 3026087

上述の従来技術では、前記バッファ層として、特許文献1や2ではGaNが用いられ、特許文献3や4ではAlNが用いられ、いずれもそれらを低温で成長させることで、結晶を横(面)方向に成長させ、欠陥部分を接合し、前記格子欠陥を抑えようとするものである。しかしながら、そのようなGaNやAlNのみのバッファ層の場合、バッファ層上にエピ層を積層させるためには、100nm程度の厚い膜厚が必要になる。したがって、成膜に時間がかかるとともに、膜厚が厚くなると、バッファ層自身の残留応力が影響して、前記格子欠陥が半導体素子の厚み方向に延びてゆく貫通転移(クラック)が発生したり、ピエゾ効果による発光シフトが発生し、発光効率が低下するという問題がある。   In the above-described prior art, GaN is used as the buffer layer in Patent Documents 1 and 2, and AlN is used in Patent Documents 3 and 4, both of which are grown at a low temperature so that the crystal is lateral (plane). It is intended to suppress the lattice defects by growing in the direction and joining the defective portions. However, in the case of such a buffer layer of only GaN or AlN, a thick film thickness of about 100 nm is required in order to stack an epi layer on the buffer layer. Therefore, it takes time to form a film, and when the film thickness increases, the residual stress of the buffer layer itself affects, and the lattice defect occurs in the thickness direction of the semiconductor element. There is a problem that light emission shift due to the piezo effect occurs and the light emission efficiency is lowered.

本発明の目的は、基板上に成長させる窒化ガリウム系半導体層の結晶性を向上させることができる半導体素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor element capable of improving the crystallinity of the grown gallium nitride-based semiconductor layer on a substrate.

本発明の半導体素子は、基板上に、バッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る半導体素子において、前記バッファ層は、窒化アルミニウムと窒化ガリウムとを交互に積層して成り、かつ前記窒化アルミニウムと窒化ガリウムとのそれぞれの総膜厚を、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が小さい場合には窒化アルミニウム>窒化ガリウムの関係とし、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が大きい場合には窒化アルミニウム<窒化ガリウムの関係とすることを特徴とする。 The semiconductor device of the present invention, on a substrate, a semiconductor element formed by stacking a gallium nitride-based compound semiconductor layer through the buffer layer, the buffer layer, Ri formed by laminating the aluminum nitride and gallium nitride alternately In the case where the thermal expansion coefficient of the substrate is smaller than that of aluminum nitride, the total film thickness of each of the aluminum nitride and gallium nitride is aluminum nitride> gallium nitride, and the thermal expansion coefficient of the substrate is higher than that of aluminum nitride. wherein the relationship and to Rukoto aluminum nitride <gallium nitride is greater.

上記の構成によれば、紫外や青色の発光ダイオードや半導体レーザなどとして実現され、サファイア(Al)、Si、SiCなどの基板上に、格子定数の差を緩和するためのバッファ層を介して、AlGa1−xN(0≦x<1)などの窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る半導体素子において、前記バッファ層を、窒化アルミニウム(AlN)と窒化ガリウム(GaN)とを交互に積層して形成する。 According to the arrangement, be realized as such an ultraviolet or blue light-emitting diode or a semiconductor laser, a sapphire (Al 2 O 3), Si , on a substrate such as SiC, a buffer layer for relaxing the difference in lattice constant In the semiconductor element formed by stacking gallium nitride compound semiconductor layers such as Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1), the buffer layer is made of aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN). Are alternately stacked.

したがって、積層に伴う格子欠陥によるクラックが窒化アルミニウム層に生じ、前記格子欠陥がそれ以上に伸びてゆくことを抑えることができ、前記格子欠陥が半導体素子の厚み方向に延びてゆく貫通転移を減少した高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層を結晶成長させることができる。これによって、半導体発光素子の場合には、前記格子欠陥において発光に寄与しない非発光性の結合が生じ、入力電流が該非発光性の結合で失われてしまうことを抑制することができ、前記半導体発光素子の場合には、発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない半導体発光素子の製造が可能となる。また、バッファ層の膜厚が薄くても所期の目的を達成することができ、成膜時間を短縮することができる。   Therefore, cracks due to lattice defects caused by stacking can be prevented in the aluminum nitride layer and the lattice defects can be prevented from extending further, and the threading transition in which the lattice defects extend in the thickness direction of the semiconductor element is reduced. The high quality gallium nitride compound semiconductor layer can be crystal-grown. Accordingly, in the case of a semiconductor light emitting device, it is possible to suppress the occurrence of non-emissive coupling that does not contribute to light emission in the lattice defects and the loss of input current due to the non-emissive coupling. In the case of a light-emitting element, it is possible to manufacture a semiconductor light-emitting element that has high emission efficiency and no shift in emission peak wavelength. Moreover, even if the buffer layer is thin, the intended purpose can be achieved and the film formation time can be shortened.

さらに、前記バッファ層を構成する窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの内、窒化ガリウムの熱膨張係数が窒化アルミニウムの熱膨張係数よりも大きいことに着目し、前記窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの膜厚を、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が小さい場合には窒化アルミニウム>窒化ガリウムの関係として、前記熱膨張係数が小さい窒化アルミニウム層の割合を多くし、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が大きい場合には窒化アルミニウム<窒化ガリウムの関係として、前記熱膨張係数が大きい窒化ガリウム層の割合を多くすることで、基板と窒化ガリウム化合物半導体層との間の応力を一層緩和することができ、応力の影響がない高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層を結晶成長させることができ、発光素子の場合には、発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない半導体発光素子を実現することができる。なお、前記膜厚は、前記窒化アルミニウムと窒化ガリウムとのペア層が2層以上積層されている場合には、各材料による膜厚の合計が上記の関係となればよい。 Furthermore , focusing on the fact that the thermal expansion coefficient of gallium nitride is larger than the thermal expansion coefficient of aluminum nitride among aluminum nitride and gallium nitride constituting the buffer layer, the film thickness of the aluminum nitride and gallium nitride is When the thermal expansion coefficient of the substrate is smaller than that of aluminum nitride, the relation of aluminum nitride> gallium nitride is satisfied, and the proportion of the aluminum nitride layer having a smaller thermal expansion coefficient is increased, and the thermal expansion coefficient of the substrate is larger than that of aluminum nitride. as a relation of the aluminum nitride <gallium nitride in, that the proportion of the thermal expansion coefficient is large gallium nitride layer, it is possible to further relax the stress between the substrate and the gallium nitride compound semiconductor layer, the stress High quality gallium nitride compound semiconductor layer without influence can be crystal-grown and light emitting device In this case, it can be high luminous efficiency, to realize a semiconductor light emitting element is no shift in the emission peak wavelength. In addition, the said film thickness should just have the said relationship for the sum total of the film thickness by each material, when the pair layer of the said aluminum nitride and gallium nitride is laminated | stacked two or more layers.

さらにまた、本発明の半導体素子では、前記バッファ層は、前記窒化アルミニウムと窒化ガリウムとのペア層を2層以上備えることを特徴とする。   Furthermore, in the semiconductor device of the present invention, the buffer layer includes two or more pair layers of the aluminum nitride and the gallium nitride.

上記の構成によれば、バッファ層において貫通転移を一層低減することができ、高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層を結晶成長させることができるので、発光素子の場合は、一層発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない半導体発光素子を実現することができる。   According to the above configuration, the threading transition can be further reduced in the buffer layer, and a high-quality gallium nitride compound semiconductor layer can be crystal-grown. A semiconductor light emitting element having no shift of the emission peak wavelength can be realized.

また、本発明の半導体素子は、半導体発光素子であり、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、n型窒化ガリウム系化合物半導体層と、発光層と、p型窒化ガリウム系化合物半導体層とが順次積層されて成り、前記バッファ層と前記n型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、前記バッファ層よりも厚い膜厚を有する窒化アルミニウム層を設けることを特徴とする。   The semiconductor device of the present invention is a semiconductor light emitting device, and the gallium nitride compound semiconductor layer is formed by sequentially laminating an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer. Thus, an aluminum nitride layer having a thickness larger than that of the buffer layer is provided between the buffer layer and the n-type gallium nitride compound semiconductor layer.

上記の構成によれば、バッファ層よりも厚い膜厚を有する窒化アルミニウム層内にて貫通転移をさらに低減できるので、より発光効率の高い半導体発光素子を実現することができる。   According to the above configuration, the threading transition can be further reduced in the aluminum nitride layer having a thickness larger than that of the buffer layer, and thus a semiconductor light emitting device with higher luminous efficiency can be realized.

さらにまた、本発明の半導体素子では、前記バッファ層は、構成する窒化アルミニウム層および窒化ガリウム層の前記総膜厚が、0.31〜10nmの範囲であることを特徴とする。 Furthermore, in the semiconductor element of the present invention, the buffer layer is characterized in that the total film thickness of the aluminum nitride layer and the gallium nitride layer constituting the buffer layer is in the range of 0.31 to 10 nm.

上記の構成によれば、前記バッファ層を構成する窒化アルミニウム層および窒化ガリウム層の膜厚としては、1分子膜の厚みである0.31nmで既に効果を発揮するので、最小値としてはこの0.31nmとし、一方、10nmを超えても効果に差がなくなり、また前述のようにバッファ層自身にも内部応力によって亀裂の入る可能性があるので、最大値としては成膜時間の短いこの10nmとする。これによって、上述のように貫通転移を低減することができる。   According to the above configuration, the aluminum nitride layer and the gallium nitride layer constituting the buffer layer are already effective when the thickness of the monomolecular film is 0.31 nm. On the other hand, even if the thickness exceeds 10 nm, there is no difference in effect, and the buffer layer itself may crack due to internal stress as described above. And This can reduce threading transition as described above.

また、本発明の半導体素子は、n型コンタクト層はAlx1Ga1−x1N(0≦x1≦1)、クラッド層はAlX2Ga1−x2N(0<x2≦1)、発光層はAlx3InGa1−x3−yN(0<x3≦1、0≦y≦1)、p型層はAlx4Ga1−x4N(0<x4≦1)とすることを特徴とする。 In the semiconductor element of the present invention, the n-type contact layer is Al x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 ≦ 1), the clad layer is Al X2 Ga 1-x2 N (0 <x2 ≦ 1), and the light emitting layer is Al x3 In y Ga 1-x3-y N (0 <x3 ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), p-type layer is Al x4 Ga 1-x4 N (0 <x4 ≦ 1) .

上記の構成によれば、AlとInとの比率、すなわちx3:yによって発光波長を変化することができる高効率な紫外発光素子を得ることができる。   According to said structure, the highly efficient ultraviolet light emitting element which can change light emission wavelength by the ratio of Al and In, ie, x3: y, can be obtained.

本発明の半導体素子は、以上のように、紫外や青色の発光ダイオードや半導体レーザなどとして実現され、基板上に格子定数の差を緩和するためのバッファ層を介して、窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る半導体素子において、前記バッファ層を、窒化アルミニウム(AlN)と窒化ガリウム(GaN)とを交互に積層して形成する。   As described above, the semiconductor device of the present invention is realized as an ultraviolet or blue light emitting diode or a semiconductor laser, and a gallium nitride-based compound semiconductor layer is interposed on the substrate via a buffer layer for reducing the difference in lattice constant. The buffer layer is formed by alternately laminating aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN).

それゆえ、積層に伴う格子欠陥によるクラックが窒化アルミニウム層に生じ、前記格子欠陥がそれ以上に伸びてゆくことを抑えることができ、前記格子欠陥が半導体素子の厚み方向に延びてゆく貫通転移を減少した高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層を結晶成長させることができる。これによって、半導体発光素子の場合には、発光に寄与しない非発光性の結合が生じ、入力電流が該非発光性の結合で失われてしまうことを抑制することができ、前記半導体発光素子の場合には、発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない半導体発光素子の製造が可能となる。また、バッファ層の膜厚が薄くても所期の目的を達成することができ、成膜時間を短縮することができる。   Therefore, cracks due to lattice defects caused by stacking can be prevented from occurring in the aluminum nitride layer, and the lattice defects can be prevented from extending further, and a threading transition in which the lattice defects extend in the thickness direction of the semiconductor element can be prevented. The reduced high-quality gallium nitride compound semiconductor layer can be crystal-grown. As a result, in the case of a semiconductor light emitting device, it is possible to suppress non-luminous coupling that does not contribute to light emission and to prevent the input current from being lost due to the non-luminous coupling. Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor light emitting device with high luminous efficiency and no shift in emission peak wavelength. Moreover, even if the buffer layer is thin, the intended purpose can be achieved and the film formation time can be shortened.

さらに、前記バッファ層を構成する窒化アルミニウムと窒化ガリウムとの内、窒化ガリウムの熱膨張係数が窒化アルミニウムの熱膨張係数よりも大きいことに着目し、前記窒化アルミニウムと窒化ガリウムとのそれぞれの総膜厚を、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が小さい場合には窒化アルミニウム>窒化ガリウムの関係として、前記熱膨張係数が小さい窒化アルミニウム層の割合を多くし、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が大きい場合には窒化アルミニウム<窒化ガリウムの関係として、前記熱膨張係数が大きい窒化ガリウム層の割合を多くすることで、基板と窒化ガリウム化合物半導体層との間の応力を一層緩和することができ、応力の影響がない高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層を結晶成長させることができ、発光素子の場合には、発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない半導体発光素子を実現することができる。Furthermore, focusing on the fact that the thermal expansion coefficient of gallium nitride is larger than the thermal expansion coefficient of aluminum nitride among aluminum nitride and gallium nitride constituting the buffer layer, the total film of each of the aluminum nitride and gallium nitride When the thermal expansion coefficient of the substrate is smaller than that of aluminum nitride, the relationship of aluminum nitride> gallium nitride is set, and the proportion of the aluminum nitride layer having the smaller thermal expansion coefficient is increased so that the thermal expansion coefficient of the substrate is higher than that of aluminum nitride. Is large, the relationship between aluminum nitride and gallium nitride is satisfied. By increasing the proportion of the gallium nitride layer having a large thermal expansion coefficient, the stress between the substrate and the gallium nitride compound semiconductor layer can be further relaxed. It is possible to grow a high-quality gallium nitride compound semiconductor layer that is not affected by stress. , In the case of a light-emitting element has high luminous efficiency can be realized a semiconductor light emitting element is no shift in the emission peak wavelength.

[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の第1の形態に係る半導体発光素子10の構造を模式的に示す断面図である。この半導体発光素子10は、サファイア基板1上に窒化ガリウム系化合物半導体層を積層するにあたって、本発明に係るバッファ層2を介在するものである。注目すべきは、前記バッファ層2は、窒化アルミニウム(AlN)と窒化ガリウム(GaN)とが交互に積層された複数のペア層から成ることである。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a semiconductor light emitting device 10 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor light-emitting element 10 includes a buffer layer 2 according to the present invention when a gallium nitride compound semiconductor layer is stacked on a sapphire substrate 1. It should be noted that the buffer layer 2 is composed of a plurality of pair layers in which aluminum nitride (AlN) and gallium nitride (GaN) are alternately stacked.

支持基板として用いる前記サファイア基板1上には、前記AlNとGaNとで、それぞれ合計1nmずつの厚みとした前記バッファ層2が気相成長され、その上に厚さ2.2μmのn型ドーパントとしてSiを含むAl0.5Ga0.5Nから成るn型窒化ガリウム化合物半導体層3が気相成長され、さらにAl0.6Ga0.4Nから成る発光層4と、p型の電気伝導を示すドーパントMgを含む厚さ0.1μmのAl0.6Ga0.4Nから成るp型窒化ガリウム化合物半導体層5とが気相成長されている。 On the sapphire substrate 1 used as a support substrate, the buffer layer 2 having a thickness of 1 nm in total is formed by vapor deposition of the AlN and GaN, and an n-type dopant having a thickness of 2.2 μm is formed thereon. An n-type gallium nitride compound semiconductor layer 3 made of Al 0.5 Ga 0.5 N containing Si is vapor-phase grown, and further a light-emitting layer 4 made of Al 0.6 Ga 0.4 N and p-type electric conduction And a p-type gallium nitride compound semiconductor layer 5 made of Al 0.6 Ga 0.4 N having a thickness of 0.1 μm containing a dopant Mg indicating vapor phase growth.

以下に、本半導体発光素子10の成長方法を示す。成長に用いたガスは、キャリアガスとしてHとN、成長に係わるガスとして、アンモニア(NH)、トリメチルガリウム(Ga(CH)、以下、TMGと略す)、トリメチルアルミニウム(Al(CH、以下、TMAと略す)、シラン(SiH)、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C)である。 Below, the growth method of this semiconductor light-emitting device 10 is shown. Gases used for growth are H 2 and N 2 as carrier gases, and ammonia (NH 3 ), trimethyl gallium (Ga (CH 3 ), hereinafter abbreviated as TMG), trimethyl aluminum (Al (CH 3 ) 3 , hereinafter abbreviated as TMA), silane (SiH 4 ), and cyclopentadienyl magnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ).

先ず、サファイア基板1を有機および酸溶液によって洗浄する。そして、Hガスを2(L/分)流しながら、ヒータ加熱や誘導加熱によって温度を1100℃に上昇させ、サファイア基板1を気相エッチングする。次に、800℃まで温度を低下させて、Hガスを20(L/分)流しながら、先に10(L/分)のNHガスおよび1.8×10−5(モル/分)のTMAを、次に前記10(L/分)のNHガスおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGを、以降それらを交互に供給して、合計でそれぞれ前記1nmずつの厚みとする。これによって、先にAlN、次にGaN、以降それらAlNとGaNとが交互に形成されたペア層が積層されたバッファ層2をサファイア基板1上に結晶成長させる。 First, the sapphire substrate 1 is washed with an organic and acid solution. Then, while flowing H 2 gas at 2 (L / min), the temperature is raised to 1100 ° C. by heater heating or induction heating, and the sapphire substrate 1 is vapor-phase etched. Next, the temperature was lowered to 800 ° C., and while flowing H 2 gas at 20 (L / min), NH 3 gas of 10 (L / min) and 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA, and then 10 (L / min) of NH 3 gas and 1.1 × 10 −5 (mol / min) of TMG were alternately supplied thereafter, for a total of 1 nm each. Thickness. As a result, the buffer layer 2 on which a pair layer in which AlN is first formed, then GaN, and then AlN and GaN are alternately formed is grown on the sapphire substrate 1.

こうして、基板処理が終わると半導体層の作成に移り、温度を1000℃に上げて、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、SiHを導入しながら、2.2μmの厚みとしたn型ドーパントとしてSiを含むAl0.5Ga0.5Nを、前記n型窒化ガリウム化合物半導体層3として前記バッファ層2上に結晶成長させる。そして、温度を1000℃に保ち、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、SiHを導入しながら、3nmの厚みとしたAl0.6Ga0.4Nを発光層4として、前記n型窒化ガリウム化合物半導体層3上に結晶成長させる。 Thus, when the substrate processing is completed, the semiconductor layer is formed, the temperature is raised to 1000 ° C., and H 2 gas is supplied at 20 (L / min), while 10 (L / min) NH 3 gas and 1.8 An n-type having a thickness of 2.2 μm while alternately introducing SiO 4 by alternately supplying × 10 −5 (mol / min) TMA and 1.1 × 10 −5 (mol / min) TMG Al 0.5 Ga 0.5 N containing Si as a dopant is crystal-grown on the buffer layer 2 as the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 3. While maintaining the temperature at 1000 ° C. and flowing H 2 gas at 20 (L / min), 10 (L / min) NH 3 gas, 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA and 1 .Alternatively, 1 × 10 −5 (mol / min) TMG was supplied alternately, and while introducing SiH 4 , Al 0.6 Ga 0.4 N having a thickness of 3 nm was used as the light emitting layer 4, and the n A crystal is grown on the type gallium nitride compound semiconductor layer 3.

さらに、温度を1000℃に保ち、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C)を導入しながら、0.1μmの厚みとしたp型窒化ガリウム化合物半導体層5を発光層4上に結晶成長させる。なお、本実施の形態において、成長基板はサファイア基板1の例を示したが、サファイア以外の基板材料として、SiCやZrBなどとしてもよい。 Further, while maintaining the temperature at 1000 ° C. and flowing H 2 gas at 20 (L / min), 10 (L / min) NH 3 gas, 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA and 1 .1 × 10 −5 (mol / min) TMG alternately supplied to introduce p-type having a thickness of 0.1 μm while introducing cyclopentadienylmagnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ) The gallium nitride compound semiconductor layer 5 is crystal-grown on the light emitting layer 4. In the present embodiment, although the growth substrate showed an example of a sapphire substrate 1, as a substrate material other than sapphire may be such as SiC and ZrB 2.

以上のように、サファイア基板1上にバッファ層2を介して窒化ガリウム系化合物半導体層(AlGa1−xN(0≦x<1))を積層するにあたって、前記バッファ層2をAlNとGaNとを交互に積層して成るペア層とすることで、積層に伴う格子欠陥によるクラックがAlN層に生じ、前記格子欠陥がそれ以上に伸びてゆくことを抑えることができ、前記格子欠陥が半導体素子の厚み方向に延びてゆく貫通転移を減少した高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層3〜5を結晶成長させることができる。これによって、前記格子欠陥において発光に寄与しない非発光性の結合が生じ、入力電流が該非発光性の結合で失われてしまうことを抑制することができ、発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない紫外領域で発光する半導体発光素子の製造が可能となる。また、バッファ層2の膜厚が薄くても所期の目的を達成することができ、成膜時間を短縮することもできる。 As described above, when the gallium nitride compound semiconductor layer (Al x Ga 1-x N (0 ≦ x <1)) is stacked on the sapphire substrate 1 via the buffer layer 2, the buffer layer 2 is made of AlN. By making a pair layer formed by alternately laminating GaN, cracks due to lattice defects caused by lamination can be suppressed in the AlN layer, and the lattice defects can be prevented from extending further. High quality gallium nitride compound semiconductor layers 3 to 5 with reduced threading transition extending in the thickness direction of the semiconductor element can be crystal-grown. As a result, non-radiative bonds that do not contribute to light emission occur in the lattice defects, and it is possible to suppress the loss of the input current due to the non-luminescent bonds, high luminous efficiency, and shift of the emission peak wavelength. This makes it possible to manufacture a semiconductor light emitting device that emits light in the ultraviolet region. Moreover, even if the buffer layer 2 is thin, the intended purpose can be achieved and the film formation time can be shortened.

また、前記バッファ層2を、前記AlNとGaNとのペア層を2層以上備えて構成することで、貫通転移を一層低減し、高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層3〜5を結晶成長させることができ、一層発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない半導体発光素子を実現することができる。   Further, the buffer layer 2 includes two or more pairs of AlN and GaN, thereby further reducing the threading transition and crystal growth of high-quality gallium nitride compound semiconductor layers 3 to 5. Therefore, it is possible to realize a semiconductor light emitting device with higher luminous efficiency and no shift in emission peak wavelength.

さらにまた、上述の例では、前記バッファ層2において、前記AlN層とGaN層とのそれぞれの合計の膜厚を1nmずつで等しく形成しているけれども、他の種類の基板を用いる場合は、GaNの熱膨張係数がAlNの熱膨張係数よりも大きいことに着目し、AlNよりも基板の熱膨張係数が小さい場合には前記膜厚をAlN>GaNの関係として、前記熱膨張係数が小さいAlN層の割合を多くし、AlNよりも基板の熱膨張係数が大きい場合には前記膜厚をAlN<GaNの関係として、前記熱膨張係数が大きいGaN層の割合を多くすればよい。これによって、基板と窒化ガリウム化合物半導体層との間の応力を一層緩和することができ、応力の影響がない高品質な窒化ガリウム系化合物半導体層を結晶成長させることができ、発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない半導体発光素子を実現することができる。   Furthermore, in the above-described example, in the buffer layer 2, the total film thickness of each of the AlN layer and the GaN layer is equally formed by 1 nm. However, when other types of substrates are used, GaN When the thermal expansion coefficient of the substrate is smaller than that of AlN, the film thickness is assumed to have a relationship of AlN> GaN, and the AlN layer having a small thermal expansion coefficient. When the thermal expansion coefficient of the substrate is larger than that of AlN, the ratio of the GaN layer having a large thermal expansion coefficient may be increased by setting the film thickness as AlN <GaN. As a result, the stress between the substrate and the gallium nitride compound semiconductor layer can be further relaxed, and a high-quality gallium nitride compound semiconductor layer without the influence of stress can be crystal-grown, and the luminous efficiency is high. A semiconductor light emitting element having no shift of the emission peak wavelength can be realized.

また、上記の結晶成長方法によれば、従来よりも低い温度にて窒化ガリウム系化合物半導体層3〜5の結晶成長ができるので、成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層3〜5にかかる応力を低減でき、その気相成長時に、クラックなどの発生を抑制することができる。これによって、波長ピークシフトを防止でき、高効率な半導体発光素子を実現することができる。なお、上述の説明では、成長温度を再現性の高い1000℃としているけれども、600〜1200℃の範囲で成長させることができる。特に最低温度は、従来の800℃程度から上記600℃程度にまで低下させることができる。   In addition, according to the above crystal growth method, the crystal growth of the gallium nitride compound semiconductor layers 3 to 5 can be performed at a temperature lower than that of the conventional method. Therefore, the stress applied to the grown gallium nitride compound semiconductor layers 3 to 5 is reduced. The generation of cracks and the like can be suppressed during the vapor phase growth. As a result, wavelength peak shift can be prevented, and a highly efficient semiconductor light emitting device can be realized. In the above description, although the growth temperature is 1000 ° C. with high reproducibility, the growth can be performed in the range of 600 to 1200 ° C. In particular, the minimum temperature can be lowered from about 800 ° C. to about 600 ° C.

さらにまた、前記のバッファ層2では、構成するAlN層およびGaN層の膜厚が、それぞれ合計で1nmずつであったけれども、0.31〜10nmの範囲であればよい。すなわち、最小値の0.31nmはAlN層の1分子膜の厚みであり、1分子膜でも効果を発揮することができる。一方、10nmを超えても効果に差がなくなり、また前述のようにバッファ層自身にも内部応力によって亀裂の入る可能性があるので、最大値としては成膜時間の短いこの10nmとする。   Furthermore, in the buffer layer 2, although the total thickness of the AlN layer and the GaN layer constituting the buffer layer 2 is 1 nm in total, it may be in the range of 0.31 to 10 nm. That is, the minimum value of 0.31 nm is the thickness of the monomolecular film of the AlN layer, and even a monomolecular film can exert the effect. On the other hand, if the thickness exceeds 10 nm, there is no difference in effect, and the buffer layer itself may crack due to internal stress as described above. Therefore, the maximum value is 10 nm, which has a short film formation time.

また、前記n型窒化ガリウム化合物半導体層3としてAlx1Ga1−x1N(0≦x1≦1)から成るn型コンタクト層およびAlX2Ga1−x2N(0<x2≦1)から成るクラッド層で形成し、発光層4としてAlx3InGa1−x3−yN(0<x3≦1、0≦y≦1)で形成し、前記p型窒化ガリウム化合物半導体層5としてAlx4Ga1−x4N(0<x4≦1)で形成することで、AlとInとの比率、すなわちx3:yによって発光波長を変化することができる高効率な紫外発光素子を得ることができる。 The n-type gallium nitride compound semiconductor layer 3 includes an n-type contact layer made of Al x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 ≦ 1) and a clad made of Al X2 Ga 1-x2 N (0 <x2 ≦ 1). The light emitting layer 4 is made of Al x3 In y Ga 1-x3-y N (0 <x3 ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the p-type gallium nitride compound semiconductor layer 5 is made of Al x4 Ga. By forming with 1-x4 N (0 <x4 ≦ 1), it is possible to obtain a highly efficient ultraviolet light-emitting element capable of changing the emission wavelength depending on the ratio of Al to In, that is, x3: y.

さらにまた、前記窒化ガリウム化合物半導体層3〜5の作成にあたっては、TMAおよびTMGと、NHとを交互に供給して成長させるので、反応ガス中のIII族とV族との寄生反応の発生を抑えて、Alの組成比率が高いAlGaN層を成長させることができ、発光効率が高く、発光ピーク波長のシフトがない紫外領域で発光する半導体発光素子の製造が可能となる。この点について、以下に詳述する。 Furthermore, in producing the gallium nitride compound semiconductor layers 3 to 5, TMA, TMG, and NH 3 are alternately supplied and grown, so that a parasitic reaction between the group III and group V in the reaction gas occurs. Thus, an AlGaN layer having a high Al composition ratio can be grown, and a semiconductor light emitting device that emits light in the ultraviolet region with high light emission efficiency and no shift in light emission peak wavelength can be manufactured. This point will be described in detail below.

すなわち、半導体発光素子では、青色よりも波長の短い紫外の領域での発光をさせるためには、GaN層中のAlの組成比率を高くする必要がある。しかしながら、従来の成長方法では、前記TMAと、TMGと、NHとを混合した反応ガスを用いている。このため、反応ガス中のIII族とV族との寄生反応が発生して、Alの組成比率が高いAlGaN層を成長させることは困難であった。具体的には、(CH)6Al+2(NH)→2(CH)3Al:NHとなって、AlNが析出し、Alが基板上のAlGaN層に取込まれる割合が低下する。そこで本発明では、前記窒化ガリウム系化合物半導体層3〜5を、上述のようにTMAおよびTMGと、NHとを交互に供給して成長させることで、反応ガス中のIII族とV族との寄生反応の発生を抑えている。 That is, in the semiconductor light emitting device, in order to emit light in the ultraviolet region having a wavelength shorter than that of blue, it is necessary to increase the Al composition ratio in the GaN layer. However, the conventional growth method uses a reaction gas in which the TMA, TMG, and NH 3 are mixed. For this reason, a parasitic reaction between group III and group V in the reaction gas occurs, and it is difficult to grow an AlGaN layer having a high Al composition ratio. Specifically, (CH 3 ) 6 Al 2 +2 (NH 3 ) → 2 (CH 3 ) 3 Al: NH 3 , AlN is precipitated, and the proportion of Al taken into the AlGaN layer on the substrate decreases. . Therefore, in the present invention, the gallium nitride compound semiconductor layers 3 to 5 are grown by alternately supplying TMA, TMG, and NH 3 as described above, so that the group III and group V in the reaction gas can be obtained. The occurrence of parasitic reactions is suppressed.

[実施の形態2]
図2は、本発明の実施の第2の形態に係る半導体発光素子20の構造を模式的に示す断面図である。この半導体発光素子20は、前述の半導体発光素子10に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、この半導体発光素子20では、前記バッファ層2とn型窒化ガリウム化合物半導体層3aとの間に、前記バッファ層2よりも厚い膜厚を有するAlN層6を設けていることである。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the semiconductor light emitting device 20 according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor light emitting element 20 is similar to the semiconductor light emitting element 10 described above, and corresponding portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. It should be noted that in this semiconductor light emitting device 20, an AlN layer 6 having a thickness greater than that of the buffer layer 2 is provided between the buffer layer 2 and the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 3a. is there.

この半導体発光素子20でも、サファイア基板1が支持基板として用いられており、該サファイア基板1上には、AlNとGaNとをそれぞれの合計で1nmずつの厚みとしたペア層から成る前記バッファ層2が気相成長され、その上には厚さ1.5μmの前記AlN層6が気相成長され、さらにその上にn型ドーパントを含むAl0.84Ga0.16Nから成るn型窒化ガリウム化合物半導体層3aが気相成長され、さらにAl0.6Ga0.4N層とAl0.8Ga0.2N層とから成る発光層4aが気相成長され、さらに前記p型窒化ガリウム化合物半導体層5が気相成長されている。 Also in this semiconductor light emitting device 20, the sapphire substrate 1 is used as a support substrate, and the buffer layer 2 is formed on the sapphire substrate 1 by a pair layer of AlN and GaN each having a total thickness of 1 nm. Is vapor-grown, and the AlN layer 6 having a thickness of 1.5 μm is vapor-grown on the n-type gallium nitride made of Al 0.84 Ga 0.16 N containing an n-type dopant. The compound semiconductor layer 3a is vapor-phase grown, and the light-emitting layer 4a composed of an Al 0.6 Ga 0.4 N layer and an Al 0.8 Ga 0.2 N layer is further vapor-grown, and the p-type gallium nitride is further grown. The compound semiconductor layer 5 is vapor-phase grown.

以下に、本半導体発光素子20の成長方法を示す。成長に用いたガスは、前記半導体発光素子10と同様に、キャリアガスとしてHとN、成長に係わるガスとして、NH、TMG、TMA、SiH、Mg(Cである。 Below, the growth method of this semiconductor light-emitting device 20 is shown. The gases used for the growth are H 2 and N 2 as carrier gases, and NH 3 , TMG, TMA, SiH 4 , and Mg (C 5 H 5 ) 2 as growth gases, as in the semiconductor light emitting device 10. is there.

先ず、サファイア基板1を有機および酸溶液によって洗浄する。そして、Hガスを2(L/分)流しながら、ヒータ加熱や誘導加熱によって温度を1100℃に上昇させ、サファイア基板1を気相エッチングする。次に、800℃まで温度を低下させて、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスおよび1.8×10−5(モル/分)のTMAと、前記10(L/分)のNHガスおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、合計でそれぞれ前記1nmずつの厚みとしたAlNとGaNから成るペア層が積層されたバッファ層2をサファイア基板1上に結晶成長させる。以上の工程は、前記半導体発光素子10と同様である。 First, the sapphire substrate 1 is washed with an organic and acid solution. Then, while flowing H 2 gas at 2 (L / min), the temperature is raised to 1100 ° C. by heater heating or induction heating, and the sapphire substrate 1 is vapor-phase etched. Next, the temperature was lowered to 800 ° C., and 10 (L / min) NH 3 gas and 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA were flowed while flowing H 2 gas at 20 (L / min). And 10N (L / min) of NH 3 gas and 1.1 × 10 −5 (mol / min) of TMG are alternately supplied to form a total thickness of 1 nm each from AlN and GaN. The buffer layer 2 on which the pair layers formed are stacked is crystal-grown on the sapphire substrate 1. The above process is the same as that of the semiconductor light emitting device 10.

続いて、半導体層の作成に移り、温度を1000℃に上げて、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、2.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、1.5μmの厚みとした前記AlN6をバッファ層2上に結晶成長させる。 Subsequently, the flow proceeds to create a semiconductor layer, the temperature was raised to 1000 ° C., while the H 2 gas flow 20 (L / min), and NH 3 gas 10 (L / min), 2.1 × 10 -5 (Mol / min) TMG is alternately supplied to crystallize the AlN6 having a thickness of 1.5 μm on the buffer layer 2.

さらに、温度を1000℃に保ち、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、SiHを導入しながら、0.1μmの厚みとしたn型ドーパントとしてSiを含むAl0.84Ga0.16Nを、n型窒化ガリウム化合物半導体層3aとしてAlN層6上に結晶成長させる。さらに、温度を1000℃に保ち、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、SiHを導入しながら、3nmの厚みとしたAl0.6Ga0.4N層とAl0.8Ga0.2N層とから成る発光層4aを前記n型窒化ガリウム化合物半導体層3a上に結晶成長させる。 Further, while maintaining the temperature at 1000 ° C. and flowing H 2 gas at 20 (L / min), 10 (L / min) NH 3 gas, 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA and 1 Al 0.84 Ga 0.16 containing Si as an n-type dopant having a thickness of 0.1 μm while alternately supplying 1 × 10 −5 (mol / min) TMG and introducing SiH 4 N is crystal-grown on the AlN layer 6 as the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 3a. Further, while maintaining the temperature at 1000 ° C. and flowing H 2 gas at 20 (L / min), 10 (L / min) NH 3 gas, 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA and 1 0.1 × 10 −5 (mol / min) alternately supplied with TMG, while introducing SiH 4 , Al 0.6 Ga 0.4 N layer and Al 0.8 Ga 0 having a thickness of 3 nm .2 Crystal growth of the light emitting layer 4a composed of the N layer on the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 3a.

さらに、温度を1000℃に保ち、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、Mg(Cを導入しながら、0.1μmの厚みとしたp型窒化ガリウム化合物半導体層5を発光層4上に結晶成長させる。 Further, while maintaining the temperature at 1000 ° C. and flowing H 2 gas at 20 (L / min), 10 (L / min) NH 3 gas, 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA and 1 The p-type gallium nitride compound semiconductor layer 5 having a thickness of 0.1 μm is introduced while alternately supplying 1 × 10 −5 (mol / min) TMG and introducing Mg (C 5 H 5 ) 2. Crystals are grown on the light emitting layer 4.

図3は、上述のようにして作成される半導体発光素子20のTEM観察像を示している。一方、図4には、前記AlN層6が形成されていない従来技術による比較例のTEM観察像を示す。図5は、その比較例の半導体発光素子30の構造を模式的に示す断面図である。この半導体発光素子30は、図1で示す半導体発光素子10と同様に、サファイア基板31上に、AlNから成る50μmのバッファ層32、1.0μmのn型ドーパントとしてSiを含むAl0.5Ga0.5Nから成るn型窒化ガリウム化合物半導体層33、Al0.6Ga0.4Nから成る発光層34およびp型の電気伝導を示すドーパントMgを含むAl0.6Ga0.4Nから成るp型窒化ガリウム化合物半導体層35が順次積層されて構成されている。 FIG. 3 shows a TEM observation image of the semiconductor light emitting element 20 produced as described above. On the other hand, FIG. 4 shows a TEM observation image of a comparative example according to the prior art in which the AlN layer 6 is not formed. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the semiconductor light emitting device 30 of the comparative example. In the same manner as the semiconductor light emitting device 10 shown in FIG. 1, this semiconductor light emitting device 30 has a 50 μm buffer layer 32 made of AlN on a sapphire substrate 31 and Al 0.5 Ga containing Si as a 1.0 μm n-type dopant. Al 0.6 containing 0.5 n-type gallium nitride compound semiconductor layer 33 made of n, Al 0.6 Ga 0.4 emitting layer 34 consisting of n and p-type dopant Mg showing the electrical conductivity of Ga 0.4 n A p-type gallium nitride compound semiconductor layer 35 is sequentially stacked.

前記比較例の半導体発光素子30の作成方法は、以下のとおりである。先ず、サファイア基板31を有機および酸溶液によって洗浄する。そして、Hガスを2(L/分)流しながら温度を1100℃に上昇させ、サファイア基板31を気相エッチングする。次に、800℃まで温度を低下させて、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスおよび1.8×10−5(モル/分)のTMAを供給して、50nmの厚みとしたAlNバッファ層32をサファイア基板31上に結晶成長させる。 A method for producing the semiconductor light emitting device 30 of the comparative example is as follows. First, the sapphire substrate 31 is washed with an organic and acid solution. Then, the temperature is raised to 1100 ° C. while flowing H 2 gas at 2 (L / min), and the sapphire substrate 31 is vapor-phase etched. Next, the temperature was lowered to 800 ° C., and 10 (L / min) NH 3 gas and 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA were flowed while flowing H 2 gas at 20 (L / min). And an AlN buffer layer 32 having a thickness of 50 nm is grown on the sapphire substrate 31.

こうして、基板処理が終わると半導体層の作成に移り、温度を1000℃に上げて、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、SiHを導入しながら、1.0μmの厚みとしたn型ドーパントとしてSiを含むAl0.5Ga0.5Nを、前記n型窒化ガリウム化合物半導体層33として前記バッファ層32上に結晶成長させる。そして、温度を1000℃に保ち、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、SiHを導入しながら、0.1μmの厚みとしたAl0.6Ga0.4Nを発光層34として、前記n型窒化ガリウム化合物半導体層33上に結晶成長させる。 Thus, when the substrate processing is completed, the semiconductor layer is formed, the temperature is raised to 1000 ° C., and H 2 gas is supplied at 20 (L / min), while 10 (L / min) NH 3 gas and 1.8 × 10 -5 to supply alternately and TMG of TMA and 1.1 × 10 -5 (molar / min) (mol / min), while introducing SiH 4, n-type having a thickness of 1.0μm Al 0.5 Ga 0.5 N containing Si as a dopant is crystal-grown on the buffer layer 32 as the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 33. While maintaining the temperature at 1000 ° C. and flowing H 2 gas at 20 (L / min), 10 (L / min) NH 3 gas, 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA and 1 .Alternatively supplying 1 × 10 −5 (mol / min) TMG and introducing SiH 4 , Al 0.6 Ga 0.4 N having a thickness of 0.1 μm was used as the light emitting layer 34. Crystals are grown on the n-type gallium nitride compound semiconductor layer 33.

さらに、温度を1000℃に保ち、Hガスを20(L/分)流しながら、10(L/分)のNHガスと、1.8×10−5(モル/分)のTMAおよび1.1×10−5(モル/分)のTMGとを交互に供給して、シクロペンタジエニルマグネシウム(Mg(C)を導入しながら、0.1μmの厚みとしたp型窒化ガリウム化合物半導体層35を発光層34上に結晶成長させる。 Further, while maintaining the temperature at 1000 ° C. and flowing H 2 gas at 20 (L / min), 10 (L / min) NH 3 gas, 1.8 × 10 −5 (mol / min) TMA and 1 .1 × 10 −5 (mol / min) TMG alternately supplied to introduce p-type having a thickness of 0.1 μm while introducing cyclopentadienylmagnesium (Mg (C 5 H 5 ) 2 ) The gallium nitride compound semiconductor layer 35 is grown on the light emitting layer 34.

前記図3および図4を比較して明らかなように、サファイア基板1から発光層4aに連なる貫通転移は、サファイア基板1上に気相成長させたAlN層とGaN層とから成るバッファ層2において転移の収束が見られ、さらにその上に形成したAlN層6の内部においても、同様に転移の収束が確認できる。なお、本実施の形態におけるAl0.6Ga0.4N層とAl0.8Ga0.2N層とから成る発光層4aの表面における貫通転移密度は10/cmであり、PL(Photoluminescence)の発光スペクトルは、図6に示すように、240nmをピークとするものであった。 As is clear from comparison between FIGS. 3 and 4, the threading transition from the sapphire substrate 1 to the light emitting layer 4a occurs in the buffer layer 2 composed of an AlN layer and a GaN layer grown on the sapphire substrate 1 in a vapor phase. The convergence of the transition is observed, and the convergence of the transition can be confirmed in the same manner in the AlN layer 6 formed thereon. Note that the penetration transition density on the surface of the light emitting layer 4a composed of the Al 0.6 Ga 0.4 N layer and the Al 0.8 Ga 0.2 N layer in the present embodiment is 10 7 / cm 2 , and PL The emission spectrum of (Photoluminescence) has a peak at 240 nm as shown in FIG.

このようにして、バッファ層2よりも厚い膜厚を有するAlN層6内にて貫通転移をさらに低減できるので、より発光効率の高い半導体発光素子を実現することができる。   In this way, the threading transition can be further reduced in the AlN layer 6 having a thickness greater than that of the buffer layer 2, so that a semiconductor light emitting device with higher luminous efficiency can be realized.

本発明の実施の第1の形態係る半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the semiconductor light-emitting device concerning the 1st Embodiment of this invention. 本発明の実施の第2の形態係る半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the semiconductor light-emitting device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図2で示す半導体発光素子のTEM観察像を示す写真図である。It is a photograph figure which shows the TEM observation image of the semiconductor light-emitting device shown in FIG. 従来技術による半導体発光素子のTEM観察像を示す写真図である。It is a photograph figure which shows the TEM observation image of the semiconductor light-emitting device by a prior art. 図4で示す従来技術による半導体発光素子の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the semiconductor light-emitting device by the prior art shown in FIG. 図2で示す半導体発光素子の発光スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the emission spectrum of the semiconductor light-emitting device shown in FIG.

1 サファイア基板
2 バッファ層
3,3a n型窒化ガリウム化合物半導体層
4,4a 発光層
5 p型窒化ガリウム化合物半導体層
6 AlN層
10,20 半導体発光素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sapphire substrate 2 Buffer layer 3, 3a N type gallium nitride compound semiconductor layer 4, 4a Light emitting layer 5 P type gallium nitride compound semiconductor layer 6 AlN layer 10, 20 Semiconductor light emitting element

Claims (5)

基板上に、バッファ層を介して窒化ガリウム系化合物半導体層を積層して成る半導体素子において、
前記バッファ層は、窒化アルミニウムと窒化ガリウムとを交互に積層して成り、かつ前記窒化アルミニウムと窒化ガリウムとのそれぞれの総膜厚を、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が小さい場合には窒化アルミニウム>窒化ガリウムの関係とし、窒化アルミニウムよりも基板の熱膨張係数が大きい場合には窒化アルミニウム<窒化ガリウムの関係とすることを特徴とする半導体素子。
In a semiconductor element formed by laminating a gallium nitride compound semiconductor layer on a substrate via a buffer layer,
The buffer layer, Ri formed by laminating the aluminum nitride and gallium nitride are alternately and respectively the total thickness of said aluminum nitride and gallium nitride, when the thermal expansion coefficient of the substrate than the aluminum nitride is smaller the relationship between the aluminum nitride> gallium nitride, the semiconductor device characterized relationships and to Rukoto aluminum nitride <gallium nitride when the thermal expansion coefficient of the substrate than the aluminum nitride is large.
前記バッファ層は、前記窒化アルミニウムと窒化ガリウムとのペア層を2層以上備えることを特徴とする請求項1記載の半導体素子。 The buffer layer, according to claim 1 Symbol mounting the semiconductor device characterized in that it comprises a pair layers between the aluminum nitride and gallium nitride two or more layers. 半導体発光素子であり、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、n型窒化ガリウム系化合物半導体層と、発光層と、p型窒化ガリウム系化合物半導体層とが順次積層されて成り、
前記バッファ層と前記n型窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、前記バッファ層よりも厚い膜厚を有する窒化アルミニウム層を設けることを特徴とする請求項1または2記載の半導体素子。
In the semiconductor light emitting device, the gallium nitride compound semiconductor layer is formed by sequentially stacking an n-type gallium nitride compound semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type gallium nitride compound semiconductor layer,
3. The semiconductor element according to claim 1, wherein an aluminum nitride layer having a thickness larger than that of the buffer layer is provided between the buffer layer and the n-type gallium nitride compound semiconductor layer.
前記バッファ層は、構成する窒化アルミニウム層および窒化ガリウム層の前記総膜厚が、0.31〜10nmの範囲であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の半導体素子。 The buffer layer, the total thickness of the aluminum nitride layer and the gallium nitride layer constituting the, semiconductor according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the range of 0.31~10nm voxels child. n型コンタクト層はAlx1Ga1−x1N(0≦x1≦1)、クラッド層はAlX2Ga1−x2N(0<x2≦1)、発光層はAlx3InGa1−x3−yN(0<x3≦1、0≦y≦1)、p型層はAlx4Ga1−x4N(0<x4≦1)とすることを特徴とする請求項記載の半導体素子。 The n-type contact layer is Al x1 Ga 1-x1 N (0 ≦ x1 ≦ 1), the clad layer is Al X2 Ga 1-x2 N (0 <x2 ≦ 1), and the light emitting layer is Al x3 In y Ga 1-x3- y N (0 <x3 ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1), p -type layer semiconductor voxels according to claim 3, characterized in that the Al x4 Ga 1-x4 N ( 0 <x4 ≦ 1) Child.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110501773A (en) * 2019-08-29 2019-11-26 南京大学 AlN/AlGaN multicycle 1-D photon crystal filter and solar blind light electric explorer applied to solar blind light electric explorer

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