JP2006135269A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、β−Ga2O3系単結晶基板上にGaN系化合物薄膜を形成した発光ダイオード(LED)、レーザダイオード(LD)等の発光素子に用いる半導体装置に関し、特に、結晶品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成することができる半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device used for a light-emitting element such as a light-emitting diode (LED) or a laser diode (LD) in which a GaN-based compound thin film is formed on a β-Ga 2 O 3 single-crystal substrate. The present invention relates to a semiconductor device capable of forming a single crystal thin film made of a GaN-based compound.
図4は、従来の半導体装置を示す。この半導体装置30は、Al2O3基板31と、Al2O3基板31の表面に低温で形成されたAlNからなるバッファ層32と、バッファ層32の上にMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 法によりエピタキシャル成長して形成されたGaN成長層33とを備える(例えば、特許文献1参照。)。 FIG. 4 shows a conventional semiconductor device. The semiconductor device 30 includes an Al 2 O 3 substrate 31, a buffer layer 32 made of AlN formed on the surface of the Al 2 O 3 substrate 31 at a low temperature, and a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) on the buffer layer 32. And a GaN growth layer 33 formed by epitaxial growth by the method (see, for example, Patent Document 1).
この半導体装置30によれば、Al2O3基板31とGaN成長層33との間にバッファ層32を形成することにより、格子定数の不一致を緩和して結晶品質の低下を抑制している。
しかし、従来の半導体装置30は、バッファ層32を設けたとしても、格子不整合を十分に緩和することができず、高品質のGaN成長層33を得ることは難しい。したがって、発光素子に適用した場合は、発光層の結晶性が十分でなく、発光効率の向上に限界がある。 However, even if the conventional semiconductor device 30 is provided with the buffer layer 32, the lattice mismatch cannot be sufficiently relaxed, and it is difficult to obtain a high-quality GaN growth layer 33. Therefore, when applied to a light-emitting element, the crystallinity of the light-emitting layer is not sufficient, and there is a limit to improvement in light emission efficiency.
従って、本発明の目的は、結晶品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成することができる半導体装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of forming a single crystal thin film made of a GaN-based compound having a high crystal quality.
本発明は、上記の目的を達成するため、主面を有するβ−Ga2O3系単結晶からなる基板と、前記主面上に形成され、前記基板を構成するβ−Ga2O3の一部または全部の酸素原子が窒素原子に置換され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層とからなることを特徴とする半導体装置を提供する。 The present invention, in order to achieve the above object, a substrate made of β-Ga 2 O 3 system single crystal having a major surface, is formed on the primary surface, the β-Ga 2 O 3 constituting the substrate A semiconductor device comprising a surface rearrangement layer containing a wurtzite structure GaN-based compound in which part or all of oxygen atoms are substituted with nitrogen atoms and the c-axis is substantially perpendicular to the principal surface. provide.
この構成によれば、β−Ga2O3系単結晶からなる基板に対し表面再配列層を設けることにより、β−Ga2O3系結晶構造の上にウルツ鉱型構造のGaN系化合物からなる単結晶薄膜が、格子不整合がより軽減されて成長する。その結果、結晶品質の低下を抑制することができ、品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を得ることができる。このとき、c軸は、主面に対±15°の範囲内の方位にあることが好ましい。 According to this configuration, by providing the surface rearrangement layer on the substrate made of β-Ga 2 O 3 based single crystal, the wurtzite structure GaN based compound is formed on the β-Ga 2 O 3 based crystal structure. The single crystal thin film is grown with a reduced lattice mismatch. As a result, a decrease in crystal quality can be suppressed, and a single crystal thin film made of a high quality GaN compound can be obtained. At this time, the c-axis is preferably in an azimuth within a range of ± 15 ° with respect to the main surface.
前記基板は、(100)面または(801)面を前記主面とするとき、前記基板の結晶方位〈010〉と前記表面再配列層の結晶方位〈11−20〉がほぼ平行であり、前記表面再配列層は、N極性を有することが好ましい。 When the substrate has the (100) plane or the (801) plane as the principal plane, the crystal orientation <010> of the substrate and the crystal orientation <11-20> of the surface rearrangement layer are substantially parallel, The surface rearrangement layer preferably has N polarity.
本発明は、上記の目的を達成するため、主面を有するβ−Ga2O3系単結晶からなる基板と、前記主面上に形成され、前記基板を構成するβ−Ga2O3の一部または全部の酸素原子が窒素原子に置換され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層と、前記表面再配列層上に形成され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜とを備えたことを特徴とする半導体装置を提供する。 The present invention, in order to achieve the above object, a substrate made of β-Ga 2 O 3 system single crystal having a major surface, is formed on the primary surface, the β-Ga 2 O 3 constituting the substrate A surface rearrangement layer including a wurtzite structure GaN-based compound in which part or all of oxygen atoms are replaced with nitrogen atoms and the c-axis is substantially perpendicular to the main surface, and is formed on the surface rearrangement layer. And a single crystal thin film made of a wurtzite structure GaN-based compound having a c-axis substantially perpendicular to the main surface.
この構成によれば、Ga2O3系単結晶からなる基板に対し窒化処理層を設けることにより、Ga2O3系結晶構造の上にウルツ鉱型構造のGaN系化合物からなる単結晶薄膜が、格子不整合がより軽減されて成長する。その結果、結晶品質の低下を抑制することができ、品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を得ることができる。 According to this configuration, by to the substrate made of Ga 2 O 3 single crystal providing the nitrided layer, a single crystal thin film made of a GaN-based compound of a wurtzite type structure on the Ga 2 O 3 system crystal structure The lattice mismatch is further reduced and grows. As a result, a decrease in crystal quality can be suppressed, and a single crystal thin film made of a high quality GaN compound can be obtained.
前記表面再配列層および前記単結晶薄膜は、N極性を有することが好ましい。 The surface rearrangement layer and the single crystal thin film preferably have N polarity.
前記表面再配列層および前記単結晶薄膜は、酸化ガリウム層と窒化ガリウム層を含むことが好ましい。 The surface rearrangement layer and the single crystal thin film preferably include a gallium oxide layer and a gallium nitride layer.
前記基板は、(100)面または(801)面を前記主面とするとき、前記基板の結晶方位〈010〉と前記表面再配列層および前記単結晶薄膜の結晶方位〈11−20〉がほぼ平行であることが好ましい。 When the substrate has the (100) plane or the (801) plane as the principal plane, the crystal orientation <010> of the substrate and the crystal orientation <11-20> of the surface rearranged layer and the single crystal thin film are approximately It is preferable that they are parallel.
前記基板は、前記表面再配列層と前記単結晶薄膜との間に、N極性とGa極性を反転させるためのバッファ層を備えることが好ましい。 The substrate preferably includes a buffer layer for inverting N polarity and Ga polarity between the surface rearrangement layer and the single crystal thin film.
本発明は、上記の目的を達成するため、主面を有するβ−Ga2O3系単結晶からなる基板を準備し、前記基板上に成長させる成長層を構成する元素を含む所定の原料ガスの雰囲気において、前記基板を所定の温度に保つことにより、前記主面上にc軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention prepares a substrate made of a β-Ga 2 O 3 -based single crystal having a main surface, and a predetermined source gas containing an element constituting a growth layer grown on the substrate In this atmosphere, by maintaining the substrate at a predetermined temperature, a surface rearrangement layer containing a wurtzite structure GaN-based compound having a c-axis substantially perpendicular to the main surface is formed on the main surface. A semiconductor device manufacturing method is provided.
この構成によれば、Ga2O3系単結晶からなる基板に対し窒化処理層を設けることにより、Ga2O3系結晶構造の上にウルツ鉱型構造のGaN系化合物からなる単結晶薄膜が、格子不整合がより軽減されて成長する。その結果、結晶品質の低下を抑制することができ、品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を得ることができる。 According to this configuration, by to the substrate made of Ga 2 O 3 single crystal providing the nitrided layer, a single crystal thin film made of a GaN-based compound of a wurtzite type structure on the Ga 2 O 3 system crystal structure The lattice mismatch is further reduced and grows. As a result, a decrease in crystal quality can be suppressed, and a single crystal thin film made of a high quality GaN compound can be obtained.
本発明は、上記の目的を達成するため、主面を有するβ−Ga2O3系単結晶からなる基板を準備し、前記基板上に成長させる成長層を構成する元素を含む所定の原料ガスの雰囲気において、前記基板を所定の温度に保つことにより、前記主面上にc軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層を形成し、前記表面再配列層上に、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention prepares a substrate made of a β-Ga 2 O 3 -based single crystal having a main surface, and a predetermined source gas containing an element constituting a growth layer grown on the substrate In this atmosphere, by maintaining the substrate at a predetermined temperature, a surface rearrangement layer including a wurtzite structure GaN-based compound having a c-axis substantially perpendicular to the main surface is formed on the main surface, Provided is a method for manufacturing a semiconductor device, wherein a single crystal thin film made of a wurtzite structure GaN-based compound having a c-axis substantially perpendicular to the main surface is formed on a surface rearrangement layer.
本発明によれば、結晶品質の高いGaN系化合物からなる単結晶薄膜を備えた発光素子を得ることができる。 According to the present invention, a light emitting device including a single crystal thin film made of a GaN-based compound with high crystal quality can be obtained.
〈第1の実施の形態〉
<発光素子の構成>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光素子の模式的斜視図を示す。この発光素子10は、n型の導電性を示すβ−Ga2O3からなる基板(以下「Ga2O3基板」という。)11を有し、このGa2O3基板11の上に表面再配列層22、n型の導電性を示すn−GaNクラッド層13、多重量子井戸構造(MQW)を有するInGaN発光層14、p型の導電性を示すp−AlGaNクラッド層15、およびp型の導電性を示すp−GaNコンタクト層16を順次積層し、p−GaNコンタクト層16の上面にp電極17を形成し、Ga2O3基板11の下面にn電極18を形成したものである。
<First Embodiment>
<Configuration of light emitting element>
FIG. 1 is a schematic perspective view of a light emitting device according to a first embodiment of the present invention. The light emitting element 10 has a substrate 11 (hereinafter referred to as “Ga 2 O 3 substrate”) 11 made of β-Ga 2 O 3 exhibiting n-type conductivity, and has a surface on the Ga 2 O 3 substrate 11. Rearrangement layer 22, n-GaN cladding layer 13 exhibiting n-type conductivity, InGaN light-emitting layer 14 having a multiple quantum well structure (MQW), p-AlGaN cladding layer 15 exhibiting p-type conductivity, and p-type The p-GaN contact layer 16 exhibiting the above conductivity is sequentially laminated, the p-electrode 17 is formed on the upper surface of the p-GaN contact layer 16, and the n-electrode 18 is formed on the lower surface of the Ga 2 O 3 substrate 11. .
Ga2O3基板11は、β−Ga2O3系単結晶からなり、透明性を有する。Ga2O3基板11は(100)面を主面とし、その主面は、バッファ層12、n−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15およびp−GaNコンタクト層16等の半導体層の成長面となる。 The Ga 2 O 3 substrate 11 is made of a β-Ga 2 O 3 single crystal and has transparency. The Ga 2 O 3 substrate 11 has a (100) plane as a main surface, and the main surfaces are a buffer layer 12, an n-GaN cladding layer 13, an InGaN light emitting layer 14, a p-AlGaN cladding layer 15, and a p-GaN contact layer 16. It becomes the growth surface of the semiconductor layer.
なお、Ga2O3基板11は、上記のようにβ−Ga2O3単結晶からなるなることを基本とするが、Cu、Ag、Zn、Cd、Al、In、Si、GeおよびSnからなる群から選ばれる1種以上を添加したGaを主成分とした酸化物で構成してもよい。これらの元素を添加することにより、格子定数あるいはバンドギャップエネルギーを制御することができる。例えば、AlとInの元素を添加することにより、(GaxAlyIn(1−x−y))2O3(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるGa2O3基板11を得ることができる。 The Ga 2 O 3 substrate 11 is basically made of β-Ga 2 O 3 single crystal as described above, but is made of Cu, Ag, Zn, Cd, Al, In, Si, Ge, and Sn. You may comprise with the oxide which has as a main component Ga which added 1 or more types chosen from the group which consists of. By adding these elements, the lattice constant or band gap energy can be controlled. For example, by adding elements of Al and In, (Ga x Al y In (1-xy) ) 2 O 3 (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) The Ga 2 O 3 substrate 11 represented by
表面再配列層22は、MOCVD装置内でGa2O3基板11を所定のNH3雰囲気中で、所定の時間加熱して、Ga2O3基板11の表面を構成するβ−Ga2O3酸素原子の一部または全部を窒素原子と置換されたもので、Ga2O3基板11の表面は、β−Ga2O3とGaNとの入り混じった層あるいはGaNからなる層が形成される。表面再配列層22は、厚くする必要はなく、1000nm以下、好ましくは、200nm以下の厚さとする。この程度の厚さであれば、表面再配列層22上に形成されるGaN層は、基板の結晶格子の影響を引き継ぐことが可能である。表面再配列層22は、Ga2O3基板11を構成するβ−Ga2O3の格子定数と同一または近似するのであれば、主面に限らず、他の面に形成してもよい。
The surface rearrangement layer 22 heats the Ga 2 O 3 substrate 11 in a predetermined NH 3 atmosphere in a MOCVD apparatus for a predetermined time to form β-Ga 2 O 3 constituting the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11. A part or all of oxygen atoms are replaced with nitrogen atoms. On the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11, a mixed layer of β-Ga 2 O 3 and GaN or a layer made of GaN is formed. . The surface rearrangement layer 22 does not need to be thick, and has a thickness of 1000 nm or less, preferably 200 nm or less. With this thickness, the GaN layer formed on the surface rearrangement layer 22 can take over the influence of the crystal lattice of the substrate. As long as the surface rearrangement layer 22 is the same as or approximates to the lattice constant of β-Ga 2 O 3 constituting the Ga 2 O 3 substrate 11, the surface rearrangement layer 22 may be formed on another surface.
n−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16等からなるGaN系化合物薄膜は、MOCVD法により形成する。このGaN系化合物薄膜は、B、Al、In、Tl等のIII族元素等の添加物を含むものであってもよい。例えば、AlとInの元素を添加することにより、一般式GaxAlyIn(1−x−y)N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表わされるGaN系化合物薄膜を用いることができる。 A GaN-based compound thin film composed of the n-GaN cladding layer 13, the InGaN light emitting layer 14, the p-AlGaN cladding layer 15, the p-GaN contact layer 16, and the like is formed by MOCVD. This GaN-based compound thin film may contain an additive such as a group III element such as B, Al, In, or Tl. For example, by adding elements of Al and In, the general formula Ga x Al y In (1-xy) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) The represented GaN-based compound thin film can be used.
また、上記のn−GaNクラッド層13の代わりに、InGaN、AlGaNあるいはInGaAlNからなる薄膜を成長させてもよい。これらは、GaNの格子定数とほぼ一致しているため、格子不整合が生じにくく、結晶品質が低下し難くなる。 Further, instead of the n-GaN cladding layer 13 described above, a thin film made of InGaN, AlGaN or InGaAlN may be grown. Since these are almost the same as the lattice constant of GaN, lattice mismatch is unlikely to occur and the crystal quality is not easily lowered.
InGaN発光層14は、例えば、不純物を添加していないノンドープInGaNからなる半導体により形成され、単一量子井戸または多重量子井戸構造(MQW)をなしている。InとGaの組成比を調節したり、p型あるいはn型の導電性とすることにより、InGaN発光層14のバンドギャップを変化させて発光波長を変化させることができる。 The InGaN light emitting layer 14 is formed of, for example, a semiconductor made of non-doped InGaN to which no impurity is added, and has a single quantum well structure or a multiple quantum well structure (MQW). The emission wavelength can be changed by changing the band gap of the InGaN light-emitting layer 14 by adjusting the composition ratio of In and Ga or by using p-type or n-type conductivity.
p電極17は、p−GaNコンタクト層16上に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。p電極17の材料として、Au、Al、Be、Ni、Pt、In、Sn、Cr、Ti、Zn等の金属単体、これらのうち少なくとも2種の合金(例えば、Au−Zn合金、Au−Be合金)、これらを2層構造に形成するもの(例えば、Ni/Au)、あるいはITO等を用いることができる。 The p electrode 17 is formed on the p-GaN contact layer 16 with a material that can provide ohmic contact by vapor deposition, sputtering, or the like. As a material of the p-electrode 17, a simple metal such as Au, Al, Be, Ni, Pt, In, Sn, Cr, Ti, Zn, or at least two kinds of alloys thereof (for example, Au—Zn alloy, Au—Be) Alloys), those forming these in a two-layer structure (for example, Ni / Au), ITO, or the like can be used.
n電極18は、Ga2O3基板11の下面に蒸着、スパッタ等によりオーミック接触が得られる材料で形成される。n電極18の材料として、Au、Al、Co、Ge、Ti、Sn、In、Ni、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等の金属単体、これらのうち少なくとも2種の合金(例えば、Au−Ge合金)、これらを2層構造に形成するもの(例えば、Al/Ti、Au/Ni、Au/Co)、あるいはITO等を用いることができる。 The n-electrode 18 is formed on the lower surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 with a material that can provide ohmic contact by vapor deposition, sputtering, or the like. As a material for the n-electrode 18, a simple metal such as Au, Al, Co, Ge, Ti, Sn, In, Ni, Pt, W, Mo, Cr, Cu, Pb, or at least two kinds of these alloys (for example, (Au—Ge alloy), those formed in a two-layer structure (for example, Al / Ti, Au / Ni, Au / Co), ITO, or the like can be used.
<基板の形成方法>
次に、Ga2O3基板11の形成方法について説明する。すなわち、Ga2O3基板11の素材となるβ−Ga2O3単結晶をFZ(フローティングゾーン)法により作製し、β−Ga2O3単結晶を所定の大きさに切断して基板を作製する。
<Substrate formation method>
Next, a method for forming the Ga 2 O 3 substrate 11 will be described. That is, a β-Ga 2 O 3 single crystal as a material of the Ga 2 O 3 substrate 11 is produced by an FZ (floating zone) method, and the β-Ga 2 O 3 single crystal is cut into a predetermined size to obtain a substrate. Make it.
以下、基板の製造方法について詳細に説明する。まず、β−Ga2O3種結晶とβ−Ga2O3多結晶素材を準備する。β−Ga2O3種結晶は、β−Ga2O3単結晶を劈界面に沿って切り出して所定の大きさに形成したものを使用する。β−Ga2O3多結晶素材は、例えば、純度4Nのβ−Ga2O3粉末をゴム管に充填し、それを500MPaで冷間圧縮した後、1500℃で10時間焼結することにより得られる。 Hereinafter, the manufacturing method of a board | substrate is demonstrated in detail. First, a β-Ga 2 O 3 seed crystal and a β-Ga 2 O 3 polycrystalline material are prepared. As the β-Ga 2 O 3 seed crystal, a β-Ga 2 O 3 single crystal is cut out along the heel interface and formed into a predetermined size. The β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is prepared by, for example, filling a rubber tube with β-Ga 2 O 3 powder having a purity of 4N, cold-compressing it at 500 MPa, and sintering at 1500 ° C. for 10 hours. can get.
次に、石英管中において、全圧が1〜2気圧の窒素と酸素の混合気体(100%窒素から100%酸素の間で変化)の雰囲気の下、β−Ga2O3種結晶とβ−Ga2O3多結晶素材との先端を互いに接触させ、その接触部分を加熱溶融する。溶解したβ−Ga2O3多結晶素材は、冷却されることにより、β−Ga2O3単結晶がβ−Ga2O3種結晶の軸方向と同じ方向(a軸、b軸、あるいはc軸の方向)に成長する。さらに、種結晶から遠ざかる方向にβ−Ga2O3多結晶を溶解していくとともに、溶解したβ−Ga2O3多結晶を冷却していき、β−Ga2O3単結晶を得る。このβ−Ga2O3単結晶を、例えば、(100)面に沿って劈開し、所定のサイズに切断してGa2O3基板11を作製する。このようにして作製したGa2O3基板11の比抵抗を測定した結果、室温で0.1Ω・cm以下の値が得られた。 Next, in an atmosphere of a mixed gas of nitrogen and oxygen (changed between 100% nitrogen and 100% oxygen) having a total pressure of 1 to 2 atm in a quartz tube, β-Ga 2 O 3 seed crystal and β The tips of the —Ga 2 O 3 polycrystalline material are brought into contact with each other, and the contact portions are heated and melted. When the melted β-Ga 2 O 3 polycrystalline material is cooled, the β-Ga 2 O 3 single crystal is in the same direction as the axial direction of the β-Ga 2 O 3 seed crystal (a-axis, b-axis, or c direction). Furthermore, we intend to dissolve the β-Ga 2 O 3 polycrystalline away from the seed crystal, dissolved β-Ga 2 O 3 polycrystal gradually cooled to obtain a β-Ga 2 O 3 single crystal. The β-Ga 2 O 3 single crystal is cleaved along, for example, the (100) plane, and cut into a predetermined size to produce the Ga 2 O 3 substrate 11. As a result of measuring the specific resistance of the Ga 2 O 3 substrate 11 thus produced, a value of 0.1 Ω · cm or less was obtained at room temperature.
<表面再配列層の形成方法>
次に表面再配列層22を形成する方法を説明する。まず、表面再配列層22を形成しようとする主面が現われるように、Ga2O3基板11を反応容器内に保持する。そして、Ga2O3基板11の表面の温度が500℃以上、好ましくは800℃±50℃となるように反応容器内の温度を調節する。反応容器内を窒素源として760torrのNH3を雰囲気として、所定の時間加熱して、Ga2O3基板11の表面を構成するβ−Ga2O3酸素原子の一部または全部を窒素原子と置換されたもので、Ga2O3基板11の表面は、β−Ga2O3とGaNとの入り混じった層あるいはGaNからなる層が形成される。表面再配列層22を成長させるGa2O3基板11の面方位は、(100)面であり、それぞれ各面に対して±15°の誤差が許容される。
<Method for forming surface rearrangement layer>
Next, a method for forming the surface rearrangement layer 22 will be described. First, the Ga 2 O 3 substrate 11 is held in the reaction container so that the main surface on which the surface rearrangement layer 22 is to be formed appears. Then, the temperature in the reaction vessel is adjusted so that the temperature of the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 is 500 ° C. or higher, preferably 800 ° C. ± 50 ° C. The reaction vessel is heated to a nitrogen source with 760 torr of NH 3 as an atmosphere and heated for a predetermined time, so that part or all of β-Ga 2 O 3 oxygen atoms constituting the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 are nitrogen atoms. As a result of the replacement, a layer in which β-Ga 2 O 3 and GaN are mixed or a layer made of GaN is formed on the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11. The plane orientation of the Ga 2 O 3 substrate 11 on which the surface rearrangement layer 22 is grown is the (100) plane, and an error of ± 15 ° is allowed for each plane.
<GaN系化合物薄膜の形成方法>
上記n−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16のGaN系化合物薄膜は、MOCVD法により形成する。n−GaNクラッド層13、p−GaNクラッド層15を形成するために、原料ガスとして、TMGおよびNH3を用い、InGaN発光層14を形成するために、原料ガスとしてTMI(トリメチルインジウム)、TMG(トリメチルガリウム)およびNH3を用い、p−AlGaNクラッド層15を形成するために、、原料ガスとしてTMA、TMGおよびNH3を用いる。また、キャリアガスは、前述した理由により、He等の不活性ガスを用いる。この場合、所定の温度範囲によりGaN系化合物薄膜の成長が促進される。このとき、上記のGaN系化合物薄膜は、N極性を有する。なお、Ga極性を有する面にする場合は、極性を変換するためのバッファ層を形成すればよい。
<Method for forming GaN-based compound thin film>
The GaN-based compound thin films of the n-GaN cladding layer 13, the InGaN light emitting layer 14, the p-AlGaN cladding layer 15, and the p-GaN contact layer 16 are formed by MOCVD. In order to form the n-GaN cladding layer 13 and the p-GaN cladding layer 15, TMG and NH 3 are used as source gases, and in order to form the InGaN light-emitting layer 14, TMI (trimethylindium), TMG are used as source gases. In order to form the p-AlGaN cladding layer 15 using (trimethylgallium) and NH 3 , TMA, TMG, and NH 3 are used as source gases. The carrier gas is an inert gas such as He for the reasons described above. In this case, the growth of the GaN-based compound thin film is promoted by a predetermined temperature range. At this time, the GaN-based compound thin film has N polarity. Note that in the case of a surface having Ga polarity, a buffer layer for converting the polarity may be formed.
<キャリア濃度が異なる薄膜の形成>
MOCVD装置により、n−GaNクラッド層13およびp−GaNコンタクト層16のように、GaNのキャリア濃度を変えるには、GaNに添加するn型ドーパントあるいはp型ドーパントの量を変えることにより行う。
<Formation of thin films with different carrier concentrations>
In order to change the carrier concentration of GaN as in the case of the n-GaN cladding layer 13 and the p-GaN contact layer 16 by the MOCVD apparatus, the amount of n-type dopant or p-type dopant added to GaN is changed.
すなわち、MOCVD装置によりキャリア濃度の異なる薄膜、例えば、n−GaNクラッド層13,p−GaNコンタクト層16を形成するには、以下のように行う。 That is, in order to form thin films having different carrier concentrations, for example, the n-GaN clad layer 13 and the p-GaN contact layer 16 by the MOCVD apparatus, the following process is performed.
まずn−GaNクラッド層13について説明する。反応容器内において、薄膜を形成する面が上になるようにしてGa2O3基板11を保持する。そして、反応容器中の温度を例えば、1080℃として、TMGを54×10−6モル/min、TMA(トリメチルアルミニウム)を6×10−6モル/min、モノシラン(SiH4)を22×10−11モル/minで流して、60分問成長させ、SiドープGa0.9Al0.1N(n−GaNクラッド層13)を3μmの膜厚で成長させる。なお、温度や、TMA濃度等は、膜の成長に影響を与えない範囲で増減が可能である。 First, the n-GaN cladding layer 13 will be described. In the reaction vessel, the Ga 2 O 3 substrate 11 is held such that the surface on which the thin film is formed faces up. Then, the temperature in the reaction vessel for example, as 1080 ° C., TMG and 54 × 10 -6 mol / min, TMA (trimethyl aluminum) and 6 × 10 -6 mol / min, monosilane (SiH 4) and 22 × 10 - A flow rate of 11 mol / min is applied for 60 minutes to grow Si-doped Ga 0.9 Al 0.1 N (n-GaN cladding layer 13) with a thickness of 3 μm. Note that the temperature, the TMA concentration, and the like can be increased or decreased within a range that does not affect the film growth.
次に、p−GaNコンタクト層16について説明する。反応容器中の温度を例えば、1080℃として、TMGを54×10―6モル/minでビスジクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)とともに流して、MgドープGaN(p−GaNコンタクト層16)を1μmの膜厚で成長させる。なお、温度や、TMA濃度等は、膜の成長に影響を与えない範囲で増減が可能である。 Next, the p-GaN contact layer 16 will be described. The temperature in the reaction vessel is, for example, 1080 ° C., TMG is flowed at 54 × 10 −6 mol / min together with bisdiclopentadienylmagnesium (Cp 2 Mg), and Mg-doped GaN (p-GaN contact layer 16) is flown. Growing with a film thickness of 1 μm. Note that the temperature, the TMA concentration, and the like can be increased or decreased within a range that does not affect the film growth.
なお、n−GaNクラッド層13の代わりに、InGaN、AlGaNあるいはInGaAlNを成長させてもよい。InGaNおよびAlGaNの場合は、表面再配列層22との格子定数をほぼ一致させることができ、InAlGaNの場合は、表面再配列層22との格子定数を一致させることが可能である。 Instead of the n-GaN cladding layer 13, InGaN, AlGaN, or InGaAlN may be grown. In the case of InGaN and AlGaN, the lattice constant with the surface rearrangement layer 22 can be made to substantially match, and in the case of InAlGaN, the lattice constant with the surface rearrangement layer 22 can be made to match.
<実施の形態の効果>
この実施の形態に係る発光素子10によれば、以下の効果を奏する。
(イ)Ga2O3基板11のβ−Ga2O3単結晶の(100)面において、単位格子が6角形となり、GaNの結晶構造であるウルツ鉱型構造と近似する。ウルツ鉱型構造の結晶方位<11−20>とGa2O3基板11の結晶方位<010>がほぼ平行になるようにGaNの単結晶薄膜が成長する。このとき、格子定数が近似し、結晶性のよいGaN系化合物薄膜を得ることができる。したがって、結晶品質の劣化を抑えることができ、発光効率が高められた発光素子を得ることができる。
(ロ)N面を露出することにより、N面上に薄膜を成長させる各種の成長法を用いることができるため、用途に応じた半導体装置を得ることができる。
(ハ)Ga2O3基板11および表面再配列層22は、透光性を有するとともに、導電性を有するので、電極構造が垂直型の発光ダイオードを作ることができ、その結果、発光素子10の全体を電流通路にすることができることから電流密度を低くすることができ、発光素子10の寿命を長くすることができる。
(ニ)発光素子10は、多重量子井戸構造を有しているため、キャリアとなる電子と正孔とがInGaN発光層14に閉じこめられて再結合する確率が高くなるので、発光光率が大幅に向上する。
(ホ)N面を露出することにより、水素キャリアガスに侵食されず、良い単結晶膜が形成される。
<Effect of Embodiment>
The light emitting element 10 according to this embodiment has the following effects.
(A) In the (100) plane of the β-Ga 2 O 3 single crystal of the Ga 2 O 3 substrate 11, the unit cell is hexagonal and approximates to a wurtzite structure that is a crystal structure of GaN. A single crystal thin film of GaN is grown so that the crystal orientation <11-20> of the wurtzite structure and the crystal orientation <010> of the Ga 2 O 3 substrate 11 are substantially parallel. At this time, a GaN-based compound thin film having a close lattice constant and good crystallinity can be obtained. Therefore, deterioration of crystal quality can be suppressed, and a light-emitting element with improved light emission efficiency can be obtained.
(B) By exposing the N surface, various growth methods for growing a thin film on the N surface can be used, so that a semiconductor device suitable for the application can be obtained.
(C) Since the Ga 2 O 3 substrate 11 and the surface rearrangement layer 22 have translucency and conductivity, a light-emitting diode having a vertical electrode structure can be formed. As a result, the light-emitting element 10 Therefore, the current density can be lowered, and the lifetime of the light emitting element 10 can be extended.
(D) Since the light-emitting element 10 has a multiple quantum well structure, the probability that the electrons and holes serving as carriers are confined in the InGaN light-emitting layer 14 and recombined increases, so that the light emission rate is greatly increased. To improve.
(E) By exposing the N surface, a good single crystal film is formed without being eroded by the hydrogen carrier gas.
図2は、実施例1に係る発光素子を示し、(a)は発光素子の上面から見た概略図、(b)は側面図である。
Ga2O3基板11は、β−Ga2O3単結晶をb軸およびc軸に沿って平面方向に成長させ、a軸方向に沿って厚さ方向に成長させたものである。
2A and 2B show a light-emitting element according to Example 1, where FIG. 2A is a schematic view seen from the top surface of the light-emitting element, and FIG. 2B is a side view.
The Ga 2 O 3 substrate 11 is obtained by growing a β-Ga 2 O 3 single crystal in the planar direction along the b-axis and the c-axis and growing in the thickness direction along the a-axis direction.
GaN系化合物薄膜層23は、Ga2O3基板11の(100)面上にn−GaNクラッド層13、InGaN発光層14、p−AlGaNクラッド層15、およびp−GaNコンタクト層16等のGaN系化合物薄膜をa軸およびb軸に沿って平面方向に成長させ、c軸方向に沿って厚さ方向に成長させたものである。
この実施例1によれば、Ga2O3基板11の(100)面における結晶表面におけるβ−Ga2O3の結晶方位が〈010〉である場合、GaNの結晶表面における結晶方位は、〈11-20〉であった。
The GaN-based compound thin film layer 23 is formed of GaN such as an n-GaN cladding layer 13, an InGaN light emitting layer 14, a p-AlGaN cladding layer 15, and a p-GaN contact layer 16 on the (100) plane of the Ga 2 O 3 substrate 11. A system compound thin film is grown in the planar direction along the a-axis and the b-axis, and is grown in the thickness direction along the c-axis direction.
According to Example 1, when the crystal orientation of β-Ga 2 O 3 on the crystal surface in the (100) plane of the Ga 2 O 3 substrate 11 is <010>, the crystal orientation on the crystal surface of GaN is <11-20>.
表面再配列は、Ga2O3基板を1TorrのNH3雰囲気中で500℃以上に加熱することにより行われた。また、XPS(X線光電子分光分析)は、JPS−9010TRシステムを用い、Mgターゲット上に10kVで10mAの電流を流すことにより生じたX線を(100)面と直角に照射することにより行った。 The surface rearrangement was performed by heating the Ga 2 O 3 substrate to 500 ° C. or higher in a 1 Torr NH 3 atmosphere. XPS (X-ray photoelectron spectroscopic analysis) was performed by using a JPS-9010TR system and irradiating the Mg target with X-rays generated by flowing a current of 10 mA at 10 kV at a right angle to the (100) plane. .
図3は、表面再配列の前後のGa2O3基板11の表面の状態を示す図である。この図は、Ga2O3基板11の(100)面における窒化の前後でのX線光電子放出スペクトルが示されている。これは、Ga2O3基板11の表面の窒素原子の受容をXPSにより確認したものである。実線は、窒化前のX線光電子放出スペクトルを示し、破線は、窒化後のX線光電子放出スペクトルを示している。この図によれば、以下のことが分かる。 FIG. 3 is a diagram showing the state of the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 before and after the surface rearrangement. This figure shows X-ray photoelectron emission spectra before and after nitriding in the (100) plane of the Ga 2 O 3 substrate 11. This confirms the acceptance of nitrogen atoms on the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 by XPS. The solid line shows the X-ray photoelectron emission spectrum before nitriding, and the broken line shows the X-ray photoelectron emission spectrum after nitriding. According to this figure, the following can be understood.
(1)酸素原子の1s電子に起因するピークが低下する。
(2)窒素原子の1s電子に起因するピークが上昇する。
(3)Gaの3d電子に起因するピークは、余り変化していない。
(1) The peak due to the 1s electron of the oxygen atom decreases.
(2) The peak due to the 1s electron of the nitrogen atom increases.
(3) The peak attributed to the 3d electrons of Ga does not change much.
なお、窒化前におけるGa2O3基板11表面の酸素原子とGa原子の濃度比は、53対47であり、Ga原子の3d電子と酸素原子の1s電子の放出強度の比から計算され、この濃度比は、化学量論的な値に略一致する。表面再配列後のGa2O3基板表面の酸素原子と窒素原子の濃度比は、56対44であり、酸素原子の1s電子の放出に基づくピークが減少し、窒素原子の1s電子の放出に基づくピークが出現した。これは、Ga2O3基板11の表面の酸素原子は窒素原子によって置換されたことを示している。XPSによれば、窒素原子は、表面にのみ取り入れられることがわかる。 The concentration ratio of oxygen atoms to Ga atoms on the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 before nitriding is 53:47, which is calculated from the ratio of the emission intensity of 3d electrons of Ga atoms and 1s electrons of oxygen atoms. The concentration ratio is approximately in agreement with the stoichiometric value. The concentration ratio of oxygen atoms and nitrogen atoms on the surface of the Ga 2 O 3 substrate after the surface rearrangement is 56:44, and the peak based on the emission of 1s electrons of oxygen atoms decreases, and the emission of 1s electrons of nitrogen atoms decreases. Based peak appeared. This indicates that the oxygen atoms on the surface of the Ga 2 O 3 substrate 11 are replaced by nitrogen atoms. According to XPS, it can be seen that nitrogen atoms are only incorporated into the surface.
また、表面再配列層22の電気伝導度、キャリア濃度およびキャリア移動度は、それぞれ50Ω−1cm−1、1×1018cm、100cm2V−1S−1であり、窒化による電気的特性への影響はない。 Moreover, the electrical conductivity, the carrier concentration, and the carrier mobility of the surface rearrangement layer 22 are 50Ω −1 cm −1 , 1 × 10 18 cm, and 100 cm 2 V −1 S −1 , respectively. There is no impact on
表面再配列において、Ga2O3基板11を760Torr(1気圧)のNH3雰囲気中で800℃に加熱することにより行った。この条件によっても、実施例1と同様に表面再配列層を形成することができた。 In the surface rearrangement, the Ga 2 O 3 substrate 11 was heated to 800 ° C. in an NH 3 atmosphere of 760 Torr (1 atm). Even under these conditions, a surface rearrangement layer could be formed in the same manner as in Example 1.
実施例5は、Ga2O3基板11の(100)面におけるβ−Ga2O3の結晶方位が〈010〉である場合、GaNの結晶方位は、〈11-20〉であり、ほぼ平行している。この場合、(100)面の単位格子の形状が6角形ではないが、(801)面と同じ方位で結晶性のよいGaNがエピタキシャル成長した。 In Example 5, when the crystal orientation of β-Ga 2 O 3 on the (100) plane of the Ga 2 O 3 substrate 11 is <010>, the crystal orientation of GaN is <11-20>, which is substantially parallel. is doing. In this case, although the shape of the unit cell on the (100) plane is not hexagonal, GaN having good crystallinity was epitaxially grown in the same orientation as the (801) plane.
〈他の実施の形態〉
Ga2O3基板11の成長法として、FZ法について説明したが、EFG(Edge-defined Film-fed Growth method)法等の他の成長法を適用しても、FZ法により製造するβ−Ga2O3単結晶と同様のβ−Ga2O3単結晶を製造することができ、これを切断することによりGa2O3基板11を製造することができる。
<Other embodiments>
Although the FZ method has been described as the growth method of the Ga 2 O 3 substrate 11, β-Ga manufactured by the FZ method can be applied even if another growth method such as an EFG (Edge-defined Film-fed Growth method) method is applied. 2 O 3 can be produced similar beta-Ga 2 O 3 single crystal and the single crystal can be produced Ga 2 O 3 substrate 11 by cutting it.
また、GaN系化合物薄膜の成長法としてMOCVD法について説明したが、PLD(Pulsed Laser Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法等の他の成長法を適用しても、MOCVD法によるのと同様にエピタキシャル成長させることができる。 Also, the MOCVD method has been described as a method for growing a GaN-based compound thin film. However, even if another growth method such as a PLD (Pulsed Laser Deposition) method or MBE (Molecular Beam Epitaxy) method is applied, it is the same as that by the MOCVD method. Can be epitaxially grown.
窒化処理層22を成長させるGa2O3基板11が(100)面の場合について説明したが、(100)面に対し、13.52°傾いた(801)面であっても同様の効果を奏することができる。 Although the case where the Ga 2 O 3 substrate 11 on which the nitriding layer 22 is grown is the (100) plane has been described, the same effect can be obtained even when the (801) plane is inclined 13.52 ° with respect to the (100) plane. Can play.
なお、本発明に係る発光素子10は、発光ダイオードやレーザダイオードに限らず、トランジスタ、サイリスタ、ダイオード等の半導体にも適用することができる。具体的には、例えば、電界効果トランジスタ、フォトダイオード、太陽電池等が挙げられる。 Note that the light-emitting element 10 according to the present invention is not limited to a light-emitting diode or a laser diode, but can also be applied to a semiconductor such as a transistor, a thyristor, or a diode. Specifically, a field effect transistor, a photodiode, a solar cell, etc. are mentioned, for example.
10 発光素子
11 Ga2O3基板
13 n−GaNクラッド層
14 InGaN発光層
15 p−AlGaNクラッド層
16 p−GaNコンタクト層
17 n電極
18 p電極
22 表面再配列層
23 GaN系化合物薄膜層
30 半導体層
31 Al2O3基板
32 バッファ層
33 GaN成長層
10 light-emitting element 11 Ga 2 O 3 substrate 13 n-GaN cladding layer 14 InGaN light-emitting layer 15 p-AlGaN cladding layer 16 p-GaN contact layer seventeen n electrode 18 p electrode 22 surface reconstruction layer 23 GaN-based compound thin film layer 30 semiconductor Layer 31 Al 2 O 3 substrate 32 buffer layer 33 GaN growth layer
Claims (9)
前記主面上に形成され、前記基板を構成するβ−Ga2O3の一部または全部の酸素原子が窒素原子に置換され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層とからなることを特徴とする半導体装置。 A substrate made of a β-Ga 2 O 3 single crystal having a main surface;
A wurtzite structure formed on the main surface, wherein some or all of the oxygen atoms of β-Ga 2 O 3 constituting the substrate are replaced with nitrogen atoms, and the c-axis is substantially perpendicular to the main surface A semiconductor device comprising a surface rearrangement layer containing a GaN-based compound.
前記表面再配列層は、N極性を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 When the substrate has a (100) plane or (801) plane as the principal plane, the crystal orientation <010> of the substrate and the crystal orientation <11-20> of the surface rearrangement layer are substantially parallel,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the surface rearrangement layer has N polarity.
前記主面上に形成され、前記基板を構成するβ−Ga2O3の一部または全部の酸素原子が窒素原子に置換され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層と、
前記表面再配列層上に形成され、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜とを備えたことを特徴とする半導体装置。 A substrate made of a β-Ga 2 O 3 single crystal having a main surface;
A wurtzite structure formed on the main surface, wherein some or all of the oxygen atoms of β-Ga 2 O 3 constituting the substrate are replaced with nitrogen atoms, and the c-axis is substantially perpendicular to the main surface A surface rearrangement layer containing a GaN-based compound;
A semiconductor device comprising: a single crystal thin film made of a wurtzite structure GaN-based compound formed on the surface rearrangement layer and having a c-axis substantially perpendicular to the main surface.
前記基板上に成長させる成長層を構成する元素を含む所定の原料ガスの雰囲気において、前記基板を所定の温度に保つことにより、前記主面上にc軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A substrate made of a β-Ga 2 O 3 single crystal having a main surface is prepared,
By maintaining the substrate at a predetermined temperature in an atmosphere of a predetermined source gas containing an element constituting a growth layer grown on the substrate, the c-axis is substantially perpendicular to the main surface on the main surface. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a surface rearrangement layer containing a wurtzite structure GaN-based compound.
前記基板上に成長させる成長層を構成する元素を含む所定の原料ガスの雰囲気において、前記基板を所定の温度に保つことにより、前記主面上にc軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物を含む表面再配列層を形成し、
前記表面再配列層上に、c軸が前記主面に対しほぼ垂直であるウルツ鉱型構造GaN系化合物からなる単結晶薄膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A substrate made of a β-Ga 2 O 3 single crystal having a main surface is prepared,
By maintaining the substrate at a predetermined temperature in an atmosphere of a predetermined source gas containing an element constituting a growth layer grown on the substrate, the c-axis is substantially perpendicular to the main surface on the main surface. Forming a surface rearrangement layer containing a wurtzite structure GaN-based compound;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a single crystal thin film made of a wurtzite structure GaN-based compound having a c-axis substantially perpendicular to the main surface on the surface rearrangement layer.
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