JP3785059B2

JP3785059B2 - Manufacturing method of nitride semiconductor

Info

Publication number: JP3785059B2
Application number: JP2001191227A
Authority: JP
Inventors: 宣彦澤木; 善央本田; 典克小出
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-06-25
Filing date: 2001-06-25
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-06-25
Also published as: JP2003008061A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物半導体の製造方法に関し、特に、シリコン基板上に形成された窒化物半導体発光素子の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）およびそれらの混晶半導体からなる窒化物半導体を用いて、サファイア基板、窒化ガリウム基板もしくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板上に発光素子が作製されている。特に、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮで組成式が表わされる結晶を発光層として用いることで、高輝度の発光を得ることができる。
【０００３】
シリコン基板は、上述のサファイア基板などに比べ、安価で高品質であり、しかも大きな面積のものが得られるため、このシリコン基板上に窒化物半導体の発光素子を形成することにより、上述の基板を用いた場合に比べてより安価に発光素子を作製できることが期待される。このような技術の一例として、たとえばシリコン基板上に窒化物半導体を作製する技術が開示されている。この技術では、シリコン基板上にガリウムを中間層として形成し、その上に窒化物半導体層を成長させ発光素子としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の技術でシリコン基板上に窒化物半導体を形成した場合に、平坦な窒化物半導体を得ることが困難であるという問題があった。さらに、得られた結晶の品質が低下しやすいという問題があった。
【０００５】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、シリコン基板の上に形成された、高品質な窒化物半導体の製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の技術において、シリコン基板上に形成される窒化物半導体の品質が低下する原因を調べた結果、窒化物半導体中のガリウムがシリコン基板へ異常拡散することにより、窒化物半導体素子の品質が低下することがわかった。
【０００７】
本発明者の知見について詳細に説明する。
シリコン基板上に、ガリウムを含む窒化物半導体、たとえば窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）、窒化インジウムガリウムアルミニウム（ＩｎＧａＡｌＮ）を成長しても、平坦な結晶成長膜を得ることが非常に困難である。このようにして成長した窒化物半導体とシリコン基板との界面付近を詳細に観察すると、単に窒化物半導体の表面が荒れているだけでなく、シリコン基板の表面自体も荒れている。これは、結晶成長中にシリコン基板表面が徐々に荒れてきているものと考えられる。
【０００８】
図８は、従来の窒化物半導体の断面図である。図８を参照して、従来の窒化物半導体では、シリコン基板１の表面１ｆ上に、中間層として窒化アルミニウム層１００を形成する。窒化アルミニウム層１００上に、窒化ガリウムからなる窒化物半導体層２００を形成する。
【０００９】
窒化物半導体層２００内には多くのガリウムが存在し、そのうちの一部のガリウムが矢印２００ａで示す方向にシリコン基板１側へ拡散する。これにより、窒化物半導体層２００内でガリウムが少なくなり、窒化物半導体の品質が低下するという問題があった。
【００１０】
すなわち、図８で示すように、窒化物半導体層２００を成長させる際に、シリコン基板１に向かってガリウム元素が不均一に拡散する。この拡散により、シリコン基板１の表面が荒れ、窒化物半導体の品質が低下する。
【００１１】
このような、結晶成長中のシリコン基板の表面荒れを抑制する手法について種々検討した結果、予めシリコン基板に周期律表第ＩＩＩＢ族元素（以下、ＩＩＩＢ族元素という）を均一にドーピングすれば、この荒れを防止でき、これにより、得られたガリウムを含む窒化物半導体の膜の表面の平坦性、結晶品質を向上させることができることが判明した。
【００１２】
この事実より、上述の問題点の原因を推測すると、シリコン基板上にガリウムを含む窒化物半導体の結晶成長を行なうと、結晶成長中に窒化物半導体を構成すべきＩＩＩＢ族元素、特にガリウムが拡散する。また、シリコン基板の熱膨張係数が窒化物半導体の熱膨張係数と異なるため、結晶成長時に生じる熱応力により、窒化物半導体の結晶成長時にシリコン基板への局所的なガリウムの拡散（異常拡散）が起こりやすくなるものと考えられる。
【００１３】
図１は、この発明の原理を説明するために示す窒化物半導体の断面図である。図１を参照して、この発明に従った窒化物半導体の製造方法では、表面１ｆ近傍に、周期律表第ＩＩＩＢ族元素としてのガリウムを含有するＩＩＩＢ族含有層１ｂが形成されたシリコン基板１を準備する。「表面近傍」とは、表面１ｆからの深さが約２０ｎｍ程度の領域をいい、この領域にＩＩＩＢ族含有層１ｂが形成されている。シリコン基板１の表面１ｆ上に中間層としての窒化アルミニウム層１００を形成する。窒化アルミニウム層１００上に窒化物半導体としての窒化物半導体層２００を形成する。窒化物半導体層２００を形成する際には、シリコン基板１の表面１ｆ近傍にＩＩＩＢ族含有層１ｂが形成されているため、窒化カリウム層中のガリウムがシリコン基板１側へ拡散することを防止できる。
【００１４】
本発明では、シリコン基板１の表面に予めＩＩＩＢ族元素がドープされたＩＩＩＢ族含有層１ｂが形成されているため、窒化物半導体層２００を成長させる際に窒化物半導体層２００からガリウムが拡散することが抑制される。また、たとえ若干は拡散しても、シリコン基板１側に均一に広がっていくことによって、上述の問題点を解決する。
【００１５】
本発明の方法に従えば、シリコン基板と窒化物半導体層２００との界面近傍でシリコンとＩＩＩＢ族元素の共晶が形成されて拡散を抑制しているとも考えられるが、この点については詳細は不明である。
【００１６】
なお、本明細書中において、窒化物半導体とは、ＶＢ族元素が窒素（Ｎ）であるＩＩＩ−Ｖ族半導体であり、任意組成のＢＡｌＧａＩｎＳｂＮを含む他、窒素の一部（ＶＢ族元素のうちの２０％以下）がヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）に置き換わったものも含む。これらを用いた場合でも、同様の効果を奏する。
【００１７】
このような知見に基づいてなされた、この発明の１つの局面に従った窒化物半導体の製造方法は、少なくとも表面近傍にガリウムを含むシリコン基板を準備する工程と、シリコン基板の表面上にガリウムと窒素とを供給してガリウムを含有する窒化物半導体をシリコン基板の表面上に形成する工程とを備える。
【００１８】
このような構成を備えた窒化物半導体の製造方法に従えば、シリコン基板の表面には、ガリウムが予め含まれる。その表面上にガリウムを含有する窒化物半導体を成長させるため、窒化物半導体中のガリウムが、シリコン基板表面側へ拡散することを防止することができる。その結果、品質の高い窒化物半導体を提供することができる。
【００１９】
また好ましくは、シリコンはｎ型の不純物を含む。
また好ましくは、シリコン基板の表面近傍に含まれるガリウムの濃度は１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０²⁰ｃｍ^-3以下である。
【００２０】
ガリウムの濃度が１０¹⁷ｃｍ^-3未満であれば、シリコン基板表面近傍のガリウムの濃度が小さくなり、ガリウムの拡散を抑制する効果が小さくなる。ガリウムの濃度が１０²⁰ｃｍ^-3を超えると、ガリウムの割合は大きくなり、シリコン基板の表面が荒れる。そのため、その上に形成された窒化物半導体の品質が低下する。
【００２１】
また好ましくは、窒化物半導体をシリコン基板の表面上に形成する工程に先立って、シリコン基板の表面に、組成式がＡｌＩｎＮで表わされる中間層を形成する工程をさらに備える。この場合、中間層が、シリコン基板と窒化物半導体との間に介在することで、ガリウムの拡散をさらに効果的に抑制することができる。
【００２２】
この発明の別の局面に従った窒化物半導体の製造方法は、少なくともシリコン基板の表面近傍にガリウムをドープする工程と、ガリウムがドープされたシリコン基板の表面上にガリウムと窒素とを供給してガリウムを含有する窒化物半導体をシリコン基板の表面上に成長させる工程とを備える。
【００２３】
このような工程を備えた窒化物半導体の製造方法に従えば、シリコン基板の表面には、ガリウムがドープされる。その表面上にガリウムを含有する窒化物半導体を成長させるため、窒化物半導体中のガリウムが、シリコン基板表面側へ拡散することを防止することができる。その結果、品質の高い窒化物半導体を提供することができる。
【００２４】
また好ましくは、シリコン基板の表面近傍にガリウムをドープする工程は、シリコン基板の表面にガリウムを含む有機金属を供給する工程、シリコン基板にガリウムを含むイオンを注入する工程および拡散法によりガリウムをドープする工程からなる群より選ばれたいずれかの工程により行なわれる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
（実施の形態１)
図２は、この発明に従って製造された窒化物半導体を有する半導体装置の断面図である。図２を参照して、半導体装置は、シリコン基板１と、シリコン基板１の表面１ｆに形成された、中間層としてのｎ型のＡｌＩｎＮ中間層１０と、ＡｌＩｎＮ中間層１０上に形成された、窒化物半導体としてのｎ型のＧａＩｎＮからなる第１のクラッド層２と、第１のクラッド層２上に形成されたＩｎ_XＧａ_1-XＮからなる発光層３と、発光層３上に形成されたｐ型のＡｌＧａＩｎＮからなるキャリアブロック層４と、キャリアブロック層４上に形成されたｐ型のＧａＮからなる第２のクラッド層５が順に積層された構造を有する。
【００２８】
シリコン基板１にはｎ型の不純物としてのアンチモン（Ｓｂ）がドープされ、その濃度は１０²⁰ｃｍ^-3である。表面１ｆからの深さが２０ｎｍの所にまでアルミニウム、インジウムまたはガリウムのいずれかがドープされてＩＩＩＢ族含有層が形成されており、その濃度は１０¹⁹ｃｍ^-3である。
【００２９】
さらに、シリコン基板１の下面には、ボンディング電極１５が形成され、第２のクラッド層５の上面には透明電極１６が設けられている。透明電極１６の上面の一部には、ボンディング電極１７が設けられている。
【００３０】
ここで、Ｉｎ_XＧａ_1-XＮ中の組成Ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を紫外から赤色まで変化させることができる。本実施の形態では、青色で発光するものとした。なお、発光層３を、ＩｎＧａＡｌＮ、ＧａＡｓＮ、ＧａＩｎＡｓＮ、ＧａＰＮ、またはＧａＩｎＰＮなどとしてもよい。これらのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の場合、ＶＢ族元素して、主として窒素を含むことにより、本発明の効果が得られる。
【００３１】
第２のクラッド層５にはマグネシウムがドープされており、ｐ型である。第２のクラッド層５の抵抗は比較的大きい。したがって、第２のクラッド層５の一端へボンディング電極１７のみから電流、すなわち正孔を注入しても、電流密度が発光層３の全域において均一とならないおそれがある。
【００３２】
そこで、ボンディング電極１７と第２クラッド層５との間に、第２のクラッド層５のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極１６が設けられる。この透明電極１６が存在することにより、多くの発光を取出すことができる構成としている。
【００３３】
ｎ型のシリコン基板上に接続されるボンディング電極１５としては、金属が用いられる。たとえば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＶまたはＮｂのいずれかを用いることが好ましい。
【００３４】
ｐ型の窒化ガリウムからなる第２のクラッド層５に接続される透明電極１６としては、厚みが２０ｎｍ以下の金属を用いることが好ましく、たとえばＴａ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｕのいずれかが用いられることが好ましい。
【００３５】
次に、本発明に従った窒化物半導体の製造方法について説明する。図３〜図７は、図２で示す半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【００３６】
図３を参照して、シリコン基板１にアンチモンをドープする。次に、アルミニウム、インジウム、ガリウムまたはボロンのいずれかを、イオン注入を用いてシリコン基板１にドープする。このドープの方法としては、アルミニウム、インジウム、ガリウムおよびボロンなどのＩＩＩＢ族元素を含むドーパントをシリコン基板１の表面に接触させ、熱により拡散させるいわゆる拡散法を用いてもよい。さらに、ＩＩＩＢ族元素を含む有機金属をシリコン基板１の表面１ｆに供給し、ＩＩＩＢ族元素をドープしてもよい。これにより、表面１ｆ近傍に、ＩＩＩＢ族元素を含むシリコン基板１を準備する。
【００３７】
次に、シリコン基板１を洗浄し、シリコン基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置内に導入し、水素（Ｈ₂）雰囲気の中で、温度１１００℃でクリーニングを行なう。
【００３８】
その後、キャリアガスとしてＮ₂を流量１０リットル／分の割合で流しながら、温度８００℃で、アンモニア（ＮＨ₃）とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を、それぞれ流量５リットル／分、１０μモル／分、１７μモル／分で導入する。さらに、シラン（ＳｉＨ₄）ガスを導入して、厚みが約２０ｎｍの、シリコンがドーピングされたｎ型のＡｌＩｎＮ中間層１０を形成する。ＡｌＩｎＮ中間層１０の組成式は、Ａｌ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎで表わされる。窒化物半導体としての第１のクラッド層２をシリコン基板１の表面１ｆ上に成長させる工程に先立って、シリコン基板１の表面１ｆに、組成式がＧａ_XＴ_1-XＮ（０≦Ｘ≦０．２、Ｔはガリウムおよびボロン以外のＩＩＩＢ族元素）で表わされるＡｌＩｎＮ中間層１０を形成する
図４を参照して、同じ温度で、ＴＭＡの供給を停止し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）およびＴＭＩを流量約２０μモル／分および１００μモル／分の割合でそれぞれ導入し、厚みが１μｍでシリコンがドーピングされた第１のクラッド層２を成長させた。第１のクラッド層２は、窒化物半導体であり、その組成式は、Ｇａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎで表わされる。なお、ＡｌＩｎＮ中間層１０を堆積した後、その成長温度をさらに高温として第１のクラッド層２として、ＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層を形成することも可能である。ここでは、Ｉｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮの層を用いることで、基板の成長温度を高温とすることなく、低温成長させることが可能であり、クラックの発生を防止できる。シリコン基板１の上にガリウムと窒素とを供給してガリウムを含有する窒化物半導体としての第１のクラッド層２をシリコン基板１の表面１ｆ上に成長させる。
【００３９】
図５を参照して、ＴＭＡ、ＴＭＩおよびＴＭＧの供給を停止して、基板温度を７６０℃とした。インジウムの原料であるＴＭＩの流量を６．５μモル／分、ＴＭＧの流量を２．８μモル／分として導入、組成式がＩｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎで表わされる、厚みが３ｎｍの井戸層を形成する。
【００４０】
その後、シリコン基板１の温度を８５０℃とし、ＴＭＧの流量を１４μモル／分として導入し、ＧａＮからなる障壁層を形成する。同様に、井戸層と障壁層の成長を繰返し、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３を形成する。
【００４１】
図６を参照して、発光層３の成長が終了した後、最後の障壁層を形成した温度と同じ温度で、ＴＭＧの流量を１１μモル／分、ＴＭＡの流量を１．１μモル／分、ＴＭＩの流量を４０μモル／分とし、ｐ型のドーピング原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）の流量を１０ｎモル／分とし、厚みが５０ｎｍのｐ型のキャリアブロック層４を形成する。キャリアブロック層４の組成式はＡｌ_0.20Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.05Ｎで表わされる。
【００４２】
図７を参照して、キャリアブロック層４の成長が終了すると、温度１０００℃において、ＴＭＡの供給を停止し、厚みが１００ｎｍのｐ型のＧａＮからなる第２のクラッド層５を成長させる。第２のクラッド層５はｐ型で、組成式がＧａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎで表される。
【００４３】
このようにして、発光素子構造の成長が終了すると、ＴＭＧ、ＴＭＩおよびＣｐ₂Ｍｇの供給を停止した後、シリコン基板１を室温まで冷却する。その後シリコン基板１をＭＯＣＶＤ装置より取出す。
【００４４】
第２のクラッド層５上に透明電極１６を形成する。さらにその上の一部にボンディング電極１７を形成する。シリコン基板１の下面にボンディング電極１５を形成し、本発明の発光素子が完成する。
【００４５】
このようにして得られた半導体装置の電気的特性を測定した。導電率の高いシリコン基板１を用いているため、順方向に電流２０ｍＡを流したときの駆動電圧が３．０Ｖであり、絶縁性基板を用いた発光素子の駆動電圧３．４Ｖに比べ、低い電圧で駆動する素子を作製することが可能となる。また、輝度が３ｍＷの高輝度で、中心波長が４７０ｎｍの青色発光が得られた。
【００４６】
また、比較例として、シリコン基板１の表面１ｆ近傍にＩＩＩＢ族元素のドーピングを行なわない素子も形成した。この場合、窒化物結晶の平坦性が悪化し、同条件で駆動したときの駆動電圧は３．８Ｖであり、発光強度は０．５ｍＷであり、本発明の発光素子よりも発光強度が大幅に減少した。また、面内不均一発光を示しており、シリコン基板１側から成長層側に電流が均一に流れていないものと思われた。
【００４７】
次に、ＩＩＩＢ族元素のシリコン基板１へのドーピング量について検討した。アンチモンなどのｎ型ドーパントを濃度１０²⁰ｃｍ^-3となるようにドープした、低抵抗のｎ型のシリコン基板１に対して、Ａｌ、Ｉｎ、ＧａおよびＢのいずれかのＩＩＩＢ族元素を、このドーピング量と同程度の濃度１０²⁰ｃｍ^-3となるようにドープすることで、比較的好ましい結果が得られる。
【００４８】
さらに、これらＩＩＩＢ族元素を、濃度が１０²⁰ｃｍ^-3を超えてシリコン基板１表面付近にドープすると、シリコン基板１の状況が窒化物結晶の結晶成長用の基板として悪化し、かえってその上に成長する窒化物結晶の品質が低下する。これにより、発光強度が低下し、発光素子を構成する結晶としての特性が悪化する。
【００４９】
また、ＩＩＩＢ族元素のドープ量が１０¹⁷ｃｍ^-3未満であれば、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ、ＢなどのＩＩＩＢ族元素の異常拡散が生じやすく、成長中の表面モフォロジーが悪化する。その膜上に半導体発光素子を作製した場合、光電特性の悪い素子が得られる。
【００５０】
次に、ドーピングの深さについては、深さが３０ｎｍより深くなるようにドープされた場合には、この部分は、ｎ型の不純物とｐ型の不純物とが同じにドープされたやや抵抗の高い領域となる。この領域が厚くなることで、作製した半導体発光素子の駆動電圧が若干上昇する傾向があり好ましくない。しかしながら、上に形成される窒化物半導体の結晶の品質を向上させ、それにより発光素子の発光強度との特性を向上させるためには、シリコン基板１の表面１ｆ付近にのみＩＩＩＢ族元素がドープされている必要はなく、シリコン基板１全体にドープされてもよい。これは、素子電圧の上昇の程度と、所定のドーピングプロファイルを有する基板の作製しやすさから、総合的に判断すればよい。
【００５１】
なお、この実施の形態では、シリコン基板１として、ｎ型のシリコン基板１を用いたが、ｐ型のシリコン基板１を用いることも考えられる。この場合、シリコン基板１を通じて半導体発光素子の電極を形成する場合に、窒化物結晶を、ｐ型およびｎ型の順に作製し、半導体発光素子を形成する必要がある。
【００５２】
しかしながら、シリコン基板１上に低抵抗のｐ型窒化物半導体を直接形成することは困難である。そのため、実際には、シリコン基板１をｎ型とした、本発明の実施の形態とならざるを得ない。
【００５３】
よって、用いられるシリコン基板１としては、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐなどのｎ型の不純物がドープされたｎ型のシリコン基板１とする。これに、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＢなどのＩＩＩＢ族元素をその濃度が１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０²⁰ｃｍ^-3以下の範囲で、少なくとも、シリコン基板１の表面１ｆ付近にドープすることが好ましい。
【００５４】
ガリウム原子を予め制御された条件で均一にシリコン基板１の表面にドープしておくことにより、ガリウムを含む窒化物半導体の成長中に、ガリウム元素が異常拡散することが防止される。また、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＢなどのＩＩＩＢ族元素を予めシリコン基板１の表面１ｆ付近にドープしておくことにより、ＩＩＩＢ族元素のシリコン基板１への拡散が抑制される。
【００５５】
また、この実施の形態では、シリコン基板１上に、ＡｌＩｎＮからなる中間層１０を形成してから、ガリウムを含む窒化物半導体としての第１のクラッド層の成長を行なった。このように、シリコン基板１上に一旦ガリウムの含有量の小さい結晶を中間層１０として形成することで、ガリウムの異常拡散による、ガリウムを含む窒化物半導体の結晶品質の低下が抑制される。この点から、中間層１０としては、ＩＩＩＢ族中に示すガリウムの割合が０．２以下であることが好ましいことが、本発明者の検討により明らかになった。
【００５６】
さらに、中間層１０の膜厚としては２ｎｍ以上１００ｍ以下が好ましく、クラックの発生を防止する観点からは、５ｎｍ以上６０ｎｍ以下の範囲とすることが好ましいことがわかった。なお、ここに記した好ましい中間層の条件は、実施の形態２でも同様である。
【００５７】
（実施の形態２）
上述の実施の形態１においては、上述の実施の形態１では、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐなどのｎ型不純物がドープされたシリコン基板１にＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ元素を、イオン注入もしくは拡散法を用いることでドーピングしたシリコン基板の表面に、窒化物半導体を形成した。
【００５８】
これに対して、実施の形態２では、本発明者は、数々の実験結果より、Ｓｂ、ＡｓまたはＰがドープされたｎ型のシリコン基板１に、窒化物半導体の結晶成長に先立って、温度６００℃以上１１００℃以下の温度条件で、ＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩｎなどのＩＩＩＢ族元素を含有する原料を導入することで、シリコン基板１の表面１ｆ近傍にこれらのＩＩＩＢ族元素を導入でき、これにより、実施の形態１と同様の効果を上げることが判明した。
【００５９】
シリコン基板１の表面１ｆ近傍にＩＩＩＢ族元素をドープする工程は、シリコン基板１の表面１ｆにＩＩＩＢ族元素を含む有機金属を供給する工程、シリコン基板１にＩＩＩＢ族元素を注入する工程および拡散法によりＩＩＩＢ族元素をドープする工程からなる群より選ばれたいずれかの工程により行なわれる。
【００６０】
中でも、ＴＭＡを用いることが特に好ましく、他の原料ガスに比較して、効果が高い傾向がみられた。この際の雰囲気としては、水素もしくは窒素をキャリアガスとして用いることができる。好ましくは、上述のＩＩＩＢ族元素を含有する原料を導入する工程に続けて、温度１０００℃以上１２００℃以下で熱処理を行なうことが望ましい。
【００６１】
つまり、実施の形態１において、シリコン基板１として、ｎ型の不純物に加えて、その表面にＩＩＩＢ族元素をドープしたものを使用した。この実施の形態２では、シリコン基板１として、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐなどのｎ型の不純物がドープされたシリコン基板１を用い、実施の形態１におけるＡｌＩｎＮ中間層１０の成長工程の直前に、上記ＩＩＩＢ族元素を含有する原料を導入する工程を実施する。他の工程は、実施の形態１と同様である。その効果も実施の形態１と同様であった。その後、この実施の形態２では、熱処理工程を実施することにより、シリコン基板１の表面１ｆの酸化を抑えることが可能となり、ＡｌＧａＩｎＮ中間層１０とシリコン基板１の界面の導電性が改善される。これにより、上述の実施の形態１よりさらに導電性の高い窒化物半導体の発光素子を作製することが可能となった。
【００６２】
また、この実施の形態においても、実施の形態１と同様にＡｌＩｎＮ中間層を用いることで、上記記載の効果が得られ、望ましい構成となった。
【００６３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐなどのｎ型の不純物がドープされたシリコン基板１の表面１ｆにＡｌ、Ｇａ、ＩｎまたはＢ元素を、イオン注入もしくは拡散の技術によりドープすること、またはシリコン基板上に、これら元素を有する有機金属をエピタキシャル成長前にドープし、ドーピングを行なったシリコン基板を用いる。これにより、シリコン基板１の表面状態が良好で、発光素子として望ましい高品質の窒化物半導体としての第１のクラッド層２を得ることが可能となる。
【００６５】
さらには、シリコン基板１側から直接電流を流すことが可能な窒化物半導体装置を作製することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理を説明するために示す窒化物半導体の断面図である。
【図２】この発明に従って製造された窒化物半導体を有する半導体装置の断面図である。
【図３】図２で示す半導体装置の製造方法の第１工程を示す断面図である。
【図４】図２で示す半導体装置の製造方法の第２工程を示す断面図である。
【図５】図２で示す半導体装置の製造方法の第３工程を示す断面図である。
【図６】図２で示す半導体装置の製造方法の第４工程を示す断面図である。
【図７】図２で示す半導体装置の製造方法の第５工程を示す断面図である。
【図８】従来の窒化物半導体の断面図である。
【符号の説明】
１シリコン基板、１ｂＩＩＩＢ族元素含有層、１ｆ表面、２第１のクラッド層、３ＩｎＧａＮ発光層、１００窒化アルミニウム層、２００窒化ガリウム層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor, and more particularly, to a method for manufacturing a nitride semiconductor light emitting device formed on a silicon substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, light emission is performed on a sapphire substrate, a gallium nitride substrate, or a silicon carbide (SiC) substrate using a nitride semiconductor composed of gallium nitride (GaN), indium nitride (InN), aluminum nitride (AlN), and a mixed crystal semiconductor thereof. An element has been fabricated. In particular, by using a crystal whose composition formula is represented by In _X Ga _1-X N as a light emitting layer, light emission with high luminance can be obtained.
[0003]
Since the silicon substrate is cheaper and higher quality than the above-described sapphire substrate and has a large area, a nitride semiconductor light-emitting element is formed on the silicon substrate. It is expected that a light-emitting element can be manufactured at a lower cost than when it is used. As an example of such a technique, for example, a technique for producing a nitride semiconductor on a silicon substrate is disclosed. In this technique, gallium is formed as an intermediate layer on a silicon substrate, and a nitride semiconductor layer is grown thereon to form a light emitting element.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a nitride semiconductor is formed on a silicon substrate by the above-described technique, there is a problem that it is difficult to obtain a flat nitride semiconductor. Furthermore, there has been a problem that the quality of the obtained crystal tends to be lowered.
[0005]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a high-quality nitride semiconductor formed on a silicon substrate. is there.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As a result of investigating the cause of the deterioration of the quality of nitride semiconductors formed on a silicon substrate in the prior art, the present inventor has found that the gallium in the nitride semiconductor is abnormally diffused into the silicon substrate, and thus the nitride semiconductor It was found that the quality of the device was degraded.
[0007]
The knowledge of the present inventor will be described in detail.
Even when a nitride semiconductor containing gallium such as gallium nitride (GaN), gallium aluminum nitride (GaAlN), or indium gallium aluminum nitride (InGaAlN) is grown on a silicon substrate, a flat crystal growth film can be obtained. Have difficulty. When the vicinity of the interface between the nitride semiconductor thus grown and the silicon substrate is observed in detail, not only the surface of the nitride semiconductor is rough but also the surface of the silicon substrate itself is rough. This is considered that the surface of the silicon substrate is gradually roughened during crystal growth.
[0008]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor. Referring to FIG. 8, in the conventional nitride semiconductor, an aluminum nitride layer 100 is formed on the surface 1 f of the silicon substrate 1 as an intermediate layer. A nitride semiconductor layer 200 made of gallium nitride is formed on the aluminum nitride layer 100.
[0009]
A large amount of gallium exists in the nitride semiconductor layer 200, and a part of the gallium diffuses toward the silicon substrate 1 in the direction indicated by the arrow 200a. As a result, there is a problem that gallium is reduced in the nitride semiconductor layer 200 and the quality of the nitride semiconductor is lowered.
[0010]
That is, as shown in FIG. 8, when the nitride semiconductor layer 200 is grown, the gallium element diffuses unevenly toward the silicon substrate 1. Due to this diffusion, the surface of the silicon substrate 1 becomes rough, and the quality of the nitride semiconductor deteriorates.
[0011]
As a result of various studies on the method for suppressing the surface roughness of the silicon substrate during crystal growth, if the silicon substrate is previously uniformly doped with a Group IIIB element (hereinafter referred to as a Group IIIB element) of the periodic table, It has been found that roughening can be prevented, whereby the flatness and crystal quality of the obtained nitride semiconductor film containing gallium can be improved.
[0012]
From this fact, the cause of the above-mentioned problem is presumed. When crystal growth of a nitride semiconductor containing gallium is performed on a silicon substrate, a group IIIB element, particularly gallium, that should constitute the nitride semiconductor diffuses during crystal growth. To do. In addition, since the thermal expansion coefficient of the silicon substrate is different from that of the nitride semiconductor, the thermal stress generated during crystal growth causes local gallium diffusion (abnormal diffusion) to the silicon substrate during the nitride semiconductor crystal growth. It is thought to occur easily.
[0013]
FIG. 1 is a sectional view of a nitride semiconductor for explaining the principle of the present invention. Referring to FIG. 1, in the method for manufacturing a nitride semiconductor according to the present invention, silicon substrate 1 in which group IIIB-containing layer 1b containing gallium as a group IIIB element of the periodic table is formed in the vicinity of surface 1f. Prepare. “Near the surface” means a region having a depth of about 20 nm from the surface 1f, and the IIIB group-containing layer 1b is formed in this region. An aluminum nitride layer 100 as an intermediate layer is formed on the surface 1 f of the silicon substrate 1. A nitride semiconductor layer 200 as a nitride semiconductor is formed on the aluminum nitride layer 100. When forming the nitride semiconductor layer 200, the IIIB group-containing layer 1b is formed in the vicinity of the surface 1f of the silicon substrate 1, so that gallium in the potassium nitride layer can be prevented from diffusing to the silicon substrate 1 side. .
[0014]
In the present invention, since the group IIIB-containing layer 1b doped with a group IIIB element in advance is formed on the surface of the silicon substrate 1, gallium diffuses from the nitride semiconductor layer 200 when the nitride semiconductor layer 200 is grown. It is suppressed. Moreover, even if it is slightly diffused, it spreads uniformly to the silicon substrate 1 side, thereby solving the above-mentioned problems.
[0015]
According to the method of the present invention, it is considered that a eutectic of silicon and a group IIIB element is formed in the vicinity of the interface between the silicon substrate and the nitride semiconductor layer 200 to suppress diffusion. It is unknown.
[0016]
Note that in this specification, a nitride semiconductor is a group III-V semiconductor in which a VB group element is nitrogen (N), and includes BAlGaInSbN having an arbitrary composition, and a part of nitrogen (of VB group elements). 20% or less) is replaced with arsenic (As) or phosphorus (P). Even when these are used, the same effect is produced.
[0017]
A method for manufacturing a nitride semiconductor according to one aspect of the present invention based on such knowledge includes a step of preparing a silicon substrate containing gallium at least near the surface, and gallium on the surface of the silicon substrate. Supplying nitrogen and forming a nitride semiconductor containing gallium on the surface of the silicon substrate.
[0018]
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor having such a configuration, the surface of the silicon substrate contains gallium in advance. Since a nitride semiconductor containing gallium is grown on the surface, gallium in the nitride semiconductor can be prevented from diffusing to the silicon substrate surface side. As a result, a high-quality nitride semiconductor can be provided.
[0019]
Preferably, the silicon contains an n-type impurity.
Preferably, the concentration of gallium contained in the vicinity of the surface of the silicon substrate is 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and 10 ²⁰ cm ⁻³ or less.
[0020]
If the gallium concentration is less than 10 ¹⁷ cm ⁻³ , the gallium concentration in the vicinity of the silicon substrate surface becomes small, and the effect of suppressing the diffusion of gallium becomes small. When the gallium concentration exceeds 10 ²⁰ cm ⁻³ , the gallium ratio increases and the surface of the silicon substrate becomes rough. Therefore, the quality of the nitride semiconductor formed thereon is degraded.
[0021]
Preferably, the method further includes a step of forming an intermediate layer whose composition formula is represented by AlInN on the surface of the silicon substrate prior to the step of forming the nitride semiconductor on the surface of the silicon substrate. In this case, the intermediate layer is interposed between the silicon substrate and the nitride semiconductor, so that gallium diffusion can be more effectively suppressed.
[0022]
Another method for manufacturing the nitride semiconductor in accordance with an aspect of the present invention is to supply at least a step of doping a gallium in the vicinity of the surface of the silicon substrate, gallium and nitrogen on the surface of the silicon substrate gallium-doped And growing a nitride semiconductor containing gallium on the surface of the silicon substrate.
[0023]
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor including such steps, the surface of the silicon substrate is doped with gallium . Since a nitride semiconductor containing gallium is grown on the surface, gallium in the nitride semiconductor can be prevented from diffusing to the silicon substrate surface side. As a result, a high-quality nitride semiconductor can be provided.
[0024]
Also preferably, the step of doping the gallium in the vicinity of the surface of the silicon substrate, supplying an organic metal containing gallium on the surface of the silicon substrate, a gallium by the process and diffusion implanting ions containing gallium in silicon substrate doped It is performed by any process selected from the group consisting of the following processes.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0027]
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a nitride semiconductor manufactured according to the present invention. Referring to FIG. 2, the semiconductor device is formed on silicon substrate 1, n-type AlInN intermediate layer 10 as an intermediate layer formed on surface 1 f of silicon substrate 1, and AlInN intermediate layer 10. A first cladding layer 2 made of n-type GaInN as a nitride semiconductor, a light emitting layer 3 made of In _x Ga _1-X N formed on the first cladding layer 2, and formed on the light emitting layer 3 The p-type AlGaInN carrier block layer 4 and the p-type GaN second cladding layer 5 formed on the carrier block layer 4 are sequentially stacked.
[0028]
The silicon substrate 1 is doped with antimony (Sb) as an n-type impurity, and its concentration is 10 ²⁰ cm ⁻³ . A group IIIB-containing layer is formed by doping any of aluminum, indium and gallium to a depth of 20 nm from the surface 1f, and its concentration is 10 ¹⁹ cm ⁻³ .
[0029]
Further, a bonding electrode 15 is formed on the lower surface of the silicon substrate 1, and a transparent electrode 16 is provided on the upper surface of the second cladding layer 5. A bonding electrode 17 is provided on a part of the upper surface of the transparent electrode 16.
[0030]
Here, by changing the composition X in In _X Ga _1-X N, the wavelength of interband emission can be changed from ultraviolet to red. In the present embodiment, the light is emitted in blue. The light emitting layer 3 may be InGaAlN, GaAsN, GaInAsN, GaPN, GaInPN, or the like. In the case of these III-V group compound semiconductors, the effects of the present invention can be obtained by mainly including nitrogen as the group VB element.
[0031]
The second cladding layer 5 is doped with magnesium and is p-type. The resistance of the second cladding layer 5 is relatively large. Therefore, even if current, that is, holes are injected only from the bonding electrode 17 into one end of the second cladding layer 5, the current density may not be uniform over the entire area of the light emitting layer 3.
[0032]
Therefore, a thin film transparent electrode 16 is provided between the bonding electrode 17 and the second cladding layer 5 over almost the entire surface of the second cladding layer 5. The presence of the transparent electrode 16 makes it possible to extract a large amount of light emission.
[0033]
A metal is used as the bonding electrode 15 connected to the n-type silicon substrate. For example, it is preferable to use any of Al, Ti, Zr, Hf, V, or Nb.
[0034]
As the transparent electrode 16 connected to the second clad layer 5 made of p-type gallium nitride, a metal having a thickness of 20 nm or less is preferably used. For example, Ta, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Either Ag or Au is preferably used.
[0035]
Next, a method for manufacturing a nitride semiconductor according to the present invention will be described. 3 to 7 are diagrams for explaining a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG.
[0036]
Referring to FIG. 3, silicon substrate 1 is doped with antimony. Next, any of aluminum, indium, gallium or boron is doped into the silicon substrate 1 by ion implantation. As the doping method, a so-called diffusion method may be used in which a dopant containing a group IIIB element such as aluminum, indium, gallium and boron is brought into contact with the surface of the silicon substrate 1 and diffused by heat. Furthermore, an organic metal containing a group IIIB element may be supplied to the surface 1f of the silicon substrate 1 and doped with a group IIIB element. Thus, a silicon substrate 1 containing a group IIIB element is prepared near the surface 1f.
[0037]
Next, the silicon substrate 1 is cleaned, the silicon substrate 1 is introduced into an MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) apparatus, and cleaning is performed at a temperature of 1100 ° C. in a hydrogen (H ₂ ) atmosphere.
[0038]
Thereafter, ammonia (NH ₃ ), trimethylaluminum (TMA), and trimethylindium (TMI) were flowed at a flow rate of 5 liters / minute at a temperature of 800 ° C. while flowing N ₂ as a carrier gas at a rate of 10 liters / minute, It introduce | transduces at 10 micromol / min and 17 micromol / min. Further, silane (SiH ₄ ) gas is introduced to form a silicon-doped n-type AlInN intermediate layer 10 having a thickness of about 20 nm. The composition formula of the AlInN intermediate layer 10 is represented by Al _0.85 In _0.15 N. Prior to the step of growing the first cladding layer 2 as a nitride semiconductor on the surface 1f of the silicon substrate 1, the composition formula Ga _x T _1-X N (0 ≦ X ≦) is formed on the surface 1f of the silicon substrate 1. Referring to FIG. 4 for forming the AlInN intermediate layer 10 represented by 0.2, T is a group IIIB element other than gallium and boron), at the same temperature, the supply of TMA is stopped, and trimethylgallium (TMG) and TMI At a flow rate of about 20 μmol / min and 100 μmol / min, respectively, to grow a first cladding layer 2 having a thickness of 1 μm and doped with silicon. The first cladding layer 2 is a nitride semiconductor, and its composition formula is represented by Ga _0.92 In _0.08 N. In addition, after depositing the AlInN intermediate layer 10, it is possible to form a GaN layer or an AlGaN layer as the first cladding layer 2 by further increasing the growth temperature. Here, by using a GaInN layer that contains In and does not contain Al, the substrate can be grown at a low temperature without increasing the growth temperature, and the occurrence of cracks can be prevented. Gallium and nitrogen are supplied onto the silicon substrate 1 to grow a first cladding layer 2 as a nitride semiconductor containing gallium on the surface 1 f of the silicon substrate 1.
[0039]
Referring to FIG. 5, the supply of TMA, TMI and TMG was stopped, and the substrate temperature was set to 760.degree. A well layer having a thickness of 3 nm and a compositional formula represented by In _0.18 Ga _0.82 N is formed by introducing a flow rate of TMI, which is an indium raw material, at 6.5 μmol / min and a TMG flow rate of 2.8 μmol / min. .
[0040]
Thereafter, the temperature of the silicon substrate 1 is set to 850 ° C. and the flow rate of TMG is introduced at 14 μmol / min to form a barrier layer made of GaN. Similarly, the growth of the well layer and the barrier layer is repeated to form the light emitting layer 3 composed of multiple quantum wells (MQW).
[0041]
Referring to FIG. 6, after the growth of the light emitting layer 3 is completed, the TMG flow rate is 11 μmol / min, the TMA flow rate is 1.1 μmol / min at the same temperature as the temperature at which the last barrier layer is formed, The flow rate of TMI is 40 μmol / min, the flow rate of p-type doping source gas biscyclopentadienylmagnesium (Cp ₂ Mg) is 10 nmol / min, and the p-type carrier block layer 4 having a thickness of 50 nm is formed. Form. The composition formula of the carrier block layer 4 is represented by Al _0.20 Ga _0.75 In _0.05 N.
[0042]
Referring to FIG. 7, when the growth of carrier block layer 4 is completed, the supply of TMA is stopped at a temperature of 1000 ° C., and second clad layer 5 made of p-type GaN having a thickness of 100 nm is grown. The second cladding layer 5 is p-type, and the composition formula is represented by Ga _0.9 In _0.1 N.
[0043]
Thus, when the growth of the light emitting element structure is completed, the supply of TMG, TMI, and Cp ₂ Mg is stopped, and then the silicon substrate 1 is cooled to room temperature. Thereafter, the silicon substrate 1 is taken out from the MOCVD apparatus.
[0044]
A transparent electrode 16 is formed on the second cladding layer 5. Further, a bonding electrode 17 is formed on a part thereof. A bonding electrode 15 is formed on the lower surface of the silicon substrate 1 to complete the light emitting device of the present invention.
[0045]
The electrical characteristics of the semiconductor device thus obtained were measured. Since the silicon substrate 1 with high conductivity is used, the driving voltage when a current of 20 mA is applied in the forward direction is 3.0 V, which is lower than the driving voltage of a light emitting element using an insulating substrate of 3.4 V. An element driven by a voltage can be manufactured. Further, blue light emission with a high luminance of 3 mW and a central wavelength of 470 nm was obtained.
[0046]
As a comparative example, an element not doped with a group IIIB element was also formed in the vicinity of the surface 1f of the silicon substrate 1. In this case, the flatness of the nitride crystal deteriorates, the driving voltage when driven under the same conditions is 3.8 V, the emission intensity is 0.5 mW, and the emission intensity is significantly higher than that of the light emitting device of the present invention. Diminished. Moreover, in-plane non-uniform light emission was shown, and it was thought that the current did not flow uniformly from the silicon substrate 1 side to the growth layer side.
[0047]
Next, the amount of doping of the group IIIB element into the silicon substrate 1 was examined. A low-resistance n-type silicon substrate 1 doped with an n-type dopant such as antimony so as to have a concentration of 10 ²⁰ cm ⁻³ is doped with any one of group IIIB elements of Al, In, Ga, and B. Relatively favorable results can be obtained by doping so that the concentration is about 10 ²⁰ cm ^{−3 which} is comparable to the doping amount.
[0048]
Furthermore, when these group IIIB elements are doped in the vicinity of the surface of the silicon substrate 1 with a concentration exceeding 10 ²⁰ cm ⁻³ , the situation of the silicon substrate 1 deteriorates as a substrate for crystal growth of nitride crystals, on the other hand, The quality of the growing nitride crystal is reduced. As a result, the light emission intensity is reduced, and the characteristics as crystals constituting the light emitting element are deteriorated.
[0049]
Further, if the doping amount of the group IIIB element is less than 10 ¹⁷ cm ⁻³ , abnormal diffusion of group IIIB elements such as Ga, Al, In, and B is likely to occur, and the surface morphology during growth deteriorates. When a semiconductor light emitting element is formed on the film, an element having poor photoelectric characteristics can be obtained.
[0050]
Next, as for the depth of doping, when doping is performed so that the depth is deeper than 30 nm, this portion has a slightly high resistance because n-type impurities and p-type impurities are doped the same. It becomes an area. When this region becomes thick, the drive voltage of the manufactured semiconductor light emitting element tends to increase slightly, which is not preferable. However, in order to improve the quality of the nitride semiconductor crystal formed thereon and thereby improve the characteristics of the light emitting element, the group IIIB element is doped only in the vicinity of the surface 1f of the silicon substrate 1. The entire silicon substrate 1 may be doped. This may be comprehensively judged from the degree of increase in the device voltage and the ease of manufacturing a substrate having a predetermined doping profile.
[0051]
In this embodiment, the n-type silicon substrate 1 is used as the silicon substrate 1, but a p-type silicon substrate 1 may be used. In this case, when forming the electrode of the semiconductor light emitting device through the silicon substrate 1, it is necessary to form nitride crystals in the order of p-type and n-type to form the semiconductor light-emitting device.
[0052]
However, it is difficult to directly form a low-resistance p-type nitride semiconductor on the silicon substrate 1. Therefore, in practice, the embodiment of the present invention is unavoidable in which the silicon substrate 1 is n-type.
[0053]
Therefore, the silicon substrate 1 used is an n-type silicon substrate 1 doped with n-type impurities such as Sb, As, and P. In addition, it is preferable that a group IIIB element such as Al, Ga, In, and B is doped at least in the vicinity of the surface 1f of the silicon substrate 1 in a concentration range of 10 ¹⁷ cm ^{−3 to} 10 ²⁰ cm ^−3. .
[0054]
By uniformly doping the surface of the silicon substrate 1 with gallium atoms under previously controlled conditions, abnormal diffusion of the gallium element during the growth of the nitride semiconductor containing gallium is prevented. In addition, when a group IIIB element such as Al, Ga, In and B is doped in the vicinity of the surface 1f of the silicon substrate 1 in advance, diffusion of the group IIIB element into the silicon substrate 1 is suppressed.
[0055]
In this embodiment, after the intermediate layer 10 made of AlInN is formed on the silicon substrate 1, the first cladding layer as a nitride semiconductor containing gallium is grown. In this way, once a crystal having a small gallium content is formed as the intermediate layer 10 on the silicon substrate 1, the crystal quality of the nitride semiconductor containing gallium due to abnormal diffusion of gallium is suppressed. From this point, it has been clarified by the inventors that the intermediate layer 10 preferably has a gallium ratio of 0.2 or less in the group IIIB.
[0056]
Furthermore, it was found that the thickness of the intermediate layer 10 is preferably 2 nm or more and 100 m or less, and is preferably 5 nm or more and 60 nm or less from the viewpoint of preventing the occurrence of cracks. The preferred intermediate layer conditions described here are the same as in the second embodiment.
[0057]
(Embodiment 2)
In the above-described first embodiment, in the above-described first embodiment, Al, Ga, and In elements are used for the silicon substrate 1 doped with n-type impurities such as Sb, As, and P, and ion implantation or diffusion is used. Thus, a nitride semiconductor was formed on the surface of the doped silicon substrate.
[0058]
On the other hand, in the second embodiment, the present inventor has found that the temperature of the n-type silicon substrate 1 doped with Sb, As, or P is increased before the crystal growth of the nitride semiconductor, based on the results of various experiments. By introducing a raw material containing a Group IIIB element such as TMA, TMG, TMIn under a temperature condition of 600 ° C. or more and 1100 ° C. or less, these Group IIIB elements can be introduced in the vicinity of the surface 1f of the silicon substrate 1, thereby It has been found that the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0059]
The step of doping a group IIIB element in the vicinity of the surface 1f of the silicon substrate 1 includes a step of supplying an organic metal containing a group IIIB element to the surface 1f of the silicon substrate 1, a step of injecting a group IIIB element into the silicon substrate 1, and a diffusion method. By any one of processes selected from the group consisting of a process of doping a group IIIB element.
[0060]
Among them, it is particularly preferable to use TMA, and there is a tendency that the effect is higher than that of other source gases. As an atmosphere at this time, hydrogen or nitrogen can be used as a carrier gas. Preferably, it is desirable to perform the heat treatment at a temperature of 1000 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower subsequent to the step of introducing the raw material containing the group IIIB element described above.
[0061]
That is, in the first embodiment, as the silicon substrate 1, in addition to the n-type impurity, the surface thereof doped with a group IIIB element was used. In the second embodiment, a silicon substrate 1 doped with n-type impurities such as Sb, As, P is used as the silicon substrate 1, and immediately before the growth step of the AlInN intermediate layer 10 in the first embodiment, A step of introducing a raw material containing a group IIIB element is performed. Other steps are the same as those in the first embodiment. The effect was the same as that of the first embodiment. Thereafter, in the second embodiment, by performing the heat treatment step, it becomes possible to suppress the oxidation of the surface 1f of the silicon substrate 1, and the conductivity at the interface between the AlGaInN intermediate layer 10 and the silicon substrate 1 is improved. This makes it possible to manufacture a nitride semiconductor light emitting element having higher conductivity than that of the first embodiment.
[0062]
Also in this embodiment, by using the AlInN intermediate layer as in the first embodiment, the above-described effects can be obtained and a desirable configuration is obtained.
[0063]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0064]
【The invention's effect】
According to the present invention, the surface 1f of the silicon substrate 1 doped with n-type impurities such as Sb, As, and P is doped with Al, Ga, In, or B element by ion implantation or diffusion technique, or A silicon substrate doped with an organic metal containing these elements before epitaxial growth on a silicon substrate is used. As a result, it is possible to obtain the first cladding layer 2 as a high-quality nitride semiconductor having a favorable surface state of the silicon substrate 1 and desirable as a light-emitting element.
[0065]
Furthermore, a nitride semiconductor device capable of flowing a current directly from the silicon substrate 1 side could be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a nitride semiconductor shown for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a nitride semiconductor manufactured according to the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a first step of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 2; FIG.
4 is a cross-sectional view showing a second step of the method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a third step of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 2;
6 is a cross-sectional view showing a fourth step of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 2; FIG.
7 is a cross-sectional view showing a fifth step of the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 2; FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor.
[Explanation of symbols]
1 silicon substrate, 1b group IIIB element-containing layer, 1f surface, 2 first cladding layer, 3 InGaN light emitting layer, 100 aluminum nitride layer, 200 gallium nitride layer.

Claims

少なくとも表面近傍にガリウムを含むシリコン基板を準備する工程と、
前記シリコン基板の表面上にガリウムと窒素とを供給してガリウムを含有する窒化物半導体を前記シリコン基板の表面上に形成する工程とを備えた、窒化物半導体の製造方法。Preparing a silicon substrate containing gallium at least near the surface;
Supplying a gallium and nitrogen on the surface of the silicon substrate to form a nitride semiconductor containing gallium on the surface of the silicon substrate.

前記シリコン基板はｎ型の不純物を含む、請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor according to claim 1, wherein the silicon substrate contains an n-type impurity.

前記シリコン基板の表面近傍に含まれるガリウムの濃度は１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０²⁰ｃｍ^-3以下である、請求項１または２に記載の窒化物半導体の製造方法。The method for producing a nitride semiconductor according to claim 1 or 2, wherein the concentration of gallium contained in the vicinity of the surface of the silicon substrate is 10 ¹⁷ cm ^-3 or more and 10 ²⁰ cm ^-3 or less.

前記窒化物半導体を前記シリコン基板の表面上に形成する工程に先立って、前記シリコン基板の表面に、組成式がＡｌＩｎＮで表わされる中間層を形成する工程をさらに備えた、請求項１から３のいずれか１項に記載の窒化物半導体の製造方法。4. The method according to claim 1, further comprising a step of forming an intermediate layer having a composition formula represented by AlInN on the surface of the silicon substrate prior to the step of forming the nitride semiconductor on the surface of the silicon substrate. The manufacturing method of the nitride semiconductor of any one.

少なくともシリコン基板の表面近傍にガリウムをドープする工程と、
前記ガリウムがドープされた前記シリコン基板の表面上にガリウムと窒素とを供給してガリウムを含有する窒化物半導体を前記シリコン基板の表面上に形成する工程とを備えた、窒化物半導体の製造方法。Doping at least the vicinity of the surface of the silicon substrate with gallium ;
The gallium and a step of forming a nitride semiconductor containing gallium by supplying the gallium and nitrogen on a surface of the silicon substrate which is doped on the surface of the silicon substrate, a method of manufacturing a nitride semiconductor .

前記シリコン基板の表面近傍にガリウムをドープする工程は、前記シリコン基板の表面にガリウムを含む有機金属を供給する工程、前記シリコン基板にガリウムを含むイオンを注入する工程および拡散法によりガリウムをドープする工程からなる群より選ばれたいずれかの工程により行なわれる、請求項５に記載の窒化物半導体の製造方法。A step of doping a gallium in the vicinity of the surface of the silicon substrate, wherein the step of supplying an organic metal containing gallium on the surface of the silicon substrate, doped with gallium by the process and diffusion implanting ions containing gallium in the silicon substrate The method for producing a nitride semiconductor according to claim 5, wherein the method is performed by any process selected from the group consisting of processes.