JP7260089B2 - nitride semiconductor - Google Patents

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本発明は窒化物半導体に関するものである。 The present invention relates to nitride semiconductors.

紫外発光デバイス、特に紫外半導体レーザにおいて、素子の特性や寿命に大きく影響を与える結晶欠陥を低減させることは極めて重要な課題である。紫外発光デバイスは、一般的には、AlN結晶を下地にして成長させたAlGaN系窒化物半導体結晶を用いて作製される。
例えば、特許文献1には、サファイア基板の表面にAlN核形成を行った後、AlN核を埋め込んで貫通転位を低減し、その後、縦方向に高速に結晶成長させることを繰り返すことによって得られた品質の良好なAlN層を下地として、その上にAlNのモル分率が0.7以上の品質の良好なAlGaN層を形成することが開示されている。
In ultraviolet light emitting devices, particularly ultraviolet semiconductor lasers, it is extremely important to reduce crystal defects that greatly affect the characteristics and life of the device. Ultraviolet light emitting devices are generally manufactured using AlGaN-based nitride semiconductor crystals grown on AlN crystals.
For example, in Patent Document 1, after forming AlN nuclei on the surface of a sapphire substrate, AlN nuclei are embedded to reduce threading dislocations, and then crystal growth is repeated in the vertical direction at high speed. It is disclosed that a high-quality AlN layer is used as a base layer, and a high-quality AlGaN layer having an AlN molar fraction of 0.7 or more is formed thereon.

特開2009-54780号公報JP-A-2009-54780 H.Miyake, C.Lin, K.Tokoro, K.Hiramatsu"Preparation of high-quality AlN on sapphire by high-temperature face-to-face annealing"、Journal of Crystal Growth 2016年 Vol.456、P.155-159H.Miyake, C.Lin, K.Tokoro, K.Hiramatsu "Preparation of high-quality AlN on sapphire by high-temperature face-to-face annealing", Journal of Crystal Growth 2016 Vol. 456, P.S. 155-159

しかし、特許文献1におけるAlN層は、作製する際に結晶成長させる装置内への材料の供給を変化させる必要があり手間がかかる。また、AlGaN層のAlNのモル分率が小さい(0.7未満)AlGaN層の成長においては、下地であるAlN層と格子定数が大きく異なるため下地であるAlN層と同等の品質のAlGaN層の成長は困難である。
非特許文献1に示すように、発明者はサファイア基板の上にスパッタ法を用いてAlN層を結晶成長させ、高温(窒素雰囲気中、1700℃、3時間)でアニールすることで低欠陥のAlN結晶を作製する技術を開発した。このAlN層は結晶欠陥が1×109/cm2以下であり高品質である。しかし、このAlN層の表面にAlGaN層を積層して結晶成長させると、格子定数の違いによりAlGaN層に圧縮応力がかかることによって格子緩和が生じ、AlGaN層内において、AlN層とAlGaN層との界面から結晶欠陥が生じる。そのため、サファイア基板の上にスパッタ法を用いてAlN層を結晶成長させて高温でアニールしたAlN層の上に後述する図1に示す構造を作製した場合、結晶表面における欠陥密度は、サファイア基板上にMOCVD法等を用いて積層した欠陥の多いAlN層の表面に同様の構造(後述する図1に示す構造)を結晶成長した場合と同等(3~5×109/cm2)であることがわかった。
However, the AlN layer in Patent Literature 1 requires changing the supply of materials into the apparatus for crystal growth during fabrication, which is time-consuming. Further, in the growth of an AlGaN layer having a small AlN mole fraction (less than 0.7), the lattice constant of the underlying AlN layer is significantly different from that of the underlying AlN layer. Growth is difficult.
As shown in Non-Patent Document 1, the inventor crystal-grown an AlN layer on a sapphire substrate using a sputtering method, and annealed it at a high temperature (in a nitrogen atmosphere, 1700°C for 3 hours) to obtain a low-defect AlN layer. We have developed a technique for producing crystals. This AlN layer has crystal defects of 1×10 9 /cm 2 or less and is of high quality. However, when an AlGaN layer is laminated on the surface of this AlN layer and crystal growth is performed, a compressive stress is applied to the AlGaN layer due to a difference in lattice constant, which causes lattice relaxation, and the AlN layer and the AlGaN layer are separated from each other within the AlGaN layer. Crystal defects arise from the interface. Therefore, when the AlN layer is crystal-grown on a sapphire substrate using a sputtering method and the structure shown in FIG. It should be equivalent (3 to 5×10 9 /cm 2 ) to the case where a similar structure (the structure shown in FIG. 1 to be described later) is crystal-grown on the surface of the AlN layer with many defects laminated using the MOCVD method or the like. I found out.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、AlNを含み下地となる層による影響に関わらず、品質の良好な窒化物半導体を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and an object to be solved is to provide a nitride semiconductor of good quality regardless of the influence of the underlying layer containing AlN.

本発明の窒化物半導体は、
AlN又はAlGaNで形成された第1層と、
前記第1層の表面に積層して結晶成長され、AlGaNを含み、AlNのモル分率が前記第1層より小さく、前記第1層側に位置する界面に転位が集中した複数の転位集中領域、及び前記転位集中領域の表面に積層され、AlGaNを含み、AlNのモル分率が前記第1層より小さく、前記転位集中領域より転位が少ない上層を有する第2層と、
を備えており、
前記転位集中領域、及び前記上層におけるAlNのモル分率は、層の厚み方向において変化していないことを特徴とする。
The nitride semiconductor of the present invention is
a first layer made of AlN or AlGaN;
a plurality of dislocation concentrated regions laminated and crystal-grown on the surface of the first layer, containing AlGaN, having an AlN molar fraction smaller than that of the first layer, and having dislocations concentrated at an interface located on the first layer side; and a second layer deposited on the surface of the dislocation concentrated region and comprising AlGaN and having an upper layer having a lower mole fraction of AlN than the first layer and having fewer dislocations than the dislocation concentrated region;
and
The AlN mole fraction in the dislocation concentrated region and the upper layer is characterized by not changing in the thickness direction of the layer .

この窒化物半導体は、AlN又はAlGaNで形成された下地となる層である第1層の表面に、AlGaNを含み、AlNのモル分率が第1層より小さい第2層を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、第2層に転位が生じることになる。この窒化物半導体は、第2層に転位集中領域を形成することによって、第2層を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域から外側に延びた転位を曲げることで、上層への転位の伝搬を抑えることができる。これにより、この窒化物半導体は発光層等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。 In this nitride semiconductor, a second layer containing AlGaN and having a lower mole fraction of AlN than the first layer is laminated on the surface of the first layer, which is a base layer made of AlN or AlGaN, and crystal growth is performed. Then, dislocations occur in the second layer due to the difference in lattice constant. In this nitride semiconductor, by forming a dislocation concentrated region in the second layer, dislocations are concentrated in the initial stage of stacking the second layer, and further, the dislocations extending outward from the dislocation concentrated region are bent. Propagation of dislocations to the upper layer can thus be suppressed. As a result, the nitride semiconductor can satisfactorily form a structure such as a light-emitting layer on the surface of the upper layer.

したがって、本発明の窒化物半導体はAlNを含み下地となる層による影響に関わらず品質が良好である。 Therefore, the nitride semiconductor of the present invention has good quality regardless of the influence of the underlying layer containing AlN.

実施例1の窒化物半導体の構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the structure of a nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1の窒化物半導体を作製中に、作製中の窒化物半導体の表面に向けて658nmの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体の表面からの光の反射率の変化をプロットしたグラフである。During the production of the nitride semiconductor of Example 1, the surface of the nitride semiconductor being produced was irradiated with light having a wavelength of 658 nm, and the light from the surface of the nitride semiconductor being produced was measured against the crystal growth time. It is the graph which plotted the change of reflectance. 実施例1の窒化物半導体を作製中に、スパッタ法を用いたAlNテンプレート基板の表面に積層されたAlGaN層の表面にn-AlGaN層を1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時におけるそれぞれの結晶表面の顕微鏡写真、及びn-AlGaN層を1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフである。During the production of the nitride semiconductor of Example 1, the respective crystal surfaces when the n-AlGaN layer was epitaxially grown to 1 μm, 3 μm, and 5 μm on the surface of the AlGaN layer laminated on the surface of the AlN template substrate using the sputtering method. 1 is a micrograph and a graph plotting changes in reflectance when an n-AlGaN layer is epitaxially grown to a thickness of 1 μm, 3 μm, and 5 μm. 実施例1の窒化物半導体の表面をCL測定して得られた画像である。4 is an image obtained by CL measurement of the surface of the nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1の窒化物半導体における(11-20)面に平行な結晶断面のTEM画像である。4 is a TEM image of a crystal cross section parallel to the (11-20) plane in the nitride semiconductor of Example 1. FIG. 実施例1~3の窒化物半導体のそれぞれを作製中に、各基板の表面に積層されたAlGaN層の表面にn-AlGaN層を各々1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時における結晶表面の顕微鏡写真である。Micrographs of crystal surfaces when n-AlGaN layers of 1 μm, 3 μm, and 5 μm were epitaxially grown on the surface of the AlGaN layer laminated on the surface of each substrate during the production of each of the nitride semiconductors of Examples 1 to 3. be. 実施例1~3の窒化物半導体の各基板の表面に積層されたAlGaN層の表面にn-AlGaN層を各々1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフである。5 is a graph plotting changes in reflectance when n-AlGaN layers were epitaxially grown to 1 μm, 3 μm, and 5 μm respectively on the surface of the AlGaN layer laminated on the surface of each nitride semiconductor substrate of Examples 1 to 3. FIG. 実施例1~3の窒化物半導体のそれぞれを作製中に、各基板の表面に積層されたAlGaN層の表面にn-AlGaN層を各々1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時にCL測定して得られた表面の画像である。1 μm, 3 μm, and 5 μm of n-AlGaN layers were epitaxially grown on the surfaces of the AlGaN layers laminated on the surfaces of the respective substrates during the production of each of the nitride semiconductors of Examples 1 to 3, respectively. It is an image of the surface. 実施例4の窒化物半導体の構造を示す模式図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing the structure of the nitride semiconductor of Example 4; 実施例4の窒化物半導体を作製中に、作製中の窒化物半導体の表面に向けて658nmの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体の表面からの光の反射率の変化をグラフである。During the production of the nitride semiconductor of Example 4, the surface of the nitride semiconductor being produced was irradiated with light having a wavelength of 658 nm, and the light from the surface of the nitride semiconductor being produced was measured against the crystal growth time. 4 is a graph of changes in reflectance;

本発明における好ましい実施の形態を説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described.

本発明の窒化物半導体の第2層の反射率は、層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低くなり得る。この場合、この窒化物半導体の中間部には転位集中領域の先端部が位置し、上部には上層が位置しており、転位集中領域の表面に上層を積層して結晶成長させることによって、反射率が中間部から上部に向けて高くなっている。つまり、この窒化物半導体は、上層を積層して結晶成長することによって上部の結晶性を良好にすることができ、これにより、この窒化物半導体は発光層等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。 The reflectance of the second layer of the nitride semiconductor of the present invention can be lower in the middle part in the thickness direction of the layer than in the upper part and the lower part. In this case, the tip of the dislocation concentrated region is located in the middle part of the nitride semiconductor, and the upper layer is located in the upper part. The rate increases from the middle to the top. In other words, this nitride semiconductor can improve the crystallinity of the upper layer by laminating the upper layer and growing the crystal, and thereby the structure of the light-emitting layer and the like can be improved on the surface of the upper layer. can be formed.

次に、本発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例1~4について、図面を参照しつつ説明する。 Next, Examples 1 to 4 embodying the nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to the drawings.

<実施例1>
今回、発明者らが鋭意検討した結果、AlN層の表面側にAlGaN層を積層して結晶成長する成長条件として、V/III比を高くして、従来に比べて低い成長レートとすることによって、AlN層の表面側にAlGaN層を積層して結晶成長する初期の段階において、山形状の転位集中領域を含む三次元成長をさせ、その後、二次元成長させることによって、従来に比べて表面の平坦性が向上した高品質なAlGaN層を得ることができることを見出した。
<Example 1>
As a result of intensive studies by the inventors, it was found that the growth conditions for crystal growth by laminating the AlGaN layer on the surface side of the AlN layer were to increase the V/III ratio and to make the growth rate lower than in the conventional case. In the initial stage of crystal growth by laminating the AlGaN layer on the surface side of the AlN layer, three-dimensional growth including mountain-shaped dislocation concentrated regions is performed, and then two-dimensional growth is performed, thereby increasing the surface area compared to the conventional art. It was found that a high-quality AlGaN layer with improved flatness can be obtained.

実施例1の窒化物半導体1は、図1に示すように、サファイア基板10A、第1層であるAlN層10B、第1層であるAlGaN層11、第2層であるn-AlGaN層12、発光層13を備えている。発光層13は第1ガイド層13A、2重量子井戸活性層13B、及び第2ガイド層13Cを備えている。窒化物半導体1は結晶欠陥のレベルを確認するためのテスト構造であり、発光層13として機能する2重量子井戸活性層13Bの表面に位置する第2ガイド層13Cまでの結晶成長を行ったものである。
実施例1の窒化物半導体1は、MOCVD法(有機金属気相成長法)を用いて積層して結晶成長する。
As shown in FIG. 1, the nitride semiconductor 1 of Example 1 includes a sapphire substrate 10A, a first AlN layer 10B, a first AlGaN layer 11, a second n-AlGaN layer 12, A light-emitting layer 13 is provided. The light emitting layer 13 includes a first guide layer 13A, a double quantum well active layer 13B, and a second guide layer 13C. The nitride semiconductor 1 is a test structure for confirming the level of crystal defects, and crystal growth is performed up to the second guide layer 13C located on the surface of the double quantum well active layer 13B functioning as the light emitting layer 13. is.
The nitride semiconductor 1 of Example 1 is laminated and crystal-grown using MOCVD (metal organic chemical vapor deposition).

サファイア基板10AはC面((0001)面)が表面(表は図1における上側である、以下同じ)である。AlN層10Bはサファイア基板10Aの表面に、スパッタ法を用いて積層される。AlN層10BはAlNで形成されている。AlN層10BはAlNのモル分率が1である。AlN層10Bの厚みは175nmである。AlN層10Bを積層したところで、N2(窒素)雰囲気中で1700℃、3時間アニールを行う。こうして、サファイア基板10A、及びAlN層10Bを有するスパッタ法を用いたAlNテンプレート基板10(以下、スパッタ-テンプレート基板10ともいう)を作製する。その後、MOCVD法を用いて層構造を形成する。 The surface of the sapphire substrate 10A is the C plane ((0001) plane) (the table is the upper side in FIG. 1, the same applies hereinafter). The AlN layer 10B is laminated on the surface of the sapphire substrate 10A using a sputtering method. The AlN layer 10B is made of AlN. The AlN layer 10B has a molar fraction of AlN of one. The AlN layer 10B has a thickness of 175 nm. After laminating the AlN layer 10B, annealing is performed at 1700° C. for 3 hours in an N 2 (nitrogen) atmosphere. In this way, an AlN template substrate 10 (hereinafter also referred to as a sputtering template substrate 10) having a sapphire substrate 10A and an AlN layer 10B using a sputtering method is manufactured. After that, a layer structure is formed using the MOCVD method.

MOCVD法を実行することができる反応炉(以下、反応炉ともいう)内にスパッタ-テンプレート基板10を配置し、スパッタ-テンプレート基板10の表面にN(窒素)原料であるNH3(アンモニア)を流しながら(以下、供給は停止しない)、H2(水素)雰囲気中で、スパッタ-テンプレート基板10の温度を1150℃まで昇温した後、10分間保持する。 A sputtering template substrate 10 is placed in a reactor (hereinafter also referred to as a reactor) capable of executing the MOCVD method, and NH 3 (ammonia), which is an N (nitrogen) raw material, is applied to the surface of the sputtering template substrate 10. The temperature of the sputtering template substrate 10 is raised to 1150° C. in an atmosphere of H 2 (hydrogen) while flowing (hereinafter, the supply is not stopped), and then held for 10 minutes.

次に、AlN層10Bの表面にAlGaN層11を積層して結晶成長する。AlGaN層11の厚みは1μmである。AlGaN層11は、スパッタ-テンプレート基板10の温度を1150℃にした状態で、Ga(ガリウム)原料のTMGa(トリメチルガリウム)、及びAl(アルミニウム)原料のTMAl(トリメチルアルミニウム)を反応炉内に供給して形成する。AlGaN層11はAlNにGaNを少量添加したものであり、AlNのモル分率が0.99である。AlGaN層11はAlGaNで形成されている。AlGaN層11は結晶表面の平坦性向上を目的としてAlNにGaを1%添加しているが、Gaを添加せずAlNでもよい。 Next, the AlGaN layer 11 is stacked on the surface of the AlN layer 10B and crystal-grown. The AlGaN layer 11 has a thickness of 1 μm. The AlGaN layer 11 is formed by supplying TMGa (trimethylgallium) as a Ga (gallium) source and TMAl (trimethylaluminum) as an Al (aluminum) source into the reactor while the temperature of the sputtering template substrate 10 is set to 1150°C. to form. The AlGaN layer 11 is made by adding a small amount of GaN to AlN, and the molar fraction of AlN is 0.99. The AlGaN layer 11 is made of AlGaN. Although 1% Ga is added to AlN for the purpose of improving the flatness of the crystal surface, the AlGaN layer 11 may be AlN without adding Ga.

次に、AlGaN層11の表面にn-AlGaN層12を積層して結晶成長する。n-AlGaN層12の厚みは5μmである。n-AlGaN層12はAlN層10Bの表面側に積層して結晶成長される。先ず、スパッタ-テンプレート基板10の温度を1130℃まで降温し、所定の温度に達したら、AlNのモル分率が0.6になるようにN2、TMGa、TMAl、及びドナーとなるSi原料であるSiH4(シラン)を反応炉内に供給する。この時、V/III比は800~1200として、成長レートを0.8~1.2μm/hとし、低く抑える。n-AlGaN層12におけるSiの添加濃度は3×1018cm-3になるように原料の供給流量を調整する。つまり、n-AlGaN層12はAlGaNを含み、n-AlGaN層12のAlNのモル分率はAlN層10B、及びAlGaN層11より小さい。 Next, the n-AlGaN layer 12 is stacked on the surface of the AlGaN layer 11 and crystal-grown. The thickness of the n-AlGaN layer 12 is 5 μm. The n-AlGaN layer 12 is laminated on the surface side of the AlN layer 10B and crystal-grown. First, the temperature of the sputtering template substrate 10 is lowered to 1130° C., and when the temperature reaches a predetermined temperature, N 2 , TMGa, TMAl, and a donor Si raw material are added so that the molar fraction of AlN becomes 0.6. Some SiH 4 (silane) is fed into the reactor. At this time, the V/III ratio is set to 800 to 1200, and the growth rate is set to 0.8 to 1.2 μm/h to keep it low. The supply flow rate of the raw material is adjusted so that the doping concentration of Si in the n-AlGaN layer 12 is 3×10 18 cm −3 . That is, the n-AlGaN layer 12 contains AlGaN, and the AlN mole fraction of the n-AlGaN layer 12 is smaller than that of the AlN layer 10B and the AlGaN layer 11 .

次に、n-AlGaN層12の表面に発光層13を積層して結晶成長する。先ず第1ガイド層13Aを積層して結晶成長する。第1ガイド層13Aの厚みは180nmである。
先ず、TMGa、TMAl、及びSH4の反応炉内への供給を停止し、スパッタ-テンプレート基板10の温度を1100℃まで降温する。所定の温度に達したら、AlNのモル分率が0.5になるようにTMGa、及びTMAlを反応炉内に供給する。
Next, the light-emitting layer 13 is stacked on the surface of the n-AlGaN layer 12 and crystal-grown. First, the first guide layer 13A is stacked and crystal-grown. The thickness of the first guide layer 13A is 180 nm.
First, the supply of TMGa, TMAl and SH 4 into the reactor is stopped, and the temperature of the sputtering template substrate 10 is lowered to 1100.degree. When the predetermined temperature is reached, TMGa and TMAl are supplied into the reactor such that the molar fraction of AlN is 0.5.

次に、第1ガイド層13Aの表面に2重量子井戸活性層13Bを積層して結晶成長する。2重量子井戸活性層13BはAlNのモル分率が0.3のAlGaN井戸層、及びAlNモル分率が0.5のAlGaN障壁層を有している(図示せず。)。AlGaN井戸層の厚みは4nmである。AlGaN障壁層の厚みは8nmである。2重量子井戸活性層13Bは、スパッタ-テンプレート基板10の温度を1100℃にした状態でAlGaN井戸層を積層して結晶成長させ、続いて、第1ガイド層13Aと同じ成長条件でAlGaN障壁層を積層して結晶成長させる。これを2回繰り返すことで、AlGaN/AlGaNの2重量子井戸活性層13Bを形成する。 Next, the double quantum well active layer 13B is stacked on the surface of the first guide layer 13A and crystal-grown. The double quantum well active layer 13B has an AlGaN well layer with an AlN mole fraction of 0.3 and an AlGaN barrier layer with an AlN mole fraction of 0.5 (not shown). The AlGaN well layer has a thickness of 4 nm. The AlGaN barrier layer has a thickness of 8 nm. The double quantum well active layer 13B is formed by stacking AlGaN well layers while the temperature of the sputtering template substrate 10 is set to 1100° C., and then growing the AlGaN barrier layer under the same growth conditions as the first guide layer 13A. are stacked to grow crystals. By repeating this twice, the double quantum well active layer 13B of AlGaN/AlGaN is formed.

次に、AlNのモル分率が0.5になるようにTMGa、及びTMAlを反応炉内に供給して、第2ガイド層13Cを積層して結晶成長する。こうして、発光層13を形成する。第2ガイド層13Cの厚みは180nmである。 Next, TMGa and TMAl are supplied into the reactor so that the molar fraction of AlN is 0.5, and the second guide layer 13C is laminated and crystal-grown. Thus, the light emitting layer 13 is formed. The thickness of the second guide layer 13C is 180 nm.

そして、TMGa、及びTMAlの反応炉内への供給を停止して、結晶成長を終了させ、H2とNH3を反応炉内に流しながら室温までスパッタ-テンプレート基板10の温度を降温する。スパッタ-テンプレート基板10の温度が室温になった後、反応炉のパージを十分行い、スパッタ-テンプレート基板10を反応炉から取り出す。こうして、図1に示す層構造を有する窒化物半導体1が完成する。 Then, the supply of TMGa and TMAl into the reactor is stopped to terminate crystal growth, and the temperature of the sputtering template substrate 10 is lowered to room temperature while flowing H 2 and NH 3 into the reactor. After the temperature of the sputtering template substrate 10 reaches room temperature, the reactor is sufficiently purged, and the sputtering template substrate 10 is removed from the reactor. Thus, nitride semiconductor 1 having the layer structure shown in FIG. 1 is completed.

MOCVD法を用いて作製中の窒化物半導体1の表面に向けて658nmの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体1の表面からの光の反射率の変化をプロットしたグラフを図2に示す。 Light with a wavelength of 658 nm was irradiated toward the surface of the nitride semiconductor 1 being fabricated using the MOCVD method, and changes in the reflectance of light from the surface of the nitride semiconductor 1 being fabricated with respect to crystal growth time were measured. A plotted graph is shown in FIG.

図2に示すように、AlGaN層11の結晶成長中には反射率の低下が見られないが、AlGaN層11の表面にn-AlGaN層12を積層して結晶成長させると反射率が急激に低下する。さらにn-AlGaN層12を積層して結晶成長させ、n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ100分経過した(n-AlGaN層12の厚みがおよそ2μmになった)ところで反射率は極小値を示す。そして、さらに結晶成長を続けると反射率は上昇し、n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ260分経過した(n-AlGaN層12の厚みがおよそ5μmになった)ところでAlGaN層11の結晶成長中における反射率とほぼ同じになり、定常状態となる。つまり、n-AlGaN層12は厚みがおよそ5μm以上になると平坦な結晶表面が得られることがわかった。n-AlGaN層12の結晶成長中における反射率は層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低い。
窒化物半導体1はn-AlGaN層12のAlNのモル分率を0.6としているが、AlNのモル分率を0.5としても同様の結果が得られる(図示せず。)。
As shown in FIG. 2, the reflectance does not decrease during the crystal growth of the AlGaN layer 11, but when the n-AlGaN layer 12 is stacked on the surface of the AlGaN layer 11 and crystal-grown, the reflectance sharply increases. descend. Further, the n-AlGaN layer 12 is laminated and crystal-grown, and about 100 minutes after the start of the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 (when the thickness of the n-AlGaN layer 12 reaches about 2 μm), the reflectance is Indicates a local minimum. As the crystal growth continues, the reflectance increases, and about 260 minutes after the start of the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 (when the thickness of the n-AlGaN layer 12 reaches about 5 μm), the AlGaN layer 11 becomes almost the same as the reflectance during the crystal growth of , and becomes a steady state. In other words, it was found that a flat crystal surface can be obtained when the n-AlGaN layer 12 has a thickness of about 5 μm or more. The reflectance of the n-AlGaN layer 12 during crystal growth is lower in the middle portion in the layer thickness direction than in the upper and lower portions.
Although the nitride semiconductor 1 has the AlN mole fraction of 0.6 in the n-AlGaN layer 12, similar results can be obtained even if the AlN mole fraction is 0.5 (not shown).

MOCVD法を用いて窒化物半導体1を作製中に、スパッタ-テンプレート基板10の表面に積層されたAlGaN層11の表面にn-AlGaN層12を1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時におけるそれぞれの結晶表面の顕微鏡写真、及びn-AlGaN層12を1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフを図3に示す。 Each crystal surface when the n-AlGaN layer 12 is epitaxially grown to 1 μm, 3 μm, and 5 μm on the surface of the AlGaN layer 11 laminated on the surface of the sputtering template substrate 10 during the fabrication of the nitride semiconductor 1 using the MOCVD method. and a graph plotting changes in reflectance when the n-AlGaN layer 12 is epitaxially grown to 1 μm, 3 μm, and 5 μm are shown in FIG.

図3に示すように、n-AlGaN層12の厚みが1μmの時(n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ50分経過した時)には、結晶表面に多くの凹凸が現われ、反射率が低下していく。
n-AlGaN層12の厚みが3μmの時(n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ150分経過した時)には、結晶表面の凹凸が埋没しつつあり、平坦になりつつあるが、まだ、凹凸が現れており、極小値を示した反射率が回復する傾向にある。
n-AlGaN層12の厚みが5μmの時(n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ260分経過した時)には、結晶表面が極めて平坦になり、反射率がAlGaN層11の結晶成長中における反射率とほぼ同じになり、定常状態になっている。
以上から、n-AlGaN層12の厚みがおよそ2μmまで(n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ100分の間)三次元成長(凹凸)が生じ、n-AlGaN層12の厚みがおよそ2μmを超える(n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ100分を過ぎる)と、三次元成長(凹凸)を埋没させるように二次元成長するものと考えられる。
As shown in FIG. 3, when the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 1 μm (about 50 minutes after the start of crystal growth of the n-AlGaN layer 12), many irregularities appear on the crystal surface, Reflectance decreases.
When the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 3 μm (about 150 minutes after the start of crystal growth of the n-AlGaN layer 12), the unevenness of the crystal surface is being buried and flattened. , unevenness still appears, and the reflectance, which showed a minimum value, tends to recover.
When the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 5 μm (about 260 minutes after the start of the crystal growth of the n-AlGaN layer 12), the crystal surface becomes extremely flat, and the reflectance of the AlGaN layer 11 is equal to that of the crystal of the AlGaN layer 11. The reflectance becomes almost the same as that during growth, and is in a steady state.
From the above, three-dimensional growth (unevenness) occurs until the thickness of the n-AlGaN layer 12 reaches about 2 μm (for about 100 minutes after the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 starts), and the thickness of the n-AlGaN layer 12 increases. When the thickness exceeds approximately 2 μm (approximately 100 minutes after the start of crystal growth of the n-AlGaN layer 12), it is considered that two-dimensional growth occurs so as to bury the three-dimensional growth (unevenness).

窒化物半導体1の表面をCL測定して得られた画像を図4に示す。図4における複数の黒い点は転位であることを示している。CL測定における加速電圧は3.0kVである。CL測定によって得られた画像から見積もられた窒化物半導体1の第2ガイド層13Cにおける転位密度は7.5×108/cm2であり、極めて転位の数が少ない。 An image obtained by CL measurement of the surface of the nitride semiconductor 1 is shown in FIG. A plurality of black dots in FIG. 4 indicate dislocations. The acceleration voltage in CL measurement is 3.0 kV. The dislocation density in the second guide layer 13C of the nitride semiconductor 1 estimated from the image obtained by CL measurement is 7.5×10 8 /cm 2 , which is an extremely small number of dislocations.

窒化物半導体1における(11-20)面に平行な結晶断面のTEM画像を図5に示す。図5に示すように、AlGaN層11の表面にn-AlGaN層12が積層して結晶成長する初期の段階において、高さが2μm未満の山形状の特異な領域が複数形成されている。この領域は、圧縮応力が集中している領域であることが解析によってわかった。この領域は転位が集中する転位集中領域12Aである。転位集中領域12Aにおける転位には多方向に伸びる傾向が見られる。転位集中領域12Aにおける転位密度は2.5×1010/cm2である。n-AlGaN層12は、転位集中領域12Aに転位が集中することによって、n-AlGaN層12の上部における転位を低減させていることがわかった。つまり、n-AlGaN層12の上部は転位集中領域12Aよりも転位が少ない上層12Bである。 FIG. 5 shows a TEM image of a crystal cross section parallel to the (11-20) plane in the nitride semiconductor 1. As shown in FIG. As shown in FIG. 5, at the initial stage of crystal growth of the n-AlGaN layer 12 laminated on the surface of the AlGaN layer 11, a plurality of peculiar mountain-shaped regions with a height of less than 2 μm are formed. Analysis revealed that this region is a region where compressive stress is concentrated. This region is a dislocation concentrated region 12A where dislocations are concentrated. The dislocations in the dislocation concentrated region 12A tend to extend in multiple directions. The dislocation density in the dislocation concentrated region 12A is 2.5×10 10 /cm 2 . It was found that the n-AlGaN layer 12 reduces dislocations in the upper portion of the n-AlGaN layer 12 by concentrating dislocations in the dislocation concentrated region 12A. That is, the upper portion of the n-AlGaN layer 12 is the upper layer 12B having fewer dislocations than the dislocation concentrated regions 12A.

上層12Bにおける転位には上下方向に伸びる傾向が見られる。上層12Bの下部(すなわち、転位集中領域12Aの近傍)における転位密度は2.6×109/cm2である。また、上層12Bの上部(すなわち、第1ガイド層13Aの近傍)における転位密度は1.8×109/cm2である。
つまり、n-AlGaN層12はAlN層10B側に位置する界面に転位が集中した複数の転位集中領域12A、及び転位集中領域12Aの表面に転位集中領域12Aより転位が少ない上層12Bを有する。
Dislocations in the upper layer 12B tend to extend in the vertical direction. The dislocation density in the lower portion of upper layer 12B (that is, in the vicinity of dislocation concentrated region 12A) is 2.6×10 9 /cm 2 . Also, the dislocation density in the upper portion of the upper layer 12B (that is, in the vicinity of the first guide layer 13A) is 1.8×10 9 /cm 2 .
In other words, the n-AlGaN layer 12 has a plurality of dislocation-concentrated regions 12A in which dislocations are concentrated at the interface located on the AlN layer 10B side, and an upper layer 12B having fewer dislocations than the dislocation-concentrated regions 12A on the surface of the dislocation-concentrated regions 12A.

また、第1ガイド層13Aにおける転位密度は1.5×109/cm2であり、第2ガイド層13Cにおける転位密度は7.5×108/cm2である。
こうして、n-AlGaN層12の表面にさらに第1ガイド層13A、2重量子井戸活性層13B、及び第2ガイド層13C等の構造をエピタキシャル成長する過程において転位はより低減し、最終的に第2ガイド層13Cの転位密度が1×109/cm2を下回ることがわかった。
The dislocation density in the first guide layer 13A is 1.5×10 9 /cm 2 , and the dislocation density in the second guide layer 13C is 7.5×10 8 /cm 2 .
In this way, dislocations are further reduced in the process of epitaxially growing structures such as the first guide layer 13A, the double quantum well active layer 13B, and the second guide layer 13C on the surface of the n-AlGaN layer 12, and finally the second guide layer 13C is formed. It was found that the dislocation density of the guide layer 13C is less than 1×10 9 /cm 2 .

このように、窒化物半導体1は、AlNで形成された下地となる層であるAlN層10B、及びAlGaNで形成されたAlGaN層11の表面に、AlGaNを含み、AlNのモル分率がAlN層10B、及びAlGaN層11より小さいn-AlGaN層12を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、n-AlGaN層12に転位が生じることになる。窒化物半導体1は、n-AlGaN層12に転位集中領域12Aを形成することによって、n-AlGaN層12を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域12Aから外側に延びた転位を曲げることで、上層12Bへの転位の伝搬を抑えることができる。これにより、窒化物半導体1は発光層13等の構造を上層12Bの表面に良好に形成することができる。 Thus, the nitride semiconductor 1 includes AlGaN on the surfaces of the AlN layer 10B, which is a base layer made of AlN, and the AlGaN layer 11 made of AlGaN, and the molar fraction of AlN is the AlN layer. 10B and the n-AlGaN layer 12 smaller than the AlGaN layer 11 are laminated and crystal grown, dislocations occur in the n-AlGaN layer 12 due to the difference in lattice constant. In the nitride semiconductor 1, by forming the dislocation concentrated regions 12A in the n-AlGaN layer 12, dislocations are concentrated in the initial stage of stacking the n-AlGaN layer 12. By bending the dislocations extending to the upper layer 12B, propagation of the dislocations to the upper layer 12B can be suppressed. Thereby, the nitride semiconductor 1 can satisfactorily form the structure of the light emitting layer 13 and the like on the surface of the upper layer 12B.

したがって、本発明の窒化物半導体1はAlNを含み下地となるAlN層10B、及びAlGaN層11による影響に関わらず品質が良好である。 Therefore, the nitride semiconductor 1 of the present invention has good quality regardless of the influence of the underlying AlN layer 10B and the AlGaN layer 11 containing AlN.

窒化物半導体1のn-AlGaN層12の反射率は、層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低い。つまり、窒化物半導体1の中間部には転位集中領域12Aの先端部が位置し、上部には上層12Bが位置しており、転位集中領域12Aの表面に上層12Bを積層して結晶成長させることによって、反射率が中間部から上部に向けて高くなっている。つまり、窒化物半導体1は、上層12Bを積層して結晶成長することによって上部の結晶性を良好にすることができ、これにより、窒化物半導体1は発光層13等の構造を上層12Bの表面に良好に形成することができる。 The reflectance of the n-AlGaN layer 12 of the nitride semiconductor 1 is lower in the middle portion in the layer thickness direction than in the upper and lower portions. In other words, the tip of the dislocation concentrated region 12A is located in the middle part of the nitride semiconductor 1, and the upper layer 12B is located in the upper part. , the reflectance increases from the intermediate portion to the upper portion. In other words, the nitride semiconductor 1 can improve the crystallinity of the upper portion by laminating the upper layer 12B and growing the crystal, and thereby the nitride semiconductor 1 has the structure of the light emitting layer 13 and the like on the surface of the upper layer 12B. can be formed well in

<実施例2、3>
次に、スパッタ-テンプレート基板10に代えて、MOCVD法を用いてサファイア基板10Aの表面にAlN層を積層して結晶成長したテンプレート基板(以下、MOCVD-テンプレート基板ともいう)を使い、窒化物半導体1と同様の構造を備えた実施例2の窒化物半導体2(以下、実施例2の窒化物半導体2ともいう)、及びスパッタ-テンプレート基板10に代えて、AlN自立基板を使い、窒化物半導体1と同様の構造を備えた実施例3の窒化物半導体3(以下、実施例3の窒化物半導体3ともいう)を作製した。
実施例2の窒化物半導体2はMOCVD-テンプレート基板を使用している点が実施例1の窒化物半導体1と相違する。実施例1と同一の構成は符号を付して詳細な説明は省略する。実施例2の窒化物半導体2を作製する手順は、実施例1のスパッタ-テンプレート基板10を作製する手順を除き実施例1の窒化物半導体1を作製する手順と同一であり詳細な説明は省略する。
実施例3の窒化物半導体3はAlN自立基板を使用している点が実施例1の窒化物半導体1と相違する。実施例1と同一の構成は符号を付して詳細な説明は省略する。実施例3の窒化物半導体3を作製する手順は、実施例1のスパッタ-テンプレート基板10を作製する手順を除き実施例1の窒化物半導体1を作製する手順と同一であり詳細な説明は省略する。
<Examples 2 and 3>
Next, instead of the sputtering template substrate 10, a template substrate (hereinafter also referred to as MOCVD-template substrate) obtained by laminating an AlN layer on the surface of the sapphire substrate 10A using the MOCVD method for crystal growth is used to obtain a nitride semiconductor. In place of the nitride semiconductor 2 of Example 2 (hereinafter also referred to as the nitride semiconductor 2 of Example 2) having the same structure as that of Example 1 and the sputtering template substrate 10, an AlN self-supporting substrate is used to obtain a nitride semiconductor A nitride semiconductor 3 of Example 3 (hereinafter also referred to as nitride semiconductor 3 of Example 3) having the same structure as that of Example 1 was fabricated.
The nitride semiconductor 2 of Example 2 differs from the nitride semiconductor 1 of Example 1 in that an MOCVD-template substrate is used. Components that are the same as those of the first embodiment are denoted by reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted. The procedure for fabricating the nitride semiconductor 2 of Example 2 is the same as the procedure for fabricating the nitride semiconductor 1 of Example 1 except for the procedure of fabricating the sputtering template substrate 10 of Example 1, and detailed description is omitted. do.
The nitride semiconductor 3 of Example 3 differs from the nitride semiconductor 1 of Example 1 in that an AlN self-supporting substrate is used. Components that are the same as those of the first embodiment are denoted by reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted. The procedure for fabricating the nitride semiconductor 3 of Example 3 is the same as the procedure for fabricating the nitride semiconductor 1 of Example 1 except for the procedure of fabricating the sputtering template substrate 10 of Example 1, and detailed description is omitted. do.

MOCVD法を用いて窒化物半導体1~3のそれぞれを作製中に、各基板(スパッタ-テンプレート基板10、MOCVD-テンプレート基板、及びAlN自立基板)の表面に積層されたAlGaN層11の表面にn-AlGaN層12を各々1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時の結晶表面の顕微鏡写真を図6に示す。
実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3はn-AlGaN層12の厚みが1μmの時にはヒロックが発生することによって凹凸が多く現れている。実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3はn-AlGaN層12の厚みが5μmの時には厚みが1μmの時に比べて表面が平坦になっている。実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3におけるn-AlGaN層12の結晶成長中の結晶表面の様子の変化は実施例1の窒化物半導体1におけるn-AlGaN層12の結晶成長中の結晶表面の様子の変化と同様の傾向を示している。
On the surface of the AlGaN layer 11 laminated on the surface of each substrate (sputtering-template substrate 10, MOCVD-template substrate, and AlN free-standing substrate) during fabrication of each of the nitride semiconductors 1 to 3 using the MOCVD method, n FIG. 6 shows micrographs of the crystal surface when the -AlGaN layer 12 was epitaxially grown to 1 μm, 3 μm, and 5 μm.
In the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3, when the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 1 μm, hillocks are generated and many irregularities appear. In the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3, when the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 5 μm, the surface is flatter than when the thickness is 1 μm. The change in the state of the crystal surface during the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 in the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3 is similar to that of the n-AlGaN layer 12 in the nitride semiconductor 1 of Example 1. It shows the same tendency as the change of the appearance of the crystal surface during crystal growth.

各基板の表面に積層されたAlGaN層11の表面にn-AlGaN層12を各々1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時までの反射率の変化をプロットしたグラフを図7に示す。
図7に示すように、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3はn-AlGaN層12を結晶成長させると反射率は一旦低下した後上昇している。実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3における反射率の変化は実施例1の窒化物半導体1における反射率の変化と同様の傾向を示している。
FIG. 7 shows a graph plotting changes in reflectance when the n-AlGaN layer 12 was epitaxially grown to 1 μm, 3 μm, and 5 μm on the surface of the AlGaN layer 11 laminated on the surface of each substrate.
As shown in FIG. 7, in the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3, when the n-AlGaN layer 12 was crystal-grown, the reflectance decreased once and then increased. The change in reflectance of the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3 show the same tendency as the change of reflectance of the nitride semiconductor 1 of Example 1. FIG.

MOCVD法を用いて窒化物半導体1~3のそれぞれを作製中に、各基板の表面に積層されたAlGaN層11の表面にn-AlGaN層12を各々1μm、3μm、5μmエピタキシャル成長した時にCL測定して得られた表面の画像を図8に示す。図8における複数の黒い点は転位であることを示し、黒い帯状の領域は転位が密集していることを示している。CL測定における加速電圧は3.0kVである。 During the production of each of nitride semiconductors 1 to 3 using the MOCVD method, CL was measured when an n-AlGaN layer 12 was epitaxially grown to a thickness of 1 μm, 3 μm, and 5 μm on the surface of the AlGaN layer 11 laminated on the surface of each substrate. FIG. 8 shows an image of the surface obtained by A plurality of black dots in FIG. 8 indicate dislocations, and black belt-like regions indicate dense dislocations. The acceleration voltage in CL measurement is 3.0 kV.

図8に示すように、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3はn-AlGaN層12の厚みが1μmの時に多くの転位が見られる。また、表面には凹凸が現れている(図6参照。)。つまり、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3は転位が集中する転位集中領域を有している。
そして、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3はn-AlGaN層12の厚みが3μmの時に転位が大きく低減する。また、表面の平坦性はn-AlGaN層12の厚みが1μmの時に比べて向上している(図6参照。)。つまり、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3は転位集中領域の表面に転位集中領域より転位が少ない上層を有する。
そして、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3はn-AlGaN層12の厚みが5μmの時に転位がさらに低減する。
このように、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3におけるn-AlGaN層12の結晶成長に伴う転位の変化は実施例1の窒化物半導体1におけるn-AlGaN層12の結晶成長に伴う転位の変化と同様の傾向を示している。
以上より、MOCVD-テンプレート基板、及びAlN自立基板を使用しても、スパッタ-テンプレート基板10を使用した場合と同様にn-AlGaN層12の結晶成長によって表面に伝搬する転位を低減することができることがわかった。
As shown in FIG. 8, many dislocations are observed in the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3 when the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 1 μm. In addition, irregularities appear on the surface (see FIG. 6). That is, the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3 have dislocation concentrated regions where dislocations are concentrated.
In the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3, dislocations are significantly reduced when the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 3 μm. Also, the flatness of the surface is improved compared to when the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 1 μm (see FIG. 6). That is, the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3 have an upper layer with fewer dislocations than the dislocation concentrated region on the surface of the dislocation concentrated region.
In the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3, dislocations are further reduced when the thickness of the n-AlGaN layer 12 is 5 μm.
Thus, the change in dislocation accompanying the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 in the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3 is similar to that of the n-AlGaN layer in the nitride semiconductor 1 of Example 1. 12 shows the same trend as the dislocation change with crystal growth.
From the above, even if the MOCVD-template substrate and the AlN free-standing substrate are used, dislocations propagating to the surface due to the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 can be reduced in the same way as when the sputtering-template substrate 10 is used. I found out.

このように、窒化物半導体2、3は、AlNで形成された下地となる層であるAlN層、AlN自立基板、及びAlGaNで形成されたAlGaN層11の表面に、AlGaNを含み、AlNのモル分率がAlN層、AlN自立基板、及びAlGaN層11より小さいn-AlGaN層12を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、n-AlGaN層12に転位が生じることになる。窒化物半導体2、3は、n-AlGaN層12に転位集中領域を形成することによって、n-AlGaN層12を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域から外側に延びた転位を曲げることで、上層への転位の伝搬を抑えることができる。これにより、窒化物半導体2、3は発光層13等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。 In this way, the nitride semiconductors 2 and 3 contain AlGaN on the surface of the AlN layer which is a base layer made of AlN, the AlN self-supporting substrate, and the AlGaN layer 11 made of AlGaN. When an AlN layer, an AlN self-supporting substrate, and an n-AlGaN layer 12 having a smaller fraction than the AlGaN layer 11 are laminated and crystal grown, dislocations occur in the n-AlGaN layer 12 due to the difference in lattice constant. In the nitride semiconductors 2 and 3, by forming dislocation concentrated regions in the n-AlGaN layer 12, dislocations are concentrated in the initial stage of stacking the n-AlGaN layer 12, and furthermore, dislocations are concentrated outside the dislocation concentrated regions. Propagation of dislocations to the upper layer can be suppressed by bending the dislocations extending to the upper layer. Thereby, the nitride semiconductors 2 and 3 can satisfactorily form a structure such as the light emitting layer 13 on the surface of the upper layer.

したがって、実施例2の窒化物半導体2、及び実施例3の窒化物半導体3もAlNを含み下地となるAlN層、AlN自立基板、及びAlGaN層11による影響に関わらず品質が良好である。 Therefore, the nitride semiconductor 2 of Example 2 and the nitride semiconductor 3 of Example 3 also have good quality regardless of the influence of the underlying AlN layer containing AlN, the AlN self-supporting substrate, and the AlGaN layer 11 .

<実施例4>
実施例4の窒化物半導体4は、図9に示すように、AlGaN層11とn-AlGaN層12との間にAlGaN組成傾斜層16を積層して結晶成長している点、及びn-AlGaN層12の厚みが実施例1~3と相違する。実施例1と同一の構成は符号を付して詳細な説明は省略する。
<Example 4>
In the nitride semiconductor 4 of Example 4, as shown in FIG. 9, the AlGaN composition gradient layer 16 is laminated between the AlGaN layer 11 and the n-AlGaN layer 12 for crystal growth, and the n-AlGaN The thickness of layer 12 differs from Examples 1-3. Components that are the same as those of the first embodiment are denoted by reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.

AlGaN組成傾斜層16は、AlGaN層11の表面に積層して結晶成長している。また、n-AlGaN層12はAlGaN組成傾斜層16の表面に積層して結晶成長している。AlGaN組成傾斜層16は、AlGaN層11からn-AlGaN層12に向かうにつれて、AlNのモル分率が0.99から0.6に徐々に変化して結晶成長している。AlGaN組成傾斜層16の厚みは1μmである。n-AlGaN層12の厚みは4μmである。 The AlGaN composition gradient layer 16 is laminated on the surface of the AlGaN layer 11 and crystal-grown. Also, the n-AlGaN layer 12 is laminated on the surface of the AlGaN composition gradient layer 16 and is crystal-grown. The AlGaN composition gradient layer 16 is crystal-grown with the molar fraction of AlN gradually changing from 0.99 to 0.6 from the AlGaN layer 11 toward the n-AlGaN layer 12 . The thickness of the AlGaN composition gradient layer 16 is 1 μm. The thickness of the n-AlGaN layer 12 is 4 μm.

MOCVD法を用いて実施例4の窒化物半導体4を作製中に、作製中の窒化物半導体4の表面に向けて658nmの波長の光を照射し、結晶成長する時間に対する、作製中の窒化物半導体4の表面からの光の反射率の変化をプロットしたグラフを図10に示す。
図10に示すように、実施例4の窒化物半導体4は、AlGaN層11の結晶成長中に反射率の低下が見られないが、AlGaN組成傾斜層16の結晶成長中のAlNのモル分率が0.7を下回る組成から反射率の低下が見られ(図10における、n-AlGaN層12の近傍のAlGaN組成傾斜層16)、AlGaN組成傾斜層16の表面にn-AlGaN層12を積層して結晶成長させると反射率が急激に低下する。このことから、AlGaN組成傾斜層16において、AlNのモル分率がおよそ0.7を下回ると転位が増加し、転位集中領域の形成が開始していると考えられる。そして、AlGaN組成傾斜層16において、AlNのモル分率がおよそ0.7を下回らなければ、転位が増加しないと考えられる。つまり、AlGaN組成傾斜層16において転位の量は、AlNのモル分率がおよそ0.7を境にして発生せず増加しない傾向と増加する傾向とに遷移すると考えられる。さらにn-AlGaN層12を積層して結晶成長をさせ、n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ70分経過した(n-AlGaN層12の厚みがおよそ1.5μmになった)ところで反射率は極小値を示す。そして、さらに結晶成長を続けると反射率は上昇し、n-AlGaN層12の結晶成長を開始しておよそ210分経過した(n-AlGaN層12の厚みがおよそ4μmになった)ところでAlGaN層11及びAlGaN組成傾斜層16の結晶成長中における反射率とほぼ同じになり、定常状態となる。つまり、実施例4の窒化物半導体4の反射率の変化は窒化物半導体1~3で得られた反射率の変化と同様の傾向を示すことがわかった。
以上より、実施例4の窒化物半導体4のn-AlGaN層12は実施例1の窒化物半導体1と同様に、転位が集中した複数の転位集中領域、及び転位集中領域の表面に転位集中領域より転位が少ない上層を有していると考えられる。また、AlGaN組成傾斜層16においても転位集中領域の形成が開始していると考えられる。
While fabricating the nitride semiconductor 4 of Example 4 using the MOCVD method, the surface of the nitride semiconductor 4 being fabricated was irradiated with light having a wavelength of 658 nm, and the crystal growth time of the nitride semiconductor being fabricated was measured. FIG. 10 shows a graph plotting changes in reflectance of light from the surface of the semiconductor 4 .
As shown in FIG. 10 , in the nitride semiconductor 4 of Example 4, no decrease in reflectance was observed during the crystal growth of the AlGaN layer 11 , but the molar fraction of AlN during the crystal growth of the AlGaN composition gradient layer 16 is lower than 0.7 (the AlGaN composition gradient layer 16 near the n-AlGaN layer 12 in FIG. 10), and the n-AlGaN layer 12 is laminated on the surface of the AlGaN composition gradient layer 16. When the crystal is grown by heating, the reflectance drops abruptly. From this, it is considered that in the AlGaN composition gradient layer 16, when the AlN mole fraction falls below about 0.7, dislocations increase and formation of dislocation concentrated regions begins. It is believed that dislocations do not increase unless the molar fraction of AlN in the AlGaN composition gradient layer 16 is less than approximately 0.7. In other words, it is considered that the amount of dislocations in the AlGaN composition gradient layer 16 transitions between a tendency of not increasing and not increasing when the molar fraction of AlN is approximately 0.7. Further, the n-AlGaN layer 12 is stacked to allow crystal growth, and about 70 minutes have passed since the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 was started (when the thickness of the n-AlGaN layer 12 reached about 1.5 μm). Reflectance shows a minimum value. As the crystal growth continues, the reflectance increases, and about 210 minutes after the start of the crystal growth of the n-AlGaN layer 12 (when the thickness of the n-AlGaN layer 12 reaches about 4 μm), the AlGaN layer 11 and the reflectance during the crystal growth of the AlGaN composition gradient layer 16 becomes almost the same, and the steady state is established. In other words, it was found that the change in reflectance of nitride semiconductor 4 of Example 4 showed the same tendency as the change in reflectance obtained in nitride semiconductors 1-3.
As described above, the n-AlGaN layer 12 of the nitride semiconductor 4 of Example 4, like the nitride semiconductor 1 of Example 1, has a plurality of dislocation-concentrated regions in which dislocations are concentrated, and dislocation-concentrated regions on the surface of the dislocation-concentrated regions. It is believed to have an upper layer with fewer dislocations. It is also considered that the formation of dislocation concentrated regions has started in the AlGaN composition gradient layer 16 as well.

このように、窒化物半導体4は、AlNで形成された下地となる層であるAlN層10B、及びAlGaNで形成されたAlGaN層11の表面に、AlGaNを含み、AlNのモル分率がAlN層10B、及びAlGaN層11より小さいn-AlGaN層12を積層して結晶成長すると、格子定数の違いにより、n-AlGaN層12に転位が生じることになる。窒化物半導体4は、n-AlGaN層12に転位集中領域を形成することによって、n-AlGaN層12を積層する初期の段階に転位を集中させておき、さらには、転位集中領域から外側に延びた転位を曲げることで、上層への転位の伝搬を抑えることができると考えられる。これにより、窒化物半導体4は発光層13等の構造を上層の表面に良好に形成することができる。 Thus, the nitride semiconductor 4 includes AlGaN on the surfaces of the AlN layer 10B, which is a base layer made of AlN, and the AlGaN layer 11 made of AlGaN, and the molar fraction of AlN is the AlN layer. 10B and the n-AlGaN layer 12 smaller than the AlGaN layer 11 are laminated and crystal grown, dislocations occur in the n-AlGaN layer 12 due to the difference in lattice constant. In the nitride semiconductor 4, by forming dislocation concentrated regions in the n-AlGaN layer 12, dislocations are concentrated in the initial stage of stacking the n-AlGaN layer 12, and furthermore, dislocations extend outward from the dislocation concentrated regions. By bending the dislocations, it is thought that the propagation of the dislocations to the upper layer can be suppressed. Thereby, the structure of the light emitting layer 13 and the like can be satisfactorily formed on the surface of the upper layer of the nitride semiconductor 4 .

したがって、実施例4の窒化物半導体4もAlNを含み下地となるAlN層10B、及びAlGaN層11による影響に関わらず品質が良好である。 Therefore, the nitride semiconductor 4 of Example 4 also contains AlN and has good quality regardless of the influence of the underlying AlN layer 10B and the AlGaN layer 11 .

本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例1~4に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
(1)実施例1では、n型不純物としてSiを添加してn-AlGaN層としているが、これに限らず、n型不純物である、Ge、Te等であっても良い。また、p型不純物としてMg、Zn,Be、Ca、Sr、及びBa等を添加して、p-AlGaN層としてもよい。
(2)実施例1、2、4ではサファイア基板を使用しているがSiC基板等の他の基板にAlN層を積層して結晶成長しても良い。
(3)実施例1では、AlGaN層のAlNのモル分率が0.99であるが、GaNを添加せず、組成をAlNのみとしてもよい。
The present invention is not limited to Examples 1 to 4 explained by the above description and drawings, and the following examples are also included in the technical scope of the present invention.
(1) In Example 1, the n-AlGaN layer is formed by adding Si as the n-type impurity, but the n-type impurity such as Ge, Te, etc. may be used. Further, Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba, etc. may be added as p-type impurities to form a p-AlGaN layer.
(2) Although the sapphire substrate is used in Examples 1, 2, and 4, an AlN layer may be laminated on another substrate such as a SiC substrate for crystal growth.
(3) In Example 1, the molar fraction of AlN in the AlGaN layer is 0.99, but the composition may be AlN alone without adding GaN.

1、2、3、4…窒化物半導体
10B…AlN層(第1層)
11…AlGaN層(第1層)
12…n-AlGaN層(第2層)
12A…転位集中領域
12B…上層
1, 2, 3, 4... Nitride semiconductor 10B... AlN layer (first layer)
11... AlGaN layer (first layer)
12... n-AlGaN layer (second layer)
12A... Dislocation concentrated region 12B... Upper layer

Claims (2)

AlN又はAlGaNで形成された第1層と、
前記第1層の表面に積層して結晶成長され、AlGaNを含み、AlNのモル分率が前記第1層より小さく、前記第1層側に位置する界面に転位が集中した複数の転位集中領域、及び前記転位集中領域の表面に積層され、AlGaNを含み、AlNのモル分率が前記第1層より小さく、前記転位集中領域より転位が少ない上層を有する第2層と、
を備えており、
前記転位集中領域、及び前記上層におけるAlNのモル分率は、層の厚み方向において変化していないことを特徴とする窒化物半導体。
a first layer made of AlN or AlGaN;
a plurality of dislocation concentrated regions laminated and crystal-grown on the surface of the first layer, containing AlGaN, having an AlN molar fraction smaller than that of the first layer, and having dislocations concentrated at an interface located on the first layer side; and a second layer deposited on the surface of the dislocation concentrated region and comprising AlGaN and having an upper layer having a lower mole fraction of AlN than the first layer and having fewer dislocations than the dislocation concentrated region;
and
A nitride semiconductor , wherein the dislocation concentrated regions and the upper layer have AlN mole fractions that do not change in the thickness direction of the layers .
前記第2層の反射率は、層の厚み方向の中間部が上部、及び下部よりも低いことを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体。 2. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein reflectance of said second layer is lower in the middle portion in the thickness direction than in the upper portion and the lower portion.
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