JP2013155085A - Method for manufacturing gallium nitride compound semiconductor layer and method for manufacturing light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化ガリウム(GaN)系化合物半導体層の製造方法、発光デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor layer and a method for manufacturing a light emitting device.
GaN等の窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長用の基板としては、主にサファイヤ、炭化ケイ素(Silicon Carbide:SiC)などが用いられている。これらの基板材料はGaN系化合物半導体等の窒化物系化合物半導体との格子不整が大きいため、基板上に成長させる窒化物系化合物半導体の様々な成長方法が試みられている。 As a substrate for epitaxial growth of a nitride compound semiconductor such as GaN, sapphire, silicon carbide (SiC), or the like is mainly used. Since these substrate materials have a large lattice mismatch with nitride compound semiconductors such as GaN compound semiconductors, various growth methods of nitride compound semiconductors to be grown on the substrate have been tried.
基板材料と窒化物系化合物半導体との格子不整を解消するため、擬似的な格子定数がGaN系半導体等の窒化物系化合物半導体に近いネオジムガレート(NdGaO3:NGO)基板を用いることが提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
In order to eliminate the lattice mismatch between the substrate material and the nitride compound semiconductor, it is proposed to use a neodymium gallate (NdGaO 3 : NGO) substrate whose pseudo lattice constant is close to that of a nitride compound semiconductor such as a GaN semiconductor. (For example, see
また、最近ではGaN系化合物半導体の(0001)面(c面)が極性を持つことによる発光デバイスの発光効率の低下を抑えるため、極性を持たない非極性や、極性の小さい半極性面のGaN系半導体を成長させたGaN基板が求められるようになっている。特に光の3原色である赤、緑、青のうち純緑色のレーザー等を製造するうえで、従来の極性を持つc面のGaN系化合物半導体ではGaN系半導体に含まれるIn組成が大きくなるため歪が大きくなり、極性を持つことの弊害が大きくなる。そのため、極性を持つc面のGaN系化合物半導体を窒化物系化合物半導体として用いて純緑色のレーザー等を製造することは困難である。 Recently, in order to suppress a decrease in the light emission efficiency of the light emitting device due to the polarity of the (0001) plane (c plane) of the GaN-based compound semiconductor, GaN having a nonpolarity or a semipolar plane with a small polarity There has been a demand for a GaN substrate on which a semiconductor is grown. In particular, when manufacturing a pure green laser or the like among the three primary colors of light, red, green, and blue, a conventional c-plane GaN-based compound semiconductor has a large In composition in the GaN-based semiconductor. Distortion increases and the negative effect of having polarity increases. Therefore, it is difficult to manufacture a pure green laser or the like using a polar c-plane GaN-based compound semiconductor as a nitride-based compound semiconductor.
そこで、半極性面や非極性面などの極性の小さな面のGaN系化合物半導体などの窒化物系化合物半導体を成長させて形成されたGaN基板を製造できれば、極性を持つことの弊害が解消されるため、発光効率の良い純緑色のレーザーなど発光デバイスが製造できると考えられる。 Therefore, if a GaN substrate formed by growing a nitride-based compound semiconductor such as a GaN-based compound semiconductor having a small polarity such as a semipolar surface or a nonpolar surface can be manufactured, the adverse effects of having a polarity can be eliminated. Therefore, it is considered that a light emitting device such as a pure green laser having a high light emission efficiency can be manufactured.
ここで、NGO結晶の(011)面の原子配列と、GaN結晶の(0001)面(c面)の原子配列とを対応させた図を図21に示す。図21に示すように、NGO結晶の(011)面では、NGO結晶のa軸の長さとGaN結晶の[11−20]方向の格子定数がほぼ一致している。そのため、GaN結晶からなるGaN基板は、サファイヤやSiCなどを下地基板とした場合の格子不整の問題を解決できる基板といわれている。そこで、(011)面のNGO基板上にハイドライド気相成長(HVPE:Hydride vapor phase epitaxy)法を用いてc面のGaNを成長する技術が開発されている。(011)面のNGO基板上にGaNを成長させると、c面のGaN結晶が(011)面のNGO基板上に擬似的な格子整合となり、GaN結晶がc軸方向に成長して成長面はc面となる。 Here, FIG. 21 shows a diagram in which the atomic arrangement of the (011) plane of the NGO crystal is associated with the atomic arrangement of the (0001) plane (c-plane) of the GaN crystal. As shown in FIG. 21, in the (011) plane of the NGO crystal, the length of the a-axis of the NGO crystal and the lattice constant in the [11-20] direction of the GaN crystal are almost the same. Therefore, a GaN substrate made of a GaN crystal is said to be a substrate that can solve the problem of lattice irregularities when sapphire, SiC, or the like is used as a base substrate. Accordingly, a technique for growing c-plane GaN on a (011) -plane NGO substrate using a hydride vapor phase epitaxy (HVPE) method has been developed. When GaN is grown on the (011) -plane NGO substrate, the c-plane GaN crystal becomes a pseudo lattice match on the (011) -plane NGO substrate, and the GaN crystal grows in the c-axis direction. c-plane.
しかし、このような方法で緑色レーザダイオード(Laser Diode:LD)等に応用できるような非極性面や半極性面のGaN基板を製造しようとする場合、GaN系半導体の膜厚を厚くしてGaN基板を縦に切り出してGaN結晶の非極性面が主面となるように加工するか、GaN基板を斜めに切り出してGaN結晶の半極性面が主面となるように加工する必要がある。 However, when a non-polar or semipolar GaN substrate that can be applied to a green laser diode (LD) or the like by this method is to be manufactured, the GaN-based semiconductor is made thicker and GaN is increased. It is necessary to cut the substrate vertically and process it so that the nonpolar surface of the GaN crystal becomes the main surface, or to cut the GaN substrate obliquely and process it so that the semipolar surface of the GaN crystal becomes the main surface.
そのため、NGO基板上にGaN系化合物半導体を成長させた後にGaN結晶の非極性面又は半極性面が主面となるようにGaN基板を加工する方法では、実際のデバイスに用いられるような大きさ(例えば2インチ)のGaN基板を作製することは困難である。また、デバイスに用いられるような大きさ(例えば2インチ)のGaN基板を作製できたとしても所定の大きさ(例えば数10mm程度)の矩形のGaN基板しか製造できない。 Therefore, after growing a GaN-based compound semiconductor on an NGO substrate, the method of processing the GaN substrate so that the nonpolar or semipolar surface of the GaN crystal becomes the main surface is a size that can be used for an actual device. It is difficult to produce a GaN substrate (for example, 2 inches). Even if a GaN substrate having a size (for example, 2 inches) used for a device can be manufactured, only a rectangular GaN substrate having a predetermined size (for example, several tens of mm) can be manufactured.
そこで、発光効率の良い純緑色のレーザーなどの発光デバイスを製造するにあたり、NGO基板上に極性を持たない非極性面か極性の小さい半極性面のGaN系化合物半導体などの窒化物系化合物半導体を成長させることができるGaN系化合物半導体層の製造方法の出現が求められている。 Therefore, when manufacturing light-emitting devices such as pure green lasers with good light emission efficiency, nitride-based compound semiconductors such as nonpolar or non-polar GaN-based compound semiconductors with no polarity on the NGO substrate are used. The advent of a method for producing a GaN-based compound semiconductor layer that can be grown is demanded.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、NGO基板上に半極性面のGaN系化合物半導体層を形成することができるGaN系化合物半導体層の製造方法、発光デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor layer and a method for manufacturing a light-emitting device capable of forming a semipolar plane GaN-based compound semiconductor layer on an NGO substrate. The purpose is to do.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明者らは窒化ガリウム系化合物半導体層の製造方法、発光デバイスの製造方法について鋭意研究をした。その結果、NGO結晶のGa又はNdの原子間隔とGaN結晶の(1−100)方向の原子間隔とがほぼ一致することに着目した。(012)面のNGO結晶上に成長したGaNは、半極性面のGaN結晶が優先的に成長することについて解明した。この得られた知見に基づいて、(012)面のNGO基板上に半極性面のGaN系半導体を形成することができることを見出した。本発明は、係る知見に基づいて完成されたものである。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present inventors have intensively studied a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor layer and a method for manufacturing a light-emitting device. As a result, attention was paid to the fact that the atomic spacing of Ga or Nd in the NGO crystal and the atomic spacing in the (1-100) direction of the GaN crystal substantially coincide. As for the GaN grown on the (012) plane NGO crystal, it was clarified that the semipolar plane GaN crystal grows preferentially. Based on the obtained knowledge, it was found that a semipolar plane GaN-based semiconductor can be formed on a (012) plane NGO substrate. The present invention has been completed based on such knowledge.
本発明の窒化ガリウム系化合物半導体層の製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNdGaO3基板上に窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することを特徴とする。 In the method for producing a gallium nitride compound semiconductor layer of the present invention, a gallium nitride compound semiconductor is epitaxially grown on a NdGaO 3 substrate whose principal surface on which a gallium nitride compound semiconductor is grown is a (012) plane, and a semipolar plane nitridation is performed. A gallium compound semiconductor layer is formed.
本発明の好ましい態様として、前記NdGaO3基板のNdGaO3結晶の[012]方向の軸と前記NdGaO3基板の表面の法線とがなすオフ角が±5.0°以下で成長することが好ましい。 In a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the off angle formed between the normal line of the NdGaO 3 substrate of NdGaO 3 crystal [012] axis and the NdGaO 3 substrate surface is grown below ± 5.0 ° .
本発明の好ましい態様として、前記NdGaO3基板は、窒化ガリウム系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる前に、不活性ガスを成長炉内に供給しながら、600℃以上900℃以下の温度で加熱処理して、NdGaO3基板表面のクリーニングを行った後、前記NdGaO3基板上に半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることが好ましい。 As a preferred embodiment of the present invention, the NdGaO 3 substrate is heated at a temperature of 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower while supplying an inert gas into the growth furnace before epitaxially growing the gallium nitride compound semiconductor layer. , after cleaning the NdGaO 3 substrate surface, it is preferable to grow the semi-polar plane gallium nitride-based compound semiconductor on the NdGaO 3 substrate.
本発明の好ましい態様として、前記NdGaO3基板の基板温度を550℃以上650℃以下として、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることが好ましい。 As a preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the substrate temperature of the NdGaO 3 substrate is 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower to grow a semipolar plane gallium nitride compound semiconductor.
本発明の好ましい態様として、前記NdGaO3基板上に、前記窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、前記NdGaO3基板を剥離して窒化ガリウム系化合物半導体層を得ることが好ましい。 In a preferred embodiment of the present invention, the NdGaO 3 on the substrate, after forming the gallium nitride-based compound semiconductor layer, it is preferable to obtain the NdGaO 3 substrate peeling to gallium nitride-based compound semiconductor layer.
本発明の発光デバイスの製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNdGaO3基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層を1層以上積層された積層体を形成し、前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、p型又はn型であることを特徴とする。 The method for manufacturing a light-emitting device according to the present invention includes epitaxial growth of a gallium nitride compound semiconductor on a NdGaO 3 substrate whose main surface on which a gallium nitride compound semiconductor is grown is a (012) plane, and a gallium nitride compound having a semipolar plane. A stacked body in which one or more semiconductor layers are stacked is formed, and the gallium nitride compound semiconductor layer is p-type or n-type.
本発明の発光デバイスの製造方法は、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNdGaO3基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層を1層以上積層された積層体を形成した後、前記NdGaO3基板から剥離して得られた積層体を第1の積層体として用い、前記第1の積層体の上に、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層を1層以上積層した第2の積層体を形成し、前記第2の積層体は、p型、n型の何れか一方又は両方の窒化ガリウム系化合物半導体層を有することを特徴とする。尚、本発明では、前記NdGaO3基板から剥離して得られる第1の積層体を、窒化ガリウム自立基板(GaN自立基板)ともいう。 The method for manufacturing a light-emitting device according to the present invention includes epitaxial growth of a gallium nitride compound semiconductor on a NdGaO 3 substrate whose main surface on which a gallium nitride compound semiconductor is grown is a (012) plane, and a gallium nitride compound having a semipolar plane. After forming a stacked body in which one or more semiconductor layers are stacked, the stacked body obtained by peeling off the NdGaO 3 substrate is used as the first stacked body, and gallium nitride is formed on the first stacked body. Epitaxially growing a compound semiconductor to form a second stacked body in which one or more gallium nitride compound semiconductor layers having a semipolar plane are stacked, and the second stacked body is either p-type or n-type, or Both gallium nitride compound semiconductor layers are provided. In the present invention, the first laminate obtained by peeling from the NdGaO 3 substrate is also referred to as a gallium nitride free-standing substrate (GaN free-standing substrate).
本発明によれば、NGO結晶のGaの原子間隔とGaN結晶の[11−20]方向の原子間隔との擬似的な格子定数がほぼ一致するため、その一致する軸を中心にGaN結晶がc軸を傾かせて成長することにより、(012)面のNGO基板上にはGaN結晶を半極性面に優先的に成長させることができるため、NGO基板上に半極性面のGaN系化合物半導体層を形成することができる。 According to the present invention, since the pseudo lattice constants of the Ga atomic spacing of the NGO crystal and the [11-20] direction atomic spacing of the GaN crystal substantially coincide with each other, the GaN crystal is c c around the coincident axis. Since the GaN crystal can be preferentially grown on the semipolar plane on the (012) plane NGO substrate by tilting the axis, the semipolar plane GaN-based compound semiconductor layer is formed on the NGO substrate. Can be formed.
以下、本発明を好適に実施するための形態(以下、実施形態という。)につき、詳細に説明する。尚、本発明は以下の実施形態および実施例に記載した内容により限定されるものではない。また、以下に記載した実施形態および実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態および実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, modes for suitably carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described in detail. In addition, this invention is not limited by the content described in the following embodiment and an Example. In addition, constituent elements in the embodiments and examples described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those in a so-called equivalent range. Furthermore, the constituent elements disclosed in the embodiments and examples described below may be appropriately combined or may be appropriately selected and used.
<GaN系化合物半導体層>
本実施形態に係るGaN系化合物半導体層の製造方法を用いて得られるGaN系化合物半導体層について説明する。GaN系化合物半導体層は、GaN系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNGO基板(以下、「NGO基板」、という)上にGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させて得られるものであり、GaN系化合物半導体は半極性面である。GaN系化合物半導体層は、後述するように、本実施形態に係るGaN系化合物半導体層の製造方法を用いて製造されるものである。GaN系化合物半導体層は、1層で構成されていても、複数層で構成されていてもよい。なお、本明細書において、主面とは、GaN系化合物半導体を成長させる面をいう。
<GaN compound semiconductor layer>
A GaN-based compound semiconductor layer obtained using the method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor layer according to this embodiment will be described. The GaN-based compound semiconductor layer is obtained by epitaxially growing a GaN-based compound semiconductor on an NGO substrate (hereinafter referred to as “NGO substrate”) whose main surface on which the GaN-based compound semiconductor is grown is a (012) plane. A GaN-based compound semiconductor has a semipolar surface. As will be described later, the GaN-based compound semiconductor layer is manufactured by using the method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor layer according to this embodiment. The GaN-based compound semiconductor layer may be composed of one layer or a plurality of layers. In the present specification, the main surface refers to a surface on which a GaN-based compound semiconductor is grown.
本実施形態においては、半極性面とは、GaN結晶のc面と所定角度を有する面であり、半極性面としては、例えば(11−24)面等が挙げられる。また、c面とは、六方晶のc軸に垂直な面であり、c面とは、(0001)面である。また、非極性面とは、a面やm面等のc面に垂直な面であり、非極性面としては、a面とは(11−20)面が挙げられ、m面では(10−10)面が挙げられる。 In the present embodiment, the semipolar plane is a plane having a predetermined angle with the c-plane of the GaN crystal, and examples of the semipolar plane include (11-24) plane. The c-plane is a plane perpendicular to the hexagonal c-axis, and the c-plane is a (0001) plane. Further, the nonpolar plane is a plane perpendicular to the c plane such as the a plane or the m plane. As the nonpolar plane, the a plane is the (11-20) plane, and the m plane is (10− 10) surface.
<GaN系化合物半導体層の製造方法>
図1は、本実施形態に係るGaN系化合物半導体層の製造方法の一例を示す図である。図1に示すように、本実施形態に係るGaN系化合物半導体層の製造方法は、以下の工程を含む。
A) NGO基板11を準備するNGO基板準備工程(ステップS11)
B) NGO基板11上に、GaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のGaN系化合物半導体層12を形成するGaN系化合物半導体層形成工程(ステップS12)
C) GaN系化合物半導体層12をNGO基板11から剥離する基板剥離工程(ステップS13)
<Method for producing GaN-based compound semiconductor layer>
FIG. 1 is a diagram showing an example of a method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor layer according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the manufacturing method of the GaN-based compound semiconductor layer according to this embodiment includes the following steps.
A) NGO substrate preparation process for preparing the NGO substrate 11 (step S11)
B) GaN-based compound semiconductor layer forming step of epitaxially growing a GaN-based compound semiconductor on the
C) Substrate peeling step for peeling the GaN-based
主面が(012)面であるNGO基板11を準備する。NGO基板11は、主面上に半極性面のGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させる基板である。引き上げ法により育成したNGOインゴットから主面を(012)として切り出し、研磨を行い、そのNGO基板12をアセトン溶液中で超音波洗浄して脱脂した後、メタノール、超純水中で超音波洗浄し、NGO基板11の表面に付着している異物を除去する(NGO基板準備工程:ステップS11)。
An
GaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる基板としては、一般的に、例えば、シリコン(Si)基板、サファイア(Al2O3)基板、ヒ化ガリウム(GaAs)基板、窒化ガリウム(GaN)基板、窒化アルミニウム(AlN)基板などのIII族窒化物下地基板、NGO基板などのペロブスカイト型の結晶構造を有する基板等が挙げられる。本実施形態では、エピタキシャル成長させることができる基板は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する基板が好ましいが、中でもGaN系化合物半導体層12との格子整合性が高い観点から、NGO基板11が好適に用いられる。
As a substrate capable of epitaxially growing a GaN-based compound semiconductor, generally, for example, a silicon (Si) substrate, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a gallium arsenide (GaAs) substrate, a gallium nitride (GaN) substrate, Examples include a group III nitride base substrate such as an aluminum nitride (AlN) substrate, a substrate having a perovskite crystal structure such as an NGO substrate, and the like. In the present embodiment, the substrate that can be epitaxially grown is preferably a substrate having a perovskite crystal structure, but among them, the
NGO基板11は、GaN系化合物半導体の単結晶を成長させる観点から、NGO基板11の表面の清浄度が重要である。特に、NGO基板11の主面(成長炉の内壁に接しない基板の面をいう。以下同じ。)、裏面(成長炉の内壁に接する基板の面をいう。以下同じ。)は成長炉内でエッチングすることができないので、成長炉内に投入する前に清浄度を上げる必要がある。そのため、NGO基板11の主面をエッチングしてから成長炉内に投入することが好ましい。エッチング方法としてはアルカリ溶剤によるエッチングや、ハロゲン系ガスによるエッチングなどが挙げられる。
From the viewpoint of growing a single crystal of a GaN-based compound semiconductor, the cleanness of the surface of the
NGO基板11は、成長炉内に投入した後、NGO基板11上にGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させる前に、不活性ガスを、600℃以上900℃以下の温度で、不活性ガスの供給量を1500〜2000sccmとして、5分〜10分、成長炉内に供給しながら加熱処理し、NGO基板11の表面の付着物などを揮発除去するクリーニングを行うことが好ましい。このクリーニングを行うことで、NGO基板11上に成長させるGaN系化合物半導体層12のc軸の傾きを、NGO基板11のNGO結晶の(012)面とGaN系化合物半導体層12のc軸とがなす角度を大きくし、その結果として半極性のGaN系化合物半導体層を形成することができる。
After the
不活性ガスとしては、例えば、窒素(N2)ガス、アルゴン(Ar)ガス、ヘリウム(He)ガス等が挙げられる。 Examples of the inert gas include nitrogen (N 2 ) gas, argon (Ar) gas, helium (He) gas, and the like.
NGO基板11上に、GaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のGaN系化合物半導体層12を形成する(GaN系化合物半導体層形成工程:ステップS12)。
A GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on the
本実施形態において、半極性面とは、上述のように、c面と所定角度を有する面であり、半極性面としては、例えば(11−24)面等が挙げられる。 In the present embodiment, the semipolar surface is a surface having a predetermined angle with the c-plane as described above, and examples of the semipolar surface include the (11-24) surface.
GaN系化合物半導体を成長させる方法は、エピタキシャル成長ができる方法であれば特に限定されるものではなく、従来より公知のものが挙げられるが、結晶性の高いGaN系化合物半導体を成長させる観点から、GaN系化合物半導体層12の形成方法としては、例えば、有機金属気相成長(MOVPE:Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法、有機金属化学気相堆積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、分子線成長(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法、HVPE法などの気相法が挙げられる。GaN系化合物半導体層12はこれらのMOVPE法、MBE法、HVPE法の何れか1つを用いて成長させることができる。中でもGaN自立基板の製造においては結晶成長速度が高い観点からHVPE法が特に好ましい。
The method for growing the GaN-based compound semiconductor is not particularly limited as long as it is a method capable of epitaxial growth, and conventionally known methods can be mentioned. From the viewpoint of growing a highly crystalline GaN-based compound semiconductor, GaN Examples of the method for forming the
NGO基板11の結晶[012]方向の軸とNGO基板11の表面の法線とのなす角であるオフ角は±5.0°以下が好ましい。これは、NGO結晶の最表面での結合手の方向が、オフ角が大きくなるとNGO基板11の表面の法線からの角度が大きくなりすぎて、半極性の配向を持ったGaN系化合物半導体が成長できなくなるためである。
The off angle, which is the angle formed by the axis in the crystal [012] direction of the
NGO基板11上にGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させる際、GaN系化合物半導体層12はNGO基板11の基板温度を550℃以上650℃以下として形成するのが好ましく、より好ましくは550℃以上600℃以下である。半極性の成長では、NGO基板11の最表面の結合手の方向を反映させる必要があり、650℃以上の高温での成長では成長時の表面でのマイグレーションが大きくなるために、最も配向しやすい面での成長となってしまい半極性面が得られなくなると考えられる。
When the GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on the
その後、GaN系化合物半導体層12をNGO基板11から剥離する(基板剥離工程:ステップS13)。これにより、GaN系化合物半導体層12が得られる。尚、NGO基板11から剥離して得られるGaN系化合物半導体層12は、窒化ガリウム自立基板(GaN自立基板)ともいう。
Thereafter, the GaN-based
本実施形態のGaN系化合物半導体層の製造方法では、主面が(012)面であるNGO基板12上にGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させることで、半極性面のGaN系化合物半導体層12が得られる。
In the method of manufacturing a GaN-based compound semiconductor layer according to this embodiment, a GaN-based
図2は、NGO基板11のNGO結晶が(012)面の結晶構造を示す説明図である。図2に示すように、NGO結晶のGaの間隔(例えば、0.5426nm)とGaN結晶の[11−20]方向の原子間隔(例えば、0.5524nm)とが略一致する。このため、主面が(012)面であるNGO基板11上には、半極性面(例えば、(11−24)面)のGaN結晶を優先的に成長させることができ、GaN結晶は半極性面に成長するといえる。これにより、主面が(012)面であるNGO基板11上には、半極性面のGaN系化合物半導体層12を形成することができる。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the crystal structure of the (012) plane of the NGO crystal of the
よって、本実施形態のGaN系化合物半導体層の製造方法によれば、主面が(012)面であるNGO基板11から半極性面のGaN系化合物半導体層12を得ることができる。
Therefore, according to the GaN-based compound semiconductor layer manufacturing method of the present embodiment, the semipolar GaN-based
また、図3は、c軸の角度と発光効率及び自発分極との関係の一例を示す図である。なお、図3は、GaN層とInGaN層とGaN層とを積層し、InGaN層を3nmとしてInを10%程度含むものを用いた時の自発分極及び発光効率の一例を示すものである。図3に示すように、自発分極は0に近いほど良く、発光効率が高くなる。例えば、半極性面の1つである(11−24)面は、c軸から約40°の角度であり、非極性面(例えば、(11−20)面、(1−100)面)の約70%程度の発光効率を有する。また、半極性面(例えば、(11−24)面)は、極性面である(0001)面よりも高い発光効率を有する。そのため、NGO基板12上に、半極性面のGaN系化合物半導体層12を形成することにより、GaN系化合物半導体層12を用いて高い発光効率を有する発光素子を得ることができる。この結果、後述するように、半極性面のGaN系化合物半導体層12を含む発光デバイスを緑色LED、LDに適用した場合、従来、発光効率の低かったInGaN層を用いた緑色系LED、LDの発光効率を著しく向上させることができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the relationship between the c-axis angle, the light emission efficiency, and the spontaneous polarization. FIG. 3 shows an example of spontaneous polarization and light emission efficiency when a GaN layer, an InGaN layer, and a GaN layer are stacked, and the InGaN layer is 3 nm and contains about 10% In. As shown in FIG. 3, the spontaneous polarization is better as it is closer to 0, and the light emission efficiency becomes higher. For example, the (11-24) plane, which is one of the semipolar planes, is at an angle of about 40 ° from the c-axis, and is a nonpolar plane (eg, (11-20) plane, (1-100) plane). It has a luminous efficiency of about 70%. Moreover, the semipolar plane (for example, (11-24) plane) has higher luminous efficiency than the (0001) plane which is a polar plane. Therefore, by forming the semipolar plane GaN-based
<発光デバイス>
次に、本実施形態に係るGaN系化合物半導体層の製造方法を用いて得られたGaN系化合物半導体層を発光デバイスとして適用する場合について説明する。本実施形態では、発光デバイスとしてLEDに適用する場合について説明する。図4は、発光デバイスの構成を簡略に示す図である。図4に示すように、発光デバイス20は、積層体21と、第1電極22と、第2電極23と、を有するものである。積層体21は、半極性面のGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成されるものである。本実施形態では、積層体21は、第1の積層体24と、第1の積層体24上に形成される第2の積層体25と、を有する。
<Light emitting device>
Next, a case where a GaN-based compound semiconductor layer obtained using the method for manufacturing a GaN-based compound semiconductor layer according to the present embodiment is applied as a light emitting device will be described. This embodiment demonstrates the case where it applies to LED as a light emitting device. FIG. 4 is a diagram simply showing the configuration of the light emitting device. As shown in FIG. 4, the
第1の積層体24は、GaN層からなるバッファ層31、n型のGaN層32のGaN系化合物半導体層を有し、この順に積層して構成されている。
The first
第2の積層体25は、n型のGaN層/InGaN層が10層積層された周期層33、p型のAlGaN層34、p型のGaN層35のGaN系化合物半導体層を有し、この順に積層して構成されている。
The second
周期層33は、図5に示すように、n型のGaN層33−1とInGaN層33−2とを一組で一層として、一組のn型のGaN層/InGaN層がx層積層されて構成されている。xは1以上の整数であればよく、周期層33は適宜任意の積層数とすることができる。また、周期層33は、NGO基板12と積層体21との間における応力を吸収する層としての機能を有している。
As shown in FIG. 5, the
積層体21は、p型又はn型の窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有している。第1の積層体24は、n型のGaN系化合物半導体層を有し、第2の積層体25は、p型、n型の何れか一方又は両方の窒化ガリウム系化合物半導体層を有する。
The
なお、バッファ層31、n型のGaN層32、p型のAlGaN層34、p型のGaN層35は単層としているが、各々複数の層で形成されていてもよい。
The
第1電極22は、p型のGaN層35の最外層上に形成されている。第2電極23は、n型のGaN層32の露出した主表面上に形成されている。第1電極22、第2電極23は、例えば、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、インジウム(In)の1つ以上を含む混合物などで形成される。
The
発光デバイス20は、上述の通り、本実施形態に係るGaN系化合物半導体層の製造方法を用いて得られたGaN系化合物半導体層を含むものである。GaN系化合物半導体層が1つ以上積層された積層体21を含んで構成されるものである。第1の積層体24は、後述するように、(012)面のNGO基板11上に形成され、第2の積層体25は第1の積層体24上に形成されるものである。そのため、第1の積層体24及び第2の積層体25に含まれる各GaN系化合物半導体層はいずれも半極性面となっている。すなわち、第1の積層体24(バッファ層31、n型のGaN層32)、第2の積層体25(周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35)は、いずれも半極性面のGaN系化合物半導体層である。
As described above, the light-emitting
よって、発光デバイス20は、(012)面であるNGO基板12上に形成された半極性面のGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成される第1の積層体24及び第2の積層体25を含んで形成される発光デバイスであるため、GaN系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子として用いることができる。
Therefore, the
また、発光デバイス20は、GaN系化合物半導体層が複数積層されて構成される第1の積層体24からNGO基板11を剥離したものであるが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、NGO基板11上にGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成された積層構造体をそのまま発光デバイスとして用いてもよい。
Further, the
図6は、発光デバイスの他の構成を簡略に示す図である。図6に示すように、発光デバイス30は、GaN系化合物半導体を成長させる主面11aが(012)面であるNGO基板11と、NGO基板11上に本実施形態に係るGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成された積層体21と、第1電極22と、第2電極23とを有するものである。積層体21は、上述の通り、半極性面のGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成されるものである。
FIG. 6 is a diagram simply illustrating another configuration of the light emitting device. As shown in FIG. 6, the
積層体21は、NGO基板11側から順に、GaN系化合物半導体層としてバッファ層31、n型のGaN層32、n型のGaN層/InGaN層が10層積層された周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35がこの順に積層されている。
The
発光デバイス30は、上述の通り、本実施形態に係るGaN系化合物半導体層の製造方法を用いて得られたGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成された積層体21を含むものである。本実施形態に係るGaN系化合物半導体層は、上述の通り、(012)面のNGO基板12上に形成されるものであるため、本実施形態に係るGaN系化合物半導体層はいずれも半極性面となっている。すなわち、積層体24を構成するバッファ層31、n型のGaN層32、周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35は、いずれも半極性面のGaN系化合物半導体層である。よって、本実施形態に係る発光デバイス30は、(012)面であるNGO基板12上に半極性面のGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体21を含んで形成される発光デバイスであるため、GaN系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子として用いることができる。
As described above, the
<発光デバイスの製造方法>
次に、本実施形態に係る発光デバイス20の製造方法について説明する。図7は、本実施形態に係る発光デバイス20を製造する方法の一例を示すフローチャートである。図7に示すように、本実施形態に係る発光デバイス20を製造する方法は、以下の工程を含む。
A) NGO基板11を準備するNGO基板準備工程(ステップS21)
B) GaN系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNGO基板11上に、GaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のGaN系化合物半導体層(バッファ層31、n型のGaN層32)を有する積層構造体を第1の積層体(GaN自立基板)24として形成する第1の積層体24形成工程(ステップS22)
C) 第1の積層体24をNGO基板11から剥離する基板剥離工程(ステップS23)
D) 第1の積層体24上にGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のGaN系化合物半導体層(周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35)を有する積層構造体を第2の積層体25として形成する第2の積層体形成工程(ステップS24)
E) p型のGaN層35の表面の一部をレジストで保護した後、n型のGaN層32の一部が露出するまでエッチングするエッチング工程(ステップS25)
F) n型のGaN層32及びp型のGaN層35の表面に第1の電極22、第2の電極23を形成する電極形成工程(ステップS26)
<Method for manufacturing light-emitting device>
Next, a method for manufacturing the
A) NGO substrate preparation process for preparing the NGO substrate 11 (step S21)
B) A GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on an
C) Substrate peeling step for peeling the
D) A stacked structure in which a GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on the first
E) Etching process of protecting a part of the surface of the p-
F) Electrode forming step of forming the
NGO基板準備工程(ステップS21)は、上述のNGO基板準備工程(ステップS11)と同様であるため、説明は省略する。 Since the NGO substrate preparation process (step S21) is the same as the above-described NGO substrate preparation process (step S11), description thereof is omitted.
図8に示すように、GaN系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNGO基板11上に、GaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のGaN系化合物半導体層としてバッファ層31、n型のGaN層32を有する第1の積層体24を形成する(第1の積層体形成工程:ステップS22)。
As shown in FIG. 8, a GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on an
その後、図9に示すように、第1の積層体24からNGO基板12を剥離する(基板剥離工程:ステップS23)。剥離する方法としては、上述と同様に、例えば、外周刃、内周刃、円筒研削装置、ワイヤーソー、レーザーなどを用いて剥離する方法等がある。なお、NGO基板11から剥離して得られる第1の積層体24は、GaN自立基板ともいう。
Thereafter, as shown in FIG. 9, the
その後、図10に示すように、第1の積層体24をGaN自立基板として、その上にGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35を含む第2の積層体25を形成する(第2の積層体形成工程:ステップS24)。
Thereafter, as shown in FIG. 10, the first
積層体21は、p型又はn型のGaN系化合物半導体層を複数有している。第1の積層体24は、n型のGaN系化合物半導体層を有し、第2の積層体25は、p型、n型の両方のGaN系化合物半導体層を有する。
The
その後、図11に示すように、p型のGaN層35の表面に一部をレジストで保護した後、n型のGaN層32の一部が露出するまでエッチングする(エッチング工程:ステップS25)。
Thereafter, as shown in FIG. 11, after a part of the surface of the p-
その後、レジストをスパッタで除去すると共に、p型のGaN層35の最外層上に第1電極22を形成し、n型のGaN層32の露出した主表面上に第2電極23を形成する(電極形成工程:ステップS26)。
Thereafter, the resist is removed by sputtering, the
これにより、図4に示すような発光デバイス20が得られる。
Thereby, the
本実施形態に係る発光デバイス20の製造方法では、主面が(012)面であるNGO基板12上に形成される第1の積層体24と、第1の積層体24上に形成される第2の積層体25とを構成する各GaN系化合物半導体層を半極性面とすることができる。よって、本実施形態に係る発光デバイス20の製造方法によれば、(012)面のNGO基板12を用いて半極性面のGaN系化合物半導体層を複数有する発光デバイス20を得ることができる。半極性面のGaN系化合物半導体の発光効率は、上述の通り、非極性面(例えば、(11−20)面)の発光効率に近く、極性面(例えば(0001)面)の発光効率よりも高い。よって、発光デバイス20は、半極性面のGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体21を有するため、GaN系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子とすることができる。この結果、本実施形態に係る発光デバイス20を緑色LED、LDとして適用した場合、従来、発光効率の低かったInGaN層を用いた緑色系のLED、LDの発光効率を著しく向上させることができる。
In the method for manufacturing the
(他の発光デバイスの製造方法)
また、図6に示すような、NGO基板11上にGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体21を有する本実施形態に係る発光デバイス30を製造する方法について説明する。図12は、本実施形態に係る発光デバイス30の製造方法の一例を示すフローチャートである。図12に示すように、本実施形態に係る発光デバイス30の他の構成を製造する方法は、以下の工程を含む。
A) NGO基板11を準備するNGO基板準備工程(ステップS31)
B) GaN系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNGO基板11上に、GaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のGaN系化合物半導体層(バッファ層31、n型のGaN層32、周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35)が複数積層されて構成される積層体21を形成する積層体形成工程(ステップS32)
C) p型のGaN層35の表面の一部をレジストで保護した後、n型のGaN層32の一部が露出するまでエッチングするエッチング工程(ステップS33)
D) n型のGaN層32及びp型のGaN層35の表面に電極22、23を形成する電極形成工程(ステップS34)
(Manufacturing method of other light emitting devices)
In addition, a method for manufacturing the
A) NGO substrate preparation process for preparing the NGO substrate 11 (step S31)
B) A GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on an
C) An etching process in which a part of the surface of the p-
D) Electrode forming step of forming the
NGO基板準備工程(ステップS31)は、上述のNGO基板準備工程(ステップS11)と同様であるため、説明は省略する。 Since the NGO substrate preparation step (step S31) is the same as the above-described NGO substrate preparation step (step S11), description thereof is omitted.
図13に示すように、GaN系化合物半導体を成長させる主面が(012)面であるNGO基板11上に、GaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面のGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体21を形成する(ステップS22)。積層体21は、NGO基板11上に半極性面のGaN系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、NGO基板11側から順に、GaN層からなるバッファ層31、n型のGaN層32、n型のGaN/InGaNがn層積層された周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35の各GaN系化合物半導体層が順に積層して構成されている。
As shown in FIG. 13, a GaN-based compound semiconductor is epitaxially grown on an
その後、図14に示すように、p型のGaN層35の表面に一部をレジストで保護した後、n型のGaN層32の一部が露出するまでエッチングする(エッチング工程:ステップS33)。エッチング工程(ステップS33)は、上述のエッチング工程(ステップS25)と同様であるため、説明は省略する。
Thereafter, as shown in FIG. 14, after a part of the surface of the p-
その後、レジストをスパッタで除去すると共に、p型のGaN層35の最外層上に第1電極22を形成し、n型のGaN層32の露出した主表面上に第2電極23を形成する(電極形成工程:ステップS34)。電極形成工程(ステップS34)は、上述の電極形成工程(ステップS26)と同様であるため、説明は省略する。
Thereafter, the resist is removed by sputtering, the
これにより、図6に示すような発光デバイス30が得られる。
Thereby, the
本実施形態に係る発光デバイス30の製造方法では、主面が(012)面であるNGO基板12上に形成されるバッファ層31、n型のGaN層32、周期層33、p型のAlGaN層34及びp型のGaN層35を半極性面とすることができる。よって、本実施形態に係る発光デバイス30の製造方法によれば、NGO基板12上にNGO基板12から半極性面のGaN系化合物半導体層を複数有する発光デバイス30を得ることができる。半極性面のGaN系化合物半導体の発光効率は、上述の通り、非極性面(例えば、(11−20)面)の発光効率に近く、極性面(例えば(0001)面)の発光効率よりも高い。よって、本実施形態に係る発光デバイス30は、半極性面のGaN系化合物半導体層が複数積層されて構成される積層体21を有するため、GaN系化合物半導体を用いて高い発光効率を有する発光素子とすることができる。この結果、本実施形態に係る発光デバイス30を緑色LED、LDとして適用した場合、従来、発光効率の低かったInGaN層を用いた緑色系のLED、LDの発光効率を著しく向上させることができる。
In the method for manufacturing the
本実施形態に係る発光デバイス20、30は、発光デバイスとして発光ダイオードとして用いた場合について説明したが、本実施形態は特にこれに限定されるものではなく、例えば電界効果トランジスタにも好適に用いることができる。
The
本発明の内容を実施例及び比較例を用いて以下に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The content of the present invention will be described in detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
<GaN基板の作成>
[実施例1]
(012)面を主面としたNGO基板を準備した。NGO基板は、NGO基板のNGO結晶の[012]方向の軸とNGO基板表面の法線とがなす角度のうち狭い方の角度(オフ角)を直交する2方向(IF方向、OF方向)に2°〜10°の範囲で変えた基板を各々用意した。NGO基板をアセトン溶液で超音波洗浄し、脱脂した後、超純水で洗いスピン乾燥機で乾燥させた。NGO基板をHVPE装置に入れて、NGO基板のクリーニング温度を約900℃としてNGO基板のクリーニングを行った後、これらのNGO基板上にHVPE法によりGaN系化合物半導体の成長時のNGO基板の基板温度を約600℃、原料ガスとしてHCl、NH3を用い、HCl供給量を約5sccm、NH3供給量を150sccmとして、GaN薄膜(GaN系化合物半導体層)を形成した。これにより、NGO基板上にGaN薄膜が形成されたGaN基板を得た。
<Creation of GaN substrate>
[Example 1]
An NGO substrate with the (012) plane as the main surface was prepared. The NGO substrate is in two directions (IF direction and OF direction) perpendicular to the narrower angle (off angle) of the angles formed by the [012] direction axis of the NGO crystal of the NGO substrate and the normal line of the NGO substrate surface. Substrates changed in the range of 2 ° to 10 ° were prepared. The NGO substrate was ultrasonically washed with an acetone solution, degreased, then washed with ultrapure water and dried with a spin dryer. After putting the NGO substrate into the HVPE apparatus and cleaning the NGO substrate with the cleaning temperature of the NGO substrate being about 900 ° C., the substrate temperature of the NGO substrate during the growth of the GaN-based compound semiconductor on the NGO substrate by the HVPE method A GaN thin film (GaN-based compound semiconductor layer) was formed at about 600 ° C., using HCl and NH 3 as source gases, an HCl supply amount of about 5 sccm, and an NH 3 supply amount of 150 sccm. As a result, a GaN substrate having a GaN thin film formed on the NGO substrate was obtained.
[比較例1]
NGO基板として、主面が(011)面のNGO基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして行った。
[Comparative Example 1]
The same procedure as in Example 1 was performed except that an NGO substrate having a (011) principal surface was used as the NGO substrate.
<評価>
実施例1、比較例1においてNGO基板上に形成されたGaN薄膜のX線回折パターンを測定した。
<Evaluation>
In Example 1 and Comparative Example 1, the X-ray diffraction pattern of the GaN thin film formed on the NGO substrate was measured.
[GaN薄膜のX線回折パターン]
実施例1、比較例1におけるGaN薄膜が形成されたNGO基板をX線回折装置のあおり角Psiを0°に設定して測定した。測定したX線回折パターンを図15、16に示す。GaN薄膜のX線回折装置の煽り角Psiを0°に設定して測定した結果、図16に示すように、比較例1で得られたNGO基板上のGaN薄膜からは、GaN結晶のc軸である(0002)面の反射に対応する角度(2θ=34.5°)付近に明確なピークが見られた。このことから、NGO基板の主面が(011)面であり、その表面上にc軸方向に配向したGaN薄膜が形成されているといえる。すなわち、NGO基板の主面が(011)面の場合には、そのNGO基板上には極性面であるc面が形成されているといえる。
[X-ray diffraction pattern of GaN thin film]
The NGO substrate on which the GaN thin film in Example 1 and Comparative Example 1 was formed was measured by setting the tilt angle Psi of the X-ray diffractometer to 0 °. The measured X-ray diffraction patterns are shown in FIGS. As a result of measuring the angle Psi of the GaN thin film X-ray diffractometer set to 0 °, as shown in FIG. 16, the GaN thin film on the NGO substrate obtained in Comparative Example 1 has a c-axis of the GaN crystal. A clear peak was observed in the vicinity of the angle (2θ = 34.5 °) corresponding to the reflection of the (0002) plane. From this, it can be said that the main surface of the NGO substrate is the (011) plane, and a GaN thin film oriented in the c-axis direction is formed on the surface. That is, when the main surface of the NGO substrate is the (011) plane, it can be said that the c-plane which is a polar surface is formed on the NGO substrate.
一方、図15に示すように、実施例1で得られたNGO基板上のGaN薄膜からは、NGO基板のNGO結晶の(012)面のピーク以外全くピークは確認されなかった。 On the other hand, as shown in FIG. 15, no peaks other than the (012) plane peak of the NGO crystal of the NGO substrate were confirmed from the GaN thin film on the NGO substrate obtained in Example 1.
また、実施例1におけるGaN薄膜が形成されたNGO基板をX線回折装置のPsiを20°に設定して測定したX線回折パターンを図17に示す。図17に示すように、Psiが5〜20°にずれた方向にc軸に対応する(0002)面の反射(2θ=34.5°)のピークが観察された。この結果より、NGO基板の主面が(012)面の場合には、NGO基板上には半極性面のGaN系化合物半導体を成長させることができるといえる。 FIG. 17 shows an X-ray diffraction pattern obtained by measuring the NGO substrate on which the GaN thin film is formed in Example 1 with the Psi of the X-ray diffractometer set to 20 °. As shown in FIG. 17, a peak of reflection (2θ = 34.5 °) on the (0002) plane corresponding to the c-axis was observed in the direction in which Psi was shifted by 5 to 20 °. From this result, it can be said that when the main surface of the NGO substrate is the (012) plane, a semipolar plane GaN-based compound semiconductor can be grown on the NGO substrate.
(012)面のNGO基板とGaN結晶のc面との関係を示す説明図を図18に示す。図18に示すように、NGO結晶の(100)方向の格子間隔とGaN結晶の(11−20)の面間隔は略一致しており、その一致した軸を中心にGaN結晶のc軸が傾いてGaN薄膜を形成しているといえる。 FIG. 18 is an explanatory diagram showing the relationship between the (012) plane NGO substrate and the c-plane of the GaN crystal. As shown in FIG. 18, the lattice spacing in the (100) direction of the NGO crystal and the (11-20) spacing of the GaN crystal are substantially coincident, and the c-axis of the GaN crystal is tilted around the coincident axis. It can be said that a GaN thin film is formed.
((012)面のNGO基板のオフ角とGaN薄膜のc軸の傾きとの関係)
また、(012)面のNGO基板のオフ角とGaN薄膜のc軸の傾きとの関係を図19に示す。図19に示すように、GaN薄膜のc軸の傾きの大きさは、(012)面のNGO基板のオフ角に依存するといえ、GaN薄膜のc軸が10°以上傾いた半極性面を形成するためには(012)面のNGO基板のオフ角は±5°以内であることが好ましいといえる。
(Relationship between the off-angle of the (012) plane NGO substrate and the inclination of the c-axis of the GaN thin film)
FIG. 19 shows the relationship between the off-angle of the (012) plane NGO substrate and the inclination of the c-axis of the GaN thin film. As shown in FIG. 19, it can be said that the magnitude of the inclination of the c-axis of the GaN thin film depends on the off-angle of the (012) plane NGO substrate. Therefore, it can be said that the off angle of the (012) plane NGO substrate is preferably within ± 5 °.
(NGO基板のクリーニング温度とGaN薄膜のc軸の傾きとの関係)
次に、NGO基板のクリーニング温度とGaN薄膜のc軸の傾きとの関係を図20に示す。図20中、太線は、IF方向の600℃、700℃、800℃、900℃のときに得られたGaN薄膜のc軸の傾きの値に基づいて求めた中間線である。図20に示すように、GaN薄膜のc軸の傾きは低温の方が大きくなった。NGO基板12のクリーニング温度はGaN結晶の成長条件の一つであり、GaN薄膜のc軸の傾きは低温の方が大きな傾きが得られる。そのため、上述のように、GaN薄膜のc軸が10°以上傾いた半極性面を形成するためには、600℃以上700℃以下であることが好ましい。
(Relationship between cleaning temperature of NGO substrate and inclination of c-axis of GaN thin film)
Next, FIG. 20 shows the relationship between the cleaning temperature of the NGO substrate and the inclination of the c-axis of the GaN thin film. In FIG. 20, the thick line is an intermediate line obtained based on the value of the c-axis inclination of the GaN thin film obtained at 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. in the IF direction. As shown in FIG. 20, the inclination of the c-axis of the GaN thin film was greater at lower temperatures. The cleaning temperature of the
よって、(012)面のNGO基板上に半極性面のGaN系化合物半導体層を形成することにより、高い発光効率を有する発光素子を得ることができるといえる。したがって、半極性面のGaN基板を用いて発光デバイスを作製した場合、従来、発光効率の低かった緑色系のLED、LDなどの発光素子の発光効率を著しく向上させることができるため、緑色系の発光素子として好適に用いることができることが判明した。 Therefore, it can be said that a light-emitting element having high luminous efficiency can be obtained by forming a semipolar plane GaN-based compound semiconductor layer on a (012) plane NGO substrate. Therefore, when a light emitting device is manufactured using a semipolar plane GaN substrate, the light emitting efficiency of a light emitting element such as a green LED or LD, which has conventionally been low in light emitting efficiency, can be remarkably improved. It was found that it can be suitably used as a light emitting element.
11 NGO基板
12 窒化ガリウム系化合物半導体層
20、30 発光デバイス
21 積層体
22 第1電極
23 第2電極
24 第1の積層体
25 第2の積層体
31 バッファ層
32 n型のGaN層
33 周期層
34 p型のAlGaN層
35 p型のGaN層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記NdGaO3基板のNdGaO3結晶の[012]方向の軸と前記NdGaO3基板の表面の法線とがなすオフ角が±5.0°以下で成長することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層の製造方法。 In claim 1,
The NdGaO 3 substrate of NdGaO 3 crystal [012] axis and the NdGaO 3 gallium nitride-based compound, characterized in that the off-angle formed between the normal of the surface of the substrate grows below ± 5.0 ° semiconductor Layer manufacturing method.
前記NdGaO3基板は、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させる前に、不活性ガスを成長炉内に供給しながら、600℃以上900℃以下の温度で加熱処理して、NdGaO3基板表面のクリーニングを行った後、
前記NdGaO3基板上に半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層の製造方法。 In claim 1 or 2,
Before the epitaxial growth of the gallium nitride compound semiconductor, the NdGaO 3 substrate is heat-treated at a temperature of 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower while supplying an inert gas into the growth furnace to clean the surface of the NdGaO 3 substrate. After going
A method for producing a gallium nitride compound semiconductor layer, comprising growing a semipolar plane gallium nitride compound semiconductor on the NdGaO 3 substrate.
前記NdGaO3基板の基板温度を550℃以上650℃以下として、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層の製造方法。 In claim 3,
A method of manufacturing a gallium nitride compound semiconductor layer, wherein a substrate temperature of the NdGaO 3 substrate is set to 550 ° C. or more and 650 ° C. or less to grow a semipolar plane gallium nitride compound semiconductor.
前記NdGaO3基板上に、前記窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、前記NdGaO3基板を剥離して窒化ガリウム系化合物半導体層を得ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体層の製造方法。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
Wherein the NdGaO 3 substrate, wherein after forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer, the NdGaO 3 method for producing a gallium nitride-based compound semiconductor layer, characterized in that to obtain the release to a gallium nitride-based compound semiconductor layer of the substrate.
前記窒化ガリウム系化合物半導体層は、p型又はn型であることを特徴とする発光デバイスの製造方法。 A laminate in which one or more gallium nitride compound semiconductor layers having a semipolar plane are laminated by epitaxially growing a gallium nitride compound semiconductor on an NdGaO 3 substrate whose principal surface on which a gallium nitride compound semiconductor is grown is a (012) plane. Form the body,
The method for manufacturing a light-emitting device, wherein the gallium nitride compound semiconductor layer is p-type or n-type.
前記第1の積層体の上に、窒化ガリウム系化合物半導体をエピタキシャル成長させ、半極性面の窒化ガリウム系化合物半導体層を1層以上積層した第2の積層体を形成し、
前記第2の積層体は、p型、n型の何れか一方又は両方の窒化ガリウム系化合物半導体層を有することを特徴とする発光デバイスの製造方法。 A laminate in which one or more gallium nitride compound semiconductor layers having a semipolar plane are laminated by epitaxially growing a gallium nitride compound semiconductor on an NdGaO 3 substrate whose principal surface on which a gallium nitride compound semiconductor is grown is a (012) plane. After forming the body, the laminate obtained by peeling from the NdGaO 3 substrate was used as the first laminate,
On the first stacked body, a gallium nitride compound semiconductor is epitaxially grown to form a second stacked body in which one or more gallium nitride compound semiconductor layers having a semipolar plane are stacked,
The method for manufacturing a light-emitting device, wherein the second stacked body has a gallium nitride compound semiconductor layer of one or both of p-type and n-type.
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| WO2020203541A1 (en) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 三菱ケミカル株式会社 | GaN SUBSTRATE WAFER AND METHOD FOR MANUFACTURING GaN SUBSTRATE WAFER |
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