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JP2014183112A - Method for manufacturing semiconductor light-emitting element - Google Patents

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JP2014183112A
JP2014183112A JP2013055445A JP2013055445A JP2014183112A JP 2014183112 A JP2014183112 A JP 2014183112A JP 2013055445 A JP2013055445 A JP 2013055445A JP 2013055445 A JP2013055445 A JP 2013055445A JP 2014183112 A JP2014183112 A JP 2014183112A
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JP
Japan
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growth substrate
gas
temperature
light emitting
growth
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JP2013055445A
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Inventor
Kazufumi Tanaka
和史 田中
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Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】
本発明の目的は、表面がGaNから構成される成長基板上に、窒化物半導体からなる光半導体積層が成長した半導体発光素子において、その半導体発光素子に大電流を流した際の発光効率低下を抑制することにある。
【解決手段】
当該半導体発光素子は、a)少なくとも表面が窒化ガリウムから構成される成長基板を準備する工程と、b)前記成長基板表面にアンモニアガスを供給しながら、該成長基板を結晶成長温度まで加熱する工程であって、アンモニアガスの該成長基板表面への供給は、該成長基板が加熱され始めてから該結晶成長温度に到達するまでの間に開始される工程と、c)前記結晶成長温度まで加熱された前記成長基板の表面に、発光性を有し、AlInGaNからなる窒化物半導体層を含む光半導体積層を成長する工程と、を実施することにより製造される。
【選択図】 図2
【Task】
An object of the present invention is to reduce the luminous efficiency when a large current is passed through a semiconductor light emitting device in which an optical semiconductor stack made of a nitride semiconductor is grown on a growth substrate composed of GaN on the surface. It is to suppress.
[Solution]
The semiconductor light emitting device includes a) a step of preparing a growth substrate having at least a surface made of gallium nitride, and b) a step of heating the growth substrate to a crystal growth temperature while supplying ammonia gas to the growth substrate surface. The supply of ammonia gas to the surface of the growth substrate is started from the time when the growth substrate starts to be heated until the crystal growth temperature is reached, and c) is heated to the crystal growth temperature. And a step of growing an optical semiconductor stack including a nitride semiconductor layer having a light emitting property and made of Al x In y Ga z N on the surface of the growth substrate.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device.

窒化ガリウム(GaN)等の窒化物半導体を用いた半導体発光素子(窒化物LED)は、紫外光ないし青色光を発光することができ、さらに蛍光体を利用することにより白色光を発光することができる。このような窒化物LEDは、たとえば照明などに用いられる。   A semiconductor light emitting device (nitride LED) using a nitride semiconductor such as gallium nitride (GaN) can emit ultraviolet light or blue light, and can emit white light by using a phosphor. it can. Such a nitride LED is used for illumination, for example.

窒化物LEDは、複数の窒化物半導体層が積層してなる光半導体積層を成長基板上に成長して形成される。成長基板には、たとえば、サファイア基板やGaN基板が用いられる。成長基板は、一般に、光半導体積層を成長する前に、アンモニア(NH)を含む雰囲気中で熱処理される(たとえば特許文献1,2)。 A nitride LED is formed by growing a photosemiconductor stack formed by stacking a plurality of nitride semiconductor layers on a growth substrate. As the growth substrate, for example, a sapphire substrate or a GaN substrate is used. The growth substrate is generally heat-treated in an atmosphere containing ammonia (NH 3 ) before growing the optical semiconductor stack (for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2001−015808号公報JP 2001-015808 A 特開2011−198849号公報JP 2011-198849 A

窒化物LEDを用いた、より明るい照明を実現するためには、窒化物LEDに大電流を流す必要がある。しかしながら、窒化物LEDは、大電流が流れると、発光効率が低下してしまう(いわゆるDroop現象)という課題を有している。   In order to realize brighter illumination using the nitride LED, it is necessary to pass a large current through the nitride LED. However, the nitride LED has a problem that when a large current flows, the light emission efficiency decreases (so-called “Drop phenomenon”).

本発明の目的は、表面がGaNから構成される成長基板上に、窒化物半導体からなる光半導体積層が成長した半導体発光素子において、その半導体発光素子に大電流を流した際の発光効率低下を抑制することにある。   An object of the present invention is to reduce the luminous efficiency when a large current is passed through a semiconductor light emitting device in which an optical semiconductor stack made of a nitride semiconductor is grown on a growth substrate composed of GaN on the surface. It is to suppress.

本発明の主な観点によれば、a)少なくとも表面が窒化ガリウムから構成される成長基板を準備する工程と、b)前記成長基板表面にアンモニアガスを供給しながら、該成長基板を結晶成長温度まで加熱する工程であって、アンモニアガスの該成長基板表面への供給は、該成長基板が加熱され始めてから該結晶成長温度に到達するまでの間に開始される工程と、c)前記結晶成長温度まで加熱された前記成長基板の表面に、発光性を有し、AlInGaNからなる窒化物半導体層を含む光半導体積層を成長する工程と、を有する半導体発光素子の製造方法、が提供される。 According to the main aspect of the present invention, a) preparing a growth substrate having at least a surface made of gallium nitride, and b) supplying an ammonia gas to the growth substrate surface, Heating to the surface of the growth substrate, wherein the supply of ammonia gas to the surface of the growth substrate is started after the growth substrate starts to be heated until the crystal growth temperature is reached; c) the crystal growth Growing a photosemiconductor stack having a light emitting property and including a nitride semiconductor layer made of Al x In y Ga z N on the surface of the growth substrate heated to a temperature. Is provided.

大電流を流した際の、半導体発光素子における発光効率低下が抑制される。   A decrease in light emission efficiency in the semiconductor light emitting element when a large current is passed is suppressed.

図1Aは、有機金属化学気相成長(MOCVD)装置の概念図であり、図1B〜図1Eは、MOCVD装置を用いて半導体発光素子を製造する様子を示す断面図である。FIG. 1A is a conceptual diagram of a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus, and FIGS. 1B to 1E are cross-sectional views illustrating how a semiconductor light emitting device is manufactured using the MOCVD apparatus. 図2Aは、成長前処理工程における、成長基板の温度プロファイルおよびNHガスの供給開始タイミングを示すグラフ群であり、図2Bは、製造したいくつかの半導体発光素子のDroop特性を示すグラフである。FIG. 2A is a graph group showing the temperature profile of the growth substrate and the NH 3 gas supply start timing in the pre-growth treatment step, and FIG. 2B is a graph showing the Drop characteristics of several manufactured semiconductor light emitting devices. .

図1A〜図1Eを参照して、実施例による半導体発光素子(LED)の製造方法について説明する。図1Aは、LEDの製造に用いる有機金属化学気相成長(MOCVD)装置の概念図であり、図1B〜図1Eは、MOCVD装置を用いてLEDを製造する様子を示す断面図である。   With reference to FIG. 1A-FIG. 1E, the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device (LED) by an Example is demonstrated. FIG. 1A is a conceptual diagram of a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus used for manufacturing an LED, and FIGS. 1B to 1E are cross-sectional views illustrating how the LED is manufactured using the MOCVD apparatus.

以下、LEDの製造に用いるMOCVD装置の構成について説明する。   Hereinafter, the structure of the MOCVD apparatus used for manufacturing the LED will be described.

図1Aに示すように、MOCVD装置100は、たとえば、反応容器101の内部に、サセプタ102、加熱用ヒータ103、ガス供給部104およびガス排気部106が配設された構成を有する。   As shown in FIG. 1A, the MOCVD apparatus 100 has a configuration in which, for example, a susceptor 102, a heater 103 for heating, a gas supply unit 104, and a gas exhaust unit 106 are disposed inside a reaction vessel 101.

サセプタ102は、回転機構に接続された回転軸に支持されており、成長基板10を載置することができる機構を有する。回転機構を駆動することにより、サセプタ102ないしそれに載置される成長基板10は回転する。   The susceptor 102 is supported by a rotating shaft connected to a rotating mechanism, and has a mechanism on which the growth substrate 10 can be placed. By driving the rotation mechanism, the susceptor 102 or the growth substrate 10 placed thereon rotates.

ヒータ103は、サセプタ102を介して、成長基板10を加熱する。なお、ヒータ103は、サセプタ102ないし成長基板10の温度を監視し、それらの温度が所望の温度に保持されるような制御機構が設けられている。   The heater 103 heats the growth substrate 10 via the susceptor 102. The heater 103 is provided with a control mechanism that monitors the temperature of the susceptor 102 or the growth substrate 10 and maintains the temperature at a desired temperature.

ガス供給部104は、各種ガスをサセプタ102上に載置された成長基板10表面に供給する。ガス供給部104は、たとえば、ガス供給源105a〜105c、マスフローコントローラ(MFC)およびガス供給管(ガス噴射管)等を備える。ガス供給源105a〜105cから供給され、MFCにより所望の流量に調整された各種ガスは、ガス供給管を通って成長基板10表面に供給される。   The gas supply unit 104 supplies various gases to the surface of the growth substrate 10 placed on the susceptor 102. The gas supply unit 104 includes, for example, gas supply sources 105a to 105c, a mass flow controller (MFC), a gas supply pipe (gas injection pipe), and the like. Various gases supplied from the gas supply sources 105a to 105c and adjusted to a desired flow rate by the MFC are supplied to the surface of the growth substrate 10 through the gas supply pipe.

ガス供給源105aは、たとえば、トリメチルガリウム(TMG)等の有機原料ガス(III族元素材料ガス)の供給源である。ガス供給源105bは、たとえば、アンモニア(NH)等の反応性ガス(V族元素材料ガス)の供給源である。ガス供給源105cは、たとえば、HやNなどのキャリアガスの供給源である。なお、ガス供給源はこれらに限らず、たとえば、ジシラン(Si)等の不純物材料ガスの供給源を加えてもよい。 The gas supply source 105a is a supply source of an organic source gas (group III element material gas) such as trimethylgallium (TMG), for example. The gas supply source 105b is a supply source of a reactive gas (Group V element material gas) such as ammonia (NH 3 ), for example. The gas supply source 105c is a supply source of a carrier gas such as H 2 or N 2 , for example. Note that the gas supply source is not limited to these, and an impurity material gas supply source such as disilane (Si 2 H 6 ) may be added.

ガス排気部106は、ガス供給部104によって供給される各種ガスを反応容器101内から排気する。ガス排気部106は、たとえば、ガス排気管および反応容器101内の圧力を制御する圧力制御機構を含む排気ポンプ等を備える。   The gas exhaust unit 106 exhausts various gases supplied from the gas supply unit 104 from the reaction vessel 101. The gas exhaust unit 106 includes, for example, a gas exhaust pipe and an exhaust pump including a pressure control mechanism that controls the pressure in the reaction vessel 101.

以下、このようなMOCVD装置を用いたLEDの製造方法について説明する。   Hereinafter, an LED manufacturing method using such an MOCVD apparatus will be described.

最初に、図1Bに示すように、成長基板10を準備する。成長基板10は、たとえばテンプレート基板11表面にGaN層12が形成された2層構造を有する。テンプレート基板11には、たとえばサファイアやSi、SiC、窒化物半導体(GaN,AlGaN,InGaN等)などから構成される基板を用いることができる。なお、成長基板10は、単層構造のGaN基板であってもかまわない。つまり、成長基板10は、表面がGaNにより構成されていればよい。   First, as shown in FIG. 1B, a growth substrate 10 is prepared. The growth substrate 10 has, for example, a two-layer structure in which a GaN layer 12 is formed on the surface of the template substrate 11. As the template substrate 11, for example, a substrate composed of sapphire, Si, SiC, nitride semiconductor (GaN, AlGaN, InGaN, etc.) or the like can be used. The growth substrate 10 may be a GaN substrate having a single layer structure. That is, the growth substrate 10 only needs to have a surface made of GaN.

次に、成長基板10上に、MOCVD法により、窒化物系半導体からなる光半導体積層を成長する。光半導体積層は、成長基板10側から、n型半導体層,超格子構造を有する歪緩和層,多重量子井戸構造を有する活性層(発光層),クラッド層,p型半導体層およびコンタクト層、が積層する多層構造を有する。光半導体積層の各層は、AlInGaN(x+y+z=1)で表される窒化物半導体から構成される。 Next, an optical semiconductor stack made of a nitride semiconductor is grown on the growth substrate 10 by MOCVD. The optical semiconductor stack includes, from the growth substrate 10 side, an n-type semiconductor layer, a strain relaxation layer having a superlattice structure, an active layer (light emitting layer) having a multiple quantum well structure, a cladding layer, a p-type semiconductor layer, and a contact layer. It has a multilayer structure to be laminated. Each layer of the optical semiconductor stack is composed of a nitride semiconductor represented by Al x In y Ga z N (x + y + z = 1).

まず、準備した成長基板10を、MOCVD装置の反応容器内に配設されたサセプタ上に載置する。その後、反応容器内を不活性ガス、たとえばNガスに置換し、サセプタ(ないし成長基板10)をたとえば10rpmで回転する。 First, the prepared growth substrate 10 is placed on a susceptor disposed in a reaction vessel of an MOCVD apparatus. Thereafter, the inside of the reaction vessel is replaced with an inert gas, for example, N 2 gas, and the susceptor (or growth substrate 10) is rotated at, for example, 10 rpm.

続いて、図1Cに示すように、成長基板10表面(GaN層12)にアンモニア(NH)ガスを供給しながら、成長基板10を、窒化物系半導体が成長する温度、具体的には1200℃まで加熱する。なお、NHガスの供給タイミング等については、後述する(図2A参照)。 Subsequently, as shown in FIG. 1C, while supplying ammonia (NH 3 ) gas to the surface of the growth substrate 10 (GaN layer 12), the growth substrate 10 is grown at a temperature at which the nitride-based semiconductor grows, specifically 1200. Heat to ° C. The NH 3 gas supply timing and the like will be described later (see FIG. 2A).

続いて、図1Dに示すように、成長基板10上に、n型半導体層21を成長する。具体的には、成長基板10の温度を1200℃に保持したまま、TMG(トリメチルガリウム)ガス(流量:15sccm)、NHガス(流量:4SLM)、および、ジシラン(Si)ガス(流量:0.2sccm)を60分間供給して、SiがドープされたGaN結晶からなるn型半導体層21を成長する。 Subsequently, as shown in FIG. 1D, an n-type semiconductor layer 21 is grown on the growth substrate 10. Specifically, while maintaining the temperature of the growth substrate 10 at 1200 ° C., TMG (trimethyl gallium) gas (flow rate: 15 sccm), NH 3 gas (flow rate: 4 SLM), and disilane (Si 2 H 4 ) gas ( (Flow rate: 0.2 sccm) is supplied for 60 minutes to grow an n-type semiconductor layer 21 made of a GaN crystal doped with Si.

その後、超格子構造を有する歪緩和層22を成長する。具体的には、成長基板10の温度を900℃とし、TEG(トリエチルガリウム)ガス(流量:35sccm)、および、NHガス(流量:4SLM)を50秒間供給して、GaN層を成長する。続いて、TEGガス(流量:35sccm)、TMI(トリメチルインジウム)ガス(流量:50sccm)、および、NHガス(流量:4SLM)を50秒間供給して、InGaN層を成長する。同様の工程を交互に繰り返し、たとえば5層構造を有する歪緩和層22を成長する。 Thereafter, a strain relaxation layer 22 having a superlattice structure is grown. Specifically, the temperature of the growth substrate 10 is set to 900 ° C., and TEG (triethylgallium) gas (flow rate: 35 sccm) and NH 3 gas (flow rate: 4 SLM) are supplied for 50 seconds to grow a GaN layer. Subsequently, TEG gas (flow rate: 35 sccm), TMI (trimethylindium) gas (flow rate: 50 sccm), and NH 3 gas (flow rate: 4 SLM) are supplied for 50 seconds to grow an InGaN layer. Similar steps are repeated alternately to grow, for example, a strain relaxation layer 22 having a five-layer structure.

その後、多重量子井戸構造を有する活性層(発光層)23を成長する。具体的には、成長基板10の温度を850℃とし、TEGガス(流量:5sccm)、および、NHガス(流量:4SLM)を150秒間供給して、GaN層(障壁層)を成長する。続いて、TEGガス(流量:5sccm)、TMIガス(流量:90sccm)、および、NHガス(流量:4SLM)を150秒間供給して、InGaN層(井戸層)を成長する。同様の工程を交互に繰り返し、たとえば10層構造を有する活性層23を成長する。 Thereafter, an active layer (light emitting layer) 23 having a multiple quantum well structure is grown. Specifically, the temperature of the growth substrate 10 is set to 850 ° C., TEG gas (flow rate: 5 sccm) and NH 3 gas (flow rate: 4 SLM) are supplied for 150 seconds to grow a GaN layer (barrier layer). Subsequently, TEG gas (flow rate: 5 sccm), TMI gas (flow rate: 90 sccm), and NH 3 gas (flow rate: 4 SLM) are supplied for 150 seconds to grow an InGaN layer (well layer). Similar processes are repeated alternately to grow, for example, an active layer 23 having a 10-layer structure.

その後、クラッド層24を成長する。具体的には、成長基板10の温度を1000℃とし、TMGガス(流量:1sccm)、TMA(トリメチルアルミニウム)ガス(流量:1sccm)、NHガス(流量:4SLM)、および、Cp2Mg(ビスシクロペンタジエニエルマグネシウム)ガス(流量:15sccm)を供給して、MgがドープされたAlGaN結晶からなるクラッド層24を成長する。 Thereafter, the cladding layer 24 is grown. Specifically, the temperature of the growth substrate 10 is set to 1000 ° C., TMG gas (flow rate: 1 sccm), TMA (trimethylaluminum) gas (flow rate: 1 sccm), NH 3 gas (flow rate: 4 SLM), and Cp 2 Mg (biscyclohexane). A clad layer 24 made of AlGaN crystal doped with Mg is grown by supplying a pentadienyl magnesium) gas (flow rate: 15 sccm).

その後、p型半導体層25を成長する。具体的には、成長基板10の温度を1100℃とし、TMGガス(流量:3.5sccm)、NHガス(流量:4SLM)、および、Cp2Mgガス(流量:15sccm)を300秒間供給して、MgがドープされたGaN結晶からなるp型半導体層25を成長する。 Thereafter, the p-type semiconductor layer 25 is grown. Specifically, the temperature of the growth substrate 10 is set to 1100 ° C., and TMG gas (flow rate: 3.5 sccm), NH 3 gas (flow rate: 4 SLM), and Cp 2 Mg gas (flow rate: 15 sccm) are supplied for 300 seconds. A p-type semiconductor layer 25 made of GaN crystal doped with Mg is grown.

最後に、コンタクト層26を成長する。具体的には、成長基板10の温度を1100℃に保持したまま、TMGガス(流量:1.75sccm)、NHガス(流量:4SLM)、および、Cp2Mgガス(流量:200sccm)を20秒間供給して、MgがドープされたGaN結晶からなるコンタクト層26を成長する。 Finally, the contact layer 26 is grown. Specifically, TMG gas (flow rate: 1.75 sccm), NH 3 gas (flow rate: 4 SLM), and Cp 2 Mg gas (flow rate: 200 sccm) are supplied for 20 seconds while maintaining the temperature of the growth substrate 10 at 1100 ° C. Then, a contact layer 26 made of a GaN crystal doped with Mg is grown.

以上により、成長基板10上に、窒化物系半導体からなる光半導体積層20が成長される。なお、光半導体積層20は、以上に示した層構成に限定されない。光半導体積層20が成長した後、光半導体積層20が成長した成長基板10はMOCVD装置の反応容器から取り出される。   As described above, the optical semiconductor stack 20 made of a nitride-based semiconductor is grown on the growth substrate 10. Note that the optical semiconductor stack 20 is not limited to the layer configuration described above. After the optical semiconductor stack 20 is grown, the growth substrate 10 on which the optical semiconductor stack 20 is grown is taken out of the reaction vessel of the MOCVD apparatus.

次に、図1Eに示すように、光半導体積層20の一部をエッチングして、n型半導体層21を露出させる。光半導体積層20のエッチングには、たとえば塩素ガスによるドライエッチング法を採用することができる。   Next, as shown in FIG. 1E, a part of the optical semiconductor stack 20 is etched to expose the n-type semiconductor layer 21. For the etching of the optical semiconductor stack 20, for example, a dry etching method using chlorine gas can be employed.

その後、露出したn型半導体層21上にn側電極31を形成する。また、コンタクト層26上にp側電極32を形成する。n側電極31およびp側電極32の形成には、たとえばフォトリソグラフィ法ないしリフトオフ法を採用することができる。n側電極31は、たとえばTiAlなどにより構成される。また、p側電極32は、たとえばインジウム錫酸化物(ITO)とNiAuとの積層構造により構成される。   Thereafter, the n-side electrode 31 is formed on the exposed n-type semiconductor layer 21. A p-side electrode 32 is formed on the contact layer 26. For the formation of the n-side electrode 31 and the p-side electrode 32, for example, a photolithography method or a lift-off method can be employed. The n-side electrode 31 is made of, for example, TiAl. The p-side electrode 32 is configured by a laminated structure of indium tin oxide (ITO) and NiAu, for example.

以上により、実施例によるLEDが完成する。なお、LEDの平面形状は、たとえば1辺が1mmである正方形状である。   Thus, the LED according to the embodiment is completed. In addition, the planar shape of LED is a square shape whose one side is 1 mm, for example.

図2Aは、図1Cに示す工程(成長前処理工程)における、成長基板の温度プロファイル、および、NHガスの供給開始タイミングを示すグラフ群である。1段目に示すグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は成長基板の温度を示す。2段目〜4段目に示すグラフにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はNHガスの流量を示す。 FIG. 2A is a graph group showing the temperature profile of the growth substrate and the supply start timing of the NH 3 gas in the step (pre-growth treatment step) shown in FIG. 1C. In the graph shown in the first stage, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates the temperature of the growth substrate. In the graphs shown in the second to fourth stages, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the flow rate of NH 3 gas.

成長基板10は、成長前処理工程において、図2Aの1段目に示すように、時点Trから時点Tgまで加熱される。このとき、成長基板10は、温度Hr(室温)から温度Hg(1200℃)まで昇温する。成長基板10を加熱し始めてから、成長基板10の温度が成長温度(温度Hg)に到達するまでの時間(Tg−Tr)はたとえば14分間であり、成長基板10の温度は1秒間に約1.4℃上昇する。なお、光半導体積層20(n型半導体層21)の成長は、時点Tgないしそれ以降に開始される。   The growth substrate 10 is heated from the time point Tr to the time point Tg as shown in the first stage of FIG. 2A in the pre-growth processing step. At this time, the growth substrate 10 is heated from the temperature Hr (room temperature) to the temperature Hg (1200 ° C.). The time (Tg-Tr) from the start of heating the growth substrate 10 until the temperature of the growth substrate 10 reaches the growth temperature (temperature Hg) is, for example, 14 minutes, and the temperature of the growth substrate 10 is about 1 per second. Increased by 4 ° C. Note that the growth of the optical semiconductor stack 20 (n-type semiconductor layer 21) is started at time Tg or later.

本発明者は、成長前処理工程において、NHガスの供給開始タイミングが異なる3種類のサンプルS1〜S3を作製し、それらサンプルS1〜S3のDroop特性を測定した。ここで、Droop特性とは、LED(特にその活性層)に流れる電流の電流密度に対するLEDの外部量子効率(発光効率)の低減特性を言う。また、外部量子効率とは、LEDの活性層に注入される電子数に対するLED外部に出射される光子数の割合を言う。 The inventor produced three types of samples S1 to S3 having different NH 3 gas supply start timings in the pre-growth treatment step, and measured the Drop characteristics of the samples S1 to S3. Here, the Drop characteristic refers to a reduction characteristic of the external quantum efficiency (light emission efficiency) of the LED with respect to the current density of the current flowing through the LED (particularly, its active layer). The external quantum efficiency refers to the ratio of the number of photons emitted outside the LED to the number of electrons injected into the active layer of the LED.

第1のサンプルS1は、参考例によるLEDであり、図2Aの2段目に示すように、時点TrでNHガスの供給を開始したサンプルである。つまり、成長基板10の加熱とほぼ同時に、NHガスの供給を開始したサンプルである。第2,第3のサンプルS2,S3は、実施例によるLEDであり、それぞれ図2Aの3,4段目に示すように、時点Trから時点Tgまでの間の時点、具体的には成長基板10の温度がH1(500℃),H2(800℃)となる時点T1,T2で、NHガスの供給を開始したサンプルである。NHガスの流量は、いずれのサンプルS1〜S3においても、たとえば3SLM程度である。 The first sample S1 is an LED according to the reference example, and as shown in the second stage of FIG. 2A, the supply of NH 3 gas is started at the time point Tr. That is, it is a sample in which the supply of NH 3 gas is started almost simultaneously with the heating of the growth substrate 10. The second and third samples S2 and S3 are the LEDs according to the embodiment, and as shown in the third and fourth stages of FIG. 2A, respectively, the time point between the time point Tr and the time point Tg, specifically the growth substrate. In this sample, the supply of NH 3 gas was started at time points T1 and T2 when the temperature of 10 became H1 (500 ° C.) and H2 (800 ° C.). The flow rate of NH 3 gas is, for example, about 3 SLM in any of the samples S1 to S3.

図2Bは、サンプルS1〜S3のDroop特性を示すグラフである。横軸は、サンプルS1〜S3に供給した電流の電流密度(A/cm)を示し、縦軸は、サンプルS1〜S3の外部量子効率(任意単位)を示す。図中において、サンプルS1のDroop特性は実線により示されている。また、サンプルS2,S3のDroop特性はそれぞれ一点鎖線および破線により示されている。なお、サンプルS1〜S3のDroop特性は、外部量子効率の最大値においてそれぞれ規格化されている。 FIG. 2B is a graph showing the Drop characteristics of samples S1 to S3. The horizontal axis represents the current density (A / cm 2 ) of the current supplied to the samples S1 to S3, and the vertical axis represents the external quantum efficiency (arbitrary unit) of the samples S1 to S3. In the figure, the Drop characteristic of the sample S1 is indicated by a solid line. In addition, the Drop characteristics of the samples S2 and S3 are indicated by a one-dot chain line and a broken line, respectively. Note that the Drop characteristics of the samples S1 to S3 are normalized at the maximum value of the external quantum efficiency.

図2Bに示すグラフから、サンプルS1(時点TrからNHガス供給)よりもサンプルS2(時点T1からNHガス供給)のほうが、15A/cm以上の比較的大きい電流密度において、発光効率の低下が抑制されている(Droop特性が良好である)ことがわかる。たとえば、35A/cmの電流密度において、サンプルS2は、サンプルS1よりも1%程度発光効率の低下が抑制されている(サンプルS1よりも発光効率が1%程度改善している)。また、70A/cmの電流密度において、サンプルS2は、サンプルS1よりも1.5%程度発光効率の低下が抑制されている(サンプルS1よりも発光効率が1.5%程度改善している)。 From the graph shown in FIG. 2B, the luminous efficiency of sample S2 (NH 3 gas supply from time T1) is higher than that of sample S1 (NH 3 gas supply from time Tr) at a relatively large current density of 15 A / cm 2 or more. It can be seen that the decrease is suppressed (the loop characteristics are good). For example, at a current density of 35 A / cm 2 , the sample S2 is suppressed from being reduced in luminous efficiency by about 1% than the sample S1 (the luminous efficiency is improved by about 1% compared to the sample S1). In addition, at a current density of 70 A / cm 2 , the sample S2 is suppressed from being reduced in luminous efficiency by about 1.5% than the sample S1 (the luminous efficiency is improved by about 1.5% compared to the sample S1). ).

さらに、このグラフから、サンプルS1,S2よりもサンプルS3(時点T2からNHガス供給)のほうが、15A/cm以上の比較的大きい電流密度において、さらに発光効率の低下が抑制されていることがわかる。たとえば、35A/cmの電流密度において、サンプルS3は、サンプルS1よりも1.5%程度発光効率の低下が抑制されている(サンプルS2に対しては発光効率が0.5%程度改善している)。また、70A/cmの電流密度において、サンプルS3は、サンプルS1よりも2.0%程度発光効率の低下が抑制されている(サンプルS2に対しては発光効率が0.5%程度改善している)。 Furthermore, it can be seen from this graph that the sample S3 (NH 3 gas supply from the time point T2) is more suppressed in light emission efficiency at a relatively large current density of 15 A / cm 2 or more than the samples S1 and S2. I understand. For example, at a current density of 35 A / cm 2 , the decrease in luminous efficiency of sample S3 is suppressed by about 1.5% compared to sample S1 (the luminous efficiency is improved by about 0.5% compared to sample S2). ing). In addition, at a current density of 70 A / cm 2 , the decrease in luminous efficiency of sample S3 is suppressed by about 2.0% compared to sample S1 (the luminous efficiency is improved by about 0.5% compared to sample S2). ing).

以上のDroop特性の測定結果から、成長前処理工程(図1C)において、成長基板の加熱と同時にNHガスの供給を開始したサンプルよりも、成長基板を加熱し始めた後にNHガスの供給を開始したサンプルのほうが、Droop特性が良好となることがわかった。この測定結果より、NHガスは、Droop特性改善の観点から、成長基板が加熱され始めてからn型半導体層の成長温度(窒化物半導体が成長する温度)に到達するまでのいずれかの時点で供給され始めることが好ましいと推察される。また、NHガスは、成長基板の温度がより高い時点で供給され始めることが好ましいと推察される。 From the measurement results of the above Droop characteristics, the pre-growth treatment step (FIG. 1C), than the sample feed was started at the same time the NH 3 gas and the heating of the growth substrate, the supply of the NH 3 gas after starting to heat the growth substrate It was found that the sample that started the process has better Drop characteristics. From this measurement result, NH 3 gas is used at any point in time from when the growth substrate starts to be heated until reaching the growth temperature of the n-type semiconductor layer (temperature at which the nitride semiconductor grows) from the viewpoint of improving the Drop characteristics. It is presumed that it is preferable to start supplying. Further, it is presumed that the NH 3 gas preferably starts to be supplied when the temperature of the growth substrate is higher.

なお、本発明者によるさらなる検討によれば、Droop特性以外の光学的特性ないし電気的特性を考慮すると、NHガスの供給は、成長基板の温度が500℃〜850℃の範囲内の温度になる時点で開始されることが好ましいことがわかった。また、NHガスの供給は、成長基板の温度がNHガスの分解温度である800℃となる時点付近で開始されることが最も好ましいことがわかった。 According to further examination by the present inventor, in consideration of optical characteristics or electrical characteristics other than the Drop characteristics, the NH 3 gas is supplied at a temperature within the range of 500 ° C. to 850 ° C. of the growth substrate. It has been found preferable to start at a certain point. The supply of the NH 3 gas, the temperature of the growth substrate is to be started at around the time of the 800 ° C. is a decomposition temperature of the NH 3 gas was found to be most preferable.

以上の結果に基づいて、NHガスの供給開始タイミングを調整することにより、Droop特性が改善するメカニズムについて考察する。 Based on the above results, a mechanism for improving the Drop characteristics by adjusting the supply start timing of the NH 3 gas will be considered.

NHガスを供給せずに、成長基板を加熱すると、成長基板表面(GaN層)からN(ないしN)が蒸発する。このため、成長基板表面(GaN層)の結晶性ないし平坦性が劣化してしまう。成長基板表面(GaN層)の結晶性ないし平坦性は、その成長基板を用いて製造されるLEDの諸特性、特にDroop特性に大きな影響を与えると考えられる。 When the growth substrate is heated without supplying NH 3 gas, N (or N 2 ) evaporates from the growth substrate surface (GaN layer). For this reason, the crystallinity or flatness of the growth substrate surface (GaN layer) deteriorates. The crystallinity or flatness of the growth substrate surface (GaN layer) is considered to have a great influence on various characteristics of LEDs manufactured using the growth substrate, in particular, Drop characteristics.

成長基板表面(GaN層)にNHガスを供給しながら成長基板を加熱すると、成長基板表面(GaN層)から蒸発するNをNHガスのNが補完すると考えられる。ただし、成長基板の温度が比較的低い時点でNHガスを供給し始めると、NHガスが分解されずに、NH分子が成長基板表面(GaN層)をアタックするため、成長基板表面(GaN層)における結晶性ないし平坦性の劣化が効果的に抑制されないと考えられる。 When the growth substrate is heated while supplying NH 3 gas to the growth substrate surface (GaN layer), it is considered that N of the NH 3 gas supplements N evaporated from the growth substrate surface (GaN layer). However, if the temperature of the growth substrate starts to supply NH 3 gas at a relatively low point, without the NH 3 gas is decomposed, since NH 3 molecules attack the growth substrate surface (GaN layer), the growth substrate surface ( It is considered that deterioration of crystallinity or flatness in the GaN layer is not effectively suppressed.

成長基板の温度が比較的高い(500℃〜850℃、特に800℃)時点でNHガスを供給し始めると、NHガスがN(ないしN)およびH(ないしH)に分解されるため、NH分子による成長基板表面(GaN層)へのアタックが低減すると考えられる。また、成長基板表面(GaN層)に、NHガスから分解されたNが効果的に補完されるため、成長基板表面(GaN層)における結晶性ないし平坦性の劣化が効果的に抑制されると考えられる。このため、成長基板の温度が比較的高い(500℃〜850℃、特に800℃)時点でNHガスを供給し始めて作製したLEDは、Droop特性が良好に改善すると考えられる。 When the supply of NH 3 gas is started when the temperature of the growth substrate is relatively high (500 ° C. to 850 ° C., particularly 800 ° C.), the NH 3 gas is decomposed into N (or N 2 ) and H (or H 2 ). Therefore, it is considered that the attack to the growth substrate surface (GaN layer) by NH 3 molecules is reduced. Further, since the growth substrate surface (GaN layer) is effectively supplemented with N decomposed from the NH 3 gas, deterioration of crystallinity or flatness on the growth substrate surface (GaN layer) is effectively suppressed. it is conceivable that. For this reason, it is considered that the LED manufactured by starting supplying NH 3 gas at a time when the temperature of the growth substrate is relatively high (500 ° C. to 850 ° C., particularly 800 ° C.) has a favorable improvement in the Drop characteristics.

以上、実施例および変形例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。   As mentioned above, although this invention was demonstrated along the Example and the modification, this invention is not limited to these. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

10…成長基板、11…テンプレート基板、12…GaN層、20…光半導体積層、21…n型半導体層、22…歪緩和層、23…活性層(発光層)、24…クラッド層、25…p型半導体層、26…コンタクト層、31…n側電極、32…p側電極、100…MOCVD装置、101…反応容器、102…サセプタ、103…加熱用ヒータ、104…ガス供給部、105a〜105c…ガス供給源、106…ガス排気部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Growth substrate, 11 ... Template substrate, 12 ... GaN layer, 20 ... Optical semiconductor lamination | stacking, 21 ... N-type semiconductor layer, 22 ... Strain relaxation layer, 23 ... Active layer (light emitting layer), 24 ... Cladding layer, 25 ... p-type semiconductor layer, 26 ... contact layer, 31 ... n-side electrode, 32 ... p-side electrode, 100 ... MOCVD apparatus, 101 ... reaction vessel, 102 ... susceptor, 103 ... heating heater, 104 ... gas supply unit, 105a- 105c ... Gas supply source, 106 ... Gas exhaust part.

Claims (5)

a)少なくとも表面がGaNから構成される成長基板を準備する工程と、
b)前記成長基板表面にアンモニアガスを供給しながら、該成長基板を結晶成長温度まで加熱する工程であって、アンモニアガスの該成長基板表面への供給は、該成長基板が加熱され始めてから該結晶成長温度に到達するまでの間に開始される工程と、
c)前記結晶成長温度まで加熱された前記成長基板の表面に、発光性を有し、AlInGaNからなる窒化物半導体層を含む光半導体積層を成長する工程と、
を有する半導体発光素子の製造方法。
a) preparing a growth substrate having at least a surface composed of GaN;
b) a step of heating the growth substrate to the crystal growth temperature while supplying ammonia gas to the growth substrate surface, wherein the ammonia gas is supplied to the growth substrate surface after the growth substrate starts to be heated. A process that starts before the crystal growth temperature is reached;
c) growing an optical semiconductor stack including a nitride semiconductor layer made of Al x In y Ga z N on the surface of the growth substrate heated to the crystal growth temperature;
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device having
前記工程b)において、アンモニアガスの前記成長基板表面への供給は、該成長基板の温度が500℃〜850℃の範囲内の温度になるときに開始される請求項1記載の半導体発光素子の製造方法。   2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein in step b), the supply of ammonia gas to the growth substrate surface is started when the temperature of the growth substrate reaches a temperature in the range of 500 ° C. to 850 ° C. 3. Production method. 前記成長基板は、GaN基板から構成される請求項1または2記載の半導体発光素子の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the growth substrate is composed of a GaN substrate. 前記成長基板は、サファイア,Si,SiC,GaN,InGaNおよびAlGaNからなる群より選択した少なくとも1つの材料から構成されるテンプレート基板と、該テンプレート基板表面に形成される窒化ガリウム層と、から構成される請求項1または2記載の半導体発光素子の製造方法。   The growth substrate includes a template substrate made of at least one material selected from the group consisting of sapphire, Si, SiC, GaN, InGaN and AlGaN, and a gallium nitride layer formed on the template substrate surface. A method for producing a semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2. 前記工程c)において、前記光半導体積層は、III族元素材料ガスに有機原料ガスを用い、V族元素材料ガスにアンモニアガスを用いる有機金属化学気相成長法により成長する請求項1〜4いずれか1項記載の半導体発光素子の製造方法。   5. In the step c), the optical semiconductor stack is grown by metal organic chemical vapor deposition using an organic source gas as a group III element material gas and an ammonia gas as a group V element material gas. A method for producing a semiconductor light emitting device according to claim 1.
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