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JP2005209925A - Lamination semiconductor substrate - Google Patents

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JP2005209925A
JP2005209925A JP2004015612A JP2004015612A JP2005209925A JP 2005209925 A JP2005209925 A JP 2005209925A JP 2004015612 A JP2004015612 A JP 2004015612A JP 2004015612 A JP2004015612 A JP 2004015612A JP 2005209925 A JP2005209925 A JP 2005209925A
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semiconductor
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Daisuke Morita
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Nichia Chemical Industries Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lamination semiconductor substrate suitable for nitride semiconductor device formation wherein a nitride semiconductor device of high quality can be obtained with a good yield and at a low cost. <P>SOLUTION: In the lamination semiconductor substrate for forming a nitride semiconductor device like an LED, a GaN layer 12 wherein a lattice constant is greater than that of an AIN 11 and a plane direction is equal to a c-axial direction is grown and formed on the AlN 11 in which a plane direction is equal to the c-axial direction, and an n-type Al<SB>0.07</SB>Ga<SB>0.93</SB>N layer 53 whose lattice constant is smaller than that of the GaN layer 12, an activity layer 54 having a multiple quantum well (MQW) texture, a p-type Al<SB>0.38</SB>Ga<SB>0.62</SB>N layer 55 and a p-type Al<SB>0.07</SB>Ga<SB>0.93</SB>N layer 56 are formed in order on the GaN layer 12. Further, a p-type ohmic contact electrode 57 is formed, and bonding is performed on a CuW substrate 59 having high thermal conductivity through an Au/Sn film 58. After that, a sapphire substrate 1, the AlN layer 11 and the GaN layer 12 are eliminated, the n-type Al<SB>0.07</SB>Ga<SB>0.93</SB>N layer 53 is exposed, CMP polishing is performed, and an n-electrode 60 is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、積層半導体基板に係り、特に窒化物半導体デバイスを形成するための積層半導体基板に関するもので、発光ダイオード(LED)、青色、紫色などの短波長レ−ザダイオード(LD)などの発光デバイス、受光素子、高周波トランジスタ、高耐圧トランジスタなどに使用されるものである。   The present invention relates to a laminated semiconductor substrate, and more particularly to a laminated semiconductor substrate for forming a nitride semiconductor device, and emits light from a light emitting diode (LED), a short wavelength laser diode (LD) such as blue or violet. It is used for devices, light receiving elements, high frequency transistors, high voltage transistors, and the like.

III-V族化合物半導体のうちで窒化物系半導体を用いた発光デバイスは、青色LEDなどで既に実用化されている。窒化ガリウム(GaN)の半導体層を用いる窒化物半導体発光デバイスは、GaNの成長基板として格子定数や熱膨脹係数が適切な基板がないので、異種基板ではあるが高温安定性に優れ、強度の高いサファイア基板を用い、その上にGaNの単結晶膜を成長させた構造を有する場合が多い。しかし、基板とその上に堆積した単結晶膜との間における物理的な不整合の差が大きい場合に格子定数や結晶構造の違いなどに起因して線状欠陥(転位)が単結晶膜を貫通する欠陥(貫通転位)が発生する。この貫通転位は、非発光性の再結合中心として働くので、貫通転位の密度の影響を受けて発光特性が劣化する。   Light emitting devices using nitride semiconductors among III-V group compound semiconductors have already been put into practical use for blue LEDs and the like. Nitride semiconductor light-emitting devices that use gallium nitride (GaN) semiconductor layers do not have a suitable lattice constant or thermal expansion coefficient as a growth substrate for GaN. In many cases, a substrate is used and a single crystal film of GaN is grown thereon. However, when there is a large difference in physical mismatch between the substrate and the single crystal film deposited on the substrate, linear defects (dislocations) may occur in the single crystal film due to differences in lattice constant or crystal structure. A penetrating defect (threading dislocation) occurs. Since this threading dislocation acts as a non-light-emitting recombination center, the light emission characteristics are deteriorated by the influence of the density of threading dislocations.

基板とその上に堆積される単結晶膜格子定数の不整合を緩和するために、サファイア基板上に従来よりも低い温度で窒化アルミニウム(AlN)もしくはGaNからなるバッファ層を形成し、その上にGaN単結晶膜を成膜する二段階成膜法が知られている。この方法を使用し、貫通転位の発生を抑制し、且つ、膜の平坦性を維持し、優れた発光特性を有するGaN系半導体発光素子を製造する方法が特許文献1に開示されている。   In order to alleviate the mismatch between the substrate and the single crystal film lattice constant deposited on the substrate, a buffer layer made of aluminum nitride (AlN) or GaN is formed on the sapphire substrate at a lower temperature than before, and the buffer layer is formed thereon. A two-stage film forming method for forming a GaN single crystal film is known. Patent Document 1 discloses a method of manufacturing a GaN-based semiconductor light-emitting element that uses this method, suppresses the occurrence of threading dislocations, maintains the flatness of the film, and has excellent light emission characteristics.

一方、GaN系半導体デバイスの基板の材料は、その上に成膜しようとするGaN系単結晶膜の材料と同種のGaN基板であることが好ましいと考えられている。つまり、GaN基板は、その上にGaN系単結晶の薄膜を成長させる場合に格子定数の不整合の問題が生じないので、GaN系半導体デバイスにとって最適な基板と考えられている。   On the other hand, it is considered that the material of the substrate of the GaN-based semiconductor device is preferably the same type of GaN substrate as the material of the GaN-based single crystal film to be formed thereon. That is, the GaN substrate is considered to be an optimal substrate for the GaN-based semiconductor device because the problem of mismatch of lattice constants does not occur when a GaN-based single crystal thin film is grown thereon.

また、GaN基板は、劈開性があるので、ウェハーから素子チップを切り出す工程が容易になり、LDを形成する場合には劈開面を共振器のミラー面として利用できる。しかも、GaN基板は導電性があるので、GaN基板の底面にn電極を設けることにより、p電極(アノード電極)とn電極(カソード電極)を上下に分散して配置することが可能になる。したがって、これらの二つの電極を同一平面上に設けないで済むので、電極配置を単純化し、チップ面積を節減することができる。また、GaN基板は熱伝導率が高いので、放熱性が良い。   In addition, since the GaN substrate has a cleaving property, the process of cutting out the element chip from the wafer becomes easy, and when the LD is formed, the cleavage surface can be used as a mirror surface of the resonator. In addition, since the GaN substrate is conductive, it is possible to disperse the p electrode (anode electrode) and the n electrode (cathode electrode) vertically by providing an n electrode on the bottom surface of the GaN substrate. Therefore, it is not necessary to provide these two electrodes on the same plane, so that the electrode arrangement can be simplified and the chip area can be saved. Moreover, since the GaN substrate has high thermal conductivity, the heat dissipation is good.

このようなGaN基板は、GaN系半導体デバイスの基板材料として適当と考えられる。しかし、転位密度によって特性が大きく左右される高出力LEDや紫外領域で発光するLED、または高密度の電流が流れるLDにおいては、更なる低転位密度化が要求される。   Such a GaN substrate is considered suitable as a substrate material for a GaN-based semiconductor device. However, further reduction in dislocation density is required for high-power LEDs whose characteristics are greatly influenced by the dislocation density, LEDs that emit light in the ultraviolet region, or LD in which high-density current flows.

このような問題に鑑み、GaN基板の製造に際して結晶欠陥を制御し、低い転位密度を実現し得る製造方法が特許文献2に開示されている。この製造方法は、単結晶GaNの気相成長表面が、平面状態でなく、三次元的なファセット構造を持つようにし、ファセット構造を持ったまま、ファセット構造を埋め込まないで成長させることで転位を低減し、その後、機械的な加工により平面性を与え、さらにその表面を研磨することにより平坦な表面を得ることを特徴とするものである。また、特許文献2には、GaN基板上に単結晶GaNを複数枚分以上の厚さに気相成長させた後、厚さ方向にスライス切断する製造方法も示されている。さらに、特許文献2には、GaN基板の転位密度を低減するための結晶成長法として、ストライプマスク等を使用してGaNのラテラルオーバーグロースを行う方法が紹介されている。   In view of such a problem, Patent Document 2 discloses a manufacturing method capable of controlling crystal defects when manufacturing a GaN substrate and realizing a low dislocation density. In this manufacturing method, dislocations are generated by allowing a single crystal GaN vapor phase growth surface to have a three-dimensional facet structure instead of a planar state, and to grow without embedding the facet structure while maintaining the facet structure. Then, planarity is imparted by mechanical processing, and a flat surface is obtained by polishing the surface. Patent Document 2 also discloses a manufacturing method in which single-crystal GaN is vapor-grown on a GaN substrate to a thickness of a plurality or more and then sliced in the thickness direction. Further, Patent Document 2 introduces a method of performing lateral overgrowth of GaN using a stripe mask or the like as a crystal growth method for reducing the dislocation density of the GaN substrate.

なお、特許文献3には、ラテラルオーバーグロースを用いて形成したGaN基板の評価に際して基板表面を顕微鏡で詳細に観察すると、転位集中領域(高転位密度領域)に対応して約10μm〜40μmの幅の窪みが数百μmオーダーのピッチで存在していることが開示されている。   In Patent Document 3, when a GaN substrate formed using lateral overgrowth is evaluated in detail with a microscope, the substrate surface is observed to have a width of about 10 μm to 40 μm corresponding to a dislocation concentration region (high dislocation density region). Are present at a pitch of the order of several hundred μm.

しかし、GaN基板の上面に転位集中領域に対応して窪み(凹部)が存在する場合、GaN基板上に所望の素子を形成するためにGaN系結晶膜を成膜しようとすると、通常の単結晶GaNの気相成長の反応条件では、高転位密度領域の溝がそのまま上方(膜の成長方向)に引き継がれるので溝上にGaN系結晶膜を成長させることができず、溝に対応して深い凹部が発生してしまい、上面の平坦性が十分には得られない。このような状態の基板は、発光領域の大面積が要求されるLEDには適さない。さらに、この窪みの存在は、結晶成長時において平坦部へ悪影響を及ぼすことにもなる。例え加工等の工夫により平坦化されたGaN基板であっても、c軸方向に配向性は揃っていない。これは、面内で結晶情報の異なる部分が存在することを意味する。そのため、各種成長条件の変更や、不純物ドープおよび混晶化を行う際に結晶成長の不均一化を引き起こすことになり、窪みの再発生を引き起こしてしまう。   However, when there is a depression (recess) corresponding to the dislocation concentration region on the upper surface of the GaN substrate, an attempt to form a GaN-based crystal film in order to form a desired element on the GaN substrate results in a normal single crystal. Under the reaction conditions for the vapor phase growth of GaN, the groove in the high dislocation density region is taken over as it is (film growth direction), so that a GaN-based crystal film cannot be grown on the groove, and a deep recess corresponding to the groove Occurs, and the flatness of the upper surface cannot be obtained sufficiently. The substrate in such a state is not suitable for an LED that requires a large area of the light emitting region. Further, the presence of this depression also has an adverse effect on the flat portion during crystal growth. Even if the GaN substrate is flattened by means such as processing, the orientation is not uniform in the c-axis direction. This means that there are different portions of crystal information in the plane. For this reason, when various growth conditions are changed, impurity doping and mixed crystallization are performed, crystal growth becomes non-uniform, and pits are regenerated.

また、このような深い凹部が発生すると、後の工程に悪影響を及ぼし、素子の特性に悪影響を及ぼすことになる。例えばフォトリソグラフィ工程に際して、レジスト膜厚の分布に悪影響を及ぼし、反応性エッチングによるレジストのパターニング精度が低下する。特に、LD製造に際して、リッジ部のパターニング形成の精度低下が問題となり、また、劈開工程で劈開面のずれが生じたり、量子井戸発光波長の周期的変化が生じたりする。   In addition, when such a deep recess is generated, the subsequent process is adversely affected, and the device characteristics are adversely affected. For example, in the photolithography process, the resist film thickness distribution is adversely affected, and the resist patterning accuracy by reactive etching is lowered. In particular, when manufacturing an LD, there is a problem that the patterning formation accuracy of the ridge portion is lowered, and the cleavage plane is displaced in the cleavage process, or the quantum well emission wavelength is periodically changed.

仮に転位集中領域に窪みがなく、平坦性が維持され、LEDなどの素子を形成できたとしても、発光領域の大面積が要求されるLEDとしては、チップ面内に高転位密度部分が存在することは素子の特性を悪化させることになる。   Even if there is no depression in the dislocation concentration region, flatness is maintained, and an element such as an LED can be formed, an LED requiring a large area of the light emitting region has a high dislocation density portion in the chip surface. This deteriorates the characteristics of the device.

また、GaN系半導体デバイスは、紫外領域の発光デバイスとしても重要な役割を持っている。それには、発光層としてIn組成の少ないAlInGaN、AlGaNおよびGaNが用いられ、それらに合わせてバンドオフセットや吸収を考慮に入れた積層半導体構造となる。前記積層半導体にはAlGaNを含んだ構成とされることが多い。しかし、AlGaNは混晶系であるので、結晶品質が悪いのが現状である。また、クラックが発生し易く、Al組成比および膜厚にも制限がある。   GaN-based semiconductor devices also have an important role as light emitting devices in the ultraviolet region. For this purpose, AlInGaN, AlGaN, and GaN with a small In composition are used as the light emitting layer, and a laminated semiconductor structure that takes band offset and absorption into consideration in accordance with them is obtained. In many cases, the laminated semiconductor includes AlGaN. However, since AlGaN is a mixed crystal system, the crystal quality is currently poor. Further, cracks are likely to occur, and there are limitations on the Al composition ratio and film thickness.

窒化物半導体基板として考えられるAlNについては、原料種のAlの結合エネルギーが大きいので、高温成長が要求され、成長の制御が困難とされている。そのため、低転位密度の高品質のAlNが得られていない。
特開2000−357820号公報 特開2001−102307号公報 特開2003−133650号公報
AlN, which is considered as a nitride semiconductor substrate, requires a high temperature growth because of the high binding energy of the raw material Al, and it is difficult to control the growth. Therefore, high-quality AlN with a low dislocation density has not been obtained.
JP 2000-357820 A JP 2001-102307 A JP 2003-133650 A

サファイア基板上に従来よりも低い温度でAlNもしくはGaNからなるバッファ層を形成し、その上にGaN単結晶膜を成膜する二段階成膜法では、結晶成長初期に発生する3次元核の配向性が低いので、核合体時に歪みが生じて結晶粒界がモザイク状に発生する。結果として得られたGaN層の結晶粒界の境界に貫通転位が発生し、c軸に対する回転(ツイスト)や傾斜(チルト)に対応して刃状転位や螺旋転位が存在するようになる。   In the two-step film formation method in which a buffer layer made of AlN or GaN is formed on a sapphire substrate at a lower temperature than before, and a GaN single crystal film is formed on the buffer layer, the orientation of the three-dimensional nucleus generated at the initial stage of crystal growth Therefore, distortion occurs at the time of nuclear coalescence, and crystal grain boundaries are generated in a mosaic shape. As a result, threading dislocations occur at the boundaries of the crystal grain boundaries of the GaN layer obtained, and edge dislocations and spiral dislocations exist corresponding to rotation (twist) and tilt (tilt) with respect to the c-axis.

上記した貫通転位を低減するためには、結晶粒界の密度を低下させる、つまり、3次元核の密度(核密度)を低下させることにより達成でき、これにより全体の転位密度を低下させることが可能になる。しかし、核密度を低下させることは、核合体を遅らせ、核合体時における核を大きくさせることになる。一方、核合体時には、相互作用により圧縮応力が発生し、その応力はチルトを抑制し、ツイストを助長させる働きがあると考えられる。このような効果は、核合体時における核の大きさが小さいほど顕著であると考えられる。 したがって、核密度を低下させ、核合体時における核を大きくさせると、核合体時にチルトが大きく残る。これによって、全体の転位密度が低下したにも拘らず、大きなバーガースペクトルを持つ螺旋転位が残留し、結果として、それに起因する成長ピットの発生や、GaN層上に形成された発光素子の特性を悪化させる原因となっている。この影響は、刃状転位よりも螺旋転位および/または混合転位の方が大きい。   In order to reduce the above threading dislocations, it can be achieved by reducing the density of crystal grain boundaries, that is, by reducing the density of three-dimensional nuclei (nuclear density), thereby reducing the overall dislocation density. It becomes possible. However, reducing the nuclear density slows the nuclear coalescence and enlarges the nucleus during the nuclear coalescence. On the other hand, at the time of nuclear coalescence, compressive stress is generated by the interaction, and the stress is considered to have a function of suppressing tilt and promoting twist. Such an effect is considered to be more remarkable as the size of the nucleus at the time of nuclear coalescence is smaller. Therefore, if the nucleus density is reduced and the nucleus at the time of nuclear coalescence is increased, a large tilt remains at the time of nuclear coalescence. As a result, the screw dislocation having a large Burger spectrum remains despite the decrease in the overall dislocation density, resulting in the occurrence of growth pits and the characteristics of the light-emitting element formed on the GaN layer. It is a cause of worsening. This effect is greater for helical dislocations and / or mixed dislocations than for edge dislocations.

上述したように低温で堆積された従来のAlN、もしくはGaNからなるバッファ層を形成し、その上にGaN層を成長させた場合には、螺旋転位が残留し、それに起因する成長ピットの発生や、GaN層上に形成された発光素子の特性を悪化させるという問題があった。   As described above, when a buffer layer made of conventional AlN or GaN deposited at a low temperature is formed and a GaN layer is grown on the buffer layer, screw dislocations remain, and generation of growth pits resulting therefrom There has been a problem of deteriorating the characteristics of the light emitting device formed on the GaN layer.

また、紫外領域の発光デバイスとしてGaNより格子定数が小さいAlGaN等をGaN上に積層させる場合において、クラックの発生等による緩和が起こる臨界膜厚があり、そのためAl組成比および膜厚に制限があった。   In addition, when AlGaN or the like having a lattice constant smaller than that of GaN is laminated on GaN as a light emitting device in the ultraviolet region, there is a critical film thickness that causes relaxation due to the occurrence of cracks and the like, so there are limitations on the Al composition ratio and film thickness. It was.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、c軸方向に面方位が揃った半導体基板上に、該半導体基板よりも格子定数の大きな半導体層を成長させ、かつ、前記半導体層を高品質化させるものである。これによって、高品質の窒化物半導体デバイスを歩留まり良く、低コストで実現することが可能になり、窒化物半導体デバイスを形成するために使用して好適な積層半導体基板を提供することを目的とする。また、前記半導体基板よりも格子定数の小さい結晶で構成される発光素子を提供することも目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a semiconductor layer having a lattice constant larger than that of the semiconductor substrate is grown on a semiconductor substrate having a plane orientation aligned in the c-axis direction, and the semiconductor layer Is to improve the quality. Accordingly, it is possible to realize a high-quality nitride semiconductor device with high yield and low cost, and an object is to provide a laminated semiconductor substrate suitable for use in forming a nitride semiconductor device. . It is another object of the present invention to provide a light-emitting element including a crystal having a lattice constant smaller than that of the semiconductor substrate.

本発明の積層半導体基板の第1の態様は、c軸方向に面方位が揃った第1の半導体層と、該第1の半導体層上に形成され、前記第1の半導体層よりも格子定数が大きい第2の半導体層とを具備することを特徴とする。また、前記第2の半導体層上に形成され、前記第2の半導体層よりも格子定数が小さい第3の半導体層を具備することを特徴とする。   A first aspect of the laminated semiconductor substrate of the present invention includes a first semiconductor layer having a plane orientation aligned in the c-axis direction, and a lattice constant that is formed on the first semiconductor layer and has a lattice constant greater than that of the first semiconductor layer. And a large second semiconductor layer. The semiconductor device further includes a third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer and having a lattice constant smaller than that of the second semiconductor layer.

本発明の積層半導体基板の第2の態様は、c軸方向に面方位が揃った第1の半導体層と、該第1の半導体層上に形成され、前記第1の半導体層よりも格子定数が大きく、かつ、c軸方向に面方位が揃った第2の半導体層とを具備することを特徴とする。また、前記第2の半導体層上に形成され、前記第2の半導体層よりも格子定数が小さく、かつ、c軸方向に面方位が揃った第3の半導体層を具備することを特徴とする。   A second aspect of the laminated semiconductor substrate of the present invention includes a first semiconductor layer having a plane orientation aligned in the c-axis direction, and a lattice constant greater than that of the first semiconductor layer formed on the first semiconductor layer. And a second semiconductor layer having a plane orientation aligned in the c-axis direction. The semiconductor device further includes a third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer, having a lattice constant smaller than that of the second semiconductor layer and having a plane orientation aligned in the c-axis direction. .

本発明の積層半導体基板によれば、高品質の窒化物半導体デバイスを歩留まり良く、低コストで実現することが可能になり、窒化物半導体デバイスを形成するために使用して好適である。また、本発明の積層半導体基板を用いることにより、紫外領域から可視光までの広範囲で高出力を可能としたLEDまたはLDを形成することができる。   According to the laminated semiconductor substrate of the present invention, a high-quality nitride semiconductor device can be realized with good yield and low cost, and is suitable for use in forming a nitride semiconductor device. Further, by using the laminated semiconductor substrate of the present invention, an LED or LD capable of high output in a wide range from the ultraviolet region to visible light can be formed.

<第1の実施形態>(積層半導体基板)
図1は、第1の実施形態に係る積層半導体基板の断面構造を模式的に示す。図1において、例えばC面を主面とするサファイア基板1上にc軸方向に面方位が揃った第1の半導体層11が成長形成され、この第1の半導体層11上にそれよりも格子定数が大きい第2の半導体層12が成長形成されている。これらは、窒化物半導体を積層するための積層半導体基板10を構成している。
First Embodiment (Multilayer Semiconductor Substrate)
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of the laminated semiconductor substrate according to the first embodiment. In FIG. 1, for example, a first semiconductor layer 11 having a plane orientation aligned in the c-axis direction is grown on a sapphire substrate 1 having a C-plane as a main surface, and a lattice is formed on the first semiconductor layer 11. A second semiconductor layer 12 having a large constant is grown. These constitute a laminated semiconductor substrate 10 for laminating nitride semiconductors.

(第1の半導体層)第1の半導体層11は、III-V族化合物半導体であって、好ましくは窒化物半導体である。本発明における窒化物半導体は、一般式Inx Aly Ga1-x-y N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で示すことができ、本例ではAl含有窒化物半導体であって、AlN単結晶、特にc軸方向に面方位が揃った平滑平坦な上面(鏡面)を有するAlN層である。以下、符号11を、第1の半導体層、AlN層で共通に使用する。 (First Semiconductor Layer) The first semiconductor layer 11 is a III-V group compound semiconductor, and is preferably a nitride semiconductor. Nitride semiconductor of the present invention have the general formula In x Al y Ga 1-xy N can be represented by (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ x + y ≦ 1), Al -containing nitride in this example It is a physical semiconductor and is an AlN single crystal, particularly an AlN layer having a smooth flat upper surface (mirror surface) whose plane orientation is aligned in the c-axis direction. Hereinafter, reference numeral 11 is commonly used for the first semiconductor layer and the AlN layer.

(第2の半導体層)第2の半導体層12は、III-V族化合物半導体であって、前記第1の半導体層11よりも格子定数が大きい単結晶層を成長させる。前記III-V族化合物半導体は、好ましくは窒化物半導体である。これにより、第1の半導体層11と第2の半導体層12の界面には、格子不整合が大きいので格子整合した2次元成長が起こらず、成長初期から格子緩和した3次元成長が起こる。しかし、歪が完全には緩和されないので、第2の半導体層12には微視的にa軸方向に圧縮歪みがかかるようになる。第2の半導体層12の一具体例として、AlN層よりも格子定数が大きいGaN層が望ましい。以下、符号12を、第2の半導体層、GaN層で共通に使用する。   (Second Semiconductor Layer) The second semiconductor layer 12 is a III-V group compound semiconductor and grows a single crystal layer having a lattice constant larger than that of the first semiconductor layer 11. The III-V group compound semiconductor is preferably a nitride semiconductor. Thereby, since the lattice mismatch is large at the interface between the first semiconductor layer 11 and the second semiconductor layer 12, the lattice-matched two-dimensional growth does not occur, and the lattice relaxation three-dimensional growth occurs from the initial growth stage. However, since the strain is not completely relieved, the second semiconductor layer 12 is microscopically compressed and strained in the a-axis direction. As a specific example of the second semiconductor layer 12, a GaN layer having a lattice constant larger than that of the AlN layer is desirable. Hereinafter, reference numeral 12 is commonly used for the second semiconductor layer and the GaN layer.

因みに、六方晶系のAlNの格子定数(結晶軸aの長さ)は3.112 オングストローム、GaNの格子定数は3.189 オングストロームであり、両者の違いは約2.5 %である。   Incidentally, the lattice constant (length of crystal axis a) of hexagonal AlN is 3.112 angstroms, and the lattice constant of GaN is 3.189 angstroms, and the difference between the two is about 2.5%.

上記したように第1の実施形態によれば、c軸方向に面方位が揃ったAlN層11上にGaN層12を成長させる際、AlNとGaNとの格子不整合が大きいので格子整合した2次元成長が起こらず、成長初期から格子緩和した3次元成長が起こる。その時、成長核はAlN層11のc軸配向性を帯びているので、その後の核合体時においてもチルトを抑制し、さらに核密度を低下させて低転位化を行うことが可能になる。結果として、GaN層12の転位密度を低下させると同時に、螺旋転位の発生を抑制することが可能になり、GaN層12は、AlN層11と比べて、刃状転位および/または螺旋転位が少なくなるように形成される。この場合、刃状転位が2桁以上減少しており、同時に螺旋転位も減少しており、従来は螺旋転位の減少が困難であったことを勘案すると、その効果は大きい。図1中には、GaN層12に存在する転位(刃状転位、螺旋転位および混合転位)Dを概略的に示している。   As described above, according to the first embodiment, when the GaN layer 12 is grown on the AlN layer 11 whose plane orientation is aligned in the c-axis direction, the lattice mismatch between AlN and GaN is large. Dimensional growth does not occur, and three-dimensional growth with lattice relaxation occurs from the beginning of growth. At that time, since the growth nuclei have the c-axis orientation of the AlN layer 11, it is possible to suppress the tilt even during the subsequent nuclear coalescence and further reduce the dislocation by reducing the nuclear density. As a result, it is possible to reduce the dislocation density of the GaN layer 12 and to suppress the occurrence of screw dislocations, and the GaN layer 12 has fewer edge dislocations and / or screw dislocations than the AlN layer 11. Formed to be. In this case, the edge dislocations are reduced by two digits or more, and at the same time, the screw dislocations are also reduced. Considering that it has been difficult to reduce the screw dislocations conventionally, the effect is great. FIG. 1 schematically shows dislocations (edge dislocations, spiral dislocations, and mixed dislocations) D existing in the GaN layer 12.

前記したようにAlN層11のc軸配向性を利用してGaN層12での初期成長核の配向性を向上させるため、AlN層11のXRC(0002)回折による半値幅(Full Width at Half Maximum:FWHF)は、90秒角(arcsec)以下であることが好ましい。これは、一般的にサファイア上に低温バッファ層を介して成長させたGaN層が180秒以上の半値角であるのに対して約半分以下となっている。また、AlN層11は60秒角以下の高いc軸配向性のものが得られており、さらなる高品質化に適している。このAlN層11の作製時において、高いc軸配向性と表面平坦性を得るために数%以下のGaNを混晶化させることも効果がある。   As described above, in order to improve the orientation of initial growth nuclei in the GaN layer 12 using the c-axis orientation of the AlN layer 11, a full width at half maximum (Full Width at Half Maximum) of the AlN layer 11 by XRC (0002) diffraction is used. : FWHF) is preferably 90 arc seconds or less. This is generally about half or less than the half-value angle of 180 seconds or more for a GaN layer grown on sapphire via a low-temperature buffer layer. The AlN layer 11 has a high c-axis orientation of 60 arc seconds or less, and is suitable for further quality improvement. In producing the AlN layer 11, it is also effective to make a mixed crystal of several percent or less of GaN in order to obtain high c-axis orientation and surface flatness.

なお、前記したようにc軸方向に面方位が揃ったAlN層11上にGaN層12を成長させる際、成長初期の結晶核の密度を低く制御するようにプロセス上の工夫を行うことによって、核合体を遅らせたとしても、該核のc軸配向性が良好であるから合体時のチルトによる大きな歪みの螺旋転位や混合転位が発生しないので、ピット等のない平坦面を形成することが可能である。   As described above, when the GaN layer 12 is grown on the AlN layer 11 whose plane orientation is aligned in the c-axis direction, by devising the process so that the density of crystal nuclei at the initial stage of growth is controlled low, Even if the nucleation is delayed, the c-axis orientation of the nuclei is good, so there is no large distortion of screw dislocation or mixed dislocation due to tilt during merging, so it is possible to form a flat surface without pits or the like It is.

<第2の実施形態>(積層半導体基板)
図2は、第2の実施形態に係る積層半導体基板を模式的に示す断面図である。図2に示す積層半導体基板は、第1の実施形態に係る積層半導体基板10を使用して窒化物半導体デバイス、例えばLED、受光素子などを実現する際、さらに、GaN層12上に第3の半導体層13が形成されたものである。
Second Embodiment (Multilayer Semiconductor Substrate)
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the laminated semiconductor substrate according to the second embodiment. When the laminated semiconductor substrate shown in FIG. 2 realizes a nitride semiconductor device such as an LED or a light receiving element using the laminated semiconductor substrate 10 according to the first embodiment, a third semiconductor substrate is formed on the GaN layer 12. A semiconductor layer 13 is formed.

第3の半導体層13は、第2の半導体層12上に格子整合が可能となる程度に格子定数が近いものである。第2の半導体層12は、第1の半導体層11に対して格子緩和と同時に3次元成長が起こり、その際に転位の伝搬を抑止している。第3の半導体層13は、第2の半導体層12上に格子整合しているので、第2の半導体層12の転位を引き継ぐことになる。そのため、第2の半導体層12が低転位であれば、第3の半導体層13も低転位になる。   The third semiconductor layer 13 has a lattice constant close enough to allow lattice matching on the second semiconductor layer 12. The second semiconductor layer 12 undergoes three-dimensional growth simultaneously with lattice relaxation with respect to the first semiconductor layer 11, and at this time, dislocation propagation is suppressed. Since the third semiconductor layer 13 is lattice-matched on the second semiconductor layer 12, the dislocation of the second semiconductor layer 12 is taken over. Therefore, if the second semiconductor layer 12 is low dislocation, the third semiconductor layer 13 is also low dislocation.

ここで、第2の半導体層12は、螺旋転位密度が3×107 /cm2 以下、より好ましくは3×106 /cm2 以下になるように形成されている。そして、第3の半導体層13の螺旋転位密度は、第2の半導体層12と同じ程度になるように形成されている。また、第2の半導体層12がc軸方向に面方位が揃った鏡面を有する場合は、その上に第2の半導体層12よりも格子定数が小さい第3の半導体層13を成長させても、クラックやピットおよび転位の発生が抑制される。 Here, the second semiconductor layer 12 is formed so that the screw dislocation density is 3 × 10 7 / cm 2 or less, more preferably 3 × 10 6 / cm 2 or less. The third semiconductor layer 13 is formed to have the same screw dislocation density as the second semiconductor layer 12. Further, when the second semiconductor layer 12 has a mirror surface whose plane orientation is aligned in the c-axis direction, the third semiconductor layer 13 having a lattice constant smaller than that of the second semiconductor layer 12 may be grown thereon. Cracks, pits and dislocations are suppressed.

(第3の半導体層)第3の半導体層13として、第2の半導体層12よりも格子定数が小さい単結晶層を成長させた場合、第2の半導体層12と第3の半導体層13の界面に格子歪が発生し、第3の半導体層13には引っ張り歪みがかかるようになる。この場合、第2の半導体層12は第1の半導体層11から圧縮応力をかけられているので、第3の半導体層13は第2の半導体層12からの引っ張り歪みが小さくなる。したがって、第3の半導体層13の引っ張り歪みが緩和され、クラックやピットおよび転位の発生が抑制される。ここで、上記したような第1の半導体層11、第2の半導体層12、第3の半導体層13の各格子定数G1、G2、G3の大小関係を整理すると、G2≧G3>G1である。   (Third Semiconductor Layer) When a single crystal layer having a lattice constant smaller than that of the second semiconductor layer 12 is grown as the third semiconductor layer 13, the second semiconductor layer 12 and the third semiconductor layer 13 Lattice strain is generated at the interface, and tensile strain is applied to the third semiconductor layer 13. In this case, since the second semiconductor layer 12 is subjected to compressive stress from the first semiconductor layer 11, the tensile strain from the second semiconductor layer 12 is reduced in the third semiconductor layer 13. Therefore, the tensile strain of the third semiconductor layer 13 is relaxed, and the generation of cracks, pits, and dislocations is suppressed. Here, when the magnitude relationship between the lattice constants G1, G2, and G3 of the first semiconductor layer 11, the second semiconductor layer 12, and the third semiconductor layer 13 is arranged, G2 ≧ G3> G1. .

第3の半導体層13の一具体例として、GaN層12と同種のGaN系材料であって、GaN単結晶よりも格子定数が小さいものとしては、Alx Ga1-x N(0<x≦0.1)層が挙げられる。ここで、Alの混晶比は0.1 以下であり、x>0.01、望ましくは、x=0.03〜0.08に設定する。因みに、Alx Ga1-x N(0<x≦0.1)層13の格子定数(結晶軸の長さ)は、x=0.05の場合に3.185 オングストローム、GaNの格子定数は3.189 オングストロームであり、両者の違いは0.125 %程度である。これは、370nm以下の紫外発光デバイスを形成する場合に主に用いられる。また、GaN単結晶と格子定数が同じものとしては、可視領域の発光デバイスに用いられる構造を示し、GaN/InGaNで構成されるものであり、これは全体として格子定数が大きくなる傾向ではあるが、この場合の歪みは圧縮系であり、クラック等の発生がないため大きな問題となりにくいので、同じ格子定数として扱う。 As a specific example of the third semiconductor layer 13, a GaN-based material of the same kind as the GaN layer 12 and having a lattice constant smaller than that of a GaN single crystal is Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1) layer. Here, the mixed crystal ratio of Al is 0.1 or less, and x> 0.01, preferably x = 0.03 to 0.08. Incidentally, the lattice constant (crystal axis length) of the Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1) layer 13 is 3.185 angstroms when x = 0.05, and the lattice constant of GaN is 3.189 angstroms. The difference between them is about 0.125%. This is mainly used when forming an ultraviolet light emitting device of 370 nm or less. In addition, the same lattice constant as that of a GaN single crystal indicates a structure used for a light emitting device in the visible region, and is composed of GaN / InGaN, which tends to increase the lattice constant as a whole. The strain in this case is a compression system, and since it does not cause cracks, it is unlikely to be a big problem, so it is treated as the same lattice constant.

なお、前記AlN層11上にGaN層12を成長させる際、ELO(Epitaxial Lateral Overgrown)成長法を組み合わせるようにしてもよい。この場合、ELO成長法として例えば図11乃至図15に模式的に示すような5つのバリエーション(I)〜(V)が考えられる。   When the GaN layer 12 is grown on the AlN layer 11, an ELO (Epitaxial Lateral Overgrown) growth method may be combined. In this case, for example, five variations (I) to (V) as schematically shown in FIGS. 11 to 15 can be considered as the ELO growth method.

ELO成長法(I)では、まず、図11(a)に示すようにサファイア基板1上のc軸配向性が良いAlN層11の上面に開口部を有するマスク(例えばSiO2 膜からなる)90を形成する。この場合、マスク90の開口幅は約3 μm〜10μm、開口部間のマスク幅は約5 μm〜30μmである。次に、図11(b)に示すように、AlN層11からマスク開口部を通してGaN層12aをc軸方向に成長させると、やがて、図11(c)に示すように、GaN層がc軸方向に成長しつつ、横方向(マスク上)にも成長して横方向に隣り合うGaN層同士が合体する。結果として、上面が平坦なGaN層12が形成される。この場合、開口部上に成長したGaN層はAlN層11のc軸配向性を引き継いでc軸配向性が良いので転位密度が低く、マスク上のGaN層もc軸配向性が良く、合体時の歪み(チルト)が抑制され、さらに転位密度が低く形成される。 In the ELO growth method (I), first, as shown in FIG. 11A, a mask (for example, made of a SiO 2 film) 90 having an opening on the upper surface of the AlN layer 11 with good c-axis orientation on the sapphire substrate 1. Form. In this case, the opening width of the mask 90 is about 3 μm to 10 μm, and the mask width between the openings is about 5 μm to 30 μm. Next, as shown in FIG. 11 (b), when the GaN layer 12a is grown from the AlN layer 11 through the mask opening in the c-axis direction, the GaN layer eventually becomes c-axis as shown in FIG. 11 (c). While growing in the direction, it grows in the lateral direction (on the mask) and the adjacent GaN layers merge together. As a result, the GaN layer 12 having a flat upper surface is formed. In this case, since the GaN layer grown on the opening inherits the c-axis orientation of the AlN layer 11 and has good c-axis orientation, the dislocation density is low, and the GaN layer on the mask also has good c-axis orientation. Distortion (tilt) is suppressed, and the dislocation density is low.

ELO成長法(II)では、まず、図12(a)に示すようにサファイア基板1上のc軸配向性が良いAlN層11の上面に開口部を有するエッチングマスク100を形成する。この場合、エッチングマスク100の開口幅は約3 μm〜30μm、開口部間のマスク幅は約3 μm〜15μmである。そして、図12(b)に示すように、異方性エッチングによりAlN層11を選択的にエッチングしてAlN層11に溝部を形成する。次に、エッチングマスク100を除去した後、AlN層11上にGaN層12aを成長させると、やがて、図12(c)に示すように、GaN層がc軸方向に成長しつつ、横方向(溝部の上方)にも成長して横方向に隣り合うGaN層同士が合体する。結果として、上面が平坦でc軸配向性が良いGaN層12が形成される。なお、AlN層11の溝部内は空洞状態となってもよい。   In the ELO growth method (II), first, as shown in FIG. 12A, an etching mask 100 having an opening on the upper surface of the AlN layer 11 with good c-axis orientation on the sapphire substrate 1 is formed. In this case, the opening width of the etching mask 100 is about 3 μm to 30 μm, and the mask width between the openings is about 3 μm to 15 μm. Then, as shown in FIG. 12B, the AlN layer 11 is selectively etched by anisotropic etching to form a groove in the AlN layer 11. Next, after removing the etching mask 100, when the GaN layer 12a is grown on the AlN layer 11, the GaN layer grows in the c-axis direction as shown in FIG. The GaN layers which grow also on the upper part of the groove and are adjacent in the lateral direction are combined. As a result, the GaN layer 12 having a flat upper surface and good c-axis orientation is formed. Note that the groove portion of the AlN layer 11 may be in a hollow state.

ELO成長法(III )では、まず、図13(a)に示すようにサファイア基板1上のc軸配向性が良いAlN層11の上にGaN層12aを形成する。そして、GaN層12aの上面に開口部を有するエッチングマスク(図示せず)を形成する。次に、図13(b)に示すように、異方性エッチングによりGaN層12aおよびAlN層11を選択的にエッチングしてGaN層12aおよびAlN層11に溝部を形成する。そして、エッチングマスクを除去した後、GaN層12aを再成長させると、やがて、図13(c)に示すように、GaN層がc軸方向に成長しつつ、横方向(溝部の上方)にも成長して横方向に隣り合うGaN層同士が合体する。結果として、上面が平坦でc軸配向性が良いGaN層12が形成される。なお、AlN層11の溝部内は空洞状態となってもよい。   In the ELO growth method (III), first, a GaN layer 12a is formed on an AlN layer 11 with good c-axis orientation on the sapphire substrate 1, as shown in FIG. Then, an etching mask (not shown) having an opening is formed on the upper surface of the GaN layer 12a. Next, as shown in FIG. 13B, the GaN layer 12a and the AlN layer 11 are selectively etched by anisotropic etching to form grooves in the GaN layer 12a and the AlN layer 11. Then, after removing the etching mask, when the GaN layer 12a is regrown, the GaN layer grows in the c-axis direction as shown in FIG. 13C, and also in the lateral direction (above the groove). The grown GaN layers adjacent in the lateral direction are combined. As a result, the GaN layer 12 having a flat upper surface and good c-axis orientation is formed. Note that the groove portion of the AlN layer 11 may be in a hollow state.

ELO成長法(IV)では、まず、図14(a)に示すようにサファイア基板1上のc軸配向性が良いAlN層11の上にGaN層12aを形成し、GaN層12aの上面に開口部を有するエッチングマスク(図示せず)を形成する。そして、図14(b)に示すように、異方性エッチングによりGaN層12aを途中の深さまで選択的にエッチングしてGaN層12aに溝部を形成する。そして、エッチングマスクを除去した後、GaN層12aを再成長させると、やがて、図14(c)に示すように、GaN層がc軸方向に成長しつつ、横方向にも成長して横方向に隣り合うGaN層同士が合体する。結果として、上面が平坦でc軸配向性が良いGaN層12が形成される。   In the ELO growth method (IV), first, as shown in FIG. 14A, a GaN layer 12a is formed on an AlN layer 11 with good c-axis orientation on the sapphire substrate 1, and an opening is formed on the upper surface of the GaN layer 12a. An etching mask (not shown) having a portion is formed. Then, as shown in FIG. 14B, the GaN layer 12a is selectively etched to an intermediate depth by anisotropic etching to form a groove in the GaN layer 12a. Then, after removing the etching mask, when the GaN layer 12a is regrown, as shown in FIG. 14C, the GaN layer grows in the c-axis direction and also grows in the lateral direction. GaN layers adjacent to each other are combined. As a result, the GaN layer 12 having a flat upper surface and good c-axis orientation is formed.

ELO成長法(V)では、まず、図15(a)に示すようにサファイア基板1上のc軸配向性が良いAlN層11の上にGaN層12aを形成し、GaN層12aの上面に開口部を有するエッチングマスク(図示せず)を形成する。そして、図15(b)に示すように、異方性エッチングによりGaN層12aを底面まで選択的にエッチングしてGaN層12aに溝部を形成する。そして、エッチングマスクを除去した後、GaN層12aを再成長させると、やがて、図15(c)に示すように、GaN層がc軸方向に成長しつつ、横方向にも成長して横方向に隣り合うGaN層同士が合体する。結果として、上面が平坦でc軸配向性が良いGaN層12が形成される。   In the ELO growth method (V), first, as shown in FIG. 15A, a GaN layer 12a is formed on an AlN layer 11 with good c-axis orientation on the sapphire substrate 1, and an opening is formed on the upper surface of the GaN layer 12a. An etching mask (not shown) having a portion is formed. Then, as shown in FIG. 15B, the GaN layer 12a is selectively etched to the bottom by anisotropic etching to form a groove in the GaN layer 12a. When the GaN layer 12a is regrown after removing the etching mask, the GaN layer grows in the c-axis direction and grows in the lateral direction as shown in FIG. 15C. GaN layers adjacent to each other are combined. As a result, the GaN layer 12 having a flat upper surface and good c-axis orientation is formed.

(第2の半導体層の不純物濃度)例えば第2の半導体層12をnコンタクト層として用いる場合がある。その場合には、第2の半導体層の不純物濃度を1×1018/cm3 以上、5×1018/cm3 以下にする。上記n型不純物としては、Si、Ge、Se、S、O等の周期律表第IVB族、第VIB族元素を選択し、好ましくはSi、O、Ge、Sをn型不純物とする。 (Impurity concentration of second semiconductor layer) For example, the second semiconductor layer 12 may be used as an n-contact layer. In that case, the impurity concentration of the second semiconductor layer is set to 1 × 10 18 / cm 3 or more and 5 × 10 18 / cm 3 or less. As the n-type impurity, elements of Group IVB and VIB of the periodic table such as Si, Ge, Se, S, and O are selected, and Si, O, Ge, and S are preferably n-type impurities.

(第3の半導体層の機能)GaN層12上に形成したSi−Alx Ga1-x N(0<x≦0.1)層13は、クラッド層およびnコンタクト層として用いることが可能になる。この場合、第3の半導体層13の不純物濃度は1×1018/cm3 以上、1×1020/cm3 以下にする。この上限の値は、第2の半導体層12の不純物濃度の上限の値よりも大きい。これは、AlGaNの方がGaNよりも不純物濃度に対する許容量が大きいためであり、デバイスの低抵抗化に有効である。 (Function of Third Semiconductor Layer) The Si—Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1) layer 13 formed on the GaN layer 12 can be used as a cladding layer and an n contact layer. Become. In this case, the impurity concentration of the third semiconductor layer 13 is 1 × 10 18 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less. This upper limit value is larger than the upper limit value of the impurity concentration of the second semiconductor layer 12. This is because AlGaN has a larger allowable amount with respect to the impurity concentration than GaN, and is effective in reducing the resistance of the device.

ここで、この半導体基板を支持基板に貼り合わせ、その後、サファイア基板および一部の半導体層を除去し、素子を形成する方法がある。その場合、GaN層12はn型不純物を含有しており、その裏面にn電極を形成する際に良好なオーミックコンタクトが得られるnコンタクト層として用いることができるので、サファイア基板1およびAlN層11を除去し、GaN層12の裏面にn電極を形成すると、発光素子全体の厚さを薄くし、発光による発熱を放散し易くなる。ここで、AlN層11等を除去するには、研磨、研削、レーザ照射等の方法を用いる。また、発光素子の活性層の発光波長を400nm以下の波長域とする場合は、AlGaN層をnコンタクト層として用い、GaN層12まで除去することが好ましい。   Here, there is a method in which the semiconductor substrate is bonded to a supporting substrate, and then the sapphire substrate and some semiconductor layers are removed to form an element. In that case, since the GaN layer 12 contains an n-type impurity and can be used as an n-contact layer that provides a good ohmic contact when an n-electrode is formed on the back surface thereof, the sapphire substrate 1 and the AlN layer 11 are used. When the n electrode is formed on the back surface of the GaN layer 12, the thickness of the entire light emitting element is reduced and heat generated by light emission is easily dissipated. Here, in order to remove the AlN layer 11 and the like, methods such as polishing, grinding, and laser irradiation are used. Further, when the emission wavelength of the active layer of the light emitting element is set to a wavelength range of 400 nm or less, it is preferable to use the AlGaN layer as the n contact layer and remove the GaN layer 12.

上記した第2の実施形態によれば、第1の実施形態で述べたような効果を有する積層半導体基板10の第2の半導体層12上に第3の半導体層13が格子整合されているので、第2の半導体層12が低転位であれば、第3の半導体層13も低転位になる。   According to the second embodiment described above, the third semiconductor layer 13 is lattice-matched on the second semiconductor layer 12 of the laminated semiconductor substrate 10 having the effects described in the first embodiment. If the second semiconductor layer 12 is a low dislocation, the third semiconductor layer 13 is also a low dislocation.

したがって、第2の実施形態の積層半導体基板上に結晶性の良い窒化物半導体層を積層して窒化物半導体デバイスを形成する際、デバイスの製造工程を安定化し、所望のデバイスを歩留まり良く、低コストで実現することができる。   Therefore, when a nitride semiconductor device is formed by laminating a nitride semiconductor layer having good crystallinity on the laminated semiconductor substrate of the second embodiment, the device manufacturing process is stabilized, and a desired device can be obtained with a high yield. Can be realized at a cost.

なお、前記第1の実施例形態および第2の実施例形態において、窒化物半導体を成長させるための異種基板は、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板であれば特に限定されず、例えば、C面、R面、およびA面のいずれかを主面とするサファイアやスピネル(MgAl2 4 )のような絶縁性基板、またはSiC(6H、4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、Si、GaAs、ダイヤモンド、および窒化物半導体と格子結合するニオブ酸化リチウム、ガリウム酸ネオジウム等の酸化物基板が挙げられる。上記異種基板の中で好ましいのはサファイアであり、さらに好ましいのはC面を主面とするサファイア基板である。サファイアのC面はオフアングルしていてもよく、オフアングル角θは、0.01°〜0.5 °、好ましくは0.05°〜0.2 °の範囲とする。 In the first embodiment and the second embodiment, the heterogeneous substrate for growing the nitride semiconductor is not particularly limited as long as it is a substrate made of a material different from the nitride semiconductor. An insulating substrate such as sapphire or spinel (MgAl 2 O 4 ) having any one of the plane, R plane, and A plane, or SiC (including 6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, Si, Examples include GaAs, diamond, and oxide substrates such as lithium niobium oxide and neodymium gallate that are lattice-bonded to a nitride semiconductor. Of the different substrates, sapphire is preferable, and a sapphire substrate having a C-plane as a main surface is more preferable. The C-plane of sapphire may be off-angle, and the off-angle angle θ is in the range of 0.01 ° to 0.5 °, preferably 0.05 ° to 0.2 °.

また、異種基板上にバッファ層を介して窒化物半導体を成長させてもよい。このバッファ層としては、一般式Ala Ga1-a N(0≦a≦0.8)で表される窒化物半導体を用いる。バッファ層の膜厚は、好ましくは0.002 〜0.5 μmである。バッファ層の成長温度は、好ましくは200 〜900 ℃である。これにより、窒化物半導体層上の転位やピットを低減させることができる。 Further, a nitride semiconductor may be grown on a different substrate via a buffer layer. As this buffer layer, a nitride semiconductor represented by the general formula Al a Ga 1-a N (0 ≦ a ≦ 0.8) is used. The thickness of the buffer layer is preferably 0.002 to 0.5 μm. The growth temperature of the buffer layer is preferably 200 to 900 ° C. Thereby, dislocations and pits on the nitride semiconductor layer can be reduced.

また、前記第1の半導体層としては、窒化物半導体基板を用いることもできる。この場合、窒化物半導体基板の厚膜としてはデバイス加工ができる程度の厚膜(数十μm以上)が必要である。   In addition, a nitride semiconductor substrate can be used as the first semiconductor layer. In this case, as the thick film of the nitride semiconductor substrate, a thick film (several tens of μm or more) that can be processed by the device is required.

<第3の実施形態>(積層半導体基板)
第3の実施形態は、前記異種基板上に第1の半導体層11、その上に第2の半導体層12を成長させた後、前記したようなELO成長を行わせるためのマスク90を形成し、第3の半導体層13を横方向に成長させる。このようにマスク上に成長した第3の半導体層13も、c軸配向性が良く、転位密度が低い。
<Third Embodiment> (Multilayer Semiconductor Substrate)
In the third embodiment, after the first semiconductor layer 11 is grown on the heterogeneous substrate and the second semiconductor layer 12 is grown thereon, a mask 90 for performing ELO growth as described above is formed. The third semiconductor layer 13 is grown in the lateral direction. Thus, the third semiconductor layer 13 grown on the mask also has good c-axis orientation and a low dislocation density.

<第1の適用例>(窒化物半導体デバイス)
本発明に係る積層半導体基板を使用して、例えばLED、受光素子などの窒化物半導体デバイスを実現する際、積層半導体基板上に、少なくともn型窒化物半導体層およびp型窒化物半導体層を含む半導体層を結晶性良く形成することによって、高品質の窒化物半導体デバイスを歩留まり良く得ることができる。
<First Application Example> (Nitride Semiconductor Device)
When realizing a nitride semiconductor device such as an LED or a light receiving element using the laminated semiconductor substrate according to the present invention, at least an n-type nitride semiconductor layer and a p-type nitride semiconductor layer are included on the laminated semiconductor substrate. By forming the semiconductor layer with good crystallinity, a high-quality nitride semiconductor device can be obtained with a high yield.

<第2の適用例>(窒化物LD)
本発明に係る積層半導体基板を使用して窒化物LDを実現する際、積層半導体基板上に、光導波領域を形成する光ガイド層として用いられる少なくともn型窒化物半導体層および/またはp型窒化物半導体層を含む半導体層を結晶性良く形成することによって、高品質の窒化物LDを歩留まり良く得ることができる。
<Second Application Example> (Nitride LD)
When realizing a nitride LD using the laminated semiconductor substrate according to the present invention, at least an n-type nitride semiconductor layer and / or a p-type nitride used as an optical guide layer for forming an optical waveguide region on the laminated semiconductor substrate. By forming a semiconductor layer including a semiconductor layer with good crystallinity, a high-quality nitride LD can be obtained with a high yield.

[実施例]
以下、本発明の実施例を数例示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[Example]
Hereinafter, although several examples of the present invention are shown, the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]図3は、本発明の積層半導体基板を使用した窒化物半導体デバイスの一例としてLEDの構造を模式的に示す断面図である。このLEDにおいては、C面を主面とするサファイア基板1上にc軸方向に面方位が揃った窒化物半導体基板として、特にc軸方向に面方位が揃ったAlN層11が形成されており、その上面は鏡面になっている。AlN層11上には、それよりも格子定数が大きいGaN層12が成長されている。これらのサファイア基板1、AlN層11およびGaN層12からなる積層半導体基板10の上に窒化物半導体層が積層されてLEDが構成される。 [Embodiment 1] FIG. 3 is a sectional view schematically showing the structure of an LED as an example of a nitride semiconductor device using the laminated semiconductor substrate of the present invention. In this LED, on a sapphire substrate 1 having a C-plane as a main surface, an AlN layer 11 having a plane orientation aligned in the c-axis direction is formed as a nitride semiconductor substrate having a plane orientation aligned in the c-axis direction. The upper surface is a mirror surface. On the AlN layer 11, a GaN layer 12 having a larger lattice constant is grown. A nitride semiconductor layer is laminated on the laminated semiconductor substrate 10 composed of the sapphire substrate 1, the AlN layer 11, and the GaN layer 12 to constitute an LED.

次に、AlN層11、GaN層12、およびその上の窒化物半導体層を例えば同一装置内で連続的に成長させる場合の工程について説明する。   Next, a process for continuously growing the AlN layer 11, the GaN layer 12, and the nitride semiconductor layer thereon, for example, in the same apparatus will be described.

(第1の半導体層)
MOCVD装置の反応容器内にサファイア基板1をセットし、1000℃以上、好ましくは1200℃まで昇温させる。昇温中は、キャリアガスとして窒素(N2 )および/または水素(H2 )を流す。次に、1100℃以上で、好ましくは1200℃に到達してから、少なくともアンモニア(NH3 )ガスと原料ガスを供給する。この際、NH3 の供給量は、0.0005mol〜0.01mol、好ましは0.0008mol〜0.008molである。また、原料ガス、例えばTMA(トリメチルアルミニウム)の供給量は、0.1μmol〜10μmol、好ましくは0.5μmol〜5μmolである。ここで、V/III 比は50〜100000、圧力は50〜100torrである。上記条件で3時間以上の成長により、約0.2〜3μmの厚みのAlN膜が成長する。
(First semiconductor layer)
The sapphire substrate 1 is set in the reaction vessel of the MOCVD apparatus, and the temperature is raised to 1000 ° C. or higher, preferably 1200 ° C. During the temperature increase, nitrogen (N 2 ) and / or hydrogen (H 2 ) is allowed to flow as a carrier gas. Next, at least 1100 ° C., preferably after reaching 1200 ° C., at least ammonia (NH 3 ) gas and source gas are supplied. At this time, the supply amount of NH 3 is 0.0005 mol to 0.01 mol, preferably 0.0008 mol to 0.008 mol. The supply amount of the raw material gas, for example, TMA (trimethylaluminum) is 0.1 μmol to 10 μmol, preferably 0.5 μmol to 5 μmol. Here, the V / III ratio is 50 to 100,000, and the pressure is 50 to 100 torr. An AlN film having a thickness of about 0.2 to 3 μm is grown by the growth for 3 hours or more under the above conditions.

なお、上記AlN膜はGaを含有すると、容易に表面を鏡面とすることができる。具体的には、AlN膜の成長中にTMG(トリメチルガリウム)を0.1μmol〜10μmol程度供給すると、AlGaNが得られる。AlN膜にGaを好ましくは0.1〜2%含有させる。   Note that when the AlN film contains Ga, the surface can be easily mirror-finished. Specifically, when about 0.1 μmol to 10 μmol of TMG (trimethylgallium) is supplied during the growth of the AlN film, AlGaN is obtained. The AlN film preferably contains Ga in an amount of 0.1 to 2%.

なお、前記NH3 ガスの供給を開始するタイミングは、原料ガスと同時、または、少し遅らせる方が好ましい。また、原料ガスとNH3 ガスを交互に供給してもよい。 Note that the timing of starting the supply of the NH 3 gas is preferably the same as the source gas or slightly delayed. Further, the source gas and the NH 3 gas may be supplied alternately.

(第2の半導体層)
第1のステップとして、NH3 の供給量を0.0005mol〜0.05mol、TMGの供給量を30μmol〜100μmolとする。ここで、V/III 比は5〜1650、圧力は700〜850torrである。上記条件で5分間以上の成長により、0.05〜0.3μmの厚みのGaNの3次元成長核が成長する。
(Second semiconductor layer)
As a first step, the supply amount of NH 3 is set to 0.0005 mol to 0.05 mol, and the supply amount of TMG is set to 30 μmol to 100 μmol. Here, the V / III ratio is 5 to 1650, and the pressure is 700 to 850 torr. By growing for 5 minutes or longer under the above conditions, a three-dimensional growth nucleus of GaN having a thickness of 0.05 to 0.3 μm grows.

第2のステップとして、NH3 の供給量を0.005mol〜0.3mol、TMGの供給量を20μmol〜200μmolとする。ここで、V/III 比は2.5〜15000、圧力は700〜850torrである。上記条件で0.5時間以上の成長により、1μm〜10μmの厚みの低転位のGaN膜が成長する。 As a second step, the supply amount of NH 3 is set to 0.005 mol to 0.3 mol, and the supply amount of TMG is set to 20 μmol to 200 μmol. Here, the V / III ratio is 2.5 to 15000, and the pressure is 700 to 850 torr. Under the above conditions, a low dislocation GaN film having a thickness of 1 μm to 10 μm is grown by growth for 0.5 hour or more.

なお、第1のステップと第2のステップにおける温度や圧力、またはV/III 比を個々に変更し、3次元核成長および平坦化に適した条件に合わせることが好ましい。例えば、結晶成長初期における3次元成長核の密度が低くなる条件にすることにより、核合体時に発生する転位密度を低く抑えることが可能になり、また、核のc軸配向性が高いため合体時のチルトも抑制される。換言すると、GaN層12は、AlN層11のc軸方向の情報は受け継ぐが、a軸方向は緩和した結晶状態を持つようになり、AlN層11と比べて刃状転位および/または螺旋転位が少なくなるように形成される。   In addition, it is preferable that the temperature and pressure in the first step and the second step, or the V / III ratio are individually changed to match conditions suitable for three-dimensional nucleus growth and planarization. For example, by setting the condition that the density of three-dimensionally grown nuclei is low in the initial stage of crystal growth, it is possible to keep the dislocation density generated at the time of nuclear coalescence low, and since the c-axis orientation of the nuclei is high, This tilt is also suppressed. In other words, the GaN layer 12 inherits the information in the c-axis direction of the AlN layer 11 but has a relaxed crystal state in the a-axis direction, and has edge dislocations and / or helical dislocations compared to the AlN layer 11. It is formed so as to decrease.

(窒化物半導体層)
まず、GaN層12上にn型コンタクト層44を成長させる。このn型コンタクト層44としては、後で形成する活性層45のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、Alj Ga1-j N(0<j<0.3)が好ましい。n型コンタクト層44の膜厚は特に限定されるものではないが、好ましくは1μm以上、より好ましくは3μm以上である。また、n型コンタクト層44の不純物濃度は特に限定されるものではないが、好ましくは1×1018〜1×1020/cm3 、より好ましくは5×1018〜5×1019/cm3 である。また、n型不純物濃度に傾斜をつけてもよい。また、Alの組成に傾斜をつけることにより、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層としても機能する。
(Nitride semiconductor layer)
First, the n-type contact layer 44 is grown on the GaN layer 12. The n-type contact layer 44 has a composition that is larger than the band gap energy of the active layer 45 to be formed later, and is preferably Al j Ga 1-j N (0 <j <0.3). The thickness of the n-type contact layer 44 is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 3 μm or more. The impurity concentration of the n-type contact layer 44 is not particularly limited, but is preferably 1 × 10 18 to 1 × 10 20 / cm 3 , more preferably 5 × 10 18 to 5 × 10 19 / cm 3. It is. Further, the n-type impurity concentration may be inclined. In addition, by tilting the composition of Al, it also functions as a cladding layer for confining carriers.

次に、発光層(活性層)45を形成する。この活性層45は、少なくともAla Inb Ga1-a-b N(0≦a≦1、0≦b≦1、a+b≦1)からなる井戸層と、Alc Ind Ga1-c-d N(0≦c≦1、0≦d≦1、c+d≦1)からなる障壁層とを含む量子井戸構造を有する。 Next, a light emitting layer (active layer) 45 is formed. The active layer 45 includes a well layer composed of at least Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, a + b ≦ 1), and Al c In d Ga 1-cd N (0 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 1, and c + d ≦ 1).

井戸層の膜厚は、好ましくは1nm以上30nm以下、より好ましくは2nm以上20nm以下、さらに好ましくは3.5nm以上20nm以下である。また、井戸層の数は特に限定されるものではないが、少数キャリア拡散長を考慮して活性層全体の厚みを制御することが好ましい。   The thickness of the well layer is preferably 1 nm to 30 nm, more preferably 2 nm to 20 nm, and still more preferably 3.5 nm to 20 nm. The number of well layers is not particularly limited, but it is preferable to control the thickness of the entire active layer in consideration of the minority carrier diffusion length.

また、障壁層は、井戸層の場合と同様に、好ましくはp型不純物またはn型不純物がドープされているか、またはアンドープであり、より好ましくはn型不純物がドープされているか、またはアンドープである。例えば障壁層中にn型不純物をドープする場合、その濃度は少なくとも5×1016/cm3 以上が必要である。例えば、LEDでは、5×1016/cm3 以上、1×1020/cm3 以下が好ましい。 The barrier layer is preferably doped with p-type impurities or n-type impurities or undoped, and more preferably doped with n-type impurities or undoped, as in the case of the well layer. . For example, when an n-type impurity is doped in the barrier layer, the concentration needs to be at least 5 × 10 16 / cm 3 or more. For example, the LED, 5 × 10 16 / cm 3 or more, preferably 1 × 10 20 / cm 3 or less.

実施例1のLEDにおいては、障壁層は、井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きな窒化物半導体を用いる必要がある。特に、井戸層の発光波長が380nm以下の領域では、障壁層として、一般式Alc Ind Ga1-c-d N(0<c≦1、0≦d≦1、c+d<1)で表わされるAlInGaNの4元混晶、またはAlGaNの3元混晶を用いることが好ましい。 In the LED of Example 1, the barrier layer needs to use a nitride semiconductor having a larger band gap energy than the well layer. In particular, AlInGaN emission wavelength of the well layer is in the following regions 380 nm, represented by as a barrier layer, the general formula Al c In d Ga 1-cd N (0 <c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1, c + d <1) It is preferable to use a quaternary mixed crystal of GaN or a ternary mixed crystal of AlGaN.

次に、活性層45上にp型窒化物半導体層を複数層で形成する。まず、p型クラッド層46として、活性層45のバンドギャップエネルギーより大きくなる組成であり、キャリアを活性層45へ閉じ込めることができれば特に限定されないが、Alk Ga1-k N(0≦k<1)が用いられ、特にAlk Ga1-k N(0<k<0.4)が好ましい。p型クラッド層46の膜厚は、特に限定されるものではないが、好ましくは0.005〜0.3μm、より好ましくは0.01〜0.2μmである。また、p型クラッド層46のp型不純物濃度は、好ましくは1×1018〜1×1021/cm3 、より好ましくは1×1019〜5×1020/cm3 である。p型不純物濃度が上記の範囲にあると、結晶性を低下させることなくバルク抵抗を低下させることができる。p型クラッド層46は、単一層でも多層膜層(超格子構造)でもよい。多層膜層の場合、上記のAlk Ga1-k N(0≦k<1)と、それよりバンドギャップエネルギーより小さい窒化物半導体層とからなる多層膜層であればよい。例えばバンドギャップエネルギーが小さい窒化物半導体層としては、n型クラッド層44の場合と同様に、Inl Ga1-l N(0≦l≦1)、Alm Ga1-m N(0≦m<1、m>l)が挙げられる。多層膜層を形成する各層の膜厚は、超格子構造の場合は、一層の膜厚が好ましくは10nm以下、より好ましくは7nm以下、さらに好ましくは1〜4nmとすることができる。また、p型クラッド層46がバンドギャップエネルギーの大きい層とバンドギャップエネルギーの小さい層とからなる多層膜層である場合は、バンドギャップエネルギーの大きい層および小さい層の一方にp型不純物をドープしてもよい。また、バンドギャップエネルギーの大きい層および小さい層の両方に不純物をドープする場合は、ドープ量は同一でも異なってもよい。 Next, a plurality of p-type nitride semiconductor layers are formed on the active layer 45. First, the p-type cladding layer 46 has a composition larger than the band gap energy of the active layer 45, and is not particularly limited as long as carriers can be confined in the active layer 45, but Al k Ga 1-k N (0 ≦ k < 1) is used, in particular Al k Ga 1-k N ( 0 <k <0.4) is preferable. The film thickness of the p-type cladding layer 46 is not particularly limited, but is preferably 0.005 to 0.3 μm, more preferably 0.01 to 0.2 μm. The p-type impurity concentration of the p-type cladding layer 46 is preferably 1 × 10 18 to 1 × 10 21 / cm 3 , more preferably 1 × 10 19 to 5 × 10 20 / cm 3 . When the p-type impurity concentration is in the above range, the bulk resistance can be reduced without reducing the crystallinity. The p-type cladding layer 46 may be a single layer or a multilayer film layer (superlattice structure). In the case of a multilayer film layer, it may be a multilayer film layer composed of the above Al k Ga 1-k N (0 ≦ k <1) and a nitride semiconductor layer having a smaller band gap energy. For example, as a nitride semiconductor layer having a small band gap energy, as in the case of the n-type cladding layer 44, In l Ga 1-l N (0 ≦ l ≦ 1), Al m Ga 1-m N (0 ≦ m <1, m> l). In the case of a superlattice structure, the thickness of each layer forming the multilayer layer is preferably 10 nm or less, more preferably 7 nm or less, and even more preferably 1 to 4 nm. When the p-type cladding layer 46 is a multilayer film composed of a layer having a large band gap energy and a layer having a small band gap energy, one of the layer having a large band gap energy and the layer having a small band gap energy is doped with a p-type impurity. May be. Further, when impurities are doped into both the layer having a large band gap energy and the layer having a small band gap energy, the doping amount may be the same or different.

p型クラッド層46上にp型コンタクト層47を形成する。p型コンタクト層47は、Alf Ga1-f N(0≦f<1)が用いられ、特にAlf Ga1-f N(0≦k<0.3)で構成することにより、後で形成されるオーミック電極であるp型電極48と良好なオーミックコンタクトが可能となる。p型コンタクト層47のp型不純物濃度は1×1018/cm3 以上が好ましい。 A p-type contact layer 47 is formed on the p-type cladding layer 46. The p-type contact layer 47 is made of Al f Ga 1-f N (0 ≦ f <1). In particular, the p-type contact layer 47 is made of Al f Ga 1-f N (0 ≦ k <0.3). Good ohmic contact is possible with the p-type electrode 48 which is an ohmic electrode to be formed. The p-type impurity concentration of the p-type contact layer 47 is preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more.

この後、p型コンタクト層47、p型クラッド層46、活性層45およびn型コンタクト層44の一部をエッチング除去することによってn型コンタクト層44の一部を露出させ、その露出面にn電極50を形成し、LEDを得る。   Thereafter, a part of the n-type contact layer 44 is exposed by etching away a part of the p-type contact layer 47, the p-type cladding layer 46, the active layer 45, and the n-type contact layer 44, and n is exposed on the exposed surface. An electrode 50 is formed to obtain an LED.

なお、窒化物半導体層の形成は、有機金属化学気相成長(MOCVD)法に限らず、ハライド気相エピタキシャル成長(HVPE)法、分子線エピタキシー(MBE)法等を用いて成長させることができる。   The formation of the nitride semiconductor layer is not limited to the metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, and can be performed using a halide vapor phase epitaxy (HVPE) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like.

[実施例2]実施例2は、Daisuke Morita et.al, “High Output Power 365nm ULTRAVIOLET Light Emitting Diode of Gan-Free Structure”jpn.j.Appl.Phys.Vol.41(2002)pp.L 1434-L 1436に開示されている構造を参考にし、本発明の積層半導体基板を使用して製造したLEDである。 [Example 2] Example 2 is Daisuke Morita et.al, "High Output Power 365 nm ULTRAVIOLET Light Emitting Diode of Gan-Free Structure" jpn.j.Appl.Phys.Vol.41 (2002) pp.L 1434- An LED manufactured using the laminated semiconductor substrate of the present invention with reference to the structure disclosed in L1436.

図4(a)、(b)は、実施例2のLEDの製造工程を模式的に示している。まず、図4(a)に示すように、実施例1と同様の工程によりサファイア基板1上にAlN層11、GaN層12を成長させた後、以下の各層を順次成長させる。まず、n型Al0.07Ga0.93N層53を2.5μmの厚さで形成する。ここで、n型不純物はSiとする。次に、井戸層と障壁層の5ペアからなる多重量子井戸(MQW:Multi-Quantum-Well)構造を有する活性層(MQW活性層)54を形成する。ここで、井戸層は、アンドープ(undoped )In0.01Ga0.99Nであり、厚さ5nm程度である。障壁層は、Si−Al0.09Ga0.91Nであり、厚さ20nmである。次に、p型Al0.38Ga0.62N層55を30nmの厚さで形成する。ここで、p型不純物はMgとする。次に、p型Al0.07Ga0.93N層56を0.12μmの厚さで形成する。ここで、p型不純物はMgとする。次に、p型オーミックコンタクト電極57を蒸着により形成する。この際、このp型オーミックコンタクト電極57が高い反射特性を有するようにRhを用いることにより、365nmの発光波長に対してp型Al0.07Ga0.93N層56との境界面において高い反射率が得られる。次に、p型オーミックコンタクト電極57上にAu/Sn膜58を薄く形成する。 4A and 4B schematically show the manufacturing process of the LED of Example 2. FIG. First, as shown in FIG. 4A, after the AlN layer 11 and the GaN layer 12 are grown on the sapphire substrate 1 by the same process as in the first embodiment, the following layers are sequentially grown. First, an n-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 53 is formed with a thickness of 2.5 μm. Here, the n-type impurity is Si. Next, an active layer (MQW active layer) 54 having a multi-quantum well (MQW) structure composed of five pairs of a well layer and a barrier layer is formed. Here, the well layer is made of undoped In 0.01 Ga 0.99 N and has a thickness of about 5 nm. The barrier layer is Si—Al 0.09 Ga 0.91 N and has a thickness of 20 nm. Next, a p-type Al 0.38 Ga 0.62 N layer 55 is formed with a thickness of 30 nm. Here, the p-type impurity is Mg. Next, a p-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 56 is formed with a thickness of 0.12 μm. Here, the p-type impurity is Mg. Next, the p-type ohmic contact electrode 57 is formed by vapor deposition. At this time, by using Rh so that the p-type ohmic contact electrode 57 has high reflection characteristics, a high reflectivity is obtained at the interface with the p-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 56 for an emission wavelength of 365 nm. It is done. Next, a thin Au / Sn film 58 is formed on the p-type ohmic contact electrode 57.

次に、図4(b)に示すように、Au/Sn膜58を介してp型オーミックコンタクト電極57側を熱伝導性が高い基板(例えばCuW基板59)上にボンディングする。この後、例えばサファイア基板1の裏面側からレーザ照射を行うことによりサファイア基板1、AlN層11、GaN層12を除去してn型Al0.07Ga0.93N層53を露出させる。このn型Al0.07Ga0.93N層53の露出面を例えばCMP(化学的機械研磨)により研磨した後、研磨面にn電極60を例えば所定のメッシュ状に形成する。そして、CuW基板59を熱抵抗が低いリードフレーム(図示せず)上にマウントする。 Next, as shown in FIG. 4B, the p-type ohmic contact electrode 57 side is bonded to a substrate having high thermal conductivity (for example, a CuW substrate 59) through an Au / Sn film 58. Thereafter, the n-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 53 is exposed by removing the sapphire substrate 1, the AlN layer 11, and the GaN layer 12 by performing laser irradiation from the back side of the sapphire substrate 1, for example. After the exposed surface of the n-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 53 is polished by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing), the n-electrode 60 is formed on the polished surface in a predetermined mesh shape, for example. Then, the CuW substrate 59 is mounted on a lead frame (not shown) having a low thermal resistance.

このようなプロセスを経て製造されたLEDの構造によれば、CuW基板59による放熱性が良く、高い発光出力が得られる。なお、前記したようにサファイア基板1、AlN層11、GaN層12が除去された後のLEDの構造は、従来のLEDの構造と一見類似しているが、n型Al0.07Ga0.93N層53、MQW活性層54、p型Al0.38Ga0.62N層55、p型Al0.07Ga0.93N層56は、c軸方向に面方位が揃ったAlN層11、GaN層12の上に順次成長されたものである点で差異がある。 According to the structure of the LED manufactured through such a process, heat dissipation by the CuW substrate 59 is good, and a high light emission output can be obtained. As described above, the structure of the LED after the sapphire substrate 1, the AlN layer 11, and the GaN layer 12 are removed is similar to the structure of the conventional LED, but the n-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 53 is used. The MQW active layer 54, the p-type Al 0.38 Ga 0.62 N layer 55, and the p-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 56 were sequentially grown on the AlN layer 11 and the GaN layer 12 having the same plane orientation in the c-axis direction. There is a difference in that it is.

[実施例3]実施例3に係るLEDは、実施例2の一部を変更し、p型オーミックコンタクト電極57を形成した後、p型Al0.07Ga0.93N層56、p型Al0.38Ga0.62N層55、MQW活性層54およびn型Al0.07Ga0.93N層53の一部をエッチング除去することによってGaN層12の一部を露出させ、その露出面にn電極(図示せず)を形成した構造を有するLEDを得ることも可能である。 [Example 3] An LED according to Example 3 was obtained by modifying part of Example 2 to form a p-type ohmic contact electrode 57, and then p-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 56, p-type Al 0.38 Ga 0.62 The N layer 55, the MQW active layer 54, and the n-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 53 are partially etched away to expose a part of the GaN layer 12, and an n electrode (not shown) is formed on the exposed surface. It is also possible to obtain an LED having the above structure.

[実施例4]実施例4に係るLEDは、前述した実施例2に係るLEDと比べて、MQW活性層の井戸層(undoped In0.01Ga0.99N)の厚さが7nmである点と、障壁層のAl組成が11%、p型Al0.38Ga0.62N層のAl組成が23%、厚さが25nmである点が異なり、その他は同じである。このような構造により、実施例2とほぼ同等の特性を有するLEDを得ることができる。 [Example 4] Compared with the LED according to Example 2 described above, the LED according to Example 4 is characterized in that the well layer (undoped In 0.01 Ga 0.99 N) of the MQW active layer has a thickness of 7 nm. The difference is that the Al composition of the layer is 11%, the Al composition of the p-type Al 0.38 Ga 0.62 N layer is 23%, and the thickness is 25 nm, and the others are the same. With such a structure, an LED having substantially the same characteristics as in Example 2 can be obtained.

[実施例5]実施例4の一部を変更し、実施例3と同様に、GaN層12の上面の一部を露出させ、その露出面にn電極(図示せず)を形成した構造を有するLEDを得ることも可能である。 [Embodiment 5] A structure in which a part of the embodiment 4 is changed and a part of the upper surface of the GaN layer 12 is exposed and an n-electrode (not shown) is formed on the exposed surface as in the embodiment 3. It is also possible to obtain an LED with.

[実施例6]実施例6は、図2に示した積層半導体基板の実施例であり、図1に示した積層半導体基板(ウェハー)10のGaN層12上に、それよりも格子定数が小さい第3の半導体層としてAlx Ga1-x N(0<x≦0.1)層13を成長させたものである。これらのサファイア基板1、AlN層11、GaN層12およびAlx Ga1-x N(0<x≦0.1)層13は、その上に窒化物半導体を積層するための積層半導体基板を構成している。 [Example 6] Example 6 is an example of the laminated semiconductor substrate shown in FIG. 2, and has a lattice constant smaller than that on the GaN layer 12 of the laminated semiconductor substrate (wafer) 10 shown in FIG. An Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1) layer 13 is grown as a third semiconductor layer. These sapphire substrate 1, AlN layer 11, GaN layer 12 and Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1) layer 13 constitute a laminated semiconductor substrate for laminating a nitride semiconductor thereon. doing.

実施例6の積層半導体基板を形成する際、まず、実施例1で述べたようにGaN層12を形成した後、その上にAlx Ga1-x N(0<x≦0.1)層13を積層する。具体的には、引き続き、基板の温度を所定の温度に設定し、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMGとTMAを用い、Al0.05Ga0.95N層13を10μm程度成長させる。このAl0.05Ga0.95N層13の平均的な成長方向はc軸方向である。 When forming the laminated semiconductor substrate of Example 6, first, after forming the GaN layer 12 as described in Example 1, an Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1) layer is formed thereon. 13 are stacked. Specifically, the substrate temperature is set to a predetermined temperature, and the Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 is grown to about 10 μm using hydrogen as the carrier gas and ammonia, TMG and TMA as the source gas. The average growth direction of the Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 is the c-axis direction.

したがって、この積層半導体基板上に結晶性の良い窒化物半導体層を積層して窒化物半導体デバイス(LED、LDなど)を形成する際、デバイスの製造工程を安定化し、デバイスを歩留まり良く、低コストで実現することができる。   Therefore, when a nitride semiconductor device (LED, LD, etc.) is formed by laminating a nitride semiconductor layer with good crystallinity on this laminated semiconductor substrate, the device manufacturing process is stabilized, the device yields and the cost is low. Can be realized.

[実施例7]実施例7は、本願出願人に係る特開平9−153642号公報に開示の窒化物半導体発光素子を参考にし、本発明の積層半導体基板を使用して製造したLEDである。 図5は、実施例7のLEDの構造を模式的に示す断面図である。図5に示すLEDは、図2を参照して前述した実施例6におけるサファイア基板1、AlN層11、GaN層12およびAlx Ga1-x N層13からなる積層半導体基板を使用して素子を形成した後にチップに切り出したものである。この場合、実施例6で得られた積層半導体基板のGaN層12をバッファ層として使用し、その上のSi−Alb Ga1-b N層13をn型コンタクト層およびn型クラッド層として使用している。Si−Alb Ga1-b N層13上に、単一量子井戸(SQW:Single-Quantum-Well)構造若しくはMQW構造を有する活性層16、p型クラッド層17、p型コンタクト層18が形成されている。p型コンタクト層18、p型クラッド層17および活性層16の一部がエッチングにより取り除かれてn型クラッド層13が露出している。p型コンタクト層18上にはp電極14が形成されており、n型クラッド層13上にはn電極15が形成されている。 [Example 7] Example 7 is an LED manufactured using the laminated semiconductor substrate of the present invention with reference to the nitride semiconductor light emitting device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-153642 of the present applicant. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the LED of Example 7. The LED shown in FIG. 5 is an element using a laminated semiconductor substrate including the sapphire substrate 1, the AlN layer 11, the GaN layer 12, and the Al x Ga 1-x N layer 13 in Example 6 described above with reference to FIG. After being formed, it is cut out into chips. In this case, the GaN layer 12 of the laminated semiconductor substrate obtained in Example 6 is used as a buffer layer, and the Si—Al b Ga 1-b N layer 13 thereon is used as an n-type contact layer and an n-type cladding layer. doing. On the Si-Al b Ga 1-b N layer 13, a single quantum well (SQW: Single-Quantum-Well ) active layer 16 having the structure or a MQW structure, p-type cladding layer 17, p-type contact layer 18 is formed Has been. A part of the p-type contact layer 18, the p-type cladding layer 17 and the active layer 16 is removed by etching, and the n-type cladding layer 13 is exposed. A p-electrode 14 is formed on the p-type contact layer 18, and an n-electrode 15 is formed on the n-type cladding layer 13.

そして、ウェハーが320μm角のチップにカットされた後、カップ形状を有するリードフレームに設置され、エポキシ樹脂でモールドされることによってLED素子が構成されている。   Then, after the wafer is cut into 320 μm square chips, it is placed on a lead frame having a cup shape and molded with an epoxy resin to constitute an LED element.

前記活性層16は、SQW構造またはMQW構造にすると、非常に出力の高い発光素子が得られる。ここで、SQWおよびMQWは、ノンドープのInGaNによる量子準位間の発光が得られる活性層の構造である。例えばSQW活性層は、単一組成のInx Aly Ga1-x-y N(0≦X,y <1)、例えばInx Ga1-x N(0≦X <1)で構成した層であり、Inx Ga1-x Nの膜厚を10nm以下、さらに好ましくは7nm以下とすることにより量子準位間の強い発光が得られる。また、MQW活性層は、組成比の異なるInx Ga1-x N(X =0、X =1を含む)の薄膜を複数積層した多層膜とする。このように活性層をSQW構造またはMQW構造とすることにより、量子準位間発光で約365nm〜660nmまでの発光が得られる。量子構造の井戸層の厚さとしては、前記のように7nm以下が好ましい。MQW構造では井戸層はInx Ga1-x Nで構成し、障壁層は同じくIny Ga1-y N(y <x 、y =0を含む)で構成することが望ましい。特に好ましくは井戸層と障壁層をInGaNで形成すると同一温度で成長できるので結晶性のよい活性層が得られる。障壁層の膜厚は15nm以下、さらに好ましくは12nm以下にすると高出力の発光素子が得られる。 When the active layer 16 has an SQW structure or an MQW structure, a light emitting element having a very high output can be obtained. Here, SQW and MQW are structures of active layers that can emit light between quantum levels by non-doped InGaN. For example SQW active layer having a single composition In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ X, y <1), be a layer that is made of, for example, In x Ga 1-x N ( 0 ≦ X <1) Intensity light emission between quantum levels can be obtained by setting the film thickness of In x Ga 1-x N to 10 nm or less, more preferably 7 nm or less. The MQW active layer is a multilayer film in which a plurality of thin films of In x Ga 1-x N (including X = 0, X = 1) having different composition ratios are stacked. In this way, when the active layer has the SQW structure or the MQW structure, light emission of about 365 nm to 660 nm can be obtained by light emission between quantum levels. As described above, the thickness of the quantum well layer is preferably 7 nm or less. In the MQW structure, the well layer is preferably composed of In x Ga 1-x N, and the barrier layer is also composed of In y Ga 1-y N (y <x, y = 0 included). Particularly preferably, when the well layer and the barrier layer are formed of InGaN, the active layer having good crystallinity can be obtained because it can be grown at the same temperature. When the thickness of the barrier layer is 15 nm or less, more preferably 12 nm or less, a high-power light-emitting element can be obtained.

前記したように量子構造の井戸層の厚さとしては7nm以下、さらに好ましくは5nm以下とすると発光出力の高い素子を実現できる。これは、この膜厚がInGaN活性層の臨界膜厚以下であることを示している。MQW構造の場合も同様に、井戸層の厚さは7nm以下に調整し、障壁層の厚さは15nm以下に調整することが望ましい。ここで、紫外発光の活性層においては、障壁層の膜厚を10〜20nmとする。   As described above, when the thickness of the quantum structure well layer is 7 nm or less, more preferably 5 nm or less, an element having a high light emission output can be realized. This indicates that this film thickness is less than the critical film thickness of the InGaN active layer. Similarly, in the case of the MQW structure, it is desirable to adjust the thickness of the well layer to 7 nm or less and the thickness of the barrier layer to 15 nm or less. Here, in the ultraviolet light emitting active layer, the thickness of the barrier layer is 10 to 20 nm.

活性層16に接するp型クラッド層17は、p型Aly Ga1-y N(0≦y <1)とする必要があり、特に好ましくはy 値を0.05以上とすると高出力の素子が得られる。さらに、AlGaNは高キャリア濃度のp型が得られやすく、また成長時に分解し難く、InGaN活性層16の分解を抑える作用がある。しかも、InGaN活性層16に対して、バンドオフセットおよび屈折率差を他の窒化物半導体に比べて大きくできるので最も優れている。また、p型クラッド層をp型GaNとすると、p型AlGaNに比べて発光出力が約1/3に低下してしまう。これは、AlGaNが電子障壁層として有効であるからである。したがって、p型クラッド層としては、y 値が0.05以上のMgドープp型Aly Ga1-y Nが最も好ましい。このp型クラッド層17の膜厚は、1nm以上、2μm以下、さらに好ましくは5nm以上、0.5μm以下にすることが望ましい。p型クラッド層17の膜厚が1nmよりも薄いと、p型クラッド層17が存在しないのに近い状態になり、発光出力が低下する傾向にあり、2μmより厚いと結晶成長中にp型クラッド層自体にクラックが入りやすくなり、クラックの入った層に次の層を積層しても、結晶性の良い半導体層が得られず、出力が低下する傾向にあるからである。なお、窒化物半導体をp型とするには、結晶成長中にMg、Zn、C、Be、Ca、Ba等のアクセプター不純物をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度のp層を得るためには、アクセプター不純物のドープ後、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中、400℃以上でアニーリングすることがより望ましい。アニーリングを行うことにより、通常、p型AlGaNで1×1017〜1×1019/cm3 のキャリア濃度が得られる。また、その他、電子線照射処理を行ってもよい。p型コンタクト層18は、p型GaN、特に好ましくはMgドープp型GaNとする。このp型GaNは、p電極14と接する層であるので、発光素子の場合、オーミックコンタクトを得ることが重要である。p型GaNは、多くの金属とオーミックが取り易く、コンタクト層として最も好ましい電極材料としては、例えばNi−Au、Ni−Ti等を挙げることができる。p型コンタクト層18の厚さは特に限定するものではないが、通常、50nm〜2μm程度の厚さで成長する
ことが望ましい。
The p-type cladding layer 17 in contact with the active layer 16 needs to be p-type Al y Ga 1-y N (0 ≦ y <1), and particularly preferably a high output element when the y value is 0.05 or more. Is obtained. Furthermore, AlGaN is easy to obtain a p-type with a high carrier concentration, is hardly decomposed during growth, and has an action of suppressing decomposition of the InGaN active layer 16. In addition, the band offset and the refractive index difference with respect to the InGaN active layer 16 can be increased as compared with other nitride semiconductors, which is the most excellent. Further, if the p-type cladding layer is made of p-type GaN, the light emission output is reduced to about 1/3 compared with p-type AlGaN. This is because AlGaN is effective as an electron barrier layer. Therefore, as the p-type cladding layer, Mg-doped p-type Al y Ga 1-y N having a y value of 0.05 or more is most preferable. The thickness of the p-type cladding layer 17 is desirably 1 nm or more and 2 μm or less, more preferably 5 nm or more and 0.5 μm or less. If the thickness of the p-type cladding layer 17 is less than 1 nm, the p-type cladding layer 17 is almost absent, and the light emission output tends to decrease. If the thickness is larger than 2 μm, the p-type cladding layer is grown during crystal growth. This is because cracks are likely to occur in the layer itself, and even if the next layer is laminated on the cracked layer, a semiconductor layer with good crystallinity cannot be obtained and the output tends to decrease. In order to obtain a p-type nitride semiconductor, it can be obtained by doping an acceptor impurity such as Mg, Zn, C, Be, Ca, Ba during crystal growth. More preferably, after doping with acceptor impurities, annealing is performed at 400 ° C. or higher in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. By performing annealing, a carrier concentration of 1 × 10 17 to 1 × 10 19 / cm 3 is usually obtained with p-type AlGaN. In addition, an electron beam irradiation process may be performed. The p-type contact layer 18 is p-type GaN, particularly preferably Mg-doped p-type GaN. Since this p-type GaN is a layer in contact with the p-electrode 14, it is important to obtain an ohmic contact in the case of a light-emitting element. The p-type GaN can easily form an ohmic contact with many metals, and examples of the most preferable electrode material for the contact layer include Ni—Au and Ni—Ti. The thickness of the p-type contact layer 18 is not particularly limited, but it is usually desirable to grow with a thickness of about 50 nm to 2 μm.

図5に示したデバイス構造によれば、必要最小限の構造で、発光出力に優れた窒化物LEDを得ることができる。その理由は、各層それぞれが有効に作用しているからである。まず、Si−Al0.05Ga0.95N層13からなるn型クラッド層は、電流注入層にもなるし、キャリア閉じ込め層にもなる。Si−Al0.05Ga0.95N層13は、n型不純物を発光層への電流注入層として適切な量だけ含んでおり、過剰なn型不純物を含まないので、発光層からの発熱を基板側から効率良く放熱することが可能になり、素子寿命に優れたLEDを得ることができる。 According to the device structure shown in FIG. 5, it is possible to obtain a nitride LED having an excellent light emission output with a minimum necessary structure. The reason is that each layer works effectively. First, the n-type cladding layer made of the Si—Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 serves as both a current injection layer and a carrier confinement layer. The Si—Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 contains an appropriate amount of n-type impurities as a current injection layer to the light emitting layer, and does not contain excessive n type impurities, so heat generated from the light emitting layer is generated from the substrate side. It becomes possible to dissipate heat efficiently, and an LED having an excellent element lifetime can be obtained.

[実施例8]実施例8は、実施例7のLEDの変形例1であり、実施例6に示した積層半導体基板を使用して素子を形成し、サファイア基板およびAlN層を除去した後にチップに切り出したものである。 [Example 8] Example 8 is a modification 1 of the LED of Example 7, in which an element is formed using the laminated semiconductor substrate shown in Example 6, and after removing the sapphire substrate and the AlN layer, the chip is formed. Is cut out.

図6は、実施例8のLEDの構造を模式的に示す断面図である。図6に示すLEDの構造は、図5に示したLEDと比べて、(1)n型クラッド層13の上面は露出していない点、(2)サファイア基板1およびAlN層11が除去されている点、(3)GaN層12の裏面側が研磨され、所定の厚さに調整された後で、n電極15が形成され、GaN層12がnコンタクト層として使用されている点が異なり、その他は同じであるので同じ符号を付している。   FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the LED of Example 8. The structure of the LED shown in FIG. 6 is (1) the upper surface of the n-type cladding layer 13 is not exposed, and (2) the sapphire substrate 1 and the AlN layer 11 are removed, compared with the LED shown in FIG. (3) The back surface side of the GaN layer 12 is polished and adjusted to a predetermined thickness, and then the n electrode 15 is formed, and the GaN layer 12 is used as an n contact layer. Since they are the same, they are given the same reference numerals.

このような構造により、実施例3とほぼ同等の特性を有する薄型のLEDを得ることができる。   With such a structure, it is possible to obtain a thin LED having substantially the same characteristics as those of the third embodiment.

[実施例9]実施例9は、本願出願人に係る特許第3063757号公報に開示の窒化物半導体素子の1つであるLEDを参考にし、本発明の積層半導体基板を使用して製造したLEDである。 [Example 9] Example 9 refers to an LED which is one of the nitride semiconductor elements disclosed in Japanese Patent No. 3063757 of the present applicant, and is manufactured using the laminated semiconductor substrate of the present invention. It is.

図7は、実施例9のLEDの構造を模式的に示す断面図である。図7に示すLEDは、図2を参照して前述した実施例6のサファイア基板1、AlN層11、GaN層12およびAlx Ga1-x N層13からなる積層半導体基板を使用して素子を形成した後にチップに切り出したものである。この場合、実施例6で得られた積層半導体基板のGaN層12をバッファ層として使用し、その上のSi−Alb Ga1-b N層13をn型コンタクト層として使用している。Si−Alb Ga1-b N層13上には、アンドープ窒化物半導体の下層5a、n型不純物ドープ窒化物半導体の中間層5bおよびアンドープ窒化物半導体の上層5cの3層が順に積層されてなるn側第1多層膜5、第1および第2の窒化物半導体層よりなるn側第2多層膜層6、MQW構造の活性層7、p側クラッド層8、(Mgドープ)p側GaNコンタクト層9が順に積層されている。p側GaNコンタクト層9、p側クラッド層8、MQW構造の活性層7、n側第2多層膜層6、n側第1多層膜5およびn型コンタクト層(Si−Alb Ga1-b N層13)の一部がエッチングにより除去されてn型コンタクト層の上面の一部が露出している。p側GaNコンタクト層9上にはp電極およびpパッド電極14が形成されており、n型コンタクト層の露出部上にはn電極15が形成されている。 FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the LED of Example 9. The LED shown in FIG. 7 uses a laminated semiconductor substrate composed of the sapphire substrate 1, the AlN layer 11, the GaN layer 12, and the Al x Ga 1-x N layer 13 of Example 6 described above with reference to FIG. After being formed, it is cut out into chips. In this case, the GaN layer 12 of the laminated semiconductor substrate obtained in Example 6 is used as a buffer layer, and the Si—Al b Ga 1-b N layer 13 thereon is used as an n-type contact layer. On the Si—Al b Ga 1-b N layer 13, an undoped nitride semiconductor lower layer 5 a, an n-type impurity doped nitride semiconductor intermediate layer 5 b, and an undoped nitride semiconductor upper layer 5 c are stacked in order. N-side first multilayer film 5, n-side second multilayer film layer 6 made of first and second nitride semiconductor layers, MQW structure active layer 7, p-side cladding layer 8, (Mg-doped) p-side GaN Contact layers 9 are sequentially stacked. p-side GaN contact layer 9, p-side cladding layer 8, MQW structure active layer 7, n-side second multi-film layer 6, n-side first multi-layer film 5 and the n-type contact layer (Si-Al b Ga 1- b A part of the N layer 13) is removed by etching, and a part of the upper surface of the n-type contact layer is exposed. A p-electrode and a p-pad electrode 14 are formed on the p-side GaN contact layer 9, and an n-electrode 15 is formed on the exposed portion of the n-type contact layer.

なお、前記活性層7は、Ina Ga1-a N(0≦a <1)を含んでなるMQW構造である。p側クラッド層8は、互いにバンドギャップエネルギーが異なり且つ互いにp型不純物濃度が異なる(または同一の)第3の窒化物半導体層および第4の窒化物半導体層が積層されてなるp側多層膜クラッド層、または、p型不純物を含みAlb Ga1-b N(0≦b≦1)よりなるp側単一膜クラッド層である。 The active layer 7 has an MQW structure containing In a Ga 1-a N (0 ≦ a <1). The p-side cladding layer 8 is a p-side multilayer film in which a third nitride semiconductor layer and a fourth nitride semiconductor layer having different bandgap energy and different p-type impurity concentrations (or the same) are laminated. It is a clad layer or a p - side single film clad layer made of Al b Ga 1-b N (0 ≦ b ≦ 1) containing p-type impurities.

図7に示したデバイス構造によれば、発光出力に優れた窒化物LEDを得ることができる。その理由は、各層それぞれが有効に作用しているからである。Si−Al0.05Ga0.95N層13は、電流注入層にもなるし、キャリア閉じ込め層にもなる。 According to the device structure shown in FIG. 7, a nitride LED excellent in light emission output can be obtained. The reason is that each layer works effectively. The Si—Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 serves as both a current injection layer and a carrier confinement layer.

次に、n側第1多層膜5、n側第2多層膜層6、MQW構造の活性層7、p側クラッド層8、p側GaNコンタクト層9、p電極およびpパッド電極14、n電極15を形成する工程について説明する。   Next, the n-side first multilayer film 5, the n-side second multilayer film layer 6, the active layer 7 having the MQW structure, the p-side cladding layer 8, the p-side GaN contact layer 9, the p-electrode and the p-pad electrode 14, and the n-electrode The process of forming 15 will be described.

(n側第1多層膜層5)実施例2で得られた積層半導体基板上に、1050℃で、TMG、アンモニアガスを用いて、アンドープGaNからなる下層5aを2000オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加し、Siを4.5×1018/cm3 ドープしたGaNからなる中間層5bを300オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープGaNからなる上層5cを50オングストロームの膜厚で成長させ、3層からなる総膜厚2350オングストロームの第1多層膜層5を成長させる。 (N-side first multilayer film layer 5) On the laminated semiconductor substrate obtained in Example 2, a lower layer 5a made of undoped GaN is grown to a thickness of 2000 angstroms at 1050 ° C. using TMG and ammonia gas. Subsequently, silane gas is added at the same temperature, an intermediate layer 5b made of GaN doped with Si of 4.5 × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 300 Å, and then only silane gas is stopped. The upper layer 5c made of undoped GaN is grown to a thickness of 50 angstroms at a temperature, and the first multilayer film layer 5 having a total thickness of 2350 angstroms made of three layers is grown.

(n側第2多層膜層6)次に、同様の温度で、アンドープGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長させ、次に温度を800℃にして、TMG、TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、アンドープIn0.13Ga0.87Nよりなる第1の窒化物半導体層を20オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第2+第1の順で交互に10層づつ積層させ、最後にGaNよりなる第2の窒化物半導体層を40オングストローム成長させた超格子構造の多層膜よりなるn側第2多層膜層6を640オングストロームの膜厚で成長させる。 (N-side second multilayer film layer 6) Next, a second nitride semiconductor layer made of undoped GaN is grown by 40 angstroms at the same temperature, and then the temperature is raised to 800 ° C., and TMG, TMI (trimethylindium ), Using ammonia, the first nitride semiconductor layer made of undoped In 0.13 Ga 0.87 N is grown to 20 Å. Then, these operations are repeated, and 10 layers are alternately laminated in the 2 + first order. Finally, the second nitride semiconductor layer made of GaN is grown to a thickness of 40 Å. The second multilayer layer 6 is grown to a thickness of 640 angstrom.

(活性層7)次に、アンドープGaNよりなる障壁層を200オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニアを用いアンドープIn0.4 Ga0.6 Nよりなる井戸層を30オングストロームの膜厚で成長させる。そして、障壁+井戸+障壁+井戸・・・・+障壁の順で障壁層を5層、井戸層を4層、交互に積層して、総膜厚1120オングストロームのMQW構造よりなる活性層7を成長させる。 (Active layer 7) Next, a barrier layer made of undoped GaN is grown to a thickness of 200 angstroms, followed by a temperature of 800 ° C., and a well layer made of undoped In 0.4 Ga 0.6 N using TMG, TMI, and ammonia. Is grown at a film thickness of 30 Å. Then, five barrier layers and four well layers are alternately stacked in the order of barrier + well + barrier + well... + Barrier to form an active layer 7 having an MQW structure with a total film thickness of 1120 angstroms. Grow.

(p側多層膜クラッド層8)次に、温度1050℃で、TMG、TMA、アンモニア、Cp2 Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3 ドープしたp型Al0.2 Ga0.8 Nよりなる第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を800℃にして、TMG、TMI、アンモニア、Cp2 Mgを用い、Mgを1×1020/cm3 ドープしたIn0.03Ga0.97Nよりなる第4の窒化物半導体層を25オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、第3+第4の順で交互に5層ずつ積層し、最後に第3の窒化物半導体層を40オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるp側多層膜クラッド層8を365オングストロームの膜厚で成長させる。 Next, p-type Al doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg at a temperature of 1050 ° C. using TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienylmagnesium). A third nitride semiconductor layer made of 0.2 Ga 0.8 N is grown to a thickness of 40 angstroms, followed by a temperature of 800 ° C., using TMG, TMI, ammonia, Cp 2 Mg, and 1 × 10 20 Mg. A fourth nitride semiconductor layer made of In 0.03 Ga 0.97 N doped with / cm 3 is grown to a thickness of 25 Å. Then, these operations are repeated, and 5 layers are alternately stacked in the order of 3 + 4, and finally, the third nitride semiconductor layer is grown to a thickness of 40 angstroms and is formed of a superlattice multilayer film. The side multilayer clad layer 8 is grown to a film thickness of 365 angstroms.

(p側GaNコンタクト層9)続いて1050℃で、TMG、アンモニア、Cp2 Mgを用い、Mgを1×1020/cm3 ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層(Mgドープp側GaNコンタクト層)9を700オングストロームの膜厚で成長させる。 (P-side GaN contact layer 9) Subsequently, at 1050 ° C., p-side contact layer (Mg-doped p-side GaN contact) made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg using TMG, ammonia, and Cp 2 Mg. Layer) 9 is grown to a thickness of 700 Å.

反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェハーを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。この後、ウェハーを反応容器から取り出し、最上層のp側コンタクト層9の表面に所定の形状のマスクを形成し、RIE(反応性イオンエッチング)装置でp側コンタクト層側からエッチングを行い、図7に示すようにn側コンタクト層の表面を露出させる。この後、最上層にあるp側コンタクト層9のほぼ全面に膜厚200オングストロームのNiとAuを含む透光性のp電極およびその上のボンディング用のAuよりなるpパッド電極14を0.5μmの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたn側コンタクト層の表面にはWとAlを含むn電極15を形成してLED素子とした。   After the completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer. Thereafter, the wafer is taken out from the reaction container, a mask having a predetermined shape is formed on the surface of the uppermost p-side contact layer 9, and etching is performed from the p-side contact layer side by an RIE (reactive ion etching) apparatus. As shown in FIG. 7, the surface of the n-side contact layer is exposed. Thereafter, a translucent p-electrode containing Ni and Au having a thickness of 200 angstroms and a p-pad electrode 14 made of Au for bonding thereon is formed on the entire surface of the p-side contact layer 9 as the uppermost layer by 0.5 μm. The film thickness is formed. On the other hand, an n-electrode 15 containing W and Al was formed on the surface of the n-side contact layer exposed by etching to obtain an LED element.

[実施例10]実施例10は、実施例9のLEDの変形例1であり、図2に示した積層半導体基板を使用して素子を形成し、サファイア基板およびAlN層を除去した後にチップに切り出したものである。 [Example 10] Example 10 is a modification example 1 of the LED of Example 9, in which an element is formed using the laminated semiconductor substrate shown in FIG. 2, and after the sapphire substrate and the AlN layer are removed, the chip is formed. It is cut out.

図8は、実施例10のLEDの構造を模式的に示す断面図である。図8に示すLEDの構造は、図7に示したLEDと比べて、(1)Si−Al0.05Ga0.95N層13の上面は露出していない点、(2)サファイア基板1とAlN層11が除去されている点、(3)GaN層12の裏面側が研磨され、所定の厚さに調整された後で、n電極15が形成され、GaN層12がnコンタクト層として使用されている点が異なり、その他は同じであるので同じ符号を付している。 FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the LED of Example 10. The structure of the LED shown in FIG. 8 is (1) the upper surface of the Si—Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 is not exposed, and (2) the sapphire substrate 1 and the AlN layer 11 as compared with the LED shown in FIG. (3) The back side of the GaN layer 12 is polished and adjusted to a predetermined thickness, and then the n-electrode 15 is formed, and the GaN layer 12 is used as an n-contact layer. Are different, and the others are the same, and are therefore given the same reference numerals.

このような構造により、実施例10とほぼ同等の特性を有する薄型のLEDを得ることができる。   With such a structure, a thin LED having substantially the same characteristics as those of Example 10 can be obtained.

次に、実施例9に示した工程と異なる部分について説明する。   Next, a different part from the process shown in Example 9 will be described.

ウェハーを反応容器から取り出した後、p側コンタクト層9側からエッチングを行ってn側コンタクト層の表面の一部を露出させる処理を省略する。この後、p電極およびその上のボンディング用のAuよりなるpパッド電極14を形成する。さらに、サファイア基板1およびAlN層11を除去した後、GaN層12の裏面側をラッピングおよび研磨して所定の厚さに調整した後で、TiとAlを含むn電極15を形成する。この後、ウェハーをLDチップにカットした後、アセンブリしてLDとする。   After the wafer is taken out of the reaction vessel, the process of performing etching from the p-side contact layer 9 side to expose a part of the surface of the n-side contact layer is omitted. Thereafter, a p-pad electrode 14 made of p-electrode and Au for bonding thereon is formed. Further, after removing the sapphire substrate 1 and the AlN layer 11, the back surface side of the GaN layer 12 is lapped and polished to adjust to a predetermined thickness, and then an n electrode 15 containing Ti and Al is formed. Thereafter, the wafer is cut into LD chips and then assembled into an LD.

[実施例11〜15]
次に、実施例6に示した積層半導体基板を使用して製造した窒化物半導体レーザ素子を、3つの形態に分けて説明する。
[Examples 11 to 15]
Next, a nitride semiconductor laser device manufactured using the laminated semiconductor substrate shown in Example 6 will be described in three forms.

第1の形態は、実施例6に示した積層半導体基板の第3の半導体層13をクラッド層として利用する形態であり、ベストモードと考える。   The first mode is a mode in which the third semiconductor layer 13 of the laminated semiconductor substrate shown in Example 6 is used as a cladding layer, and is considered to be the best mode.

第2の形態は、実施例6に示した積層半導体基板の第3の半導体層13上にn側超格子クラッド層を形成する形態である。この場合、第3の半導体層13は単一膜で形成する。   The second mode is a mode in which an n-side superlattice cladding layer is formed on the third semiconductor layer 13 of the laminated semiconductor substrate shown in the sixth embodiment. In this case, the third semiconductor layer 13 is formed as a single film.

第3の形態は、図2中に示した積層半導体基板の第3の半導体層13上に、クラック防止層とn側超格子クラッド層を積層形成する形態である。第3の半導体層13のAlの混晶比が比較的高くなると、その上に成長させる窒化物半導体層にクラックが発生する傾向にあるので、クラック防止層を形成するものである。   In the third mode, a crack prevention layer and an n-side superlattice cladding layer are stacked on the third semiconductor layer 13 of the stacked semiconductor substrate shown in FIG. When the mixed crystal ratio of Al in the third semiconductor layer 13 becomes relatively high, cracks tend to occur in the nitride semiconductor layer grown thereon, so that a crack prevention layer is formed.

[実施例11]
図9は、本願出願人に係る特開平10−326943号公報に開示されている窒化物半導体素子の1つであるLDを参考にし、本発明の積層半導体基板を使用して製造したLDのレーザ光の共振方向に垂直な位置で切断した際の構造を模式的に示す断面図である。このLDは、実施例6に示した積層半導体基板を使用して素子を形成した後にチップに切り出したものである。
[Example 11]
FIG. 9 shows an LD laser manufactured using the laminated semiconductor substrate of the present invention with reference to an LD, which is one of the nitride semiconductor elements disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-326943. It is sectional drawing which shows typically the structure at the time of cut | disconnecting in the position perpendicular | vertical to the resonance direction of light. This LD is formed by cutting a chip after forming an element using the laminated semiconductor substrate shown in the sixth embodiment.

図9に示すLDは、実施例6で得られた積層半導体基板のn型GaN層12をnコンタクト層、Si−Alb Ga1-b N層13をクラッド層として利用している。Si−Alb Ga1-b N層13上に、n側光ガイド層26、活性層27、キャップ層28、p側光ガイド層29、p側クラッド層30、p側コンタクト層31が順に積層されている。そして、p側コンタクト層31およびp側クラッド層30は、4μmのストライプ幅を有するリッジストライプを形成するようにエッチングされている。また、このリッジストライプのストライプ幅の中心は後で形成される負電極22に接近している。このように、特に活性層よりも上にあるAlを含むp型窒化物半導体層以上の層がリッジ形状とされることにより、活性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化し易く、閾値が低下し易い。 The LD shown in FIG. 9 uses the n-type GaN layer 12 of the laminated semiconductor substrate obtained in Example 6 as an n contact layer and the Si—Al b Ga 1-b N layer 13 as a cladding layer. On the Si-Al b Ga 1-b N layer 13, stacked n-side optical guide layer 26, active layer 27, the cap layer 28, p-side optical guide layer 29, p-side cladding layer 30, p-side contact layer 31 in this order Has been. The p-side contact layer 31 and the p-side cladding layer 30 are etched so as to form a ridge stripe having a stripe width of 4 μm. The center of the stripe width of the ridge stripe is close to the negative electrode 22 to be formed later. As described above, the layer above the p-type nitride semiconductor layer containing Al in particular above the active layer is formed into a ridge shape, whereby the light emission of the active layer is concentrated at the bottom of the ridge, and the transverse mode is single. And the threshold value is likely to decrease.

さらに、リッジストライプの表面および露出しているp側クラッド層30の表面がマスクパターンで覆われてRIE法でエッチングが行われることにより、負電極22を形成すべきn側コンタクト層(n型GaN層12)の一部の表面が露出されている。そして、最上層にあるp側コンタクト層31のリッジストライプの最上層全面に正電極20が形成され、露出しているn側GaN層12の表面にリッジストライプと平行に負電極22が形成されている。   Further, the surface of the ridge stripe and the exposed surface of the p-side cladding layer 30 are covered with a mask pattern and etched by the RIE method, whereby the n-side contact layer (n-type GaN) on which the negative electrode 22 is to be formed. Part of the surface of layer 12) is exposed. A positive electrode 20 is formed on the entire top surface of the ridge stripe of the p-side contact layer 31 on the top layer, and a negative electrode 22 is formed on the exposed n-side GaN layer 12 in parallel with the ridge stripe. Yes.

そして、正電極20および負電極22の形成位置を除く上面を覆うようにSiO2 よりなる絶縁膜32が形成され、正電極20上に電気的に接続された状態で取り出し用のパッド電極21が形成されている。この場合、パッド電極21は、絶縁膜32を介して正電極20の表面積よりも広い面積で形成されており、放熱性が向上し、ワイヤーボンディングが容易になっている。また、パッド電極21は、正電極20よりも膜厚が厚く形成されており、正電極20の剥がれを防止する。 Then, an insulating film 32 made of SiO 2 is formed so as to cover the upper surface excluding the positions where the positive electrode 20 and the negative electrode 22 are formed, and the extraction pad electrode 21 is electrically connected to the positive electrode 20. Is formed. In this case, the pad electrode 21 is formed with an area larger than the surface area of the positive electrode 20 via the insulating film 32, so that heat dissipation is improved and wire bonding is facilitated. Further, the pad electrode 21 is formed thicker than the positive electrode 20, and prevents the positive electrode 20 from peeling off.

そして、基板1の厚さが100μmとなるように基板裏面がラッピングされた後、さらに細かい研磨剤で1μmポリシングされて基板裏面が鏡面状にされている。このように基板の厚さを100μm以下に薄くすることによって、レーザ素子の放熱性が高まる。   Then, after the substrate back surface is lapped so that the thickness of the substrate 1 becomes 100 μm, the substrate back surface is mirror-finished by 1 μm polishing with a finer abrasive. Thus, by reducing the thickness of the substrate to 100 μm or less, the heat dissipation of the laser element is enhanced.

この後、基板の研磨面側がスクライブされ、リッジストライプに垂直な方向でバー状に劈開されることによって、劈開面に共振器長500μmの共振器を作製する。さらに、共振器面にSiO2 とTiO2 よりなる誘電体多層膜(図示せず)が形成され、最後にリッジストライプに平行な方向で、バーが切断されてLDチップとなる。このLDチップがフェースアップ状態(基板1とヒートシンクとが対向した状態)でヒートシンクに設置され、それぞれの電極が金線よりなるワイヤー33でボンディング接続されている。この際、図9中に示すように、ワイヤーボンディング時の位置は、リッジストライプの真上を避けてリッジストライプの位置から離れた位置とされている。これにより、リッジ部に衝撃を与えないので、リッジ部の結晶が破壊されることはない。そして、このLDチップのレーザ発振を試みたところ、室温において、発振波長405nmの連続発振が確認された。 Thereafter, the polished surface side of the substrate is scribed and cleaved in a bar shape in a direction perpendicular to the ridge stripe, thereby producing a resonator having a resonator length of 500 μm on the cleaved surface. Further, a dielectric multilayer film (not shown) made of SiO 2 and TiO 2 is formed on the resonator surface, and finally the bar is cut in a direction parallel to the ridge stripe to form an LD chip. The LD chip is placed on the heat sink in a face-up state (a state where the substrate 1 and the heat sink face each other), and each electrode is bonded and connected by a wire 33 made of a gold wire. At this time, as shown in FIG. 9, the position at the time of wire bonding is a position away from the position of the ridge stripe while avoiding the position directly above the ridge stripe. As a result, no impact is applied to the ridge portion, so that the crystal of the ridge portion is not broken. When laser oscillation of this LD chip was attempted, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed at room temperature.

なお、パッド電極21はp側コンタクト層31とオーミック接触が得られていなくても良く、単に正電極20と電気的に接続するだけでよい。パッド電極21は、正電極20よりも膜厚を厚くして、正電極20の剥離を防止すると共に、表面積を正電極20よりも大きくしてあるので、本実施例のようなLDのような場合には、正電極20側でパッド電極21にワイヤーボンディングを行うことを容易にすると共に、正電極20側をヒートシンク、サブマウントのような放熱体に接続する際に、接着面積を大きくして放熱性を向上させる。   Note that the pad electrode 21 may not be in ohmic contact with the p-side contact layer 31 and may simply be electrically connected to the positive electrode 20. The pad electrode 21 is thicker than the positive electrode 20 to prevent peeling of the positive electrode 20 and has a surface area larger than that of the positive electrode 20. In this case, it is easy to wire bond the pad electrode 21 on the positive electrode 20 side, and when the positive electrode 20 side is connected to a heat sink such as a heat sink or a submount, the bonding area is increased. Improve heat dissipation.

図9に示したデバイス構造によれば、発光出力に優れたLDを得ることができる。その理由は、各層それぞれが有効に作用しているからである。Si−Al0.05Ga0.95N層13からなるn型クラッド層は、電流注入層にもなるし、キャリア閉じ込め層にもなる。 According to the device structure shown in FIG. 9, an LD having excellent light emission output can be obtained. The reason is that each layer works effectively. The n-type cladding layer composed of the Si—Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 serves as both a current injection layer and a carrier confinement layer.

次に、n側光ガイド層26、活性層27、キャップ層28、p側光ガイド層29、p側クラッド層30、p側コンタクト層31、絶縁膜32、正電極20、パッド電極21、負電極22を形成する工程について説明する。   Next, the n-side light guide layer 26, the active layer 27, the cap layer 28, the p-side light guide layer 29, the p-side cladding layer 30, the p-side contact layer 31, the insulating film 32, the positive electrode 20, the pad electrode 21, and the negative A process of forming the electrode 22 will be described.

(n側光ガイド層26)不純物ガスを止めた状態で、1050℃でアンドープGaNよりなるn側光ガイド層26を0.2μmの膜厚で成長させる。   (N-side light guide layer 26) With the impurity gas stopped, the n-side light guide layer 26 made of undoped GaN is grown at 1050 ° C. to a thickness of 0.2 μm.

(活性層27)次に、原料ガスにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用いて活性層27を成長させる。活性層27は温度を800℃に保持して、まずSiを8×1018/cm3 でドープしたIn0.2 Ga0.8 Nよりなる井戸層を25オングストロームの膜厚で成長させる。次に、TMIのモル比を変化させるのみで同一温度で、Siを8×1018/cm3 ドープしたIn0.01Ga0.95Nよりなる障壁層を50オングストロームの膜厚で成長させる。この操作を2回繰り返し、最後に井戸層を積層した多重量子井戸構造とする。 (Active layer 27) Next, the active layer 27 is grown using TMG, TMI, ammonia, and silane gas as source gases. The active layer 27 is maintained at a temperature of 800 ° C., and a well layer made of In 0.2 Ga 0.8 N doped with Si at 8 × 10 18 / cm 3 is first grown to a thickness of 25 Å. Next, a barrier layer made of In 0.01 Ga 0.95 N doped with 8 × 10 18 / cm 3 of Si is grown to a thickness of 50 Å at the same temperature only by changing the molar ratio of TMI. This operation is repeated twice, and finally a multiple quantum well structure in which a well layer is stacked is obtained.

(p側キャップ層28)次に、温度を1050℃に上げ、TMG、TMA、アンモニア、Cp2 Mg(シクロペンタジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1020/cm3 ドープしたp型Al0.1 Ga0.9 Nよりなるp側キャップ層28を300オングストロームの膜厚で成長させる。 (P-side cap layer 28) Next, the temperature is raised to 1050 ° C., TMG, TMA, ammonia, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used, and p-type Al doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg. A p-side cap layer 28 made of 0.1 Ga 0.9 N is grown to a thickness of 300 Å.

(p側光ガイド層29)不純物ガスを止め、1050℃で、アンドープGaNよりなるp側光ガイド層29を0.2μmの膜厚で成長させる。   (P-side light guide layer 29) The impurity gas is stopped, and a p-side light guide layer 29 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.2 μm at 1050 ° C.

(p側クラッド層30)続いて1050℃で、Mgを1×1020/cm3 ドープしたp型Al0.20Ga0.80NよりなるA層を20オングストロームと、Mgを1×1020/cm3 ドープしたp型GaNよりなるB層を20オングストローム成長させる。そしてこのペアを125回成長させ、総膜厚0.5μm(5000オングストローム)の超格子構造のp側クラッド層30を成長させる。 (P-side cladding layer 30) Subsequently, at 1050 ° C., an A layer made of p-type Al 0.20 Ga 0.80 N doped with 1 × 10 20 / cm 3 of Mg is doped with 20 Å and Mg is doped with 1 × 10 20 / cm 3 The B layer made of p-type GaN is grown to 20 Å. This pair is grown 125 times to grow a p-side cladding layer 30 having a superlattice structure with a total thickness of 0.5 μm (5000 angstroms).

(p側コンタクト層31)最後に、p側クラッド層30の上に、1050℃でMgを1×1020/cm3 ドープしたp型GaNよりなるp側コンタクト層31を150オングストロームの膜厚で成長させる。 (P-side contact layer 31) Finally, a p-side contact layer 31 made of p-type GaN doped with Mg at 1 × 10 20 / cm 3 at 1050 ° C. is formed on the p-side cladding layer 30 to a thickness of 150 Å. Grow.

反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェハーを反応容器内において、700℃でアニーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェハーを反応容器から取り出し、RIE装置でエッチングを行い、最上層のp側コンタクト層31とp側クラッド層30とをエッチングして、4μmのストライプ幅を有するリッジストライプを形成する。リッジストライプを形成する際は、予めストライプ幅の中心が後に形成する負電極22に接近しているように設計する。リッジストライプを形成する場合、特に活性層よりも上にあるAlを含むp型窒化物半導体層以上の層をリッジ形状とすることにより、活性層の発光がリッジ下部に集中して、横モードが単一化しやすく、閾値が低下し易い。また、本実施例のように、絶縁性の基板を使用した場合には、リッジ部のストライプの中央を活性層のストライプの中央とずらして負電極22側に接近させる方が閾値を低下させる上で好ましい。   After the completion of the reaction, the temperature is lowered to room temperature, and the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer. After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, etched by an RIE apparatus, and the uppermost p-side contact layer 31 and p-side cladding layer 30 are etched to form a ridge stripe having a stripe width of 4 μm. When forming the ridge stripe, it is designed in advance so that the center of the stripe width is close to the negative electrode 22 to be formed later. When forming a ridge stripe, in particular, by forming a layer over the p-type nitride semiconductor layer containing Al above the active layer into a ridge shape, the emission of the active layer is concentrated at the bottom of the ridge, and the transverse mode is It is easy to unify, and the threshold value tends to decrease. Further, when an insulating substrate is used as in this embodiment, the threshold is lowered when the center of the stripe of the ridge portion is shifted from the center of the stripe of the active layer and approaches the negative electrode 22 side. Is preferable.

次に、リッジストライプの表面と、露出しているp側クラッド層30の表面とにマスクを形成し、RIEでエッチングを行い、負電極22を形成すべきn側コンタクト層(GaN層12)の表面の一部を露出させる。この後、最上層にあるp側コンタクト層31のリッジストライプの最上層全面に、Ni、Pt、Auなどから選択された少なくとも1つを有する正電極、ここではNi/Auよりなる正電極20を、500オングストロームの膜厚で形成する。   Next, a mask is formed on the surface of the ridge stripe and the exposed surface of the p-side cladding layer 30, and etching is performed by RIE to form an n-side contact layer (GaN layer 12) on which the negative electrode 22 is to be formed. Expose part of the surface. Thereafter, a positive electrode having at least one selected from Ni, Pt, Au and the like, here a positive electrode 20 made of Ni / Au, is formed on the entire uppermost surface of the ridge stripe of the p-side contact layer 31 as the uppermost layer. , With a film thickness of 500 angstroms.

次に、n側コンタクト層の露出表面に、TiとAlよりなる負電極22をリッジストライプと平行に0.5μmの膜厚で形成する。なお、n側コンタクト層(GaN層12)と好ましいオーミックが得られる負電極22の材料としては、Al、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In、V等の金属若しくは合金を挙げることができる。   Next, a negative electrode 22 made of Ti and Al is formed on the exposed surface of the n-side contact layer in a thickness of 0.5 μm in parallel with the ridge stripe. In addition, as a material of the negative electrode 22 from which a preferable ohmic can be obtained with the n-side contact layer (GaN layer 12), metals or alloys such as Al, Ti, W, Cu, Zn, Sn, In, and V can be cited. .

次に、正電極20および負電極22を形成した位置を除く窒化物半導体層の表面全面にSiO2 よりなる絶縁膜32を0.5μmの膜厚で形成する。この後、p側クラッド層30上に絶縁膜32を介して、正電極20の上に電気的に接続したRuとAuとを含む取り出し用のパッド電極21を正電極20の表面積よりも広い面積で、2μmの膜厚で形成する。このパッド電極21は、p側コンタクト層31とオーミック接触が得られていなくても良く、単に正電極20と電気的に接続するだけでよい。パッド電極21は、正電極20よりも膜厚を厚くして、正電極の剥がれを防止すると共に、表面積を正電極よりも大きくしてあるので、本実施例のようなLDの場合には、正電極側にパッド電極からワイヤーボンディングするのを容易にすると共に、また正電極側をヒートシンク、サブマウントのような放熱体に接続する際に、接着面積を大きくして放熱性を向上させる。 Next, an insulating film 32 made of SiO 2 is formed to a thickness of 0.5 μm on the entire surface of the nitride semiconductor layer excluding the positions where the positive electrode 20 and the negative electrode 22 are formed. Thereafter, an extraction pad electrode 21 containing Ru and Au electrically connected to the positive electrode 20 via the insulating film 32 on the p-side cladding layer 30 is wider than the surface area of the positive electrode 20. Thus, it is formed with a film thickness of 2 μm. The pad electrode 21 may not be in ohmic contact with the p-side contact layer 31, and may simply be electrically connected to the positive electrode 20. The pad electrode 21 is thicker than the positive electrode 20 to prevent peeling of the positive electrode and has a larger surface area than the positive electrode. In addition to facilitating wire bonding from the pad electrode to the positive electrode side, when connecting the positive electrode side to a heat sink such as a heat sink or a submount, the bonding area is increased to improve heat dissipation.

以上のようにして、負電極22と正電極20とを形成したウェハーを研磨装置に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、窒化物半導体を形成していない側の基板をラッピングし、基板の厚さを100μmとする。ラッピング後、さらに細かい研磨剤で1μmポリシングして基板表面を鏡面状とする。このように基板の厚さを100μm以下に薄くすることによって、LDの放熱性が高まる。   As described above, the wafer on which the negative electrode 22 and the positive electrode 20 are formed is transferred to a polishing apparatus, and the substrate on the side where the nitride semiconductor is not formed is lapped using a diamond abrasive, The thickness is 100 μm. After lapping, the substrate surface is mirror-finished by polishing with 1 μm with a finer abrasive. Thus, by reducing the thickness of the substrate to 100 μm or less, the heat dissipation of the LD is enhanced.

基板研磨後、研磨面側をスクライブして、リッジストライプに垂直な方向でバー状に劈開し、劈開面に共振器長500μmの共振器を作製する。さらに共振器面にSiO2 とTiO2 よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にリッジストライプに平行な方向で、バーを切断してLDチップとする。 After polishing the substrate, the polished surface side is scribed and cleaved in a bar shape in a direction perpendicular to the ridge stripe to produce a resonator having a resonator length of 500 μm on the cleaved surface. Further, a dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 is formed on the resonator surface, and finally a bar is cut in a direction parallel to the ridge stripe to form an LD chip.

最後に、このLDチップをフェースアップ(基板とヒートシンクとが対向した状態)でヒートシンクに設置し、それぞれの電極を金線よりなるワイヤー33でボンディングする。なお、ワイヤーボンディング時の位置は、リッジストライプの位置から離れた位置とする。リッジストライプの真上を避けることにより、リッジ部に衝撃を与えないので、リッジ部の結晶が破壊されない。そして、このレーザチップのレーザ発振を試みたところ、室温において、発振波長405nmの連続発振が確認された。   Finally, the LD chip is placed face up (the substrate and the heat sink face each other) on the heat sink, and each electrode is bonded by a wire 33 made of a gold wire. The position at the time of wire bonding is a position away from the position of the ridge stripe. By avoiding the portion directly above the ridge stripe, the ridge portion is not shocked, so that the crystal of the ridge portion is not broken. When laser oscillation of this laser chip was attempted, continuous oscillation with an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed at room temperature.

[実施例12]実施例12は、実施例11のLDの変形例1であり、実施例11で述べたn側光ガイド層26を形成する前に、n側超格子クラッド層を形成するように変更したものであり、その他は同じである。 [Embodiment 12] Embodiment 12 is a modification 1 of the LD of Embodiment 11, in which an n-side superlattice cladding layer is formed before the n-side light guide layer 26 described in Embodiment 11 is formed. The others are the same.

(n側超格子クラッド層)温度を1050℃にして、原料ガスにTMA、TMG、NH3 、SiH4 を用い、Siを1×1019/cm3 ドープしたn型Al0.20Ga0.80NよりなるA層を20オングストロームと、Siを1×1019/cm3 ドープしたn型GaNよりなるB層を20オングストローム成長させる。そしてこのペアを125回成長させ、総膜厚0.5μm(5000オングストローム)の超格子構造よりなるn側クラッド層を成長させる。その上に実施例4で述べたn側光ガイド層26の形成工程以降を実施する。これにより、実施例11とほぼ同等の特性のLDを得ることができる。 (N-side superlattice cladding layer) It is made of n-type Al 0.20 Ga 0.80 N doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3 using TMA, TMG, NH 3 , SiH 4 as source gas at a temperature of 1050 ° C. An A layer is grown to 20 angstroms, and a B layer made of n-type GaN doped with Si at 1 × 10 19 / cm 3 is grown to 20 angstroms. Then, this pair is grown 125 times to grow an n-side cladding layer having a superlattice structure with a total film thickness of 0.5 μm (5000 Å). The n-side light guide layer 26 forming step described in the fourth embodiment is then performed. As a result, an LD having substantially the same characteristics as those of Example 11 can be obtained.

[実施例13]実施例13は、実施例11のLDの変形例2であり、実施例12で述べたn側超格子クラッド層を形成する前に、クラック防止層を形成を形成するように変更したものであり、その他は同じである。 [Embodiment 13] Embodiment 13 is a modification 2 of the LD of Embodiment 11, and before the n-side superlattice cladding layer described in Embodiment 12 is formed, a crack prevention layer is formed. It has been changed and the others are the same.

(クラック防止層)温度を800℃にして、原料ガスにTMG、TMI、アンモニア、シランガスを用い、Siを1×1019/cm3 ドープしたIn0.1 Ga0.9 Nよりなるクラック防止層を500オングストロームの膜厚で成長させる。その上に実施例5で述べたn側超格子クラッド層を形成し、その上に実施例4で述べたn側光ガイド層26の形成工程以降を実施する。これにより、実施例11とほぼ同等の特性のLDを得ることができる。[実施例14]実施例14は、実施例11のLDの変形例3であり、実施例6に示した積層半導体基板を使用して素子を形成し、サファイア基板を除去した後にチップに切り出したものである。この場合、サファイア基板が省略され、AlN層の裏面側が研磨され、所定の厚さに調整されている。このような構造により、実施例11とほぼ同等の特性を有する薄型のLEDを得ることができる。 (Crack prevention layer) The crack prevention layer made of In 0.1 Ga 0.9 N doped with 1 × 10 19 / cm 3 of Si using TMG, TMI, ammonia, silane gas as the source gas at a temperature of 800 ° C. is 500 angstroms. Grow with film thickness. The n-side superlattice cladding layer described in the fifth embodiment is formed thereon, and the n-side light guide layer 26 described in the fourth embodiment is formed on the n-side superlattice cladding layer. As a result, an LD having substantially the same characteristics as those of Example 11 can be obtained. [Embodiment 14] Embodiment 14 is a modification 3 of the LD of Embodiment 11, in which elements are formed using the laminated semiconductor substrate shown in Embodiment 6, and the sapphire substrate is removed and then cut into chips. Is. In this case, the sapphire substrate is omitted, and the back side of the AlN layer is polished and adjusted to a predetermined thickness. With such a structure, a thin LED having substantially the same characteristics as those of Example 11 can be obtained.

[実施例15]実施例15は、実施例11のLDの変形例4であり、実施例6に示した積層半導体基板を使用して素子を形成し、サファイア基板およびAlN層を除去した後にチップに切り出したLEDである。 [Embodiment 15] Embodiment 15 is a modification 4 of the LD of Embodiment 11, in which elements are formed using the laminated semiconductor substrate shown in Embodiment 6, and after removing the sapphire substrate and the AlN layer, a chip is formed. It is LED cut out.

図10は、実施例15のLEDの構造を模式的に示す断面図である。図10に示すLEDの構造は、図9に示したLEDと比べて、(1)Si−Al0.05Ga0.95N層13の上面は露出していない点、(2)サファイア基板1およびAlN層11が除去されている点、(3)GaN層12の裏面側が研磨され、所定の厚さに調整された後で、負電極(n電極)22が形成され、GaN層12がnコンタクト層として使用されている点が異なり、その他は同じであるので同じ符号を付している。 FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the LED of Example 15. The structure of the LED shown in FIG. 10 is (1) the upper surface of the Si—Al 0.05 Ga 0.95 N layer 13 is not exposed, and (2) the sapphire substrate 1 and the AlN layer 11 as compared with the LED shown in FIG. (3) After the back side of the GaN layer 12 is polished and adjusted to a predetermined thickness, a negative electrode (n electrode) 22 is formed, and the GaN layer 12 is used as an n contact layer Since the other points are the same, the same reference numerals are given.

このような構造により、実施例11とほぼ同等の特性を有する薄型のLEDを得ることができる。   With such a structure, a thin LED having substantially the same characteristics as those of Example 11 can be obtained.

次に、実施例11に示した工程と異なる部分について説明する。   Next, a different part from the process shown in Example 11 will be described.

リッジストライプを形成した後、n側コンタクト層(GaN層12)の表面の一部を露出させる処理を省略する。そして、正電極20の位置を除く上面を覆うようにSiO2 よりなる絶縁膜32を形成し、正電極20上に電気的に接続された状態でパッド電極21を形成する。さらに、ウェハー裏面側(GaN層12側)をラッピングおよび研磨し、放熱性を高めるためにウェハーを薄くした後で、GaN層12の裏側にTiとAlよりなる負電極22を形成する。なお、GaN層12からなるn側コンタクト層と好ましいオーミックが得られる負電極22の材料としては、Al、Ti、W、Cu、Zn、Sn、In、V等の金属若しくは合金を挙げることができる。この後、ウェハーをLDチップにカットした後、アセンブリしてLDとする。 After forming the ridge stripe, the process of exposing a part of the surface of the n-side contact layer (GaN layer 12) is omitted. Then, an insulating film 32 made of SiO 2 is formed so as to cover the upper surface excluding the position of the positive electrode 20, and the pad electrode 21 is formed in an electrically connected state on the positive electrode 20. Further, the wafer back side (GaN layer 12 side) is lapped and polished, and the wafer is thinned to improve heat dissipation, and then the negative electrode 22 made of Ti and Al is formed on the back side of the GaN layer 12. In addition, as a material of the negative electrode 22 from which the n-side contact layer made of the GaN layer 12 and a preferable ohmic can be obtained, metals or alloys such as Al, Ti, W, Cu, Zn, Sn, In, and V can be cited. . Thereafter, the wafer is cut into LD chips and then assembled into an LD.

本発明の第1の実施形態の積層半導体基板の断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-section of the laminated semiconductor substrate of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の積層半導体基板の断面構造を模式的に示す図。The figure which shows typically the cross-section of the laminated semiconductor substrate of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施例1のLEDの構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the structure of LED of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2のLEDの製造工程を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the manufacturing process of LED of Example 2 of this invention. 本発明の実施例7のLEDの構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the structure of LED of Example 7 of this invention. 本発明の実施例8のLEDの構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the structure of LED of Example 8 of this invention. 本発明の実施例9のLEDの構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the structure of LED of Example 9 of this invention. 本発明の実施例10のLDの構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the structure of LD of Example 10 of this invention. 本発明の実施例11のLDの構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the structure of LD of Example 11 of this invention. 本発明の実施例15のLDの構造を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the structure of LD of Example 15 of this invention. 図2中のGaN層を形成する際にELO成長法(I)を組み合わせて使用する場合の工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process in the case of using it combining ELO growth method (I) when forming the GaN layer in FIG. 図2中のGaN層を形成する際にELO成長法(II)を組み合わせて使用する場合の工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process in the case of using it combining ELO growth method (II) when forming the GaN layer in FIG. 図2中のGaN層を形成する際にELO成長法(III )を組み合わせて使用する場合の工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process in the case of using it combining ELO growth method (III) when forming the GaN layer in FIG. 図2中のGaN層を形成する際にELO成長法(IV)を組み合わせて使用する場合の工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process in the case of using it combining ELO growth method (IV) when forming the GaN layer in FIG. 図2中のGaN層を形成する際にELO成長法(V)を組み合わせて使用する場合の工程を模式的に示す図。The figure which shows typically the process in the case of using it combining ELO growth method (V) when forming the GaN layer in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…サファイア基板
10…積層半導体基板
11…第1の半導体層(AlN層)
12…第2の半導体層(GaN層)
53…第3の半導体層(n型Al0.07Ga0.93N層)
54…MQW活性層
55…p型Al0.38Ga0.62N層
56…p型Al0.07Ga0.93N層
57…p型オーミックコンタクト電極
58…Au/Sn膜
59…CuW基板
60…n電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sapphire substrate 10 ... Laminated semiconductor substrate 11 ... 1st semiconductor layer (AlN layer)
12 ... Second semiconductor layer (GaN layer)
53 ... Third semiconductor layer (n-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer)
54 ... MQW active layer 55 ... p-type Al 0.38 Ga 0.62 N layer 56 ... p-type Al 0.07 Ga 0.93 N layer 57 ... p-type ohmic contact electrode 58 ... Au / Sn film 59 ... CuW substrate 60 ... n electrode

Claims (16)

c軸方向に面方位が揃った第1の半導体層と、該第1の半導体層上に設けられ、前記第1の半導体層よりも格子定数が大きい第2の半導体層とを具備することを特徴とする積層半導体基板。 a first semiconductor layer having a plane orientation aligned in the c-axis direction; and a second semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and having a lattice constant larger than that of the first semiconductor layer. A feature of a laminated semiconductor substrate. 前記第1の半導体層の上面は鏡面であることを特徴とする請求項1記載の積層半導体基板。 2. The laminated semiconductor substrate according to claim 1, wherein the upper surface of the first semiconductor layer is a mirror surface. 前記第1の半導体層は、XRC(0002)回折において半値幅が90arcsec以下であることを特徴とする請求項1記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 1, wherein the first semiconductor layer has a half width of 90 arcsec or less in XRC (0002) diffraction. 前記第2の半導体層は、a軸方向に圧縮歪みがかかっていることを特徴とする請求項1記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is compressive strained in the a-axis direction. 前記第2の半導体層は、前記第1の半導体層と比べて、刃状転位および/または螺旋転位が少ないことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 1, wherein the second semiconductor layer has fewer edge dislocations and / or spiral dislocations than the first semiconductor layer. 前記第1の半導体層は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項1記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is aluminum nitride. 前記第2の半導体層は窒化ガリウムであることを特徴とする請求項1または6記載の積層半導体基板。 The stacked semiconductor substrate according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is gallium nitride. 前記第2の半導体層上に形成され、Alx Ga1-x N(0<x≦0.1)からなる第3の半導体層をさらに具備することを特徴とする請求項7記載の積層半導体基板。 The stacked semiconductor according to claim 7, further comprising a third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer and made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1). substrate. 前記第2の半導体層および/または第3の半導体層は、螺旋転位密度が3×107 /cm2 以下であることを特徴とする請求項8記載の積層半導体基板。 9. The laminated semiconductor substrate according to claim 8, wherein the second semiconductor layer and / or the third semiconductor layer has a screw dislocation density of 3 × 10 7 / cm 2 or less. c軸方向に面方位が揃った第1の半導体層と、該第1の半導体層上に設けられ、前記第1の半導体層よりも格子定数が大きく、かつ、c軸方向に面方位が揃った第2の半導体層とを具備することを特徴とする積層半導体基板。 a first semiconductor layer having a plane orientation aligned in the c-axis direction, and a lattice constant larger than that of the first semiconductor layer provided on the first semiconductor layer and having a plane orientation aligned in the c-axis direction; A laminated semiconductor substrate comprising: a second semiconductor layer. 前記第2の半導体層は、前記第1の半導体層と比べて、刃状転位および/または螺旋転位が少ないことを特徴とする請求項10記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 10, wherein the second semiconductor layer has fewer edge dislocations and / or spiral dislocations than the first semiconductor layer. 前記第1の半導体層は窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項10記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 10, wherein the first semiconductor layer is aluminum nitride. 前記第2の半導体層は窒化ガリウムであることを特徴とする請求項10または12記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 10, wherein the second semiconductor layer is gallium nitride. 前記第2の半導体層上に形成され、該第2の半導体層の方向に引っ張り歪みがかかっている第3の半導体層をさらに具備することを特徴とする請求項10乃至13のいずれか1つに記載の積層半導体基板。 14. The semiconductor device according to claim 10, further comprising a third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer and having tensile strain in the direction of the second semiconductor layer. The laminated semiconductor substrate according to 1. 前記第3の半導体層はAlx Ga1-x N(0<x≦0.1)からなることを特徴とする請求項14記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 14, wherein the third semiconductor layer is made of Al x Ga 1-x N (0 <x ≦ 0.1). 前記第2の半導体層および/または第3の半導体層は、螺旋転位密度が3×107 /cm2 以下であることを特徴とする請求項14または15記載の積層半導体基板。 The laminated semiconductor substrate according to claim 14, wherein the second semiconductor layer and / or the third semiconductor layer has a screw dislocation density of 3 × 10 7 / cm 2 or less.
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