JP5042100B2 - Epitaxial growth substrate, method of manufacturing the same, and group III nitride semiconductor device - Google Patents
Epitaxial growth substrate, method of manufacturing the same, and group III nitride semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP5042100B2 JP5042100B2 JP2008087789A JP2008087789A JP5042100B2 JP 5042100 B2 JP5042100 B2 JP 5042100B2 JP 2008087789 A JP2008087789 A JP 2008087789A JP 2008087789 A JP2008087789 A JP 2008087789A JP 5042100 B2 JP5042100 B2 JP 5042100B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- underlayer
- substrate
- single crystal
- epitaxial growth
- crystal substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims description 151
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 20
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 115
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 19
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 89
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 27
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 25
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 description 24
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 23
- 239000010408 film Substances 0.000 description 19
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 17
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 13
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 6
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000012868 Overgrowth Diseases 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000003852 thin film production method Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
Description
本発明は、III族窒化物材料を用いた半導体素子構造をエピタキシャル成長させるためのエピタキシャル成長用基板およびその製造方法ならびにIII族窒化物半導体素子に関する。 The present invention relates to an epitaxial growth substrate for epitaxially growing a semiconductor device structure using a group III nitride material, a method for manufacturing the same, and a group III nitride semiconductor device.
III族窒化物半導体は、発光ダイオード、レーザーダイオード、電界効果トランジスタなどの光・電子デバイスの材料として用いられている。 Group III nitride semiconductors are used as materials for optical and electronic devices such as light emitting diodes, laser diodes, and field effect transistors.
III族窒化物半導体成長用の下地基板として、サファイア、Si、GaNなどがあるが、下地基板との格子不整合により、成長させた結晶中に欠陥が生じる。この欠陥が、作製したデバイスの性能を低下させる。発光ダイオード(LED)の場合では、下地基板とIII族窒化物半導体界面で発生する貫通転位が発光層において非発光中心として働くことにより、LEDの発光効率を低下させる。 There are sapphire, Si, GaN, and the like as a base substrate for group III nitride semiconductor growth, but defects occur in the grown crystal due to lattice mismatch with the base substrate. This defect reduces the performance of the fabricated device. In the case of a light emitting diode (LED), the threading dislocation generated at the interface between the base substrate and the group III nitride semiconductor acts as a non-light emitting center in the light emitting layer, thereby reducing the light emitting efficiency of the LED.
そこで、発光層中の転位密度を減少させるために、ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)技術を用いたIII族窒化物半導体の形成が提案されている。例えば、特許文献1には、表面に塩素ガスを用いた反応性イオンエッチング法でストライプ状の凹凸構造を形成したサファイア基板上に、前記凹凸構造を埋めるように選択横方向成長によりエピタキシャル成長させ、前記ストライプ状の凹凸構造の凸部及び凹部の上方の少なくとも一方に形成された転位密度の小さな領域を有するAlxGayInzN(x+y+z=1、x>0、y、z≧0)膜を具えることが記載され、また、特許文献2には、サファイア上にAlN膜を形成した後、所定のマスクを介したエッチング処理を施すことにより、前記AlN膜の表面を凹凸状にパターン化することが記載されている。
昨今、LEDの短波長化、高出力化に伴い、発光効率の増加が強く要求されるようになってきた。しかし、特許文献1に記載された、ストライプ状の凹凸構造ももつエピタキシャル成長用基板は、凹部上方では転位密度が減少するものの、凸部上方には依然として転位が伝播する傾向があり、また、特許文献2に記載された、ELO用III族窒化物半導体基板は、表面が平坦な成長基板(サファイア)上に、III族窒化物層とのミスフィット転位の発生を抑制するため、それらの間に、凹凸状表面をもつ低温バッファ層(AlN膜)を形成した構成であり、この構成によれば、低温バッファ層の表面の凹部上方領域では、転位密度が減少するものの、凸部上方には依然として転位が伝播しやすい傾向がある。いずれの場合も、凹凸各部の転位密度を断面TEMによって測定した場合には、基板全面にわたっての転位密度を十分に低減することはできておらず、発明者らが実施し、断面TEMを用いて測定した結果では平均でおよそ109/cm2であった(比較例1〜3参照)。特許文献との転位密度の相違として、転位密度が比較的低く計測される電子間力電子顕微鏡(AFM)観察によるエッチピット数からの算出などが考えられるが、結果として、特許文献1、2に記載の方法では基板全面にわたっての発光層における発光効率を十分に上げることができなかった。
Recently, as LEDs have shorter wavelengths and higher outputs, there has been a strong demand for increased luminous efficiency. However, the epitaxial growth substrate having a striped uneven structure described in
加えて、特許文献1および2の方法を用いて作製される下地層から構成されるLEDでは、屈折率の異なる材料の平坦な界面、すなわち、特許文献1ではAlNと半導体層との界面、特許文献2では基板とIII族窒化物下地層(AlN膜)の界面に入射される光が全反射することによって光取り出し効率はさらに低下し、発光効率の高いLEDを製造することは難しい。
In addition, in an LED composed of an underlayer manufactured using the methods of
本発明の目的は、このような現状に鑑み、結晶全域で転位密度が低く、発光効率の高いLED構造の作製が可能なエピタキシャル成長用基板を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an epitaxial growth substrate capable of producing an LED structure having a low dislocation density in the entire crystal region and a high light emission efficiency in view of such a current situation.
本発明者らは、結晶全域で転位密度が低く、発光効率の高いLED構造の作製が可能なエピタキシャル成長用基板を開発するための検討を行い、以下のような知見を得た。 The inventors of the present invention have studied to develop a substrate for epitaxial growth capable of producing an LED structure having a low dislocation density throughout the crystal and having a high luminous efficiency, and have obtained the following knowledge.
すなわち、凹凸形状に加工された単結晶基板上に、凹凸形状の第1表面を有する第1のIII族窒化物結晶からなる下地層を形成し、その上に第2のIII族窒化物結晶からなる中間層を形成したエピタキシャル成長用基板の場合、特許文献1のように、凹凸形状を有する基板上に、平坦な表面をもつ下地層を形成し、この下地層上に半導体層をエピタキシャル成長させた場合や、特許文献2のように、平坦な基板上に、凹凸形状の表面をもつ下地層を形成し、この下地層上に半導体層をエピタキシャル成長させた場合に比べて、結晶全域で転位密度が低くなることを見出した。
That is, an underlayer composed of a first group III nitride crystal having a first surface with an uneven shape is formed on a single crystal substrate processed into an uneven shape, and the second group III nitride crystal is formed thereon. In the case of an epitaxial growth substrate in which an intermediate layer is formed, as in
なお、凹凸形状に加工された単結晶基板上に成長させた下地層は、単結晶基板の凸部の直上においては、転位密度が貫通する傾向にあるが、凸部あるいは側壁部からラテラル(横方向)成長した部分で転位密度が減少したと考えられる。また、原理は定かではないが、凸部直上部においても、一部の転位が横方向に屈曲し、転位密度が膜厚に応じて減少する。 Note that the underlying layer grown on the single crystal substrate processed into a concavo-convex shape has a tendency to penetrate the dislocation density immediately above the convex portion of the single crystal substrate, but lateral (horizontal) from the convex portion or the side wall portion. Direction) It is thought that the dislocation density decreased in the grown part. Further, although the principle is not clear, some dislocations bend in the lateral direction even immediately above the convex portion, and the dislocation density decreases according to the film thickness.
本発明では、下地層の表面に凹凸形状を形成することにより、単結晶基板の凸部の直上における転位密度を減少させることができる。 In the present invention, the dislocation density immediately above the convex portion of the single crystal substrate can be reduced by forming the irregular shape on the surface of the base layer.
また、本発明者らは、前記単結晶基板、前記下地層および前記第下地層を構成する材料の屈折率を、それぞれn1、n2、n3としたとき、これら材料の屈折率はn1<n2<n3の関係を満足し、中間層の側に発光層が存在し、発光層から単結晶基板に向かう方向から光を取り出すように素子設計した場合に、界面が平坦であれば界面において全反射が発生し光取り出し効率は小さいが、界面が凹凸形状で本関係が成り立つときには、光取り出し効率を向上させる効果が顕著に発現する。 Further, when the refractive indexes of the materials constituting the single crystal substrate, the base layer, and the first base layer are n 1, n 2 , and n 3 , respectively, the present inventors have a refractive index of these materials of n If the element is designed to satisfy the relationship 1 <n 2 <n 3 and the light emitting layer is present on the intermediate layer side and light is extracted from the light emitting layer toward the single crystal substrate, the interface should be flat. For example, total reflection occurs at the interface and the light extraction efficiency is small. However, when the interface is uneven and this relationship is established, the effect of improving the light extraction efficiency is remarkably exhibited.
単結晶基板の凹凸を構成する凸部上方に発生しがちな貫通転位については、成長温度を超える温度で、下地層を熱処理することにより低減が可能である。この熱処理によって、転位の運動を引き起こし、転位が合体することで消失を促進するものと推測される。こうした熱処理を施した下地層を用いることにより、結果として、下地層の上方に形成される膜の転位密度をさらに低減することができる。 The threading dislocations that tend to occur above the protrusions constituting the unevenness of the single crystal substrate can be reduced by heat-treating the underlayer at a temperature exceeding the growth temperature. It is presumed that this heat treatment causes dislocation movement and promotes disappearance when the dislocations coalesce. By using the base layer subjected to such heat treatment, as a result, the dislocation density of the film formed above the base layer can be further reduced.
また、下地層の第1表面の凹凸形状を、単結晶基板の主表面の凹凸形状に対し、凹部の横方向に半ピッチだけずらして配設することにより、さらに結晶中の転位密度の低減が期待できる。単結晶基板の凸部上方に延びる転位が、下地層の表面の凹部により遮断され、下地層の第1表面の凸部上方からラテラル成長する結晶で形成される平坦な膜は全域で低転位化される。 Further, the dislocation density in the crystal can be further reduced by disposing the uneven shape of the first surface of the underlayer by a half pitch in the lateral direction of the recessed portion with respect to the uneven shape of the main surface of the single crystal substrate. I can expect. Dislocations extending above the convex portions of the single crystal substrate are blocked by the concave portions on the surface of the underlayer, and the flat film formed of crystals that grow laterally from above the convex portions on the first surface of the underlayer has low dislocations throughout the region. Is done.
さらに、下地層の第1表面は、前記凹凸形状に加えてさらに微細な凹凸形状を重畳して形成することにより、結晶全域で転位密度をより一層減少させることができる。微細な凹凸を形成することで、下地層の微細凹凸表面と、微細凹凸表面上に形成される中間層との界面に存在する転位が、微細凹凸表面によりラテラル成長させられ、微細凹凸のない下地層に比べて、さらに転位密度は減少する。また、前記の光取り出し効率向上効果もさらに顕著になる。 Further, the first surface of the underlayer can be formed by superimposing a fine uneven shape in addition to the uneven shape, thereby further reducing the dislocation density over the entire crystal. By forming fine irregularities, dislocations existing at the interface between the fine irregular surface of the underlayer and the intermediate layer formed on the fine irregular surface are laterally grown by the fine irregular surface, and there is no fine irregularities. Compared to the formation, the dislocation density further decreases. In addition, the effect of improving the light extraction efficiency becomes more remarkable.
そして、本発明のエピタキシャル成長用基板(テンプレート)を用いてLED構造を作製すると、従来のLEDと比較して発光強度が増加した。考えられる理由の1つは発光層中の転位密度の減少による内部量子効率の向上が考えられる。もう1つの理由は、LEDの光取り出し効率の増加によるものと考えられる。下地層に形成された第1表面の凹凸形状の側面から低角度で入射される光は全反射条件が緩和されているため、発光効率が増加し、さらに、微細凹凸を形成した場合には、上記の全反射条件の緩和がいっそう増大され、LEDの発光強度を増大させることができることを見出し、本発明を完成させるに至ったのである。 And when LED structure was produced using the board | substrate for epitaxial growth (template) of this invention, the emitted light intensity increased compared with the conventional LED. One possible reason is that the internal quantum efficiency is improved by reducing the dislocation density in the light emitting layer. Another reason is considered to be due to an increase in light extraction efficiency of the LED. The light incident at a low angle from the side surface of the uneven surface of the first surface formed in the underlayer is relaxed in the total reflection condition, so that the light emission efficiency is increased, and further, when the fine unevenness is formed, It has been found that the relaxation of the total reflection condition can be further increased and the emission intensity of the LED can be increased, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明の要旨構成は以下の通りである。
(1)凹凸形状の主表面を有する単結晶基板と、該単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された、凹凸形状の第1表面を有する第1のIII族窒化物結晶からなる下地層と、該下地層上に、エピタキシャル成長により形成された、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層とを少なくとも有し、前記単結晶基板の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、前記単結晶基板の溝底は互いに等しい幅を有し、前記単結晶基板の頂面は互いに等しい幅を有し、前記下地層の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、前記下地層の溝底は互いに等しい幅を有し、前記下地層の頂面は互いに等しい幅を有し、前記下地層の溝底は前記単結晶基板の頂面と対向し、前記下地層の頂面は前記単結晶基板の溝底と対向することを特徴とするエピタキシャル成長用基板。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) a single crystal substrate having a concavo-convex main surface, and an underlayer made of a first group III nitride crystal having a concavo-convex first surface formed on the single crystal substrate by epitaxial growth; on the underlayer, formed by epitaxial growth, stripes second at least have the intermediate layer comprising a group III nitride crystal, the unevenness of the single crystal substrate, which is located alternately with the groove bottom and the top surface The groove bottoms of the single crystal substrate have the same width, the top surfaces of the single crystal substrate have the same width, and the unevenness of the foundation layer has a groove bottom and a top surface. The stripe-shaped grooves are alternately arranged, the groove bottoms of the foundation layer have the same width, the top surfaces of the foundation layer have the same width, and the groove bottom of the foundation layer is the single crystal substrate. The top surface of the underlayer is a groove of the single crystal substrate. Epitaxial growth substrate, characterized in that facing the.
(2)前記単結晶基板、前記下地層および前記中間層を構成する材料の屈折率を、それぞれn1、n2、n3としたとき、これら材料の屈折率はn1<n2<n3の関係を満足する上記(1)記載のエピタキシャル成長用基板。 (2) When the refractive indexes of the materials constituting the single crystal substrate, the base layer, and the intermediate layer are n 1, n 2 , and n 3 , respectively, the refractive indexes of these materials are n 1 <n 2 <n The substrate for epitaxial growth according to the above (1), which satisfies the relationship 3 above.
(3)前記下地層の第1表面は、前記凹凸形状に加えてさらに微細な凹凸形状を重畳して形成してなる上記(1)または(2)に記載のエピタキシャル成長用基板。 (3) The substrate for epitaxial growth according to (1) or (2), wherein the first surface of the base layer is formed by superimposing a fine uneven shape in addition to the uneven shape.
(4)前記下地層がその成長温度を超える温度で加熱処理されることにより得られる、上記(1)、(2)又は(3)記載のエピタキシャル成長用基板。 (4) The substrate for epitaxial growth according to (1), (2) or (3), which is obtained by heat-treating the underlayer at a temperature exceeding its growth temperature.
(5)単結晶基板の主表面に凹凸形状を形成する工程と、単結晶基板上に、エピタキシャル成長により、第1のIII族窒化物結晶からなる下地層を、その上面である第1表面が凹凸形状になるように形成する工程と、下地層上に、エピタキシャル成長により、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層を形成する工程とを少なくとも有し、前記単結晶基板の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝とし、前記単結晶基板の溝底は互いに等しい幅とし、前記単結晶基板の頂面は互いに等しい幅とし、前記下地層の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝とし、前記下地層の溝底は互いに等しい幅とし、前記下地層の頂面は互いに等しい幅とし、前記下地層の溝底は前記単結晶基板の頂面と対向させ、前記下地層の頂面は前記単結晶基板の溝底と対向させることを特徴とするエピタキシャル成長用基板の製造方法。 (5) A step of forming a concavo-convex shape on the main surface of the single crystal substrate, and an underlying layer made of the first group III nitride crystal is formed on the single crystal substrate by epitaxial growth, and the first surface, which is the upper surface, is concavo-convex forming such a shape, on the underlying layer by epitaxial growth and the step of forming an intermediate layer made of a second III-nitride crystal at least chromatic, unevenness of the single crystalline substrate, the groove bottom And the top surface of the single crystal substrate have the same width, and the unevenness of the underlayer is the groove bottom. And the bottom surface of the bottom layer has the same width, the top surface of the base layer has the same width, and the bottom surface of the bottom layer has the groove bottom of the single crystal substrate. The top surface of the underlayer Method for manufacturing an epitaxial growth substrate, wherein Rukoto to face the groove bottom of the single crystalline substrate.
(6)上記(1)〜(4)のいずれかに記載のエピタキシャル成長用基板を用いたIII族窒化物半導体素子。 (6) A group III nitride semiconductor device using the epitaxial growth substrate according to any one of (1) to (4).
本発明の効果は、以下の通りである。
上記(1)の構成において、下地層の表面に凹凸形状を形成することにより、エピタキシャル成長用基板自体の転位密度を結晶全域で低くすること(第1の効果)が可能である。また、単結晶基板の凹凸が、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、単結晶基板の溝底は互いに等しい幅を有し、単結晶基板の頂面は互いに等しい幅を有し、下地層の凹凸が、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、下地層の溝底は互いに等しい幅を有し、下地層の頂面は互いに等しい幅を有し、下地層の溝底が単結晶基板の頂面と対向し、下地層の頂面が単結晶基板の溝底と対向することにより、さらに結晶中の転位密度の低減が期待できる。単結晶基板の凸部上方に延びる転位が、下地層の表面の凹部により遮断され、下地層の第1表面の凸部上方からラテラル成長する結晶で形成される平坦な膜は全域で低転位化されるからである。このため、本発明のエピタキシャル成長用基板を用いて発光デバイス構造を作製すると、エピタキシャル成長用基板自体の転位密度が結晶全域で低いため、内部量子効率の向上とリーク電流の低減が図れるとともに、単結晶基板と下地層の表面凹凸の形成により、界面における全反射条件の緩和(第2の効果)による高い光取り出し効率を実現することが可能となる。
The effects of the present invention are as follows.
In the above configuration (1), it is possible to lower the dislocation density of the epitaxial growth substrate itself in the entire crystal region by forming an uneven shape on the surface of the underlayer (first effect) . The unevenness of the single crystal substrate is a striped groove in which the groove bottom and the top surface are alternately positioned. The groove bottoms of the single crystal substrate have the same width, and the top surfaces of the single crystal substrate are equal to each other. The underlayer has a width, and the unevenness of the underlayer is a striped groove in which the groove bottom and the top surface are alternately arranged. The groove bottom of the underlayer has the same width and the top surface of the underlayer is the same. It has a width, and the bottom of the groove of the underlayer faces the top surface of the single crystal substrate, and the top surface of the underlayer faces the bottom of the groove of the single crystal substrate, so that further reduction of dislocation density in the crystal can be expected. . Dislocations extending above the convex portions of the single crystal substrate are blocked by the concave portions on the surface of the underlayer, and the flat film formed of crystals that grow laterally from above the convex portions on the first surface of the underlayer has low dislocations throughout the region. Because it is done. For this reason, when the light emitting device structure is produced using the epitaxial growth substrate of the present invention, the dislocation density of the epitaxial growth substrate itself is low throughout the crystal, so that the internal quantum efficiency can be improved and the leakage current can be reduced. And the formation of the surface irregularities of the underlayer can realize high light extraction efficiency by relaxing the total reflection condition at the interface (second effect).
上記(2)の構成を採用することによって、界面の平坦部をより少なくすることができるので、上記第1および第2の効果の双方をより一層高めることが可能となる。 By adopting the configuration (2), the flat portion of the interface can be further reduced, so that both the first and second effects can be further enhanced.
上記(1)または(2)の構成に加えて、上記(3)の構成を加えることにより、下地層中の転位密度をさらに低減することができ、その上に半導体素子構造を形成することで、第1の効果をより一層高めることが可能となる。 In addition to the configuration of (1) or (2) above, by adding the configuration of (3) above, the dislocation density in the underlayer can be further reduced, and a semiconductor element structure is formed thereon. The first effect can be further enhanced.
なお、上記効果はいずれも、本発明のエピタキシャル成長用基板を発光デバイスに適用した場合についてだけ記載しているが、他の半導体素子に適用しても同様の効果が期待できる。例えば、受光素子デバイスの場合は、第1の効果による内部量子効率の向上および暗電流の低減が可能となる。また、電子デバイスの場合は、第1の効果による移動度の向上及びリーク電流の改善が可能となる。 In addition, although all the above effects are described only when the epitaxial growth substrate of the present invention is applied to a light emitting device, the same effects can be expected when applied to other semiconductor elements. For example, in the case of a light receiving element device, the internal quantum efficiency can be improved and the dark current can be reduced by the first effect. In the case of an electronic device, the mobility can be improved and the leakage current can be improved by the first effect.
次に、本発明に従うエピタキシャル成長用基板の実施形態について以下で説明する。
図1は、本発明の参考例のエピタキシャル成長用基板を用いて製造した発光ダイオード(LED)構造を示したものである。
Next, an embodiment of a substrate for epitaxial growth according to the present invention will be described below.
FIG. 1 shows a light emitting diode (LED) structure manufactured using a substrate for epitaxial growth according to a reference example of the present invention.
図1に示す発光ダイオード(LED)構造1に用いたエピタキシャル成長用基板2は、単結晶基板3、下地層4および中間層5で少なくとも構成されている。
An
尚、ここでいう、「エピタキシャル成長」とは、基板または下地となる結晶に結晶成長させる際に、結晶面をそろえて配列させる成長様式をいい、「エピタキシャル成長用基板」とは、当該基板2上にデバイス層6をエピタキシャル成長させて形成するために用いる下地基板を意味するが、デバイス層6が形成されていない状態で単独で存在するものに限らず、デバイス層を連続的に形成するための中間生成物(例えば下地層4および中間層5など)も含むものである。
The term “epitaxial growth” as used herein refers to a growth mode in which crystal planes are aligned with each other when a crystal is grown on a substrate or an underlying crystal, and “epitaxial growth substrate” is defined on the
単結晶基板3は、凹凸形状の主表面3aを有する。単結晶基板3としては、例えば、サファイア、SiC、AlN、AlGaN、GaNなど、作製する半導体素子によって、自由に選択することができる。特に、発光素子に用いる場合では、発光波長において、バンド構造、不純物に起因する吸収が存在しない基板材料が好ましい。例えば、AlGaN系紫外発光素子では、好ましくは発光波長帯においてバンド構造、不純物に起因する吸収しない材料であり、特に、サファイアまたはAlN、AlGaNが好ましい。単結晶基板3の主表面3aの凹凸形状は、前記主表面3aから上方に転位が上方に伝播しにくい凹部が存在するような表面形状であればよく、特に限定する必要はないが、例えば、 凹凸形状の配置については、ストライブ状、島状、穴状、ジグザク状など各種凹凸形状が可能であり、必ずしも全面が同じ形状である必要はない。島状になっている場合でも、円形や多角形など、各種形状が可能である。
主表面3aの凹凸形状がストライプ状である場合、主表面3aの凹部(溝)7の幅W1および深さd1は、それぞれ100nm〜100μmおよび10nm以上とし、主表面3aの凸部8の幅W2は100nm〜100μmとし、そして溝の配設ピッチW3は、100nm〜100μmとすることが、主表面3a、特に凹部上方の転位密度の低減を図るとともに、基板3と下地層4の界面での全反射条件を緩和する上で好ましい。
When the uneven shape of the
下地層4は、単結晶基板3上に、エピタキシャル成長により形成されたものであって、凹凸形状の第1表面4aを有する第1のIII族窒化物結晶からなる。
第1のIII族窒化物結晶としては、例えば、AlN、GaN、InN、BN及びそれらの混晶等が挙げられ、さらに、必要に応じて、Si、Ge、Be、Mg、Zn、As、P、Bあるいは遷移金属などの成分を含有させてもよい。ただし、基板3の材料の選択と同様、発光波長において、バンド構造、不純物に起因する吸収が存在しない材料であることが好ましい。
The
Examples of the first group III nitride crystal include AlN, GaN, InN, BN, and mixed crystals thereof. Further, Si, Ge, Be, Mg, Zn, As, P may be used as necessary. , B or a transition metal component may be included. However, as with the selection of the material of the
ここで、下地層4の第1表面4aの凹部9の幅(横方向寸法)W4は、デバイスサイズ、発光素子の場合には、発光波長から適宜選択することになるが、光リソグラフィー技術で形成可能な範囲である100nm〜100μm程度が好ましい。前記第1表面4aの凹部9の深さ(縦方向寸法)d2としては、上限は特に制限されるものではないが、10nm以上が好ましい。あまりに凹凸の段差が小さい場合、上述した第1および第2の効果ともに発現しないからである。凹凸の角度については、適宜選択する。なお、下地層4を複数層の積層体で構成する場合、これら各層の第1表面4aの凹凸を複数段重ね合わさるようにしても良い。
Here, the width (lateral dimension) W4 of the
下地層4の第1表面4aの凹凸形状の配置については、例えばストライブ状、島状、穴状、ジグザク状など各種表面形状が可能であり、必ずしも全面が同じ形状である必要はない。島状になっている場合でも、丸型、多角形型など、各種形状が可能である。
Regarding the arrangement of the uneven shape of the
単結晶基板3と下地層4の間や下地層4中に、本発明の効果を発揮できる範囲であれば、中間層やバッファ層を単層または複数層配設することは可能である。例えば、基板表面に低温バッファ層を形成したり、窒化などの基板表面改質処理、ひずみ緩衝効果をもつ超格子層、組成傾斜等を行うことも可能である。
As long as the effect of the present invention can be exhibited between the
下地層4の第1表面4aの凹凸の配設位置は、単結晶下地基板の主表面3aの凹凸の位置との関係で特に限定されるものではなく、例えば、下地層4の第1表面4aの凹凸配設位置を、図1に示すように、単結晶基板3の主表面3aの凹凸の配設位置に対応して設ける場合や、図2に示す本発明のように、単結晶基板3の主表面3aの凹凸の配設位置に対し半ピッチだけずらして設けることができる。
The position of the unevenness of the
さらに、下地層4の第1表面4aは、できるだけ平坦部分を減らすことが、第1および第2の効果の双方を向上する上で好ましく、例えば、下地層4の第1表面4aの凹凸形状に加えてさらに、図3に示すような微細な凹凸形状を重畳することが好ましい。なお、ここでいう「微細凹凸形状」とは、前記第1表面4aの凹凸構造の横方向(幅方向)周期のみが、図1に示す第1表面4aの凹凸形状よりも狭いことを意味し、縦方向(凹部深さ方向)について制限はない。
Further, the
前記微細凹凸形状の、凸部間の配設ピッチW5と凹部間の配設ピッチW6は、いずれも
100nm〜100μmの範囲とすることが好ましい。
The arrangement pitch W5 between the convex portions and the arrangement pitch W6 between the concave portions of the fine uneven shape are both
A range of 100 nm to 100 μm is preferable.
中間層5は、下地層4上に、エピタキシャル成長により形成されたものであって、第2のIII族窒化物結晶からなる。第2のIII族窒化物結晶としては、例えば、AlN、GaN、InN、BN及びそれらの混晶等が挙げられ、さらに、必要に応じて、Si、Ge、Be、Mg、Zn、As、P、Bあるいは遷移金属などの成分を含有させてもよい。この層は、導電層として機能する層であっても良い。
The
また、前記単結晶基板3、前記下地層4および前記中間層5を構成する材料の屈折率を、それぞれn1、n2、n3としたとき、これら材料の屈折率はn1<n2<n3の関係を満足することが、光取り出し効率をより一層向上させる上で好ましい。
Further, when the refractive indexes of the materials constituting the
次に、本発明に従うエピタキシャル成長用基板の製造方法の一例について、以下で説明する。
図4(a)〜(f)は、本発明の代表的な製造方法を構成する主要工程を示したものであり、図4(g)〜(i)は、本発明の参考例としての製造方法を構成する主要工程を示したものである。
Next, an example of a method for manufacturing an epitaxial growth substrate according to the present invention will be described below.
Figure 4 (a) ~ (f) are all SANYO showing main steps constituting a typical production method of the present invention, FIG. 4 (g) ~ (i) is, as a reference example of the present invention Ru der shows the main steps constituting the process for producing.
本発明のエピタキシャル成長用基板の製造方法は、まず、図4(a)に示すように、単結晶基板3の主表面3aに凹凸形状を形成する。
In the method for manufacturing a substrate for epitaxial growth according to the present invention, first, an uneven shape is formed on the
単結晶基板3の作製方法としては、例えば通常のフォトリソグラフィ技術を用いて、目的の凹凸の態様に応じてパターン化し、エッチングする。エッチング手法としては、RIE等のドライエッチング、薬液を用いた液層エッチング、熱処理等を用いることができる。また、単結晶基板3の材料と同じ材料を凸状に形成する手法も採用することが可能である。
As a manufacturing method of the
次に、単結晶基板3上に、エピタキシャル成長により、第1のIII族窒化物結晶からなる下地層4を形成する(図4(b))。
Next, the
下地層4の作製方法としては、例えば、MOCVD、MBE、スパッタなどの各種薄膜作製技術が挙げられる。前記単結晶基板3の材料を適宜選択し、窒化により作製することも可能である。
Examples of the method for producing the
また、下地層4は、その上面である第1表面4aが凹凸形状になるように形成する。
The
下地層4の第1表面4aに凹凸形状を作製する方法としては、例えば、上記薄膜作製時に、単結晶基板3の主表面3aの凹凸形状を反映させたまま成長させることにより形成する方法や、下地層4を薄膜としてエピタキシャル成長により形成した後、単結晶基板3の主表面3aの凹凸形状の作製方法と同様な加工により作製する方法を挙げることができ、後者の場合は、薄膜作製時に、表面平坦化を促進する条件で作製することも可能である。
As a method for producing a concavo-convex shape on the
また、下地層4の第1表面4aに凹凸形状を作製する他の方法としては、図2に示すように、下地層4の第1表面4aの凹凸形状を、単結晶基板3の主表面3aの凹凸形状に対し、凹部7の横方向に半ピッチだけずらして配設する場合には、まず、単結晶基板3の主表面3aの凸部8に対応する位置にマスク11を形成し(図4(c))、次いで、下地層4の第1表面4a上のマスク11間に、第1のIII族窒化物結晶をさらにエピタキシャル成長させた(図4(d))後、マスク11を除去することにより(図4(e))、下地層4の第1表面4aに凹凸形状を作製することもでき、その後、中間層5およびデバイス層6を形成する(図4(f))。
Further, as another method for producing the uneven shape on the
なお、本発明でいう、「下地層の凹凸形状の第1表面」とは、図4(e)に示すように、下地層4の凸部4cが、それ以外の下地層4のベース部分4bと同じIII族窒化物結晶からなる場合に加えて、下地層4の第1表面4a上に、下地層4のベース部分4bとは異なる材料を配設することにより、下地層の第1表面が凹凸形状になる場合も含まれる。
In the present invention, “the first surface of the concavo-convex shape of the underlayer” means that the
具体的には、単結晶基板3上に下地層4を形成した後、図4(g)〜図4(i)に示すように、下地層4の第1表面4a上の所定位置にマスク11を形成した後、マスクを残すことにより、下地層4の第1表面4aを凹凸形状にしても良い。
Specifically, after forming the
また、前記下地層4の第1表面4aの凹凸形状に加えてさらに微細な凹凸形状12を重畳して形成する方法の一例を図5(a)〜(d)に示すが、例えば、斜め方向ファセットが形成される低温でIII族窒化物結晶を成長したり、一旦凹凸形状を作製した後、エッチング、熱処理等を加えることにより得ることもできる。
In addition, an example of a method for forming a fine
さらに、下地層4である第1のIII族窒化物の転位をさらに低減するためには、下地層4を形成した後に、形成時の温度を超える温度、好適には1200〜2000℃、より好適には1200〜1800℃で熱処理を加えることが好ましい。
Furthermore, in order to further reduce the dislocation of the first group III nitride as the
下地層4上に、エピタキシャル成長により、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層を形成する工程とを少なくとも有している。
And a step of forming an intermediate layer made of the second group III nitride crystal on the
次に、下地層上に、エピタキシャル成長により、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層5を形成する。
Next, the
中間層5のIII族窒化物結晶の作製方法としては、下地層4と同様の手法を用いることができ、下地層4の第1表面4aの凹凸形状が薄膜作製手法のみによって得られる場合には、中間層5を下地層4と連続して作製することもできる。
As a method for producing the group III nitride crystal of the
尚、上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。 The above description only shows an example of the embodiment of the present invention, and various modifications can be made within the scope of the claims.
次に、本発明の参考例について以下で説明する。
(参考例1)溝付サファイア基板/凹凸表面下地層上AlGaNLED構造
参考例1は、基板としてc面サファイア基板3を用いる。この基板3の主表面3aにフッ素系ガスを使用した反応性イオンエッチング法で、幅2μm、深さ500nmのストライプ形状の溝(凹部7)を、配設ピッチ2μmで形成する。原料ガスにトリメチルアルミニウム(TMA)、アンモニア(NH3)。キャリアガスに水素を用いて、下地層4としてAlN膜をMOCVD法により成長させた。成長温度を1200℃とし、成長圧力を15torrとした。流量比NH3/TMAは450とした。成長させたAlN膜4の膜厚は1μmであった。下地層4は基板の溝を反映させた凹凸形状の第1表面4aを有するように成膜された。次に、AlN膜5をエピ成長させた基板上に、n-AlGaN層(厚さ:1μm、Siドープ量:5×1018)、AlGaN多重量子井戸層(MQW)およびp-AlGaN(厚さ20nm、Mgドープ量:5×1019/cm3)からなるAlGaN系LED構造6をMOCVD法により順次形成した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。
Next, reference examples of the present invention will be described below.
( Reference example 1) Grooved sapphire substrate / AlGaN LED structure on uneven surface underlayer
Reference Example 1 uses a c-
その後、得られた基板をMOCVD装置から取出し、Ni(下層)/Au(上層)からなるp側電極を形成した。 Thereafter, the obtained substrate was taken out from the MOCVD apparatus, and a p-side electrode made of Ni (lower layer) / Au (upper layer) was formed.
反応性イオンエッチングにてエッチング、Ti(下層)/Al(上層)からなるn 側電極を形成した。その後、700℃で5分間アニール処理を行った。その後、研削、研磨、スクライブ、ブレーキングによって素子分離を行い、1mm角のLEDチップを得た。サファイア基板側を光取り出し面とするフィリップチップとし、Auバンプを用いて電気接続を行った。 Etching was performed by reactive ion etching to form an n-side electrode made of Ti (lower layer) / Al (upper layer). Thereafter, annealing was performed at 700 ° C. for 5 minutes. Thereafter, element separation was performed by grinding, polishing, scribing, and braking to obtain a 1 mm square LED chip. A Philip chip having the sapphire substrate side as a light extraction surface was used, and electrical connection was performed using Au bumps.
作製したLEDチップの転位密度を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いた断面観察により測定した結果、サファイア表面に形成された凹部上方のAlGaN発光層で1×108 /cm2、凸部上方で5×108 /cm2であった。転位密度の減少による発光効率の増加を調べるために内部量子効率を測定した。内部量子効率の測定方法としては一般的に用いられているフォトルミネッセンス(PL)法を用いた。また、異種結晶界面における光の全反射率低減の効果を評価するための指標として光取り出し効率を用いた。光取り出し効率は外部量子効率を内部量子効率で割った値を用いた。外部量子効率は積分球を用いた分光放射強度の測定により測定したLED発光出力P0(W)から投入電力P1(W)を割った値である。結果として、作製したLEDの内部量子効率は35%、光取り出し効率は70%であった。 The dislocation density of the fabricated LED chip was measured by cross-sectional observation using a transmission electron microscope (TEM). As a result, the AlGaN light-emitting layer above the recess formed on the sapphire surface was 1 × 10 8 / cm 2 above the protrusion. It was 5 × 10 8 / cm 2 . The internal quantum efficiency was measured to investigate the increase in luminous efficiency due to the decrease in dislocation density. A commonly used photoluminescence (PL) method was used as a method for measuring the internal quantum efficiency. In addition, light extraction efficiency was used as an index for evaluating the effect of reducing the total reflectance of light at the interface between different crystals. The light extraction efficiency was obtained by dividing the external quantum efficiency by the internal quantum efficiency. The external quantum efficiency is a value obtained by dividing the input power P1 (W) from the LED light emission output P0 (W) measured by measuring the spectral radiation intensity using an integrating sphere. As a result, the fabricated LED had an internal quantum efficiency of 35% and a light extraction efficiency of 70%.
(参考例2)溝付サファイア基板/微細凹凸表面下地層上AlGaNLED構造
参考例2は、参考例1の下地層4の凹凸形状の第1表面4a上に、低温(1050℃)でAlN膜を成長させることで、さらに微細な凹凸表面12を形成したこと以外は参考例1と同様の方法でLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。低温成長により形成された微細凹凸のファセットの法線方向の角度は60°、ピッチの間隔は0.08μmであった。AlGaN発光層の転位密度は結晶全域で5×107 /cm2であった。参考例2で作製した基板を用いて作製したLED構造の内部量子効率は40%、光取り出し効率は75%であった。
( Reference example 2) Grooved sapphire substrate / AlGaN LED structure on fine uneven surface underlayer
Reference Example 2, on the
(参考例3)溝付サファイア/凹凸表面下地層に高温加熱処理をしたAlGaNLED構造
参考例3は、溝付サファイア基板3上に、凹凸形状の第1表面4aを有する下地層4としてのAlN膜に1650℃で600分間の熱処理を施したこと以外は、参考例1と同様の方法でLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlGaN発光層の転位密度は結晶全域で9×106/cm2であった。比較例3で作製したテンプレートを用いて作製したLED構造の内部量子効率は60[%]、光取り出し効率は70[%]を得た。
( Reference example 3) AlGaN LED structure with sapphire with groove / irregular surface underlayer heated at high temperature
Reference Example 3 is the same as Reference Example 1 except that an AlN film as the
(比較例1)溝付サファイア基板/平坦下地層上AlGaNLED構造
比較例1は、溝付サファイア上に、表面が平坦なAlN膜を下地層として形成したこと以外は参考例1と同様の方法でLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlGaN発光層の転位密度は凹部上方で5×108/cm2、凸部上方で2×109/cm2であった。特許文献の転位密度と比較するために、電子間力顕微鏡(AFM)を用いたAlGaN表面観察によって求めたエッチピット密度から転位密度を計算した結果、AlGaN表面全域で1×106/cm2程度であった。比較例1で作製したエピタキシャル成長用基板を用いて作製したLED構造の内部量子効率は20%、光取り出し効率は60%であった。
(Comparative Example 1) Grooved sapphire substrate / AlGaN LED structure on flat underlayer Comparative Example 1 is the same method as Reference Example 1 except that an AlN film having a flat surface is formed as an underlayer on grooved sapphire. An LED structure was fabricated. The refractive index was measured using an ellipsometer, and as a result, sapphire (n = 1.76), AlN (n = 2.15), and AlGaN (n = 2.21) were obtained. The dislocation density of the AlGaN light emitting layer was 5 × 10 8 / cm 2 above the concave portion and 2 × 10 9 / cm 2 above the convex portion. In order to compare with the dislocation density in the patent literature, the dislocation density was calculated from the etch pit density obtained by observing the AlGaN surface using an electron force microscope (AFM). As a result, about 1 × 10 6 / cm 2 over the entire AlGaN surface. Met. The internal quantum efficiency of the LED structure fabricated using the epitaxial growth substrate fabricated in Comparative Example 1 was 20%, and the light extraction efficiency was 60%.
(比較例2)平坦表面サファイア基板/凹凸表面下地層上AlGaNLED構造
比較例2は、溝を形成しない平坦なサファイア基板上に、表面に凹凸形状を有するAlN膜から構成される下地層をエピタキシャル成長させることで作製したエピタキシャル成長用基板を用いてLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlN膜の凹凸はマスクを介したエッチングにより形成した。AlGaN発光層の転位密度は凹部上方で5×108/cm2、凸部上方で2×109/cm2であった。比較例2で作製したテンプレートを用いて作製したLED構造の内部量子効率は20%、光取り出し効率は25%を得た。
Comparative Example 2 Flat Surface Sapphire Substrate / Uneven Surface Underlayer AlGaN LED Structure Comparative Example 2 epitaxially grows an underlayer composed of an AlN film having an uneven surface on a flat sapphire substrate without grooves. An LED structure was fabricated using the epitaxial growth substrate thus fabricated. The refractive index was measured using an ellipsometer, and as a result, sapphire (n = 1.76), AlN (n = 2.15), and AlGaN (n = 2.21) were obtained. The unevenness of the AlN film was formed by etching through a mask. The dislocation density of the AlGaN light emitting layer was 5 × 10 8 / cm 2 above the concave portion and 2 × 10 9 / cm 2 above the convex portion. The LED structure fabricated using the template fabricated in Comparative Example 2 has an internal quantum efficiency of 20% and a light extraction efficiency of 25%.
(比較例3)平坦表面サファイア基板/平坦表面下地層上AlGaNLED構造
比較例3は、図7に示すように、溝を形成しない平坦なサファイア基板上に、AlN膜を平坦表面を有する下地層をエピタキシャル成長させることで作製したエピタキシャル成長用基板を用いてLED構造を作製した。エリプソメータを用いて屈折率を測定した結果、サファイア(n=1.76)、AlN(n=2.15)、AlGaN(n=2.21)であった。AlGaN発光層の転位密度は結晶全域で5×109/cm2であった。比較例3で作製したテンプレートを用いて作製したLED構造の内部量子効率は8%、光取り出し効率は20%を得た。
(Comparative Example 3) Flat Surface Sapphire Substrate / AlGaN LED Structure on Flat Surface Underlayer As shown in FIG. 7, in Comparative Example 3, an underlayer having a flat surface is formed on an AlN film on a flat sapphire substrate without forming grooves. An LED structure was fabricated using an epitaxial growth substrate fabricated by epitaxial growth. The refractive index was measured using an ellipsometer, and as a result, sapphire (n = 1.76), AlN (n = 2.15), and AlGaN (n = 2.21) were obtained. The dislocation density of the AlGaN light emitting layer was 5 × 10 9 / cm 2 throughout the crystal. The internal quantum efficiency of the LED structure manufactured using the template manufactured in Comparative Example 3 was 8%, and the light extraction efficiency was 20%.
上記(1)の構成において、下地層の表面に凹凸形状を形成することにより、エピタキシャル成長用基板自体の転位密度を結晶全域で低くすること(第1の効果)が可能である。また、単結晶基板の凹凸が、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、単結晶基板の溝底は互いに等しい幅を有し、単結晶基板の頂面は互いに等しい幅を有し、下地層の凹凸が、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、下地層の溝底は互いに等しい幅を有し、下地層の頂面は互いに等しい幅を有し、下地層の溝底が単結晶基板の頂面と対向し、下地層の頂面が単結晶基板の溝底と対向することにより、さらに結晶中の転位密度の低減が期待できる。単結晶基板の凸部上方に延びる転位が、下地層の表面の凹部により遮断され、下地層の第1表面の凸部上方からラテラル成長する結晶で形成される平坦な膜は全域で低転位化されるからである。このため、本発明のエピタキシャル成長用基板を用いて発光デバイス構造を作製すると、エピタキシャル成長用基板自体の転位密度が結晶全域で低いため、内部量子効率の向上とリーク電流の低減が図れるとともに、単結晶基板と下地層の表面凹凸の形成により、界面における全反射条件の緩和(第2の効果)による高い光取り出し効率を実現することが可能となる。 In the above configuration (1), it is possible to lower the dislocation density of the epitaxial growth substrate itself in the entire crystal region by forming an uneven shape on the surface of the underlayer (first effect) . The unevenness of the single crystal substrate is a striped groove in which the groove bottom and the top surface are alternately positioned. The groove bottoms of the single crystal substrate have the same width, and the top surfaces of the single crystal substrate are equal to each other. The underlayer has a width, and the unevenness of the underlayer is a striped groove in which the groove bottom and the top surface are alternately arranged. The groove bottom of the underlayer has the same width and the top surface of the underlayer is the same. It has a width, and the bottom of the groove of the underlayer faces the top surface of the single crystal substrate, and the top surface of the underlayer faces the bottom of the groove of the single crystal substrate, so that further reduction of dislocation density in the crystal can be expected. . Dislocations extending above the convex portions of the single crystal substrate are blocked by the concave portions on the surface of the underlayer, and the flat film formed of crystals that grow laterally from above the convex portions on the first surface of the underlayer has low dislocations throughout the region. Because it is done. For this reason, when the light emitting device structure is produced using the epitaxial growth substrate of the present invention, the dislocation density of the epitaxial growth substrate itself is low throughout the crystal, so that the internal quantum efficiency can be improved and the leakage current can be reduced. And the formation of the surface irregularities of the underlayer can realize high light extraction efficiency by relaxing the total reflection condition at the interface (second effect).
上記(2)の構成を採用することによって、界面の平坦部をより少なくすることができるので、上記第1および第2の効果の双方をより一層高めることが可能となる。 By adopting the configuration (2), the flat portion of the interface can be further reduced, so that both the first and second effects can be further enhanced.
上記(1)または(2)の構成に加えて、上記(3)の構成を加えることにより、下地層中の転位密度をさらに低減することができ、その上に半導体素子構造を形成することで、第1の効果をより一層高めることが可能となる。 In addition to the configuration of (1) or (2) above, by adding the configuration of (3) above, the dislocation density in the underlayer can be further reduced, and a semiconductor element structure is formed thereon. The first effect can be further enhanced.
なお、上記効果はいずれも、本発明のエピタキシャル成長用基板を発光デバイスに適用した場合についてだけ記載しているが、他の半導体素子に適用しても同様の効果が期待できる。例えば、受光素子デバイスの場合は、第1の効果による内部量子効率の向上および暗電流の低減が可能となる。また、電子デバイスの場合は、第1の効果による移動度の向上及びリーク電流の改善が可能となる。 In addition, although all the above effects are described only when the epitaxial growth substrate of the present invention is applied to a light emitting device, the same effects can be expected when applied to other semiconductor elements. For example, in the case of a light receiving element device, the internal quantum efficiency can be improved and the dark current can be reduced by the first effect. In the case of an electronic device, the mobility can be improved and the leakage current can be improved by the first effect.
1 発光ダイオード(LED)構造
2 エピタキシャル成長用基板
3 単結晶基板
4 下地層
5 中間層
6 デバイス層
6a nクラッド層
6b 活性層
6c pクラッド層
7 単結晶基板の主表面の凹部
8 単結晶基板の主表面の凸部
9 下地層の第1表面の凹部
10 下地層の第1表面の凸部
11 マスク
12 微細凹凸表面
13 p電極
14 n電極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該単結晶基板上に、エピタキシャル成長により形成された、凹凸形状の第1表面を有する第1のIII族窒化物結晶からなる下地層と、
該下地層上に、エピタキシャル成長により形成された、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層と
を少なくとも有し、
前記単結晶基板の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、前記単結晶基板の溝底は互いに等しい幅を有し、前記単結晶基板の頂面は互いに等しい幅を有し、
前記下地層の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝であり、前記下地層の溝底は互いに等しい幅を有し、前記下地層の頂面は互いに等しい幅を有し、
前記下地層の溝底は前記単結晶基板の頂面と対向し、前記下地層の頂面は前記単結晶基板の溝底と対向することを特徴とするエピタキシャル成長用基板。 A single crystal substrate having an uneven main surface;
An underlayer composed of a first group III nitride crystal having an uneven first surface formed by epitaxial growth on the single crystal substrate;
On the underlayer, formed by epitaxial growth, at least it has the intermediate layer made of a second III-nitride crystal,
The unevenness of the single crystal substrate is a stripe-like groove in which the groove bottom and the top surface are alternately positioned, the groove bottoms of the single crystal substrate have the same width, and the top surfaces of the single crystal substrate are mutually Have equal width,
The unevenness of the underlayer is a striped groove in which groove bottoms and top surfaces are alternately positioned, the groove bottoms of the underlayer have the same width, and the top surfaces of the underlayer have the same width. Have
An epitaxial growth substrate, wherein a groove bottom of the underlayer faces a top surface of the single crystal substrate, and a top surface of the underlayer opposes a groove bottom of the single crystal substrate.
該単結晶基板上に、エピタキシャル成長により、第1のIII族窒化物結晶からなる下地層を、その上面である第1表面が凹凸形状になるように形成する工程と、
該下地層上に、エピタキシャル成長により、第2のIII族窒化物結晶からなる中間層を形成する工程と
を少なくとも有し、
前記単結晶基板の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝とし、前記単結晶基板の溝底は互いに等しい幅とし、前記単結晶基板の頂面は互いに等しい幅とし、
前記下地層の凹凸は、溝底と頂面とが交互に位置するストライプ状の溝とし、前記下地層の溝底は互いに等しい幅とし、前記下地層の頂面は互いに等しい幅とし、
前記下地層の溝底は前記単結晶基板の頂面と対向させ、前記下地層の頂面は前記単結晶基板の溝底と対向させることを特徴とするエピタキシャル成長用基板の製造方法。 Forming a concavo-convex shape on the main surface of the single crystal substrate;
On the single crystal substrate by epitaxial growth, an underlying layer made of a first III-nitride crystal, comprising the steps of first surface which is the upper surface is formed so that the uneven shape,
Onto the underlying layer by epitaxial growth, at least organic and forming an intermediate layer made of a second III-nitride crystal,
The unevenness of the single crystal substrate is a striped groove in which the groove bottom and the top surface are alternately positioned, the groove bottom of the single crystal substrate has the same width, and the top surface of the single crystal substrate has the same width. ,
The unevenness of the foundation layer is a striped groove in which groove bottoms and top surfaces are alternately positioned, the groove bottoms of the foundation layer have the same width, and the top surfaces of the foundation layer have the same width,
The groove bottom of the underlayer to face the top surface of the single crystalline substrate, the underlayer top manufacturing method of the epitaxial growth substrate, wherein Rukoto to face the groove bottom of the single crystal substrate.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008087789A JP5042100B2 (en) | 2008-03-28 | 2008-03-28 | Epitaxial growth substrate, method of manufacturing the same, and group III nitride semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008087789A JP5042100B2 (en) | 2008-03-28 | 2008-03-28 | Epitaxial growth substrate, method of manufacturing the same, and group III nitride semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009242130A JP2009242130A (en) | 2009-10-22 |
JP5042100B2 true JP5042100B2 (en) | 2012-10-03 |
Family
ID=41304505
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008087789A Active JP5042100B2 (en) | 2008-03-28 | 2008-03-28 | Epitaxial growth substrate, method of manufacturing the same, and group III nitride semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5042100B2 (en) |
Families Citing this family (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011058890A1 (en) * | 2009-11-11 | 2011-05-19 | 京セラ株式会社 | Light emitting element |
JP2012124257A (en) | 2010-12-07 | 2012-06-28 | Toshiba Corp | Semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same |
WO2012174367A2 (en) * | 2011-06-15 | 2012-12-20 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Device with inverted large scale light extraction structures |
US9337387B2 (en) | 2011-06-15 | 2016-05-10 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Emitting device with improved extraction |
US9741899B2 (en) | 2011-06-15 | 2017-08-22 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Device with inverted large scale light extraction structures |
US10319881B2 (en) | 2011-06-15 | 2019-06-11 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Device including transparent layer with profiled surface for improved extraction |
US9142741B2 (en) | 2011-06-15 | 2015-09-22 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Emitting device with improved extraction |
US10522714B2 (en) | 2011-06-15 | 2019-12-31 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Device with inverted large scale light extraction structures |
KR101763460B1 (en) * | 2012-04-02 | 2017-07-31 | 아사히 가세이 가부시키가이샤 | Optical substrate, semiconductor light-emitting element, and method for producing semiconductor light-emitting element |
KR101969308B1 (en) | 2012-10-26 | 2019-04-17 | 삼성전자주식회사 | Semiconductor light emitting device and manufacturing method of the same |
JP6206758B2 (en) * | 2013-08-26 | 2017-10-04 | 国立大学法人東北大学 | Method for manufacturing aluminum nitride (AlN) film |
US10461221B2 (en) | 2016-01-18 | 2019-10-29 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Semiconductor device with improved light propagation |
JP6268229B2 (en) * | 2016-06-27 | 2018-01-24 | 株式会社サイオクス | Nitride semiconductor laminate, method for producing nitride semiconductor laminate, method for producing semiconductor laminate, and method for inspecting semiconductor laminate |
JP7089176B2 (en) | 2018-06-26 | 2022-06-22 | 日亜化学工業株式会社 | Method of forming aluminum nitride film |
CN111801806B (en) | 2018-07-09 | 2024-04-09 | 首尔伟傲世有限公司 | Light emitting element and method for manufacturing the same |
CN115347095B (en) * | 2022-06-13 | 2024-06-04 | 江苏第三代半导体研究院有限公司 | Semiconductor device structure based on nitride single crystal substrate and application thereof |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3427047B2 (en) * | 1999-09-24 | 2003-07-14 | 三洋電機株式会社 | Nitride-based semiconductor device, method of forming nitride-based semiconductor, and method of manufacturing nitride-based semiconductor device |
JP2003197961A (en) * | 2001-12-27 | 2003-07-11 | Toyoda Gosei Co Ltd | Group iii nitride-based compound semiconductor light emitting element |
JP5005266B2 (en) * | 2006-03-02 | 2012-08-22 | 日本碍子株式会社 | AlN crystal fabrication method and AlN thick film |
-
2008
- 2008-03-28 JP JP2008087789A patent/JP5042100B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2009242130A (en) | 2009-10-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5042100B2 (en) | Epitaxial growth substrate, method of manufacturing the same, and group III nitride semiconductor device | |
JP4432180B2 (en) | Group III nitride compound semiconductor manufacturing method, group III nitride compound semiconductor device, and group III nitride compound semiconductor | |
KR100500863B1 (en) | Method for producing group iii nitride compound semiconductor and group iii nitride compound semiconductor device | |
JP3852000B2 (en) | Light emitting element | |
CN107636847B (en) | Nitride semiconductor ultraviolet light-emitting element | |
US10199537B2 (en) | Semiconductor structure with stress-reducing buffer structure | |
JP2000106455A (en) | Nitride semiconductor structure, fabrication thereof and light emitting element | |
KR100809229B1 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method | |
TW201403862A (en) | Light-emitting element with nano column and manufacturing method thereof | |
JP5060055B2 (en) | Nitride compound semiconductor substrate and semiconductor device | |
US20180108806A1 (en) | Patterned Layer Design for Group III Nitride Layer Growth | |
JP6181661B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
TWI755047B (en) | Led precursor incorporating strain relaxing structure | |
JP2009049179A (en) | Manufacturing method for group iii nitride compound semiconductor, and light-emitting element | |
CN105742442B (en) | The manufacturing method of nitride-based semiconductor ultraviolet ray emitting element | |
JP4051892B2 (en) | Group III nitride compound semiconductor manufacturing method and group III nitride compound semiconductor device | |
JP3819398B2 (en) | Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof | |
JP2007036174A (en) | Gallium nitride-based light emitting diode | |
JP4016566B2 (en) | Group III nitride compound semiconductor manufacturing method and group III nitride compound semiconductor device | |
JP4517770B2 (en) | Nitride semiconductor device | |
JP2015109383A (en) | Nitride semiconductor light-emitting element and method for manufacturing the same | |
KR101850537B1 (en) | Semiconductor device | |
JP4356502B2 (en) | Method of manufacturing nitride semiconductor device | |
JP4897285B2 (en) | Substrate for semiconductor device and method for manufacturing the same | |
Gao et al. | Improvement of GaN-based light emitting diodes performance grown on sapphire substrates patterned by wet etching |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110128 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120308 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120321 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120521 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120612 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120710 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5042100 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150720 Year of fee payment: 3 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |