JP2002313739A - Nitride semiconductor substrate and its growth method - Google Patents

Nitride semiconductor substrate and its growth method

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JP2002313739A
JP2002313739A JP2001117910A JP2001117910A JP2002313739A JP 2002313739 A JP2002313739 A JP 2002313739A JP 2001117910 A JP2001117910 A JP 2001117910A JP 2001117910 A JP2001117910 A JP 2001117910A JP 2002313739 A JP2002313739 A JP 2002313739A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride semiconductor substrate wherein a thick nitride semiconductor film can be grown on a substrate and generation of penetrating dislocation is reduced. SOLUTION: In a method for growing nitride semiconductor on a substrate, at least two growing interfaces are formed in the nitride semiconductor, thereby relieving difference of stress between the substrate and the nitride semiconductor.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、発光ダイオード、
レーザダイオード等の発光素子、あるいは太陽電池、光
センサー等の受光素子、又は電子デバイスなどに使用さ
れる窒化ガリウム系化合物半導体素子(InAl
1−x−yN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)を有す
る窒化ガリウム系化合物半導体基板、及びその成長方法
に関する。
The present invention relates to a light emitting diode,
Light-emitting devices such as laser diodes or solar cells, light-receiving element, or an electronic device gallium nitride compound is used in a semiconductor device such as an optical sensor (In x Al y G
The present invention relates to a gallium nitride-based compound semiconductor substrate having a 1-xy N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and a method for growing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、窒化物半導体基板を用いた青色か
ら紫外域にかけての短波長、また白色発光ダイオード
(LED)や半導体レーザ(LD)が注目されている。
半導体レーザは、DVDなど、大容量・高密度の情報記
録・再生が可能なディスクシステムへの利用に対する要
求が高まりを見せている。そのため、このようなLED
及びLD等への利用、その他に受光素子、電子デバイス
への応用が期待される窒化物半導体基板を単結晶で得る
方法が種々検討されている。
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to white light emitting diodes (LEDs) and semiconductor lasers (LDs) using a nitride semiconductor substrate and having a short wavelength from blue to ultraviolet.
There is an increasing demand for semiconductor lasers for use in disk systems, such as DVDs, capable of recording and reproducing high-capacity, high-density information. Therefore, such an LED
Various methods have been studied for obtaining single-crystal nitride semiconductor substrates that are expected to be applied to light-receiving elements and electronic devices in addition to applications to LDs and the like.

【0003】この窒化物半導体基板として例えばGaN
をバルク単結晶で得る方法には高圧法などがあるもの
の、実用化には至っていない。そのため、窒化物半導体
とは異なるサファイア等の基板を用い、この基板上に窒
化物半導体を成長させることで窒化物半導体基板としL
EDやLD、電子デバイスに利用されている。
As the nitride semiconductor substrate, for example, GaN
Although there are high pressure methods and the like as a method for obtaining sucrose from a bulk single crystal, it has not been put to practical use. Therefore, a substrate such as sapphire, which is different from the nitride semiconductor, is used, and a nitride semiconductor is grown on this substrate to form a nitride semiconductor substrate.
It is used for EDs, LDs, and electronic devices.

【0004】窒化物半導体基板とするには、基板と窒化
物半導体との格子定数差から、基板上に窒化物半導体を
直接成長させると、貫通転位が1010個cm−2程度
発生するため、このような結晶性のよくない窒化物半導
体基板上にLEDやLD等の半導体素子を成長させた場
合は、寿命特性や素子特性が悪く、そのため結晶性を向
上させるために基板上に900℃以下の低温で窒化物半
導体から成るバッファ層を成長させる方法が用いられて
いる。このバッファ層を成長させることにより、貫通転
位を10個cm−2まで低減し、平坦で鏡面となる窒
化物半導体基板の成長が可能となった。
In order to form a nitride semiconductor substrate, when a nitride semiconductor is directly grown on a substrate due to a lattice constant difference between the substrate and the nitride semiconductor, threading dislocations are generated at about 10 10 cm −2 . When a semiconductor device such as an LED or LD is grown on such a nitride semiconductor substrate having poor crystallinity, the life characteristics and device characteristics are poor. A method of growing a buffer layer made of a nitride semiconductor at a low temperature is used. By growing this buffer layer, threading dislocations were reduced to 10 8 cm −2 , and a flat, mirror-finished nitride semiconductor substrate could be grown.

【0005】窒化物半導体基板の表面に10個cm
−2程度の貫通転位が存在すれば、その貫通転位は、窒
化物半導体基板上に成長させる半導体レーザ素子内にあ
る活性層等に伝播するため、結晶性の低下が寿命特性に
悪影響を与えるだけでなく、ホール移動度が小さいため
に電気的特性も悪くなる。
[0005] surface of the nitride semiconductor substrate 10 8 cm
If threading dislocations of about -2 exist, the threading dislocations propagate to an active layer or the like in a semiconductor laser device grown on a nitride semiconductor substrate, so that a decrease in crystallinity only adversely affects the life characteristics. In addition, since the hole mobility is small, the electric characteristics are also deteriorated.

【0006】そのため、さらに貫通転位を10個cm
−2以下に減らす目的で窒化物半導体を基板上で横方向
に成長させる方法を利用したELOG(Epitaxially La
teral OverGrowth GaN)成長法が報告されている。この
方法は、窒化物半導体に開口部である窓部を有する保護
膜を形成し、この窓部より窒化物半導体を成長させ、さ
らに窒化物半導体を成長させることにより保護膜上に窒
化物半導体を横方向成長させることで保護膜上において
窒化物半導体を接合させ低転位の窒化物半導体基板を得
ることができる。これは窒化物半導体が成長する領域に
おいて、発生した貫通転位は、保護膜の窓部より窒化物
半導体の成長と共に縦方向、及び横方向に進行し、横方
向に成長した窒化物半導体内の貫通転位は接合部に集束
するため、横方向成長した窒化物半導体の成長領域表面
の貫通転位は10cm−2程度まで低減する。
[0006] Therefore, further threading dislocations 10 8 cm
ELOG (Epitaxially Laminated) using a method of growing a nitride semiconductor laterally on a substrate in order to reduce it to -2 or less.
teral OverGrowth GaN) growth method has been reported. In this method, a protective film having a window serving as an opening is formed in a nitride semiconductor, a nitride semiconductor is grown from the window, and a nitride semiconductor is grown on the protective film by growing the nitride semiconductor. By growing laterally, a nitride semiconductor is bonded on the protective film, and a low-dislocation nitride semiconductor substrate can be obtained. This is because the threading dislocations generated in the region where the nitride semiconductor grows progress in the vertical and horizontal directions together with the growth of the nitride semiconductor from the window of the protective film, and the threading in the laterally grown nitride semiconductor grows. Since the dislocations converge at the junction, threading dislocations on the surface of the growth region of the laterally grown nitride semiconductor are reduced to about 10 6 cm −2 .

【0007】このELOG成長法は横方向成長した範囲
は貫通転位が少ないものの、保護膜の窓部には貫通転位
が多く、窒化物半導体基板の表面全体では結晶性のよく
ない範囲が存在することになり、窒化物半導体基板の表
面全体を均一に貫通転位を低減させたものが期待されて
いる。
In this ELOG growth method, although the threading dislocations are small in the region grown in the lateral direction, threading dislocations are large in the window of the protective film, and there is a region where the crystallinity is not good on the entire surface of the nitride semiconductor substrate. It is expected that the threading dislocations are uniformly reduced on the entire surface of the nitride semiconductor substrate.

【0008】また、成長速度が速く厚膜成長が可能な気
相エピタキシャル成長法としてハイドライド気相エピタ
キシャル成長(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法があ
る。このハイドライド気相エピタキシャル成長法は、他
の有機金属気相成長(MOCVD)法などに比べて成長
速度が速く数十〜数百μmの厚みをもつバルク単結晶が
得られる特徴を持つ。そのため、ハイドライド気相エピ
タキシャル成長法により厚膜成長を行い、窒化物半導体
の表面に発生する貫通転位を均一に低減させた基板が期
待される。
[0008] A hydride vapor phase epitaxy method is a vapor phase epitaxial growth method capable of growing a thick film at a high growth rate. This hydride vapor phase epitaxial growth method is characterized in that the growth rate is higher than that of other metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) methods and the like, and a bulk single crystal having a thickness of several tens to several hundreds μm can be obtained. Therefore, a substrate in which a thick film is grown by the hydride vapor phase epitaxial growth method to uniformly reduce threading dislocations generated on the surface of the nitride semiconductor is expected.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記に
示すハイドライド気相エピタキシャル成長法によりサフ
ァイア等の基板上に窒化物半導体を厚膜成長させた窒化
物半導体基板は割れが発生してしまう。そのため、厚膜
成長させた窒化物半導体基板を1ウェハーで形成でき
ず、厚膜基板上に窒化物半導体素子を成長させるのに2
分割や3分割されたウェハーを使用しなければならず、
分割されたウェハーを使用するのは1ウェハーを用いる
のに比べて工程を増やすことになり全体での歩留まりを
低下させてしまう。また、割れにより窒化物半導体素子
の特性低下も考えられる。そこで、本発明は、このよう
な問題を解決し、基板上に厚膜成長させた窒化物半導体
基板でありながら割れ等を発生せず、厚膜成長と同時に
貫通転位を低減させた窒化物半導体基板を提供するもの
である。
However, a nitride semiconductor substrate obtained by growing a nitride semiconductor on a substrate such as sapphire in a thick film by the hydride vapor phase epitaxial growth method described above causes cracking. For this reason, a nitride semiconductor substrate having a thick film grown thereon cannot be formed on one wafer.
You have to use divided or three-divided wafers,
The use of divided wafers increases the number of processes as compared with the use of one wafer, and lowers the overall yield. In addition, the characteristics of the nitride semiconductor device may be degraded due to cracking. Therefore, the present invention solves such a problem and, despite being a nitride semiconductor substrate having a thick film grown on the substrate, does not generate cracks and the like, and a nitride semiconductor which has reduced threading dislocations simultaneously with the thick film growth. A substrate is provided.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における窒化物半導体基板は、基板上に窒化
物半導体を成長させた窒化物半導体基板であって、基板
上の窒化物半導体にクレーター、又は凸型の斜面を有す
る成長界面を少なくとも2つ備えた窒化物半導体基板で
ある。
In order to achieve the above object, a nitride semiconductor substrate according to the present invention is a nitride semiconductor substrate obtained by growing a nitride semiconductor on a substrate, wherein the nitride semiconductor A nitride semiconductor substrate provided with at least two craters or a growth interface having a convex slope.

【0011】前記窒化物半導体基板は、前記凸型の斜面
は連続して存在することにより成長界面を形成すること
を特徴とする。
[0011] The nitride semiconductor substrate is characterized in that a growth interface is formed by the continuous presence of the convex slope.

【0012】本発明における窒化物半導体基板の成長方
法は、基板上に気相エピタキシャル成長法を用いて窒化
物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法であ
って、基板上に、第1の窒化物半導体層と、その上に第
2の窒化物半導体層とを成長させ、前記第1の窒化物半
導体層と前記第2の窒化物半導体層との界面にクレータ
ー、又は凸型の斜面を有する成長界面を形成する工程を
備える窒化物半導体基板の成長方法である。
The method for growing a nitride semiconductor substrate according to the present invention is a method for growing a nitride semiconductor substrate on a substrate by using a vapor phase epitaxial growth method. A nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer grown thereon, having a crater or a convex slope at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer A method for growing a nitride semiconductor substrate comprising a step of forming a growth interface.

【0013】前記窒化物半導体基板の成長方法は、前記
基板上に、窒化物半導体から成る核、又は層を下地層と
して成長させ、その下地層を介して前記第1の窒化物半
導体層を成長させることを特徴とする。
In the method for growing a nitride semiconductor substrate, a nucleus or a layer made of a nitride semiconductor is grown on the substrate as an underlayer, and the first nitride semiconductor layer is grown through the underlayer. It is characterized by making it.

【0014】前記窒化物半導体基板の成長方法は、前記
成長界面を形成する工程を少なくとも2以上有すること
を特徴とする。
The method for growing a nitride semiconductor substrate has at least two or more steps of forming the growth interface.

【0015】前記窒化物半導体基板の成長方法は、ハイ
ドライド気相エピタキシャル成長法であることを特徴と
する。
The method for growing a nitride semiconductor substrate is characterized in that it is a hydride vapor phase epitaxial growth method.

【0016】ここで、基板とは窒化物半導体と異なる異
種基板であれば、C面、R面、及びA面のいずれかを主
面とするサファイアやSiC(6H、4H、3C)、ス
ピネル、ZnS、ZnO、Si、GaAs等である。
又、窒化ガリウムのように一般式InAlGa
1−x+yN(0≦X≦1、0≦Y≦1、0≦X+Y≦
1)で示される窒化物半導体を基板とすることもでき
る。また、基板をウェハーとして使用する場合の大きさ
は特に限定されないが、1〜5インチφのものが用いら
れており、基板の厚みも劈開やダイシングによるチップ
化が可能な範囲であればよい。具体的には基板厚みは
0.1mm以上とする。これらの基板は表面が平坦なも
のを使用するが、窒化物半導体から成る核、又は層を成
長させることができれば、例えばエッチング等により細
かい荒れを有するものや、基板の窒化物半導体の成長面
に凹凸、斜面、階段形状を有するものや、基板の窒化物
半導体の成長面に対し裏面に凹凸、溝等を有するもので
あってもよい。
Here, if the substrate is a dissimilar substrate different from the nitride semiconductor, sapphire, SiC (6H, 4H, 3C), spinel, Examples include ZnS, ZnO, Si, and GaAs.
Moreover, the general formula as gallium nitride In x Al y Ga
1−x + y N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦
The nitride semiconductor shown in 1) can be used as the substrate. The size when the substrate is used as a wafer is not particularly limited, but a substrate having a diameter of 1 to 5 inches is used, and the substrate may have any thickness as long as it can be formed into chips by cleavage or dicing. Specifically, the thickness of the substrate is 0.1 mm or more. These substrates have a flat surface, but if a nucleus or a layer made of a nitride semiconductor can be grown, for example, a substrate having fine roughness by etching or the like, or a growth surface of the nitride semiconductor of the substrate may be used. The substrate may have irregularities, slopes, or steps, or may have irregularities, grooves, and the like on the back surface with respect to the nitride semiconductor growth surface of the substrate.

【0017】本発明におけるクレーターとは、第1の窒
化物半導体層を成長後に表面の平面上に形成される多角
錐形状、又は円錐形状の窪みのことである。この窪みの
大きさ、及び深さは5μm以上100μm以下であり、
この深さは同一成長界面における成長界面の高低差であ
る。
The crater according to the present invention is a polygonal pyramidal or conical depression formed on the plane of the surface after the growth of the first nitride semiconductor layer. The size and depth of the depression are 5 μm or more and 100 μm or less,
This depth is the height difference of the growth interface at the same growth interface.

【0018】また、本発明における凸型の斜面とは、第
1の窒化物半導体層を成長後に表面が水平面に対して高
低差を有する表面のことである。この凸型の斜面は、水
平面に対して波形状やドット状の凸部を有するものであ
ってもよい。
In the present invention, the convex slope means a surface having a height difference from a horizontal plane after growing the first nitride semiconductor layer. The convex slope may have a wave-like or dot-like convex portion with respect to the horizontal plane.

【0019】本発明における成長界面とは、以上に示す
第1の窒化物半導体層の成長後にクレーターや凸型の斜
面を形成し、次に第1の窒化物半導体層上に第2の窒化
物半導体層を成長させた後に形成される第1の窒化物半
導体層と第2の窒化物半導体層との界面を示す。この成
長界面はクレーターの高低差を示すものであり、この高
低差が5μm以上100μm以下である。また、成長界
面の高低差は連続して形成されているものがよい。
The growth interface in the present invention means that a crater or a convex slope is formed after the growth of the first nitride semiconductor layer described above, and then the second nitride is formed on the first nitride semiconductor layer. 2 shows an interface between a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer formed after growing a semiconductor layer. This growth interface shows a height difference of the crater, and this height difference is 5 μm or more and 100 μm or less. Further, the height difference at the growth interface is preferably formed continuously.

【0020】上記に示す窒化物半導体基板、及び窒化物
半導体基板の成長方法とすることで、窒化物半導体内に
形成された成長界面に同一組成内で一様な結晶的に不均
一な界面を有することにより、応力緩和され、基板上に
窒化物半導体を具体例としては30μm以上の膜厚で成
長可能であり、さらに、成長界面が連続した斜面を形成
しているため、貫通転位は斜面で転位方向が曲げられ、
この曲げられた貫通転位が成長界面上に成長した窒化物
半導体内で集束し、貫通転位を低減させることができ
る。
By using the nitride semiconductor substrate and the method for growing a nitride semiconductor substrate described above, a uniform crystalline non-uniform interface within the same composition can be formed on the growth interface formed in the nitride semiconductor. By having this, the stress is relaxed, and a nitride semiconductor can be grown on the substrate with a thickness of 30 μm or more as a specific example. Further, since the growth interface forms a continuous slope, threading dislocations are formed on the slope. The dislocation direction is bent,
The bent threading dislocations are focused in the nitride semiconductor grown on the growth interface, and threading dislocations can be reduced.

【0021】上記に示す成長界面の高低差を有すること
により、成長界面の表面は水平面に対して斜面であるた
め、貫通転位の進行方向を変えることができる。この進
行方向を曲げられた貫通転位は図3に示すように、曲げ
られた貫通転位同士が欠陥ループを形成し、窒化物半導
体の成長途中で貫通転位を減少させることができる。
With the above-described height difference of the growth interface, the surface of the growth interface is inclined with respect to the horizontal plane, so that the traveling direction of threading dislocation can be changed. As shown in FIG. 3, the threading dislocations in which the traveling direction is bent form defect loops between the bent threading dislocations, and the threading dislocations can be reduced during the growth of the nitride semiconductor.

【0022】また、窒化物半導体の成長界面を形成する
工程を繰り返し行うことで、さらに貫通転位を低減させ
ることができ、成長界面を2つ有する窒化物半導体基板
では単位面積あたりの貫通転位密度を1×10個/c
、好ましくは7×10個/cmとすることがで
きる。この窒化物半導体基板は、選択的に結晶性のいい
領域を形成するのではなく、窒化物半導体基板の表面全
体を均一に低転位とすることができるため、安定した低
転位基板を提供することができる。又、成長界面を2つ
有することによりサファイア等の基板と窒化物半導体と
の間に生じる応力を分散することができる。この応力は
熱膨張係数差であり、基板と窒化物半導体との成長界面
だけでは、この応力を十分に緩和させることができな
い。そのため、窒化物半導体基板に反りを生じ、さらに
は割れや欠けを生じる。そこで、成長界面を窒化物半導
体内に少なくとも2つ形成することで、このような問題
を解決させる。この成長界面が貫通転位を収束させるこ
とにより、成長界面には結晶性の弱い部分、つまり貫通
転位が存在し、ここで応力である引っ張り歪み等を緩和
させることができる。また、基板上への50μm以上の
厚膜成長であれば、この成長界面を2つ有することで、
窒化物半導体基板の反りや、基板と窒化物半導体との応
力を段階的に緩和させ基板上への窒化物半導体の厚膜成
長を可能とする。
Further, by repeating the step of forming the growth interface of the nitride semiconductor, threading dislocations can be further reduced. In a nitride semiconductor substrate having two growth interfaces, the threading dislocation density per unit area can be reduced. 1 × 10 6 / c
m 2 , preferably 7 × 10 5 / cm 2 . This nitride semiconductor substrate does not selectively form a region having good crystallinity, but can uniformly reduce the entire surface of the nitride semiconductor substrate to low dislocations. Therefore, a stable low dislocation substrate is provided. Can be. Further, by having two growth interfaces, it is possible to disperse the stress generated between the substrate such as sapphire and the nitride semiconductor. This stress is a difference in thermal expansion coefficient, and the stress cannot be sufficiently reduced only by the growth interface between the substrate and the nitride semiconductor. Therefore, the nitride semiconductor substrate is warped, and further, cracks and chips are generated. Therefore, such a problem is solved by forming at least two growth interfaces in the nitride semiconductor. Since this growth interface converges threading dislocations, a portion having weak crystallinity, that is, threading dislocations, is present at the growth interface, and tensile strain or the like, which is a stress, can be reduced here. In the case of growing a thick film of 50 μm or more on a substrate, by having two growth interfaces,
It is possible to gradually reduce the warpage of the nitride semiconductor substrate and the stress between the substrate and the nitride semiconductor, thereby allowing the nitride semiconductor to grow on the substrate in a thick film.

【0023】以上に示したように、本発明では、サファ
イア等の基板上に窒化物半導体を特に厚膜で成長させた
場合に基板と窒化物半導体の熱膨張差から窒化物半導体
基板に割れや欠けを生じるが成長界面を基板と窒化物半
導体との界面だけではなく、窒化物半導体内にも有する
ことにより応力を緩和させることができ、この成長界面
を窒化物半導体内に2つ以上有することにより50μm
以上、好ましくは500μm以上の厚膜の窒化物半導体
基板を提供することができる。
As described above, according to the present invention, when a nitride semiconductor is grown on a substrate such as sapphire in a particularly thick film, the nitride semiconductor substrate may be cracked due to a difference in thermal expansion between the substrate and the nitride semiconductor. Although chipping occurs, stress can be relaxed by having a growth interface not only at the interface between the substrate and the nitride semiconductor but also within the nitride semiconductor, and having at least two growth interfaces in the nitride semiconductor 50 μm
As described above, a nitride semiconductor substrate having a thickness of preferably 500 μm or more can be provided.

【0024】さらに、本発明における窒化物半導体基板
の成長方法は、ハイドライド気相エピタキシャル成長装
置内において、連続成長が可能であるため、保護膜等を
用いた選択成長などと比較して、保護膜をストライプ形
状等に形成するデバイス工程を無くすことができ、窒化
物半導体基板の量産が可能となり、また基板を反応炉か
ら取り出す工程も減るためゴミ等の付着による汚染をな
くすことができる。
Further, the method for growing a nitride semiconductor substrate according to the present invention enables continuous growth in a hydride vapor phase epitaxial growth apparatus, and therefore, the protective film is formed with a smaller thickness than the selective growth using a protective film or the like. Since a device process for forming a stripe shape or the like can be eliminated, mass production of a nitride semiconductor substrate becomes possible, and the number of processes for removing the substrate from the reaction furnace is reduced, so that contamination due to adhesion of dust or the like can be eliminated.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】本発明における窒化物半導体基板
は、基板上の窒化物半導体にクレーター、又は凸型の斜
面を有する成長界面を少なくとも2つ備えた窒化物半導
体基板である。以下、本発明の実施形態について成長工
程をもとに説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A nitride semiconductor substrate according to the present invention is a nitride semiconductor substrate provided with at least two craters or a growth interface having a convex slope on a nitride semiconductor on the substrate. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on a growth process.

【0026】基板1上に下地層2を成長させ、次に、第
1の窒化物半導体層3を成長させ、その上に、第2の窒
化物半導体層4を成長させることにより、第1の窒化物
半導体層3と第2の窒化物半導体層4との間に界面を有
する窒化物半導体基板とする。
The base layer 2 is grown on the substrate 1, then the first nitride semiconductor layer 3 is grown, and the second nitride semiconductor layer 4 is grown thereon. The nitride semiconductor substrate has an interface between the nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4.

【0027】本発明では、基板1にC面、R面、及びA
面のいずれかを主面とするサファイアやSiC(6H、
4H、3C)、スピネル、ZnS、ZnO、GaAs、
Si、又は窒化物半導体等を基板とする。好ましい基板
としては、サファイア、SiC、スピネルが挙げられ
る。また、基板をオフアングルしていてもよく、この場
合ステップ状にオフアングルした基板を用いると窒化物
半導体からなる下地層の成長が結晶性よく成長する傾向
にあり好ましい。この時のオフ角としては、0°〜0.
5°、好ましくは0.1°〜0.2°とする。これらの
基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化物半導体か
ら成る核、又は層を成長させることができれば、例えば
エッチング等により細かい荒れを有するものや、基板に
凹凸、斜面、階段形状を有するものであってもよい。
In the present invention, the substrate 1 has a C-plane, an R-plane, and an A-plane.
Sapphire or SiC (6H,
4H, 3C), spinel, ZnS, ZnO, GaAs,
A substrate is made of Si, nitride semiconductor, or the like. Preferred substrates include sapphire, SiC, and spinel. In addition, the substrate may be off-angled. In this case, it is preferable to use a substrate that is off-angled in a step-like manner because the underlayer made of a nitride semiconductor tends to grow with good crystallinity. The off angle at this time is 0 ° to 0 °.
5 °, preferably 0.1 ° to 0.2 °. These substrates have a flat surface, but if a nucleus or a layer made of a nitride semiconductor can be grown, for example, a substrate having fine roughness by etching or the like, or a substrate having irregularities, slopes, or steps may be used. You may have.

【0028】次に下地層2を基板1上に気相成長法によ
り成長させることにより、基板1と窒化物半導体との格
子定数不整合を緩和させることができる。例えば、窒化
ガリウムとサファイアとの格子不整合は約15%と非常
に大きいため、表面モフォロジーの良好な結晶性を有す
る基板を得るのは困難であった。下地層2にはこの格子
定数の違いを緩和させる効果があり、具体例としては、
AlGa1−xN(0≦X≦1)、InGa1−x
N(0≦X≦1)、及びInAlGa1− x−y
(0≦X≦1、0≦Y≦1)が挙げられる。キャリアガ
スに水素、原料ガスにはトリメチルガリウム、トリメチ
ルアルミニウム、トリメチルインジウム等を用い、30
0℃以上900℃以下の温度、10オングストローム以
上10μm以下の膜厚で成長させる。尚、この下地層2
の膜厚は特に限定されず、複数層であってもよく、また
省略することもできる。
Next, by growing the underlayer 2 on the substrate 1 by vapor phase epitaxy, the lattice constant mismatch between the substrate 1 and the nitride semiconductor can be reduced. For example, since the lattice mismatch between gallium nitride and sapphire is as large as about 15%, it has been difficult to obtain a substrate having good surface morphology and good crystallinity. The underlayer 2 has an effect of alleviating this difference in lattice constant. As a specific example,
Al x Ga 1-x N ( 0 ≦ X ≦ 1), In x Ga 1-x
N (0 ≦ X ≦ 1) , and In x Al y Ga 1- x- y N
(0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1). Hydrogen is used as a carrier gas, and trimethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, and the like are used as source gases.
The film is grown at a temperature of 0 ° C. or more and 900 ° C. or less and a film thickness of 10 Å or more and 10 μm or less. The underlayer 2
Is not particularly limited, and may be a plurality of layers or may be omitted.

【0029】この下地層が2層構造である場合には、例
えば、核や薄膜から成る窒化物半導体を成長させ、次に
組成の異なる窒化物半導体を成長させることによりC軸
配向特性の優れた下地層2とすることができる。
When the underlayer has a two-layer structure, for example, a nitride semiconductor composed of a nucleus or a thin film is grown, and then nitride semiconductors having different compositions are grown, whereby excellent C-axis orientation characteristics are obtained. The underlayer 2 can be used.

【0030】この下地層を2層で成長させる場合の成長
条件としては、MOCVD法を用い第1の下地層と第2
の下地層とを同様のキャリアガス、原料ガスを用い、キ
ャリアガスには水素、原料ガスにはトリメチルガリウム
等を用い、第1の下地層を300℃以上900℃以下の
低温で、薄膜を10オングストローム以上0.5μm以
下の膜厚で成長させた後、第2の下地層は成長温度を9
00℃〜1100℃として第1の下地層より高温で成長
させる。この第2の下地層は、核として成長させるもの
は途中で成長を止め核とし、層とするものは更に成長を
続けることでミラーを形成させる。このような2層構造
としてミラーを形成するには、結晶の核密度の均一性や
配向特性、及び大きさ、層の厚みの制御が容易であるM
OCVD法を用いるのが好ましいが、他の気相成長法を
用いることもできる。
The growth condition for growing this underlayer in two layers is that the first underlayer and the second underlayer are formed by MOCVD.
Using the same carrier gas and source gas as the underlayer, hydrogen as the carrier gas, trimethylgallium as the source gas, etc., the first underlayer at a low temperature of 300 to 900 ° C. After growing to a thickness of not less than Å and not more than 0.5 μm, the second underlayer is grown at a growth temperature of 9 μm.
It is grown at a temperature higher than that of the first underlayer by setting the temperature to 00C to 1100C. In this second underlayer, a mirror is formed by stopping growth on the way for a nucleus and using it as a nucleus while continuing to grow the layer. In order to form a mirror having such a two-layer structure, it is easy to control the uniformity and orientation characteristics of the crystal nucleus density, the size, and the thickness of the layer.
Although it is preferable to use the OCVD method, other vapor phase growth methods can be used.

【0031】第2の下地層を鏡面を有する層として成長
させた場合の膜厚としては、第1の下地層を10オング
ストローム以上0.5μm以下の膜厚で成長させた後、
第2の下地層を500オングストローム〜50μmで成
長させれば、緩衝層としての効果もあり、貫通転位を減
らす効果も有するため好ましい。
When the second underlayer is grown as a layer having a mirror surface, the first underlayer is grown to a thickness of 10 Å to 0.5 μm.
It is preferable that the second underlayer be grown at a thickness of 500 Å to 50 μm, because it has an effect as a buffer layer and also has an effect to reduce threading dislocations.

【0032】次に、下地層2を成長させた基板1上に、
第1の窒化物半導体層3と第2の窒化物半導体層4とを
成長させる。第1の窒化物半導体層3としては、成長界
面がクレーター、又は凸型の斜面となるものであり、好
ましくはこの凸型の斜面は連続して形成されているもの
である。また、この界面の高低差が好ましくは5μm〜
100μm、より好ましくは5μm〜50μmであれ
ば、貫通転位の成長方向を斜面成長方向に曲げることが
できるため、第2の窒化物半導体層4の成長時にこの貫
通転位同士を接合させ、貫通転位を集束させることがで
きる。この窒化物半導体基板は30μm以上の膜厚で成
長させても成長界面を有することにより応力緩和をする
ことができ、成長界面の形成により貫通転位を集束させ
ることもできるが、さらに厚膜成長させることにより貫
通転位を低減させる効果も有する。
Next, on the substrate 1 on which the underlayer 2 has been grown,
The first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4 are grown. The first nitride semiconductor layer 3 has a growth interface of a crater or a convex slope, and preferably, the convex slope is formed continuously. Also, the height difference at this interface is preferably 5 μm or less.
When the thickness is 100 μm, more preferably 5 μm to 50 μm, the growth direction of threading dislocations can be bent in the direction of slope growth. Therefore, when growing the second nitride semiconductor layer 4, the threading dislocations are joined to each other, and threading dislocations are formed. Can be focused. Even if this nitride semiconductor substrate is grown to a thickness of 30 μm or more, it has a growth interface so that stress can be relaxed and threading dislocations can be focused by forming the growth interface. This also has the effect of reducing threading dislocations.

【0033】さらに、上記成長界面を2つ形成するに
は、第2の窒化物半導体層4上に第3の窒化物半導体層
5、その上に第4の窒化物半導体層6を成長させる。こ
れにより、第1の窒化物半導体層3と、第2の窒化物半
導体層4との間に成長界面を形成し、第3の窒化物半導
体層5と、第4の窒化物半導体層6との間に成長界面を
形成することができる。このような成長界面を形成する
には、第1の窒化物半導体層、及び第3の窒化物半導体
層の成長条件である成長速度を0.5mm/hour以
上、より好ましくは1〜5mm/hourとする。この
成長速度で第1の窒化物半導体層を成長させれば、表面
にクレーターや凸型の斜面を連続して形成することがで
き、その上に成長させる第2の窒化物半導体層や第4の
窒化物半導体層との間に基板と窒化物半導体との応力を
緩和する成長界面を形成ことができる。
Further, in order to form two growth interfaces, a third nitride semiconductor layer 5 is grown on the second nitride semiconductor layer 4, and a fourth nitride semiconductor layer 6 is grown thereon. Thereby, a growth interface is formed between the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4, and the third nitride semiconductor layer 5 and the fourth nitride semiconductor layer 6 Can form a growth interface. In order to form such a growth interface, the growth rate, which is the growth condition of the first nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer, is 0.5 mm / hour or more, more preferably 1 to 5 mm / hour. And If the first nitride semiconductor layer is grown at this growth rate, a crater or a convex slope can be continuously formed on the surface, and the second nitride semiconductor layer or the fourth Between the substrate and the nitride semiconductor layer, a growth interface for relaxing the stress between the substrate and the nitride semiconductor can be formed.

【0034】この下地層2の上に成長させる第1の窒化
物半導体層3と第2の窒化物半導体層4とを成長速度を
速く、短時間で成長させる場合にはハイドライド気相エ
ピタキシャル成長法であるのが好ましい。成長界面を有
する窒化物半導体基板となり、基板に発生する応力を緩
和させ、厚膜を成長させることが可能となる。この厚膜
成長した窒化物半導体基板は基板剥離を研削等により行
うことができるため窒化物半導体から成る単体基板の形
成に有効である。以下にHVPE装置を用いた成長工
程、及び成長条件を示す。
When the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4 to be grown on the underlayer 2 are grown at a high growth rate in a short time, a hydride vapor phase epitaxial growth method is used. Preferably it is. It becomes a nitride semiconductor substrate having a growth interface, so that the stress generated on the substrate can be reduced and a thick film can be grown. Since the nitride semiconductor substrate on which the thick film has been grown can be peeled off by grinding or the like, it is effective for forming a single substrate made of a nitride semiconductor. The growth process using the HVPE apparatus and the growth conditions are described below.

【0035】本発明において、第1〜第4の窒化物半導
体層の成長方法はハイドライド気相エピタキシャル成長
法を用いることができる。このハイドライド気相エピタ
キシャル成長法とは、ガリウム、アルミニウム、インジ
ウム等の3族元素と、塩化水素等のハロゲンガスとを反
応させて、3族元素の塩化物、臭化物、ヨウ化物などの
ハロゲン化物を得て、そのハロゲン化物をアンモニア、
ヒドラジン等のN源と高温で反応させて窒化物半導体を
得る方法である。
In the present invention, the first to fourth nitride semiconductor layers can be grown by a hydride vapor phase epitaxial growth method. In the hydride vapor phase epitaxial growth method, a Group 3 element such as gallium, aluminum, indium or the like is reacted with a halogen gas such as hydrogen chloride to obtain a halide of the Group 3 element such as chloride, bromide or iodide. And convert the halide to ammonia,
This is a method of obtaining a nitride semiconductor by reacting with an N source such as hydrazine at a high temperature.

【0036】窒化物半導体としてGaNを成長させるに
は、HVPE装置内において、Gaメタルを入れた石英
ボートを設置し、さらに石英ボートから離れた位置に基
板を設置する。次にGaメタルと反応させるハロゲンガ
スの供給管と、ハロゲンガス供給管とは別に、N源供給
管を設ける。
In order to grow GaN as a nitride semiconductor, a quartz boat containing Ga metal is installed in an HVPE apparatus, and a substrate is installed at a position away from the quartz boat. Next, an N source supply pipe is provided separately from the supply pipe of the halogen gas to be reacted with the Ga metal and the halogen gas supply pipe.

【0037】ハロゲンガスとしてはHCl等があり、キ
ャリアガスと共にハロゲンガス管より導入される。この
ハロゲンガスとGa等の金属が反応することにより3族
元素のハロゲン化物を生成させ、さらに、N源供給管よ
り流したアンモニアガスと反応することにより第1〜第
4の窒化物半導体層とを下地層を介した基板上に成長さ
せる。
As a halogen gas, there is HCl or the like, which is introduced from a halogen gas pipe together with a carrier gas. The halogen gas reacts with a metal such as Ga to generate a halide of a Group 3 element, and further reacts with the ammonia gas flowing from the N source supply pipe to form a first to fourth nitride semiconductor layer. Is grown on the substrate via the underlayer.

【0038】ここで、第1、第3の窒化物半導体層の成
長条件としては、成長速度が0.5mm/hour以上
であり、より好ましくは1〜5mm/hourとする。
この成長速度で第1、第3の窒化物半導体層を成長させ
れば、表面にクレーターや凸型の斜面を連続して形成す
ることができ、その上に成長させる第2、第4の窒化物
半導体層との成長界面で基板と窒化物半導体との応力を
緩和することができる。そのため、基板上に格子定数や
熱膨張係数の違う窒化物半導体を厚膜で成長させること
が可能となる。さらに、クレーターや凸型の斜面を形成
することにより貫通転位を多方向に曲げることができ
る。そのため、第1の窒化物半導体層上に第2の窒化物
半導体層を成長させ、第3の窒化物半導体層上に第4の
窒化物半導体層を成長させることにより、多方向に曲げ
られた貫通転位は貫通転位同士が接合しループを形成し
て集束するために、転位を減少した窒化物半導体基板と
することができる。
Here, the growth conditions of the first and third nitride semiconductor layers are such that the growth rate is 0.5 mm / hour or more, and more preferably 1 to 5 mm / hour.
If the first and third nitride semiconductor layers are grown at this growth rate, craters and convex slopes can be continuously formed on the surface, and the second and fourth nitride semiconductor layers grown thereon can be formed. Stress between the substrate and the nitride semiconductor at the growth interface with the nitride semiconductor layer can be reduced. Therefore, it is possible to grow a nitride semiconductor having a different lattice constant and a different coefficient of thermal expansion on the substrate in a thick film. Furthermore, threading dislocations can be bent in multiple directions by forming craters and convex slopes. Therefore, the second nitride semiconductor layer was grown on the first nitride semiconductor layer, and the fourth nitride semiconductor layer was grown on the third nitride semiconductor layer. Since threading dislocations join together to form a loop and converge, a nitride semiconductor substrate with reduced dislocations can be obtained.

【0039】また、第1の窒化物半導体層と第2の窒化
物半導体層との成長速度を変えることは、窒化物半導体
の成長方向を変えることであり、第2の窒化物半導体層
を例えば横方向に優先的に成長させることにより貫通転
位を集束させることができる。具体的には、第1の窒化
物半導体層上に第1の窒化物半導体層よりも成長速度が
遅い第2の窒化物半導体層を積層することにより、欠陥
の減少を促進させ、鏡面で平坦性を有する低欠陥な窒化
物半導体基板を得ることができる。このような窒化物半
導体基板を得る条件としては、第1の窒化物半導体層の
成長速度(R1)と、第2の窒化物半導体層の成長速度
(R2)との比(R1/R2)が1以上であること、つ
まり第2の窒化物半導体層の成長速度を第1の窒化物半
導体層の成長速度よりも遅くすることが好ましい。これ
は、第3の窒化物半導体層と第4の窒化物半導体層とに
ついても同様であり、第3の窒化物半導体層の成長速度
(R3)と、第4の窒化物半導体層の成長速度(R4)
との比(R3/R4)が1以上とし、第4の窒化物半導
体層の成長速度を第3の窒化物半導体層の成長速度より
も遅くすることが好ましい。
Changing the growth rates of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer means changing the growth direction of the nitride semiconductor. Threading dislocations can be focused by growing preferentially in the lateral direction. Specifically, by stacking a second nitride semiconductor layer having a growth rate lower than that of the first nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer, the reduction of defects is promoted, and the mirror surface is flattened. It is possible to obtain a low-defect nitride semiconductor substrate having a property. As a condition for obtaining such a nitride semiconductor substrate, a ratio (R1 / R2) of a growth rate (R1) of the first nitride semiconductor layer to a growth rate (R2) of the second nitride semiconductor layer is set. It is preferable that the ratio is 1 or more, that is, the growth rate of the second nitride semiconductor layer is lower than the growth rate of the first nitride semiconductor layer. The same applies to the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer. The growth rate (R3) of the third nitride semiconductor layer and the growth rate of the fourth nitride semiconductor layer (R4)
It is preferable that the ratio (R3 / R4) is 1 or more, and the growth rate of the fourth nitride semiconductor layer is lower than the growth rate of the third nitride semiconductor layer.

【0040】この第1の窒化物半導体層の膜厚としては
特に限定されないが、好ましくは20μm〜1mm、よ
り好ましくは50μm〜200μmであり、圧力条件と
しては常圧、又は微減圧で成長させる。
The thickness of the first nitride semiconductor layer is not particularly limited, but is preferably 20 μm to 1 mm, more preferably 50 μm to 200 μm, and the pressure is grown under normal pressure or slightly reduced pressure.

【0041】第1〜第3の窒化物半導体層には、アンド
ープに限らず、n型不純物としてSi、Ge、Sn及び
S等の少なくとも1種類をドープしたもの、又は、M
g、Be、Cr、Mn、Ca、Zn等のp型不純物をド
ープしたもの等を用いることができる。このようなn型
不純物をドープすれば、縦方向に成長が促進される。そ
のため、第1の窒化物半導体層や第3の窒化物半導体層
にはn型不純物をドープし、縦方向の成長を促進させ
て、クレーター、や凸型の斜面を形成させるのが好まし
い。また、第2の窒化物半導体層や第4の窒化物半導体
層にはp型不純物をドープするか、n型不純物とp型不
純物を同時ドープさせて、横方向と縦方向の成長を促進
させて、貫通転位の成長方向を曲げて収束させることで
転位を低減することができ好ましい。
The first to third nitride semiconductor layers are not limited to undoped ones and are doped with at least one type of n-type impurity such as Si, Ge, Sn and S, or M-type.
A material doped with a p-type impurity such as g, Be, Cr, Mn, Ca, or Zn can be used. Doping with such an n-type impurity promotes growth in the vertical direction. Therefore, it is preferable that the first nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer are doped with an n-type impurity to promote vertical growth and form craters and convex slopes. Further, the second nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer are doped with a p-type impurity or simultaneously with an n-type impurity and a p-type impurity to promote lateral and vertical growth. Thus, dislocations can be reduced by converging the growth direction of threading dislocations by bending them, which is preferable.

【0042】次に第1、第3の窒化物半導体層の成長
後、この上に第2、第4の窒化物半導体層を以下の条件
で成長させる。第2、第4の窒化物半導体層は、第1、
第3の窒化物半導体層と同温、又はそれ以上の温度で成
長させるのが好ましく、1000℃以上とする。ただ
し、第1の窒化物半導体層3と第2の窒化物半導体層4
との温度差が大きければ基板に反りが発生するため成長
温度差が少ない方が好ましい。また、第2の窒化物半導
体層4の膜厚としては、最上面が鏡面になれば特に限定
されず、第1の窒化物半導体層にあるクレーターや凸型
斜面の高低差が埋まる範囲の膜厚であればよい。そのた
め、第2の窒化物半導体層は膜厚を30μm程度の成長
が可能な気相成長法であればMOCVD法やMBE法等
でも行うことができる。
Next, after the growth of the first and third nitride semiconductor layers, second and fourth nitride semiconductor layers are grown thereon under the following conditions. The second and fourth nitride semiconductor layers are the first and fourth nitride semiconductor layers.
It is preferable to grow at a temperature equal to or higher than that of the third nitride semiconductor layer, and set to 1000 ° C. or higher. However, the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4
If the temperature difference is large, the substrate may be warped, so that the difference in growth temperature is preferably small. Further, the thickness of the second nitride semiconductor layer 4 is not particularly limited as long as the uppermost surface becomes a mirror surface, and a film in a range in which a height difference of a crater or a convex slope in the first nitride semiconductor layer is filled. Any thickness is acceptable. Therefore, the second nitride semiconductor layer can also be formed by a MOCVD method, an MBE method, or the like as long as it is a vapor phase growth method capable of growing the film to a thickness of about 30 μm.

【0043】第1〜第4の窒化物半導体層の組成式とし
ては、特に限定されず、一般式In AlGa
1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y<1)によって
表すことができる。但し、第1の窒化物半導体層3と第
2の窒化物半導体層4は互いに異なる組成であってもよ
い。
The composition formulas of the first to fourth nitride semiconductor layers are as follows.
Is not particularly limited, and the general formula In xAlyGa
1-xyBy N (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y <1)
Can be represented. However, the first nitride semiconductor layer 3 and the
2 may have different compositions from each other.
No.

【0044】また、本発明における窒化物半導体基板
は、厚膜成長が可能であるため、成長界面を2つ以上形
成した後に、さらに貫通転位を低減させるためにELO
G成長させることで貫通転位をさらに低減させることも
可能である。
Since the nitride semiconductor substrate of the present invention can grow a thick film, after forming two or more growth interfaces, ELO is performed to further reduce threading dislocations.
Threading dislocations can be further reduced by growing G.

【0045】上記の成長方法により得られた窒化物半導
体基板は、厚膜基板とすることができる。さらに、最上
面が平坦、且つ鏡面である貫通転位を均一に低減させた
窒化物半導体基板と成る。本発明により得られた窒化物
半導体基板は厚膜成長が可能であるため、厚膜成長させ
た後、サファイア等の基板のみを除去した単体基板とす
ることもできる。そのため、裏面電極を形成することも
可能となる。なお、本発明により得られた窒化物半導体
基板上に成長させる窒化物半導体素子は窒化物半導体か
ら成れば発光素子や受光素子、電子デバイスでもよい。
The nitride semiconductor substrate obtained by the above growth method can be a thick film substrate. Further, a nitride semiconductor substrate having a flat top surface and a mirror surface with uniformly reduced threading dislocations is obtained. Since the nitride semiconductor substrate obtained by the present invention can grow a thick film, a single substrate obtained by growing a thick film and then removing only a substrate such as sapphire can be used. Therefore, it is also possible to form a back electrode. Note that the nitride semiconductor element grown on the nitride semiconductor substrate obtained by the present invention may be a light emitting element, a light receiving element, or an electronic device as long as it is made of a nitride semiconductor.

【0046】[0046]

【実施例】以下、本発明における実施例について図面を
参照して説明する。 [実施例1]図1に示すように、基板1としてC面を主
面、オリフラ面をA面とするサファイア基板を用い、M
OCVD装置にセットし、温度1050℃で10分間の
サーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去
した。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Example 1 As shown in FIG. 1, a sapphire substrate having a C-plane as a main surface and an orientation flat surface as an A-plane was used as a substrate 1.
The apparatus was set in an OCVD apparatus, and thermal cleaning was performed at a temperature of 1050 ° C. for 10 minutes to remove moisture and surface deposits.

【0047】次に、温度を510℃にして、キャリアガ
スに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウム
を用い、GaNより成る第1の下地層を200オングス
トロームの膜厚で成長させた。
Next, at a temperature of 510 ° C., a first underlayer made of GaN was grown to a thickness of 200 angstroms using hydrogen as a carrier gas and ammonia and trimethylgallium as source gases.

【0048】その後、第1の下地層上に第2の下地層と
してGaNから成り平坦性を有する層を成長温度105
0℃において膜厚20μmで形成した。本実施例では、
成長時のキャリアガスとして水素を20.5L/分、原
料ガスとしてアンモニアを5L/分、トリメチルガリウ
ムを25cc/分間、流した。
Thereafter, a layer made of GaN and having flatness is formed on the first underlayer as a second underlayer at a growth temperature of 105.
It was formed at 0 ° C. with a film thickness of 20 μm. In this embodiment,
During the growth, hydrogen was flowed at 20.5 L / min as a carrier gas, ammonia at 5 L / min, and trimethylgallium at 25 cc / min as a source gas.

【0049】第2の下地層を成長後、ハイドライド気相
エピタキシャル成長装置にセットし、Gaメタルを石英
ボートに用意し、ハロゲンガスにHClガスを用いるこ
とによりGaClを生成し、次に、Nガスであるアン
モニアガスと反応させ、GaNよりなる第1の窒化物半
導体層3を成長させた。第1の窒化物半導体層3の成長
温度としては1000℃であり、成長速度を1mm/h
ourとして、膜厚100μmで成長させた。
After the second underlayer is grown, the substrate is set in a hydride vapor phase epitaxial growth apparatus, Ga metal is prepared in a quartz boat, and GaCl 3 is generated by using HCl gas as a halogen gas. And a first nitride semiconductor layer 3 made of GaN was grown. The growth temperature of the first nitride semiconductor layer 3 is 1000 ° C., and the growth rate is 1 mm / h.
our was grown at a film thickness of 100 μm.

【0050】次に、第1の窒化物半導体層3上に、第2
の窒化物半導体層4をハイドライド気相エピタキシャル
成長法装置において成長させた。この時の成長条件とし
ては、成長温度を第1の窒化物半導体層3と同温とし、
第2の窒化物半導体層4の成長速度を50μm/hou
rで膜厚は50μmで成長させた。
Next, a second nitride semiconductor layer 3 is formed on the first nitride semiconductor layer 3.
Was grown in a hydride vapor phase epitaxial growth apparatus. As growth conditions at this time, the growth temperature is the same as that of the first nitride semiconductor layer 3,
The growth rate of the second nitride semiconductor layer 4 is 50 μm / hou.
The film thickness was grown at 50 μm at r.

【0051】次に、前記工程を繰り返し行い、第2の窒
化物半導体層4上に、第1の窒化物半導体層と同様の条
件で第3の窒化物半導体層5、その上に第2の窒化物半
導体層と同様の条件で第4の窒化物半導体層6を成長さ
せ、窒化物半導体内に成長界面を2つ形成し、応力緩和
させた。
Next, the above steps are repeated to form a third nitride semiconductor layer 5 on the second nitride semiconductor layer 4 under the same conditions as the first nitride semiconductor layer, and a second nitride semiconductor layer 5 on the third nitride semiconductor layer 5. The fourth nitride semiconductor layer 6 was grown under the same conditions as the nitride semiconductor layer, two growth interfaces were formed in the nitride semiconductor, and the stress was relaxed.

【0052】以上により得られた第4の窒化物半導体層
6の表面は平坦かつ鏡面となり、CL観察によると貫通
転位密度は約7×10個/cmとなる。このように
本発明では厚膜基板であり、低欠陥である窒化物半導体
基板を提供することができる。
The surface of the fourth nitride semiconductor layer 6 obtained as described above is flat and specular, and according to CL observation, the threading dislocation density is about 7 × 10 5 / cm 2 . Thus, the present invention can provide a nitride semiconductor substrate which is a thick film substrate and has low defects.

【0053】[実施例2]実施例1において、図2に示
すようにC面を主面としたサファイア基板1上に下地層
を形成せずに、直接に第1の窒化物半導体層を核として
成長させた他は第1の窒化物半導体層〜第4の窒化物半
導体層を実施例1と同様の条件で成長させ窒化物半導体
基板を得る。得られる窒化物半導体基板はCL方法によ
り観察すると、実施例1と同様に結晶欠陥が1×10
/cm以下の低欠陥である窒化物半導体基板が期待で
きる。
Example 2 In Example 1, as shown in FIG. 2, a first nitride semiconductor layer was directly formed as a nucleus without forming an underlayer on a sapphire substrate 1 having a C-plane as a main surface. The first to fourth nitride semiconductor layers are grown under the same conditions as in Example 1 except that they are grown as above, to obtain a nitride semiconductor substrate. When the obtained nitride semiconductor substrate was observed by a CL method, crystal defects were 1 × 10 6 , as in Example 1.
A nitride semiconductor substrate having a low defect density of not more than / cm 2 can be expected.

【0054】[実施例3]以下に実施例1により得られ
た窒化物半導体を基板とするレーザ素子の構造を示す実
施例3について説明する。
[Embodiment 3] Embodiment 3 showing the structure of a laser device using the nitride semiconductor obtained in Embodiment 1 as a substrate will be described below.

【0055】(アンドープn型コンタクト層101)実
施例1で得られたウェーハをMOCVD装置の反応容器
内にセットし、1050℃で窒化物半導体に、TMG
(トリメチルガリウム)、TMA(トリメチルアルミニ
ウム)、アンモニアを用い、Al0.05Ga0.95
Nよりなるアンドープn型コンタクト層101を1μm
の膜厚で成長させる。この層は、GaNからなる窒化物
半導体基板とn型コンタクト層をはじめとする半導体素
子との間で、緩衝層としての機能を有する。
(Undoped n-type contact layer 101) The wafer obtained in Example 1 was set in a reaction vessel of a MOCVD apparatus, and a nitride semiconductor was formed at 1050 ° C. using TMG.
(Trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum) and ammonia, and Al 0.05 Ga 0.95
1 μm undoped n-type contact layer 101 made of N
It grows with the film thickness of. This layer has a function as a buffer layer between a nitride semiconductor substrate made of GaN and a semiconductor element such as an n-type contact layer.

【0056】(n型コンタクト層102)次に得られた
バッファ層101上にTMG、TMA、アンモニア、不
純物ガスとしてシランガスを用い、1050℃でSiド
ープしたAl0.05Ga0.9 Nよりなるn型コン
タクト層102を4μmの膜厚で成長させる。
[0056] (n-type contact layer 102) Next, the resulting TMG on the buffer layer 101, TMA, ammonia, using a silane gas as the impurity gas, from Al 0.05 Ga 0.9 5 N was Si doped at 1050 ° C. The n-type contact layer 102 is grown to a thickness of 4 μm.

【0057】(クラック防止層103)次に、TMG、
TMI(トリメチルインジウム)、アンモニアを用い、
温度を900℃にしてIn0.07Ga0.93Nより
なるクラック防止層103を0.15μmの膜厚で成長
させる。
(Crack prevention layer 103) Next, TMG,
Using TMI (trimethylindium) and ammonia,
At a temperature of 900 ° C., a crack preventing layer 103 made of In 0.07 Ga 0.93 N is grown to a thickness of 0.15 μm.

【0058】(n型クラッド層104)次に、温度を1
050℃にして、原料ガスにTMA、TMG及びアンモ
ニアを用い、アンドープのAl0.05Ga0.95
よりなるA層を25Åの膜厚で成長させ、続いて、TM
Aを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Siを
5×1018/cmドープしたGaNよりなるB層を
25Åの膜厚で成長させる。この操作を200回繰り返
しA層とB層との積層構造とし、総膜厚1μmの多層膜
(超格子構造)よりなるn型クラッド層を成長させる。
(N-type cladding layer 104)
050 ° C., undoped Al 0.05 Ga 0.95 N using TMA, TMG and ammonia as source gases
A layer consisting of 25 .ANG. Is grown, followed by TM
A is stopped, a silane gas is used as an impurity gas, and a B layer made of GaN doped with 5 × 10 18 / cm 3 of Si is grown to a thickness of 25 °. This operation is repeated 200 times to form a laminated structure of the A layer and the B layer, and an n-type clad layer composed of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 1 μm is grown.

【0059】(n型ガイド層105)次に、同様の温度
で、原料ガスにTMG及びアンモニアを用い、アンドー
プのGaNよりなるn型ガイド層105を0.15μm
の膜厚で成長させる。このn型ガイド層105は、n型
不純物をドープしてもよい。
(N-type guide layer 105) Next, at the same temperature, using TMG and ammonia as source gases, an n-type guide layer 105 made of undoped GaN was 0.15 μm thick.
It grows with the film thickness of. This n-type guide layer 105 may be doped with an n-type impurity.

【0060】(活性層106)次に、温度を900℃に
し、原料ガスにTMI(トリメチルインジウム)、TM
G及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガス
を用い、Siを5×1018/cmドープしたIn
0.05Ga0.95Nよりなる障壁層を140Åの膜
厚、シランガスを止め、アンドープのIn0.13Ga
0.87Nよりなる井戸層を40Åの膜厚で、障壁層/
井戸層/障壁層/井戸層の順に積層し、最後に障壁層と
して、TMI、TMG及びアンモニアを用い、アンドー
プのIn .05Ga0.95Nを成長させる。活性層
106は、総膜厚500Åの多重量子井戸構造(MQ
W)となる。
(Active Layer 106) Next, the temperature was set to 900 ° C., and TMI (trimethyl indium), TM
G and ammonia, silane gas as an impurity gas, and Si doped at 5 × 10 18 / cm 3
A barrier layer made of 0.05 Ga 0.95 N is formed to a thickness of 140 ° while silane gas is stopped, and undoped In 0.13 Ga
A well layer made of 0.87 N is formed with a thickness of 40 ° and a barrier layer /
Well layers / barrier layers / well layers are stacked in this order, and finally TMI, TMG and ammonia are used as barrier layers, and undoped In 0 . 05 Ga 0.95 N is grown. The active layer 106 has a multiple quantum well structure (MQ
W).

【0061】(p型電子閉じ込め層107)次に、活性
層と同じ温度で、原料ガスにTMA、TMG及びアンモ
ニアを用い、不純物ガスとしてCpMg(シクロペン
タジエニルマグネシウム)を用い、Mgを1×1019
/cmドープしたAl0.3Ga0.7Nよりなるp
型電子閉じ込め層107を100Åの膜厚で成長させ
る。
(P-type electron confinement layer 107) Next, at the same temperature as the active layer, TMA, TMG and ammonia are used as source gases, Cp 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) is used as an impurity gas, and Mg is added. 1 × 10 19
Of p / cm 3 doped Al 0.3 Ga 0.7 N
Type electron confinement layer 107 is grown to a thickness of 100 °.

【0062】(p型ガイド層108)次に、温度を10
50℃にして、原料ガスにTMG及びアンモニアを用
い、アンドープのGaNよりなるp型ガイド層108を
0.15μmの膜厚で成長させる。このp型ガイド層
は、p型不純物をドープしてもよい。
(P-type guide layer 108)
At 50 ° C., a p-type guide layer 108 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.15 μm using TMG and ammonia as source gases. This p-type guide layer may be doped with a p-type impurity.

【0063】(p型クラッド層109)次に、1050
℃でアンドープAl0.05Ga0.95NよりなるA
層を25Åの膜厚で成長させ、続いてTMAを止め、C
Mgを用いて、MgドープGaNよりなるB層を2
5Åの膜厚で成長させ、それを90回繰り返して総膜厚
0.45μmの超格子層よりなるp型クラッド層109
を成長させる。p型クラッド層は、GaNとAlGaN
とを積層した超格子構造とする。p型クラッド層109
を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のA
l混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の
屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギー
が大きくなるので、しきい値を低下させる上で非常に有
効である。
(P-type cladding layer 109) Next, 1050
A consisting of undoped Al 0.05 Ga 0.95 N at ℃
A layer is grown to a thickness of 25 °, followed by stopping TMA and
Using p 2 Mg, a B layer made of Mg-doped GaN is
The p-type cladding layer 109 composed of a superlattice layer having a total thickness of 0.45 μm is grown by growing the film at a thickness of 5 ° and repeating the process 90 times.
Grow. The p-type cladding layer is made of GaN and AlGaN
And a superlattice structure in which are laminated. p-type cladding layer 109
Has a superlattice structure, so that A
Since the l-mixed crystal ratio can be increased, the refractive index of the cladding layer itself decreases, and the band gap energy increases, which is very effective in lowering the threshold value.

【0064】(p型コンタクト層110)最後に、10
50℃で、p型クラッド層109の上に、TMG、アン
モニア、CpMgを用い、Mgを1×1020/cm
ドープしたp型GaNよりなるp型コンタクト層11
0を150Åの膜厚で成長させる。反応終了後、反応容
器内において、ウェハを窒素雰囲気中、700℃でアニ
ーリングを行い、p型層をさらに低抵抗化する。
(P-type contact layer 110)
At 50 ° C., TMG, ammonia, and Cp 2 Mg are used to form Mg on the p-type cladding layer 109 at 1 × 10 20 / cm.
P-type contact layer 11 made of 3- doped p-type GaN
0 is grown to a thickness of 150 °. After the reaction, the wafer is annealed at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere in a reaction vessel to further reduce the resistance of the p-type layer.

【0065】アニーリング後、窒化物半導体を積層させ
たウェハを反応容器から取り出し、最上層のp型コンタ
クト層の表面にSiOよりなる保護膜を形成して、R
IE(反応性イオンエッチング)を用いSiClガス
によりエッチングし、n電極を形成すべきn型コンタク
ト層102の表面を露出させる。
After annealing, the wafer on which the nitride semiconductor was laminated was taken out of the reaction vessel, and a protective film made of SiO 2 was formed on the surface of the uppermost p-type contact layer.
Etching is performed with SiCl 4 gas using IE (Reactive Ion Etching) to expose the surface of the n-type contact layer 102 where the n-electrode is to be formed.

【0066】次に、SiO保護膜を形成し、RIEを
用いCFガスによりエッチングすることにより、スト
ライプ状の導波路領域としてリッジストライプを形成す
る。
Next, a ridge stripe is formed as a stripe-shaped waveguide region by forming an SiO 2 protective film and etching it by RIE using CF 4 gas.

【0067】次にリッジストライプ形成後、Zr酸化物
(主としてZrO)よりなる絶縁保護膜を、エッチン
グにより露出したp型ガイド層108上に0.5μmの
膜厚で形成する。
Next, after the formation of the ridge stripe, an insulating protective film made of Zr oxide (mainly ZrO 2 ) is formed with a thickness of 0.5 μm on the p-type guide layer 108 exposed by etching.

【0068】p型コンタクト層上にp型電極をNiとA
uより形成し、また、エッチングにより露出したn型コ
ンタクト層上にはTiとAlよりn型電極を形成する。
このp電極は、リッジ上にストライプ形成されており、
同じくストライプ形成されているn電極とは平行な方向
で形成する。
On a p-type contact layer, a p-type electrode is formed of Ni and A
An n-type electrode is formed from Ti and Al on the n-type contact layer formed by u and exposed by etching.
This p-electrode is formed in stripes on the ridge,
Similarly, it is formed in a direction parallel to the stripe-formed n-electrode.

【0069】次に、SiOとTiOよりなる誘電体
多層膜・を設けた後、p,n電極上にNi−Ti−Au
(1000Å−1000Å−8000Å)よりなるパッ
ト電極をそれぞれ設けた。この時、共振器面(反射面
側)にもSiOとTiOよりなる誘電体多層膜が設
けられている。
Next, after providing a dielectric multilayer film composed of SiO 2 and TiO 2 , Ni—Ti—Au is formed on the p and n electrodes.
(1000 ° -1000 ° -8000 °) pad electrodes were provided. At this time, a dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 is also provided on the resonator surface (reflection surface side).

【0070】以上のようにして得られたレーザ素子は、
室温においてしきい値2.8kA/cm、30mWの
出力において発振波長405nmの連続発振のレーザ素
子が得られる。得られるレーザ素子の素子寿命は、30
00〜20000時間が期待できる。。
The laser device obtained as described above is
At room temperature, a continuous oscillation laser element having a threshold value of 2.8 kA / cm 2 and an output of 30 mW and an oscillation wavelength of 405 nm can be obtained. The device life of the obtained laser device is 30
We can expect from 00 to 20000 hours. .

【0071】[0071]

【発明の効果】以上に示す本発明により、割れや欠けを
抑制した厚膜基板を可能とし、基板全面の貫通転位を均
一に減らした低転位基板を提供することができる。ま
た、本発明により得られた窒化物半導体基板上に、素子
構造を成長させることにより、寿命特性等の良好な窒化
物半導体レーザ等が期待できる。
According to the present invention described above, it is possible to provide a thick film substrate in which cracks and chips are suppressed, and to provide a low dislocation substrate in which threading dislocations are uniformly reduced on the entire surface of the substrate. Further, by growing an element structure on the nitride semiconductor substrate obtained by the present invention, a nitride semiconductor laser having good life characteristics and the like can be expected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模
式断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a nitride semiconductor showing one embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模
式断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor showing one embodiment of the present invention.

【図3】本発明の成長界面における貫通転位の成長方向
を示す模式断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a growth direction of threading dislocations at a growth interface according to the present invention.

【図4】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体レー
ザ素子の模式断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view of a nitride semiconductor laser device showing one embodiment of the present invention.

【符号の簡単な説明】[Brief description of reference numerals]

1・・・基板 2・・・下地層 3・・・第1の窒化物半導体層 4・・・第2の窒化物半導体層 5・・・第3の窒化物半導体層 6・・・第4の窒化物半導体層 101・・・アンドープn型コンタクト層 102・・・n型コンタクト層 103・・・クラック防止層 104・・・n型クラッド層 105・・・n型ガイド層 106・・・活性層 107・・・p型電子閉じ込め層 108・・・p型ガイド層 109・・・p型クラッド層 110・・・p型コンタクト層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate 2 ... Underlayer 3 ... 1st nitride semiconductor layer 4 ... 2nd nitride semiconductor layer 5 ... 3rd nitride semiconductor layer 6 ... 4th Nitride semiconductor layer 101 ... undoped n-type contact layer 102 ... n-type contact layer 103 ... crack preventing layer 104 ... n-type cladding layer 105 ... n-type guide layer 106 ... activity Layer 107: p-type electron confinement layer 108: p-type guide layer 109: p-type cladding layer 110: p-type contact layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01S 5/323 610 H01L 29/46 G Fターム(参考) 4G077 AA03 BE15 DB05 EE05 EF03 TB03 TC14 4M104 AA04 AA09 BB05 BB14 CC01 DD23 EE06 FF13 GG04 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 5F045 AA02 AA04 AB14 AC08 AC12 AD06 AD07 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AD14 AF04 AF09 AF13 BB12 CA11 CA12 DA53 DA63 5F073 AA11 AA13 AA45 AA51 AA74 CA07 CB02 CB05 CB07 DA05 DA35 EA29 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01S 5/323 610 H01L 29/46 GF Term (Reference) 4G077 AA03 BE15 DB05 EE05 EF03 TB03 TC14 4M104 AA04 AA09 BB05 BB14 CC01 DD23 EE06 FF13 GG04 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA65 5F045 AA02 AA04 AB14 AC08 AC12 AD06 AD07 AD08 AD09 AD10 AD11 AD12 AD13 AD14 AF04 AF09 AF13 BB12 CA11 CA12 DA53 DA63 5F073 AA11 AA07 AB AA AA AA A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A A A A A A A A A A B A A A A A A A A A A A A A B A A

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に窒化物半導体を成長させた窒化
物半導体基板であって、 基板上の窒化物半導体にクレーター、又は凸型の斜面を
有する成長界面を少なくとも2つ備えた窒化物半導体基
板。
1. A nitride semiconductor substrate having a nitride semiconductor grown on a substrate, wherein the nitride semiconductor has at least two growth interfaces having craters or convex slopes on the nitride semiconductor on the substrate. substrate.
【請求項2】 前記凸型の斜面は水平方向に連続して存
在することにより成長界面を形成することを特徴とする
請求項1に記載の窒化物半導体基板。
2. The nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein said convex slope forms a growth interface by being present continuously in a horizontal direction.
【請求項3】 基板上に気相エピタキシャル成長法を用
いて窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長
方法であって、 基板上に、第1の窒化物半導体層と、その上に第2の窒
化物半導体層とを成長させ、前記第1の窒化物半導体層
と前記第2の窒化物半導体層との界面にクレーター、又
は凸型の斜面を有する成長界面を形成する工程を備える
窒化物半導体基板の成長方法。
3. A method for growing a nitride semiconductor substrate on a substrate using a vapor phase epitaxial growth method, comprising: forming a first nitride semiconductor layer on a substrate; Forming a growth interface having a crater or a convex slope at the interface between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer. A method for growing a semiconductor substrate.
【請求項4】 前記基板上に、窒化物半導体から成る
核、又は層を下地層として成長させ、その下地層を介し
て前記第1の窒化物半導体層を成長させることを特徴と
する請求項3に記載の窒化物半導体基板の成長方法。
4. The method according to claim 1, wherein a nucleus or a layer made of a nitride semiconductor is grown on the substrate as an underlayer, and the first nitride semiconductor layer is grown through the underlayer. 4. The method for growing a nitride semiconductor substrate according to item 3.
【請求項5】 前記成長界面を形成する工程を少なくと
も2以上有する請求項3又は請求項4に記載の窒化物半
導体基板の成長方法。
5. The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 3, comprising at least two or more steps of forming said growth interface.
【請求項6】 前記気相エピタキシャル成長法はハイド
ライド気相エピタキシャル成長法である請求項3乃至請
求項5に記載の窒化物半導体の成長方法。
6. The method for growing a nitride semiconductor according to claim 3, wherein said vapor phase epitaxial growth method is a hydride vapor phase epitaxial growth method.
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