JP2001308464A - Nitride semiconductor element, method for manufacturing nitride semiconductor crystal, and nitride semiconductor substrate - Google Patents

Nitride semiconductor element, method for manufacturing nitride semiconductor crystal, and nitride semiconductor substrate

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JP2001308464A JP2000128192A JP2000128192A JP2001308464A JP 2001308464 A JP2001308464 A JP 2001308464A JP 2000128192 A JP2000128192 A JP 2000128192A JP 2000128192 A JP2000128192 A JP 2000128192A JP 2001308464 A JP2001308464 A JP 2001308464A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form an AlGaN layer having such a thickness that the layer can sufficiently function as a crystal growing base layer with a low defect density. SOLUTION: A first AlGaN layer 13 is formed on a sapphire substrate 11 through a low-temperature buffer layer 12. Then a second AlGaN layer 14 containing Al at a concentration lower than that of the first AlGaN layer 13 is formed on the layer 13. The layer 14 is grown while a facet structure is formed from the opening of a mask 21. The thickness of the layer 14 is adjusted to >=5 μm.

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、結晶欠陥の少ない
窒化物半導体素子、窒化物半導体基板、およびその作製
技術に関するものである。
The present invention relates to a nitride semiconductor device having a small number of crystal defects, a nitride semiconductor substrate, and a technique for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大
きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発
光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の
飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による2次
元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子へ
の応用も期待されている。
2. Description of the Related Art Since nitride semiconductor materials have a sufficiently large forbidden band width and a direct transition type between bands, application to a short wavelength light emitting device has been actively studied. In addition, since the saturation drift speed of electrons is high and a two-dimensional carrier gas can be used by a heterojunction, application to electronic devices is also expected.

【0003】これらの素子を構成する窒化物半導体層
は、有機金属気相成長法(MOVPE)、分子線気相成
長法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)
等の気相成長法を用いて下地基板上にエピタキシャル成
長を行うことにより得られる。ところが、この窒化物半
導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないた
め、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒
化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。こ
の結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となるこ
とから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減
する検討が盛んに行われてきた。
[0003] Nitride semiconductor layers constituting these devices are formed by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE), hydride vapor phase epitaxy (HVPE).
It is obtained by performing epitaxial growth on a base substrate using a vapor phase growth method such as that described above. However, since there is no underlying substrate whose lattice constant matches that of the nitride semiconductor layer, it was difficult to obtain a high-quality growth layer, and the obtained nitride semiconductor layer contained many crystal defects. . Since this crystal defect is a factor that hinders the improvement of the device characteristics, studies for reducing the crystal defect in the nitride semiconductor layer have been actively conducted.

【0004】結晶欠陥の比較的少ないIII族元素窒化物
系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種基
板上に低温堆積緩衝層(バッファ層)を形成し、その上
にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られてい
る。「応用物理(第68巻、第7号(1999)、第7
68〜773頁)」には、低温堆積緩衝層を用いた結晶
成長法の例として以下のようなプロセスが示されてい
る。まず、サファイア等基板上にAlNまたはGaNを
500℃付近で堆積し、アモルファス状の膜ないし一部
多結晶を含む連続膜を形成する。これを、1000℃付近に
昇温することで一部を蒸発させ、また結晶化することで
密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比
較的結晶のよいGaN膜が得られると記載されている。し
かしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いて
も、上記文献に記載されているように、貫通転位や空孔
パイプなどの結晶欠陥が108〜1011cm-2程度存在
し、現在望まれているような高性能の素子を得るには不
充分であった。
As a method for obtaining a group III element nitride crystal having relatively few crystal defects, a low-temperature deposited buffer layer (buffer layer) is formed on a heterogeneous substrate such as sapphire and an epitaxial growth layer is formed thereon. Methods are known. “Applied Physics (Vol. 68, No. 7 (1999), No. 7
68-773), the following process is shown as an example of a crystal growth method using a low-temperature deposited buffer layer. First, AlN or GaN is deposited on a substrate such as sapphire at about 500 ° C. to form an amorphous film or a continuous film partially containing polycrystal. By elevating the temperature to around 1000 ° C., a part of the nucleus is evaporated and crystallized to form a high density crystal nucleus. It is described that a GaN film having relatively good crystallinity can be obtained using this as a growth nucleus. However, even if a method of forming a low-temperature deposited buffer layer is used, as described in the above-mentioned document, crystal defects such as threading dislocations and vacancy pipes exist in the order of 10 8 to 10 11 cm -2 , It was insufficient to obtain a high-performance device as is rare.

【0005】そこで、結晶成長用の下地層として厚膜の
GaN層を用い、この上に素子部を構成する半導体多層
膜を形成する手法が盛んに検討されている。
Therefore, a method of forming a semiconductor multilayer film constituting an element portion on a thick GaN layer as an underlayer for crystal growth has been actively studied.

【0006】結晶中の転位の少ないGaN下地層を形成
する手法として、ELO(Epitaxial Lateral Overgrow
th)技術が知られている。特開平11−251253号
公報では、このELO技術を用いることにより、ウェー
ハ表面近傍の結晶欠陥が1×105個/cm2以下のGa
N基板が得られたとされている。しかしながら、ELO
を用いた場合、ウェーハ表面の全面にわたって結晶欠陥
密度を低減することが困難であった。ELOでは、マス
クの開口部からGaNが横方向に選択成長する。マスク
の形成されている領域では転位が上部に進行することが
妨げられるのであるが、開口部では下地層から転位がそ
のまま引き継がれ、その上部の領域では多くの貫通転位
を含む構造となる。したがって、ELOによる結晶成長
では、たしかに結晶欠陥の少ない部分が形成される一
方、貫通転位の多い領域も同時に形成され、ウェーハ表
面の全面にわたって結晶欠陥を低減させることは困難で
あった。上記公報の実施例には、表面近傍の結晶欠陥密
度をTEMにより観察したところ1×104以下であっ
たと記載されているが、このような結晶欠陥の低い領域
が形成される一方、多数の結晶欠陥を含む領域も同時に
形成される。実際に「Applied Physics Letter Volume
71 1997 pp.2472-2474」には、SiO2マスク上では、ほと
んど転位が観察されないが、マスク開口部では108〜109
cm-2の転位が観察されることが報告されている。
As a method of forming a GaN underlayer having few dislocations in a crystal, ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) is used.
th) The technology is known. In Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-251253, by using this ELO technique, the crystal defect near the wafer surface is reduced to 1 × 10 5 / cm 2 or less.
It is said that an N substrate was obtained. However, ELO
In the case of using, it was difficult to reduce the crystal defect density over the entire surface of the wafer. In ELO, GaN selectively grows laterally from an opening in a mask. In the region where the mask is formed, the dislocation is prevented from proceeding upward, but in the opening, the dislocation is inherited from the underlying layer as it is, and the upper region has a structure including many threading dislocations. Therefore, in the crystal growth by ELO, a portion having few crystal defects is certainly formed, while a region having many threading dislocations is also formed at the same time, and it is difficult to reduce the crystal defect over the entire surface of the wafer. In the examples of the above publication, the crystal defect density near the surface was observed to be 1 × 10 4 or less by TEM. However, while such a region having low crystal defects was formed, A region including a crystal defect is also formed at the same time. Actually, `` Applied Physics Letter Volume
71 to 1997 Pp.2472-2474 "is, on the SiO 2 mask, most dislocations are not observed, 10 108 to 109 in the mask opening
It is reported that a cm- 2 dislocation is observed.

【0007】一方、本発明者らは、ELOの手法をさら
に発展させたFIELO(Facet-Initiated Epitaxial
Lateral Overgrowth)技術を開発している(「応用物
理」(第68巻、第7号、1999年、第774頁〜第
779頁))。この技術は、SiO2マスクを用いて選
択成長を行う点でELOと共通するが、その際、マスク
開口部にファセットを形成する点で相違している。ファ
セットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、
エピタキシャル成長層の上部に至る貫通転位を低減する
ものである。この方法を用いることにより、たとえばサ
ファイア等の下地基板上に厚膜のGaN層を成長させ、
その後下地基板を除去することにより、結晶欠陥の比較
的少ない良質のGaN基板を得ることができ、これを利
用することにより、従来よりも優れた性能の発光素子を
得ることができる。
On the other hand, the present inventors have developed a FIELO (Facet-Initiated Epitaxial) which is a further development of the ELO method.
Lateral overgrowth technology is being developed ("Applied Physics" (Vol. 68, No. 7, 1999, pp. 774 to 779)). This technique is similar to ELO in that selective growth is performed using a SiO 2 mask, but is different in that a facet is formed in a mask opening. By forming facets, it changes the direction of propagation of dislocations,
This is to reduce threading dislocations reaching the upper part of the epitaxial growth layer. By using this method, for example, a thick GaN layer is grown on a base substrate such as sapphire,
Thereafter, by removing the base substrate, a high-quality GaN substrate having relatively few crystal defects can be obtained, and by using this, a light-emitting element having better performance than before can be obtained.

【0008】また、特開平9−83016号公報には、
SiC基板上にx値が順次小さくなるように組成傾斜し
たAlxGa1-xN(0≦x≦1)層を成長させる構成が
開示されている。SiCはAlNとほぼ同じ格子定数を
有し、GaNは、これらよりも大きい格子定数を有す
る。上記公報記載の技術は、この格子定数の関係を考慮
して窒化物半導体層の結晶性を改善するものである。下
地基板としてSiCを用い、その上部にGaN層を形成
する場合において、SiC上に直接GaNを形成する
と、両者の界面における格子定数差が大きいため、結晶
欠陥が発生する。そこで、上記公報では、SiC側から
GaN側に向けてAl組成が徐々に低くなるように組成
傾斜させ、これによりSiCとGaNの格子定数差を徐
々に緩和させている。AlxGa1-xN(0≦x≦1)層
についての具体的構成として、単一層で組成傾斜した構
成が示されているほか、Al0.9Ga0.1N層0.2μ
m、Al 0.8Ga0.2N層0.2μm、Al0.7Ga0.3
層0.2μm、…、Al0.2Ga0 .8N層0.2μm、A
0.1Ga0.9N層0.2μmの順に積層された9層から
なる多層膜の構成が示されている。このように組成傾斜
したAlGaN層を形成することにより、この上に形成
する窒化物半導体層の結晶性を良好にし、発光出力の高
い素子を実現できると記載されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-83016 discloses that
The composition is gradient on the SiC substrate so that the x value is gradually reduced.
AlxGa1-xA configuration for growing an N (0 ≦ x ≦ 1) layer
It has been disclosed. SiC has almost the same lattice constant as AlN
GaN has a larger lattice constant than these
You. The technology described in the above publication takes this lattice constant into account.
Thus, the crystallinity of the nitride semiconductor layer is improved. under
GaN layer is formed on top of SiC as ground substrate
To form GaN directly on SiC
And a large lattice constant difference at the interface between the two
Defects occur. Therefore, in the above publication, from the SiC side
Composition so that Al composition gradually decreases toward GaN side
And thereby gradually reduce the lattice constant difference between SiC and GaN.
It is relaxing all the time. AlxGa1-xN (0 ≦ x ≦ 1) layer
As a specific configuration, the composition gradient in a single layer
In addition to the0.9Ga0.1N layer 0.2μ
m, Al 0.8Ga0.2N layer 0.2 μm, Al0.7Ga0.3N
Layer 0.2 μm,..., Al0.2Ga0 .8N layer 0.2 μm, A
l0.1Ga0.9N layers starting from 9 layers stacked in order of 0.2 μm
The structure of the multilayer film is shown. Thus the composition gradient
Formed on the AlGaN layer
Crystallinity of the nitride semiconductor layer to be improved
It is described that a new device can be realized.

【0009】この技術は、SiC基板とGaN層との間
を、格子定数がほぼ連続的に変化するようにすることで
両者の格子定数差に起因して生じる歪みを分散させ、歪
み集中箇所を解消することにより結晶性を向上させるも
のである。具体的構成として、SiCとAlGaNの格
子定数が近いことを利用し、組成傾斜層の最下層を高A
l組成の層を配置している。したがって、この技術は、
AlNとほぼ同一の格子定数を有するSiC基板を用い
た場合に有効な技術なのであって、サファイア等の他の
異種基板に適用することは困難である。このような異種
基板に適用した場合、組成傾斜層の最下層と異種基板と
の界面で格子定数の大きく異なる結晶系が隣接すること
となり、結晶欠陥が多数発生する。この結晶欠陥は、そ
のまま上層に引き継がれるため、組成傾斜層の最上層
は、結晶欠陥を多数含んだ構造となる。
This technique disperses the strain caused by the difference in lattice constant between the SiC substrate and the GaN layer so that the lattice constant changes almost continuously, and reduces the strain concentration location. The elimination improves the crystallinity. As a specific configuration, utilizing the fact that the lattice constants of SiC and AlGaN are close to each other, the lowermost layer of the composition gradient layer has a high A
1 layer is disposed. Therefore, this technology
This is an effective technique when a SiC substrate having substantially the same lattice constant as AlN is used, and it is difficult to apply it to other dissimilar substrates such as sapphire. When applied to such a heterogeneous substrate, crystal systems having greatly different lattice constants are adjacent to each other at the interface between the lowermost layer of the composition gradient layer and the heterogeneous substrate, and many crystal defects occur. Since this crystal defect is inherited by the upper layer as it is, the uppermost layer of the composition gradient layer has a structure including many crystal defects.

【0010】また、上記公報記載の技術は、組成傾斜に
より格子定数をほぼ連続的に変化させることによって基
板とGaN層の格子定数差に起因して生じる歪みを層構
造中に分散させるものであるが、歪みエネルギーそのも
のの総和を減少させるものではない。したがって、結晶
欠陥の低減には一定の限界があり、現在望まれているよ
うな水準まで結晶欠陥を低減することは困難である。ま
た、SiCを用いた場合はGaNやAlGaNとの格子
定数差が小さく一定の効果が得られるものの、サファイ
ア等を用いた場合は格子定数差がさらに大きくなり、歪
みエネルギー自体が大きくなるため、層構造中に歪みエ
ネルギーを分散させたとしても充分な結晶欠陥の低減を
実現することは困難である。
Further, the technique described in the above publication is to disperse the strain caused by the lattice constant difference between the substrate and the GaN layer in the layer structure by changing the lattice constant almost continuously by the composition gradient. However, this does not reduce the sum of the strain energies themselves. Therefore, there is a certain limit to the reduction of crystal defects, and it is difficult to reduce crystal defects to a level that is currently desired. Further, when SiC is used, the lattice constant difference from GaN or AlGaN is small and a certain effect can be obtained. However, when sapphire or the like is used, the lattice constant difference is further increased, and the strain energy itself is increased. Even if the strain energy is dispersed in the structure, it is difficult to sufficiently reduce the crystal defects.

【0011】高性能の窒化物半導体素子を得るために
は、結晶成長の下地となる基板乃至下地層の結晶欠陥を
さらに低減することが望まれているが、上記のように、
従来技術においては、下地基板の表面全体にわたる結晶
欠陥を低減することは困難であった。
In order to obtain a high performance nitride semiconductor device, it is desired to further reduce crystal defects in a substrate or an underlayer serving as an underlayer for crystal growth.
In the prior art, it has been difficult to reduce crystal defects over the entire surface of the underlying substrate.

【0012】一方、窒化物半導体を用いた半導体レーザ
においては、光閉じ込め率の向上を図る観点からクラッ
ド層の低屈折率化および厚膜化が望まれている。このよ
うにすることによって半導体レーザの閾値をさらに低減
して長寿命化を図り、高出力化、レーザビームスポット
形状の整形、温度特性の向上を実現することが可能とな
る。
On the other hand, in a semiconductor laser using a nitride semiconductor, a lower refractive index and a thicker clad layer are desired from the viewpoint of improving the light confinement ratio. This makes it possible to further reduce the threshold value of the semiconductor laser to extend its life, to achieve high output, to shape a laser beam spot, and to improve temperature characteristics.

【0013】また、たとえばデジタル・ビデオ・デイス
ク(DVD)用途の半導体レーザにおいては、レーザビ
ームの遠視野像の多スポット化の解消が重要な技術的課
題となっている。この現象も光閉じ込め効果が不充分な
ことに起因するものであり、ここでもクラッド層の低屈
折率化および厚膜化による光閉じ込め率の向上が強く望
まれている。
[0013] Further, for example, in a semiconductor laser for use in a digital video disk (DVD), it is an important technical problem to eliminate multi-spots in a far-field image of a laser beam. This phenomenon is also caused by the insufficient light confinement effect, and here too, it is strongly desired to improve the light confinement rate by lowering the refractive index and increasing the thickness of the cladding layer.

【0014】窒化物半導体レーザのクラッド層は、通
常、AlGaN層が採用されており、光閉じ込め効果を
向上させるには、このAlGaN層のAl組成を高く、
膜厚を厚くしてクラッド層の屈折率を向上させることが
有効である。ところが、このようにした場合、結晶成長
下地層とAlGaN層との間の格子定数の差および熱膨
張係数の差に起因してクラッド層にクラックが入りやす
くなり、この結果、光閉じ込め効果がかえって低下すす
ばかりか、素子寿命の低下等をもたらすこととなる。
An AlGaN layer is usually employed for the cladding layer of the nitride semiconductor laser. To improve the light confinement effect, the Al composition of the AlGaN layer is increased.
It is effective to increase the thickness to improve the refractive index of the cladding layer. However, in such a case, cracks tend to occur in the cladding layer due to a difference in lattice constant and a difference in thermal expansion coefficient between the crystal growth underlayer and the AlGaN layer. As a result, the light confinement effect is rather reduced. Not only will it be reduced, but the life of the device will be shortened.

【0015】このようなことから、窒化物半導体素子の
設計においては、下地層として格子定数の小さい材料、
すなわち、Al組成の高い材料を用いることが有利とな
る。下地層の格子定数を大きくした場合、その上部に格
子定数の小さい層を配置すると、その層に引っ張り歪み
が生じクラックが発生しやすくなる。これに対し、下地
層の格子定数を小さくした場合、その上部に格子定数の
大きい層を配置すると、その層には圧縮歪みが生じる。
一般に、圧縮モードの残留歪みを有する構造体は、引っ
張りモードの残留歪みを有する構造体に比べてより高い
強度を示す(このことは、いわゆるマシューズの式によ
り知られている)ことから、下地層として格子定数の小
さい材料を用いれば、上層の強度を改善することができ
る。
For this reason, in designing a nitride semiconductor device, a material having a small lattice constant is used as an underlayer.
That is, it is advantageous to use a material having a high Al composition. In the case where the lattice constant of the underlayer is increased, if a layer having a small lattice constant is disposed above the underlayer, tensile strain is generated in the layer and cracks are easily generated. On the other hand, when the lattice constant of the underlayer is reduced, if a layer having a large lattice constant is disposed above the underlayer, compressive strain occurs in the layer.
In general, structures with compressive-mode residual strain exhibit higher strength than structures with tensile-mode residual strain (this is known by the so-called Matthews equation), and thus the underlying layer If a material having a small lattice constant is used, the strength of the upper layer can be improved.

【0016】そこで、結晶成長用の下地層材料として、
従来のGaNに代え、AlGaNを用いれば、上部に形
成される半導体層と下地層とのAl組成差が低減され、
この結果、上部半導体層中には、圧縮歪み、または、比
較的小さい引っ張りひずみが生じることとなる。これに
より、上部半導体層中のクラック発生が有効に防止され
る。
Therefore, as an underlayer material for crystal growth,
If AlGaN is used instead of conventional GaN, the Al composition difference between the semiconductor layer formed on the upper part and the underlayer is reduced,
As a result, a compressive strain or a relatively small tensile strain occurs in the upper semiconductor layer. Thereby, the occurrence of cracks in the upper semiconductor layer is effectively prevented.

【0017】AlGaN下地層を得るための方法として
は、従来、基板に低温バッファ層を形成した後、その
上にGaN層を介してAlGaN層を形成する方法と、
低温バッファ層の上に直接AlGaN層を形成する方
法が行われていた。
Conventionally, a method for obtaining an AlGaN underlayer is to form a low-temperature buffer layer on a substrate, and then form an AlGaN layer thereon via a GaN layer,
A method of forming an AlGaN layer directly on a low-temperature buffer layer has been used.

【0018】まず上記の方法について述べる。GaN
層を介してAlGaN層を形成する場合は、GaNの上
にそれより格子定数の小さいAlGaN層を形成するこ
ととなり、膜厚を厚くするとクラックが発生しやすい。
下地のGaNに較べてAlGaNの格子定数がかなり小
さいため(例えばSemiconductors and Semimetals Vol4
8“High Brightness Light Emitting diodes” ed. by
G. B. Stringfellowand M. George Craford,1997 by A
cademic PressのChap.1,Fig.1に記載)、AlGaNには引
っ張り歪みが生じるからである。この歪みは、Al組成と
ともに増大し、例えば、Al0.07Ga0.93N層では0.17%程
度となる。また、AlGaN層の厚みが増すにつれ歪み
が増大する。このことから、クラック発生は、AlGaN層
での歪量と層厚の積がほぼ一定値を超えると急激に増加
する。従来技術においては、クラックを生じさせないで
成長できるAlGaNの厚さは、せいぜい数μm程度であり、
100μm以上にも及ぶ厚膜のAlGaNの成長は不可能であっ
た。また、クラックを生じさせないでAlGaN層を成
長できたとしても、層中に多くの結晶欠陥が含まれた構
造となり、素子性能向上の阻害要因となる上、結晶成長
後の工程や素子使用時においてクラックが発生する原因
ともなっていた。
First, the above method will be described. GaN
When an AlGaN layer is formed via a layer, an AlGaN layer having a smaller lattice constant is formed on GaN, and cracks are likely to occur when the thickness is increased.
Because the lattice constant of AlGaN is considerably smaller than that of the underlying GaN (for example, Semiconductors and Semimetals Vol.
8 “High Brightness Light Emitting diodes” ed. By
GB Stringfellowand M. George Craford, 1997 by A
This is because AlGaN suffers from tensile strain. This strain increases with the Al composition, and for example, is about 0.17% in the Al 0.07 Ga 0.93 N layer. In addition, the strain increases as the thickness of the AlGaN layer increases. From this, the occurrence of cracks rapidly increases when the product of the strain amount and the layer thickness in the AlGaN layer exceeds a substantially constant value. In the prior art, the thickness of AlGaN that can be grown without causing cracks is at most a few μm,
It was impossible to grow AlGaN having a thickness of 100 μm or more. Further, even if the AlGaN layer can be grown without causing cracks, the AlGaN layer becomes a structure containing many crystal defects in the layer, which hinders the improvement of the device performance, and is also a factor after the crystal growth and in the use of the device. This was also the cause of cracks.

【0019】次に前記したの方法、すなわち、低温バ
ッファ層の上に直接AlGaN層を形成する方法につい
て述べる。この場合においても、クラック発生を防止す
るためには、AlGaN層の膜厚、Al組成に一定の制
約が課せられる。「Appl.Phys.Letts.Vol.75,No.19,pp2
960-2962」には、基板上に設けられた低温バッファ層上
に厚さ3μmのAl0.03Ga0.97N層を形成し、その上
部に厚さ1μmのAl 0.06Ga0.94Nクラッド層を形成
した窒化物半導体レーザが示されている。このような構
造とすることにより、遠視野像での多スポット化が抑制
されることが記載されている。
Next, the method described above, that is,
On the method of forming an AlGaN layer directly on a buffer layer
State. Even in this case, cracks can be prevented.
In order to achieve this, the thickness of the AlGaN layer and the Al
About imposed. `` Appl.Phys.Letts.Vol.75, No.19, pp2
960-2962 "has a low temperature buffer layer on the substrate
3μm thick Al0.03Ga0.97Form an N layer and then
1μm thick Al 0.06Ga0.94Form N clad layer
The illustrated nitride semiconductor laser is shown. Such a structure
To prevent multiple spots in the far-field image
Is described.

【0020】上記公報記載の技術は、Al組成の低い厚
膜のAlGaN層の上にAl組成の高いAlGaNクラ
ッド層を形成し、これらのAlGaNからなる層の作用
により光閉じ込め効果を増大させるものである。Al0.03
Ga0.97N層とAl0.06Ga0.94Nクラッド層とのAl組成差に
よる歪みの大きさは0.07%程度であり、この結果クラッ
クが生じにくくなると考えられている。しかしながら、
本発明者らの実験によれば、このような二段AlGaN構造
を採用してもクラックフリーで100μm以上にも及ぶ厚膜
のAlGaNの成長は困難であることが確認された。また、
この構造では、クラッド層のアルミ組成や膜厚をさらに
増大させることは非常に困難であり、クラッド層の屈折
率向上にも一定の制限があった。
The technique described in the above publication is to form an AlGaN cladding layer having a high Al composition on a thick AlGaN layer having a low Al composition and increase the light confinement effect by the action of these AlGaN layers. is there. Al 0.03
The magnitude of the strain due to the Al composition difference between the Ga 0.97 N layer and the Al 0.06 Ga 0.94 N cladding layer is about 0.07%, and as a result, it is considered that cracks are less likely to occur. However,
According to experiments performed by the present inventors, it has been confirmed that even if such a two-stage AlGaN structure is employed, it is difficult to grow crack-free AlGaN having a thickness of 100 μm or more. Also,
In this structure, it is very difficult to further increase the aluminum composition and the film thickness of the cladding layer, and there are certain restrictions on the improvement of the refractive index of the cladding layer.

【0021】以上のように、従来技術においては、下地
層としての機能を発揮する程度の厚膜のAlGaN層
を、クラックを発生させることなく形成することは困難
であった。
As described above, in the prior art, it was difficult to form an AlGaN layer having a thickness large enough to exhibit a function as an underlayer without generating cracks.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、現
在、素子の高性能化の観点から、窒化物半導体結晶を成
長させるための下地層(代表的には下地基板)に関し、
転位密度の更なる低減が望まれている。
As described above, the present invention relates to an underlayer (typically, an undersubstrate) for growing a nitride semiconductor crystal from the viewpoint of improving the performance of an element.
Further reduction in dislocation density is desired.

【0023】また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ
等の発光素子においては、光閉じ込め率向上のため高A
l組成・大膜厚のAlGaNクラッド層を実現すること
が求められており、このようなクラッド層をクラックを
発生させることなく作製するため、結晶下地層をAlG
aNにより構成することが望まれている。また、高品質
のAlGaN下地層が実現できれば、その上に形成され
る半導体多層膜の材料の選択の幅が増すことから、電子
素子においても有用である。
In a light emitting device such as a semiconductor laser using a nitride semiconductor, a high A
It is required to realize an AlGaN clad layer having a large composition and a large film thickness. In order to produce such a clad layer without generating cracks, an AlG
It is desired to be constituted by aN. Further, if a high-quality AlGaN underlayer can be realized, the range of choice of materials for the semiconductor multilayer film formed thereon can be increased, which is useful for electronic devices.

【0024】以上のように、表面欠陥密度が低く、か
つ、比較的Al組成の高い厚膜のAlGaN下地層を
得ることができれば、従来にない高性能の素子を作製す
ることが可能となる。具体的には、レーザのクラッド層
としてAl組成のより高い層構造を成長させることがで
き、その結果電子・光の閉じ込めが改善され、短波長レ
ーザの特性向上を達成できる。また、電子素子への応用
では、AlGaN高抵抗基板の実現による高周波特性の改
善、基板への電子漏れの抑制などによるデバイス性能の
大幅な向上が期待できる。
As described above, if a thick AlGaN underlayer having a low surface defect density and a relatively high Al composition can be obtained, it is possible to manufacture an unprecedented high-performance device. Specifically, a layer structure having a higher Al composition can be grown as a cladding layer of the laser, and as a result, confinement of electrons and light can be improved, and the characteristics of a short-wavelength laser can be improved. For application to electronic devices, improvement of high-frequency characteristics by realizing an AlGaN high-resistance substrate, and drastic improvement of device performance by suppressing electron leakage to the substrate can be expected.

【0025】本発明は、上記事情に鑑みなされたもので
あり、低欠陥密度で、クラック発生が有効に防止され、
下地基板を除去して単膜としても使用可能な程度の充分
な厚さを有するAlGaN層を形成するための技術を提
供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, has a low defect density, effectively prevents cracks from occurring,
It is an object of the present invention to provide a technique for removing an undersubstrate and forming an AlGaN layer having a sufficient thickness that can be used as a single film.

【0026】[0026]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、窒化物
半導体からなる面内平均格子定数aの第一の単結晶層
と、この上に直接、または表面保護層を介して形成され
た、窒化物半導体からなる面内平均格子定数b(b>
a)の層厚5μm以上の第二の単結晶層と、からなる歪
み緩和領域を備え、該歪み緩和領域の上部に、素子領域
を構成する窒化物半導体層が形成されたことを特徴とす
る窒化物半導体素子、が提供される。
According to the present invention, according to the present invention, a first single crystal layer made of a nitride semiconductor and having an in-plane average lattice constant a and a first single crystal layer formed thereon or directly via a surface protective layer are formed. Average lattice constant b (b>) made of a nitride semiconductor
a) a second single crystal layer having a layer thickness of 5 μm or more, and a strain relaxation region comprising a nitride semiconductor layer forming an element region formed above the strain relaxation region. A nitride semiconductor device is provided.

【0027】面内平均格子定数とは、第一または第二の
単結晶層の層厚方向と垂直な平面内における格子定数の
平均値をいう。たとえばサファイアc面に成長させたA
lGaN層を第一の単結晶層とした場合、a軸の格子定
数が面内平均格子定数となる。なお、第一の単結晶層が
層厚方向に組成変化している場合は、格子定数の平均値
は、面内平均格子定数を層厚方向に平均した値を意味す
るものとする。
The in-plane average lattice constant refers to an average value of lattice constants in a plane perpendicular to the thickness direction of the first or second single crystal layer. For example, A grown on sapphire c-plane
When the 1GaN layer is the first single crystal layer, the lattice constant of the a-axis becomes the in-plane average lattice constant. When the composition of the first single crystal layer changes in the layer thickness direction, the average value of the lattice constant means a value obtained by averaging the in-plane average lattice constant in the layer thickness direction.

【0028】また本発明によれば、AlxGa1-xN(0
<x<1)からなる第一の単結晶層と、この上に直接、
または表面保護層を介して形成された層厚5μm以上の
Al yGa1-yN(0<y<x)からなる第二の単結晶層
と、からなる歪み緩和領域を備え、該歪み緩和領域の上
部に、素子領域を構成する窒化物半導体層が形成された
ことを特徴とする窒化物半導体素子、が提供される。
According to the present invention, AlxGa1-xN (0
<X <1), and a first single crystal layer directly thereon,
Or a layer having a thickness of 5 μm or more formed via a surface protective layer
Al yGa1-ySecond single crystal layer made of N (0 <y <x)
And a strain relaxation region consisting of:
Portion, a nitride semiconductor layer constituting an element region was formed
A nitride semiconductor device is provided.

【0029】従来技術の項で説明したように、基板上に
AlGaN層を成長させる方法として、基板に低温バ
ッファ層を形成した後、その上にGaN層を介してAl
GaN層を形成する方法と、低温バッファ層の上に直
接AlGaN層を形成する方法が行われていた。このう
ちの方法では、格子定数の関係でAlGaN層に引っ
張り歪みが生じ、クラックが発生しやすい。また、の
方法では、低温バッファ層の上に直接形成されたAlG
aN層中に多くの欠陥が発生し、これがその上部に形成
される結晶構造に引き継がれ、良質の結晶成長層を得る
ことが困難となる。
As described in the section of the prior art, as a method of growing an AlGaN layer on a substrate, a low-temperature buffer layer is formed on a substrate, and then an AlGaN layer is formed thereon via a GaN layer.
A method of forming a GaN layer and a method of forming an AlGaN layer directly on a low-temperature buffer layer have been used. In these methods, tensile strain occurs in the AlGaN layer due to the lattice constant, and cracks are likely to occur. According to the method described above, AlG directly formed on the low-temperature buffer layer is used.
Many defects occur in the aN layer, which are inherited by the crystal structure formed thereon, making it difficult to obtain a high-quality crystal growth layer.

【0030】このような課題に対し、本発明の窒化物半
導体素子は、歪み緩和領域を設けることにより課題解決
を図っている。
The nitride semiconductor device of the present invention solves such a problem by providing a strain relaxation region.

【0031】本発明の窒化物半導体素子における歪み緩
和領域は、第一の単結晶層の上に、これよりも面内平均
格子定数の大きい第二の単結晶層が積層された構造とな
っている。また第二の単結晶層を5μm以上としてい
る。このため、以下のような作用効果を奏する。
The strain relaxation region in the nitride semiconductor device of the present invention has a structure in which a second single crystal layer having a larger in-plane average lattice constant is laminated on the first single crystal layer. I have. The second single crystal layer has a thickness of 5 μm or more. Therefore, the following operation and effect can be obtained.

【0032】第一の効果として、第一の単結晶層が緩衝
層として機能するため、第二の単結晶層上に形成される
素子領域を構成する窒化物半導体層の歪みを顕著に低減
できる。
As a first effect, since the first single crystal layer functions as a buffer layer, the distortion of the nitride semiconductor layer forming the element region formed on the second single crystal layer can be significantly reduced. .

【0033】従来の半導体レーザにおいては、LD構造
を構成するクラッド層、活性層等は、サファイア基板結
晶による束縛力を受け、基板結晶との格子定数および熱
膨張係数の差に応じて歪みが蓄積される。これは、サフ
ァイア基板の厚みが厚いため、基板上の各半導体層が、
基板の結晶構造に追随するように形成されていくことに
よる。ここで、サファイア基板と窒化物半導体との格子
不整合は14%程度と非常に大きいため、窒化物半導体
中の内在歪みは大きな値となる。一方、本発明の窒化物
半導体素子においては、素子領域を構成する窒化物半導
体層は、基板ではなく、主として第二の単結晶層による
束縛力を受け、素子領域を構成する半導体層には、第二
の単結晶層との格子定数および熱膨張係数の差に応じた
歪みが蓄積される。これは、第一の単結晶層中に多くの
結晶欠陥が含まれ得ること、および、第一および第二の
単結晶層との界面にミスフィット転位が発生することに
より、素子領域を構成する窒化物半導体層が基板から受
ける束縛力が弱まるためである。したがって、窒化物半
導体層との格子定数差等が小さくなるよう、適宜に第二
の単結晶層を選択すれば、窒化物半導体中の内在歪みを
効果的に低減できるのである。
In a conventional semiconductor laser, a cladding layer, an active layer, and the like constituting an LD structure are subjected to a binding force by a sapphire substrate crystal, and strain is accumulated according to a difference between a lattice constant and a thermal expansion coefficient from the substrate crystal. Is done. This is because the thickness of the sapphire substrate is large, and each semiconductor layer on the substrate is
This is due to being formed so as to follow the crystal structure of the substrate. Here, since the lattice mismatch between the sapphire substrate and the nitride semiconductor is as large as about 14%, the intrinsic strain in the nitride semiconductor has a large value. On the other hand, in the nitride semiconductor device of the present invention, the nitride semiconductor layer constituting the device region is not mainly a substrate, but is mainly subjected to the binding force of the second single crystal layer, and the semiconductor layer constituting the device region has Strain corresponding to the difference between the lattice constant and the coefficient of thermal expansion with the second single crystal layer is accumulated. This is because the first single crystal layer can contain many crystal defects, and misfit dislocations are generated at the interface with the first and second single crystal layers, thereby forming an element region. This is because the binding force that the nitride semiconductor layer receives from the substrate is weakened. Therefore, if the second single crystal layer is appropriately selected so that the lattice constant difference from the nitride semiconductor layer becomes small, the intrinsic strain in the nitride semiconductor can be effectively reduced.

【0034】第二の効果として、第一および第二の単結
晶層の界面にミスフィット転位が発生するため、これに
より第一の単結晶層に内在する欠陥が第二の単結晶層に
伝搬することを防止できる。上記界面には、格子不整合
に起因して界面に沿ってミスフィット転位が発生する。
このミスフィット転位は、第一の単結晶層から上方に向
かって伝搬する転位の進行を遮断する役割を果たす。こ
のため、第一の単結晶層を、歪みエネルギーを開放する
べく多くの結晶欠陥を含む構成としても、この結晶欠陥
が第二の単結晶層に伝搬することが有効に防止される。
As a second effect, misfit dislocations are generated at the interface between the first and second single crystal layers, so that defects inherent in the first single crystal layer propagate to the second single crystal layer. Can be prevented. Misfit dislocations occur along the interface at the interface due to lattice mismatch.
The misfit dislocation serves to block the progress of the dislocation propagating upward from the first single crystal layer. For this reason, even if the first single crystal layer is configured to include many crystal defects in order to release strain energy, the propagation of the crystal defects to the second single crystal layer is effectively prevented.

【0035】第三の効果として、第二の単結晶層が5μ
m以上の厚膜で形成されているため、第二の単結晶層中
で転位が消滅し、表面転位密度を低減することができ
る。上述したように第一の単結晶層からの転位の伝搬
は、ミスフィット転位により遮断されることとなるが、
一部の転位はそのまま第二の単結晶層に伝搬する。この
転位を消滅させるには、第二の単結晶層の厚みを厚くす
ることが有効である。厚膜の第二の単結晶層中で転位同
士がぶつかって消滅したり、転位の伝搬方向が基板と平
行な方向に変化するため、第二の単結晶層表面に貫通す
る転位が大幅に低減されるからである。この効果は、層
成長方法として、ファセット構造を形成しつつ層成長を
行うFIELOを採用した場合、一層顕著となる。以上
のように、本発明においては第二の単結晶層の厚みを一
定以上の値とすることが重要であり、5μm以上、好ま
しくは30μm以上、より好ましくは100μm以上と
する。
As a third effect, the second single crystal layer has a thickness of 5 μm.
Since the film is formed with a thickness of at least m, dislocations disappear in the second single crystal layer, and the surface dislocation density can be reduced. As described above, the propagation of dislocations from the first single crystal layer is blocked by misfit dislocations,
Some dislocations propagate to the second single crystal layer as they are. In order to eliminate the dislocation, it is effective to increase the thickness of the second single crystal layer. Dislocations collide with each other in the thick second single crystal layer and disappear, and the direction of propagation of the dislocation changes in a direction parallel to the substrate, so that dislocations penetrating the second single crystal layer surface are greatly reduced. Because it is done. This effect becomes even more remarkable when the layer growth method adopts FIELO, which performs layer growth while forming a facet structure. As described above, in the present invention, it is important that the thickness of the second single crystal layer is a certain value or more, and it is 5 µm or more, preferably 30 µm or more, more preferably 100 µm or more.

【0036】第四の効果として、第二の単結晶層の歪み
が圧縮モードとなり、第二の単結晶層の結晶欠陥を大幅
に低減できる。したがって、この上に素子領域を構成す
る半導体層を形成した場合、結晶欠陥の少ない半導体層
が得られ、従来にない高品質の発光素子、電子素子を実
現することが可能となる。また、圧縮歪みがかかること
により、クラックを発生させることなく第二の単結晶層
の厚みを増大させることができ、上記したように、第二
の単結晶層表面に貫通する転位を大幅に低減できる。
As a fourth effect, the distortion of the second single crystal layer becomes a compression mode, and the crystal defects of the second single crystal layer can be greatly reduced. Therefore, when a semiconductor layer forming an element region is formed thereon, a semiconductor layer with few crystal defects can be obtained, and a high-quality light-emitting element and electronic element which have not been achieved in the past can be realized. In addition, by applying compressive strain, the thickness of the second single crystal layer can be increased without generating cracks, and as described above, dislocations penetrating into the surface of the second single crystal layer are significantly reduced. it can.

【0037】ここで、高Al組成のAlGaN層の上に
低Al組成のAlGaN層を形成する技術に関しては、
従来技術の項で説明したように、特開平9−83016
号公報に開示がある。以下、本発明の特徴を明確にする
ため、この従来技術との差異について説明する。
Here, regarding the technique for forming an AlGaN layer having a low Al composition on an AlGaN layer having a high Al composition,
As described in the section of the prior art, JP-A-9-83016
There is a disclosure in Japanese Patent Publication No. Hereinafter, in order to clarify the features of the present invention, differences from this conventional technique will be described.

【0038】上記公報記載の技術は、SiC基板とGa
N層との間に組成傾斜層を設け、格子定数がほぼ連続的
に変化するようにすることで、両者の格子定数差に起因
して生じる歪みを分散させ、歪み集中箇所を解消するこ
とにより結晶性を向上させるものである。このような目
的のため、組成傾斜層は、連続的に組成が変化する層、
あるいは、膜厚0.2μm程度の薄膜が積層されてなる
多層構造としている。このようにすることによって、歪
み集中箇所の発生を防止している。これに対し本発明
は、第一の層と第二の層の間に歪み集中箇所を意図的に
導入し、ここにミスフィット転位を生じさせている。こ
のミスフィット転位は、第一の層から第二の層への転位
伝搬を抑制する上、歪みエネルギーを開放する機能を有
している。このようなミスフィット転位を導入するた
め、第二の層の厚みを5μm以上としている。5μm未
満では、上記転位伝搬抑制機能、および歪みエネルギー
開放機能が発現する程度にミスフィット転位を発生させ
ることが困難となる。また、第二の層の厚みを5μm以
上とすることにより、第二の単結晶層中で転位同士がぶ
つかって消滅したり、転位の伝搬方向が基板と平行な方
向に変化するため、第二の単結晶層表面に貫通する転位
が大幅に低減するという効果も得られる。
The technique described in the above publication is based on the SiC substrate and the Ga
By disposing a composition gradient layer between the N layer and the lattice constant and changing the lattice constant substantially continuously, the strain generated due to the difference between the two lattice constants is dispersed, and the strain concentration portion is eliminated. It improves the crystallinity. For such a purpose, a composition gradient layer is a layer whose composition continuously changes,
Alternatively, it has a multilayer structure in which thin films having a thickness of about 0.2 μm are stacked. By doing so, the occurrence of the strain concentration portion is prevented. On the other hand, the present invention intentionally introduces a strain concentration portion between the first layer and the second layer, and causes a misfit dislocation therein. This misfit dislocation has a function of suppressing dislocation propagation from the first layer to the second layer and releasing strain energy. In order to introduce such misfit dislocations, the thickness of the second layer is set to 5 μm or more. If it is less than 5 μm, it is difficult to generate misfit dislocations to such an extent that the dislocation propagation suppressing function and the strain energy releasing function are exhibited. Further, when the thickness of the second layer is 5 μm or more, dislocations collide with each other in the second single crystal layer and disappear, or the direction of propagation of dislocations changes in a direction parallel to the substrate. The effect of significantly reducing dislocations penetrating into the surface of the single crystal layer can also be obtained.

【0039】以上のように、上記公報記載の技術では、
基板と窒化物半導体層との間に生じる歪みエネルギーを
組成傾斜層に分散させるものである。一方、本発明は、
第一の層中の結晶欠陥およびミスフィット転位により歪
みを開放し、歪みエネルギーそのものを低減するもので
あり、より効果的に結晶欠陥の低減を図ることができ
る。
As described above, in the technology described in the above publication,
The strain energy generated between the substrate and the nitride semiconductor layer is dispersed in the composition gradient layer. On the other hand, the present invention
The strain is released by the crystal defects and misfit dislocations in the first layer, and the strain energy itself is reduced, so that the crystal defects can be more effectively reduced.

【0040】本発明の窒化物半導体素子において、第一
の単結晶層の厚みをd1(μm)、第二の単結晶層の厚
みをd2(μm)としたときに、下記式(1) (x−y)×d1×d2>0.1 (1) を満たす構成とすることが好ましい。このようにすれば
第一および第二の単結晶層の界面にミスフィット転位を
確実に発生させることができ、上述した応力緩和機能が
より顕著となる。
In the nitride semiconductor device of the present invention, when the thickness of the first single crystal layer is d 1 (μm) and the thickness of the second single crystal layer is d 2 (μm), the following formula (1) It is preferable to adopt a configuration satisfying (xy) × d 1 × d 2 > 0.1 (1). By doing so, misfit dislocations can be reliably generated at the interface between the first and second single crystal layers, and the above-described stress relaxation function becomes more remarkable.

【0041】本発明の窒化物半導体素子において、第一
および第二の単結晶層をAlGaNからなるものとし、
素子領域をAlGaNクラッド層と活性層とを含む構成
とした場合、クラッド層のAl組成や膜厚を厚くするこ
とができ、優れた光閉じ込め効果を得ることができる。
従来の窒化物半導体レーザにおいては、クラッド層や活
性層を含むLD構造(レーザ構造)を形成する際、異種
基板上に低温バッファ層を形成し、その上に直接、また
はサブミクロン〜3μm程度の厚みのGaN層あるいは
AlGaN層を介してLD構造を形成していた。このよ
うな構造の場合、LD構造は異種基板の結晶構造に拘束
されることとなり、両者の格子定数、熱膨張係数の差に
起因して多くの結晶欠陥が発生する。これに対し本発明
の窒化物半導体素子では、LD構造下部に表面欠陥密度
の少ない5μm以上の厚膜の第二の単結晶層が配置さ
れ、さらに、第二の単結晶層の下部に、緩衝層として機
能する第一の単結晶層が形成される。このため、第一の
単結晶層より下部の層(たとえば異種基板)がLD構造
におよぼす拘束力が弱められ、第二の単結晶層により拘
束される程度が大きくなる。ここで、第二の単結晶層
は、クラッド層と同様にAlGaNにより構成されてい
るため、両者の格子定数差は小さく、クラッド層の歪み
は大幅に低減される。また、第二の単結晶層の欠陥密度
が低いため、その上層に位置するクラッド層等に伝搬す
る欠陥が低減され、この点からもLD構造の品質向上効
果が得られる。
In the nitride semiconductor device of the present invention, the first and second single crystal layers are made of AlGaN,
When the element region is configured to include the AlGaN cladding layer and the active layer, the Al composition and the film thickness of the cladding layer can be increased, and an excellent light confinement effect can be obtained.
In a conventional nitride semiconductor laser, when an LD structure (laser structure) including a cladding layer and an active layer is formed, a low-temperature buffer layer is formed on a heterogeneous substrate, and a low-temperature buffer layer is formed directly on the low-temperature buffer layer, or a submicron to 3 μm layer. An LD structure was formed via a thick GaN layer or AlGaN layer. In such a structure, the LD structure is constrained by the crystal structure of the heterogeneous substrate, and many crystal defects occur due to the difference between the lattice constant and the coefficient of thermal expansion between the two. On the other hand, in the nitride semiconductor device of the present invention, the second single crystal layer having a thickness of 5 μm or more and having a small surface defect density is disposed below the LD structure, and a buffer layer is provided below the second single crystal layer. A first single crystal layer that functions as a layer is formed. For this reason, a layer below the first single crystal layer (for example, a heterogeneous substrate) has a weaker binding force on the LD structure, and the degree of restraint by the second single crystal layer is increased. Here, since the second single crystal layer is made of AlGaN similarly to the cladding layer, the difference in lattice constant between the two is small, and the distortion of the cladding layer is greatly reduced. Further, since the defect density of the second single crystal layer is low, defects that propagate to a cladding layer or the like located above the second single crystal layer are reduced, and from this point, an effect of improving the quality of the LD structure is obtained.

【0042】また、本発明によれば、基板上にAlx
1-xN(0<x<1)からなる第一の単結晶層を形成
する工程と、この上に直接、または表面保護層を介し
て、複数の開口部を有するマスクを形成する工程と、前
記複数の開口部を成長領域として、ファセット構造を形
成しながらAlyGa1-yN(0<y<x)結晶を気相成
長させ、層厚5μm以上の第二の単結晶層を形成する工
程と、を有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作
製方法、が提供される。
Further, according to the present invention, Al x G
Step of forming a first single crystal layer made of a 1-x N (0 <x <1), and step of forming a mask having a plurality of openings thereon directly or via a surface protective layer A second single crystal layer having a layer thickness of 5 μm or more is formed by vapor-phase growing an Al y Ga 1-y N (0 <y <x) crystal while forming a facet structure using the plurality of openings as growth regions. And a step of forming a nitride semiconductor crystal.

【0043】この結晶成長方法における「ファセット構
造」とは、基板に対して一定の角度をもった平坦な結晶
成長面を備えた構造をいう(「応用物理」(第68巻、
第7号、1999年、第774頁〜第779頁))。こ
のようなファセット構造を形成しながらAlyGa1-y
結晶を気相成長させるため、隣接する開口部から成長し
たAlyGa1-yN結晶が合体して、転移の伝搬方向が基
板と平行な方向に変化し、表面転移密度の低い第二の単
結晶層が得られる。
The “facet structure” in this crystal growth method refers to a structure having a flat crystal growth surface at a certain angle with respect to the substrate (see “Applied Physics”, Vol.
7, 1999, pp. 774-779)). While forming such a facet structure, Al y Ga 1-y N
In order to grow the crystal in vapor phase, the Al y Ga 1-y N crystal grown from the adjacent opening unites and the propagation direction of the transition changes in the direction parallel to the substrate, and the second layer having a low surface transition density A single crystal layer is obtained.

【0044】また本発明によれば、基板上にAlxGa
1-xN(0<x<1)からなる第一の単結晶層を形成す
る工程と、この上に直接、または表面保護層を介して、
AlyGa1-yN(0<y<x)からなる種結晶層を形成
する工程と、該種結晶層の上に複数のストライプ状開口
部を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、ス
トライプ状AlyGa1-yN層を形成する工程と、該スト
ライプ状AlyGa1-yN層を起点としてAlyGa1-y
(0<y<x)結晶を気相成長させ、層厚5μm以上の
AlyGa1-yNからなる第二の単結晶層を形成する工程
と、を有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作製
方法、が提供される。
According to the present invention, Al x Ga is formed on the substrate.
Forming a first single crystal layer made of 1-xN (0 <x <1), and directly or via a surface protective layer on the first single crystal layer;
Forming a seed crystal layer made of Al y Ga 1-y N (0 <y <x), forming a mask having a plurality of stripe-shaped openings on the seed crystal layer, and performing etching; forming a stripe-shaped Al y Ga 1-y N layer, Al y Ga 1-y N the stripe Al y Ga 1-y N layer as a starting point
(0 <y <x) a step of growing a crystal in a vapor phase to form a second single crystal layer made of Al y Ga 1-y N having a layer thickness of 5 μm or more. A method for producing a crystal is provided.

【0045】これらの窒化物半導体結晶の作製方法によ
れば、表面欠陥密度の低いAlGaN層を厚膜で形成す
ることができる。具体的には、素子形成面全体の平均結
晶欠陥密度が1×107cm-2以下のAlGaN層を形
成できる。また、本発明では、第二の単結晶層の素子形
成面結晶欠陥密度を低くするために層厚を5μm以上と
しているが、この方法によれば、30μm以上、さらに
は100μm以上の厚膜としても低欠陥密度を維持する
ことができる。
According to these nitride semiconductor crystal manufacturing methods, a thick AlGaN layer having a low surface defect density can be formed. Specifically, an AlGaN layer having an average crystal defect density of 1 × 10 7 cm −2 or less over the entire element formation surface can be formed. Further, in the present invention, the layer thickness is set to 5 μm or more in order to lower the crystal defect density on the element formation surface of the second single crystal layer, but according to this method, the thickness is set to 30 μm or more, and further to 100 μm or more. Can maintain a low defect density.

【0046】さらに本発明によれば、層厚40μm以上
のAlGaN層を含み、素子形成面全体の平均結晶欠陥
密度が1×107cm-2以下であることを特徴とする窒
化物半導体基板、が提供される。
Further, according to the present invention, there is provided a nitride semiconductor substrate including an AlGaN layer having a thickness of 40 μm or more, and having an average crystal defect density of 1 × 10 7 cm −2 or less over the entire element formation surface. Is provided.

【0047】この窒化物半導体基板は、素子形成面全体
の平均結晶欠陥密度が低く、また、層厚40μm以上の
AlGaN層を含むため、その上に成長させる窒化物半
導体層の結晶欠陥を大幅に低減できる上、これらの窒化
物半導体層に内在する歪みエネルギーを効果的に低減で
きる。このため、従来にない高性能の窒化物半導体素子
を作製することができる。
Since the nitride semiconductor substrate has a low average crystal defect density on the entire element formation surface and includes an AlGaN layer having a thickness of 40 μm or more, crystal defects of the nitride semiconductor layer grown thereon are greatly reduced. In addition, the strain energy inherent in these nitride semiconductor layers can be effectively reduced. For this reason, it is possible to manufacture an unprecedented high-performance nitride semiconductor device.

【0048】特に本発明の窒化物半導体基板を半導体レ
ーザ等に適用した場合、高Al組成・大膜厚のAlGa
Nクラッド層をクラックを発生させることなく作製する
ことができ、半導体レーザの閾値をさらに低減して長寿
命化を図り、高出力化、レーザビームスポット形状の整
形、温度特性の向上を実現することができる。また、電
子素子へ適用した場合には、高周波特性の改善、基板へ
の電子漏れの抑制が図られ、デバイス性能を大幅に向上
させることができる。
In particular, when the nitride semiconductor substrate of the present invention is applied to a semiconductor laser or the like, an AlGa film having a high Al composition and a large thickness is used.
N-cladding layer can be manufactured without cracks, and the threshold of semiconductor laser is further reduced to extend its life, to achieve higher output, to shape laser beam spot shape, and to improve temperature characteristics. Can be. In addition, when applied to an electronic element, improvement in high-frequency characteristics and suppression of electron leakage to the substrate can be achieved, and device performance can be significantly improved.

【0049】本発明の窒化物半導体基板は、素子形成面
全体の平均結晶欠陥密度が1×10 7cm-2以下であ
る。平均結晶欠陥密度とは、素子形成面全体について測
定した結晶欠陥密度の平均値である。結晶欠陥とは、種
々のモードの転位その他の欠陥を含むものである。EL
Oを用いた手法では、マスクの設けられた領域の内の一
部の領域において、結晶欠陥が非常に少なくなる。しか
しながら、マスク開口部近傍においては結晶欠陥が多く
なり、本発明において規定する「素子形成面全体の平均
結晶欠陥密度」は、比較的大きい値となる。
The nitride semiconductor substrate of the present invention has an element formation surface
The average crystal defect density of the whole is 1 × 10 7cm-2Below
You. The average crystal defect density is measured for the entire element formation surface.
This is the average value of the determined crystal defect densities. A crystal defect is a seed
It contains various modes of dislocations and other defects. EL
In the method using O, one of the regions where the mask is provided is used.
In the region of the portion, crystal defects are extremely reduced. Only
However, there are many crystal defects near the mask opening.
In the present invention, the "average of the entire element formation surface
The “crystal defect density” has a relatively large value.

【0050】上記のような素子形成面全体の平均結晶欠
陥密度が1×107cm-2以下のAlGaN基板の具体
的実現手段として、たとえば、AlxGa1-xN(0<x
<1)からなる第一の単結晶層と、この上に直接または
表面保護層を介して形成された層厚5μm以上のAly
Ga1-yN(0<y<x)からなる第二の単結晶層と、
からなる歪み緩和領域を形成することが挙げられる。こ
の歪み緩和領域の作用については前記したとおりであ
る。この場合、第二の単結晶層の厚みを30μm以上と
することが好ましい。また、第一の単結晶層の厚みをd
1(μm)、第二の単結晶層の厚みをd2(μm)とした
ときに、下記式(1) (x−y)×d1×d2>0.1 (1) を満たす構成とすることが好ましい。このようにすれば
歪み緩和効果がより顕著となり、表面欠陥密度を一層確
実に低減することができる。
As a specific means for realizing an AlGaN substrate having an average crystal defect density of 1 × 10 7 cm −2 or less as described above, for example, Al x Ga 1 -xN (0 <x
<1) a first single crystal layer, and an Al y having a layer thickness of 5 μm or more formed thereon or directly or via a surface protective layer.
A second single crystal layer made of Ga 1-y N (0 <y <x);
Forming a strain relaxation region composed of The function of the strain relaxation region is as described above. In this case, it is preferable that the thickness of the second single crystal layer be 30 μm or more. Further, the thickness of the first single crystal layer is d
1 (μm) and the thickness of the second single crystal layer is d 2 (μm), and the following formula (1) is satisfied: (x−y) × d 1 × d 2 > 0.1 (1) It is preferable that By doing so, the strain relaxation effect becomes more remarkable, and the surface defect density can be reduced more reliably.

【0051】[0051]

【発明の実施の形態】本発明において、第一および第二
の単結晶層をAlGaN層とした場合、第一の単結晶層
の緩衝層としての機能をより顕著とするためには、以下
のような構成とすることが好ましい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, when the first and second single crystal layers are AlGaN layers, in order to make the function of the first single crystal layer as a buffer layer more remarkable, the following is required. Such a configuration is preferable.

【0052】たとえば、第一の単結晶層を、低温バッフ
ァ層の上に形成した構成とすることが有効である。低温
バッファ層とは、400〜700℃で成長させた窒化物
半導体層であり、たとえばGaN層、AlN層等が挙げ
られる。このような構成とすることにより、AlGaN
からなる第一の単結晶層中に多くの結晶欠陥が含まれる
こととなり、この結果、第一の単結晶層の緩衝層として
の機能がより向上する。
For example, it is effective to adopt a configuration in which the first single crystal layer is formed on a low-temperature buffer layer. The low-temperature buffer layer is a nitride semiconductor layer grown at 400 to 700 ° C., and includes, for example, a GaN layer and an AlN layer. With this configuration, AlGaN
A large number of crystal defects are contained in the first single crystal layer made of, and as a result, the function of the first single crystal layer as a buffer layer is further improved.

【0053】また、第一の単結晶層のAl組成を、好ま
しくは0.04以上、より好ましくは0.07以上とす
れば、AlGaNからなる第一の単結晶層中に多くの結
晶欠陥が含まれることとなり、第一の単結晶層の緩衝層
としての機能がより向上する。このような高Al組成の
層は、成長時に多くの欠陥を含みやすく、特に、下地層
が低温バッファ層である場合、欠陥の発生が顕著とな
る。
When the Al composition of the first single crystal layer is preferably at least 0.04, more preferably at least 0.07, many crystal defects are formed in the first single crystal layer made of AlGaN. As a result, the function of the first single crystal layer as a buffer layer is further improved. Such a layer having a high Al composition tends to include many defects during growth, and in particular, when the underlying layer is a low-temperature buffer layer, the generation of defects becomes remarkable.

【0054】また、第一の単結晶を一定以上の厚みとす
ることも有効である。たとえば、好ましくは0.3μm
以上、より好ましくは0.7μm以上とする。AlGa
Nからなる第一の単結晶層を、このような厚膜で形成し
た場合、成長時に多くの欠陥を含みやすく、特に、下地
層が低温バッファ層である場合、欠陥の発生が顕著とな
る。
It is also effective to make the thickness of the first single crystal not less than a certain value. For example, preferably 0.3 μm
The thickness is more preferably 0.7 μm or more. AlGa
When the first single crystal layer made of N is formed with such a thick film, many defects are likely to be included during the growth, and particularly when the underlying layer is a low-temperature buffer layer, the generation of defects becomes remarkable.

【0055】以上のような構成を採用すれば、緩衝層と
しての機能がより顕著となって素子領域を構成する窒化
物半導体層が異種基板等から受ける束縛力が弱まり、窒
化物半導体層中の内在歪みを一層低減できる。
With the above configuration, the function as a buffer layer becomes more prominent, and the binding force of the nitride semiconductor layer constituting the element region received from a heterogeneous substrate or the like is weakened. Intrinsic distortion can be further reduced.

【0056】本発明における第二の単結晶層は、FIE
LOあるいはペンディオエピタキシにより形成すること
が好ましい。
In the present invention, the second single crystal layer is formed of a FIE
It is preferably formed by LO or pendio epitaxy.

【0057】FIELOは、前述したように、複数の開
口部を有するマスクを形成し、開口部を成長領域として
ファセット構造を形成しながらAlyGa1-yN結晶を気
相成長させる方法である。隣接する開口部から成長した
AlyGa1-yN結晶が合体して、転移の伝搬方向が基板
と平行な方向に変化し、表面転移密度の低い第二の単結
晶層が得られる。また、FIELOを用いて50μm以上の膜
厚を有する第二の単結晶層を成長させると、ELO成長で
観察される転位のマスク開口部とマスク上との極端な分
布はなくなり、表面全体に亘って転位が均一に分布し、
しかも転位密度の低い結晶を得ることができる。この転
位密度の分布のもっとも簡単な測定方法は、表面に転位
が突き出した部分を化学溶液によって選択的にエッチン
グし、形成された窪み(これをエッチピットと呼ぶ)の
密度を光学顕微鏡、あるいは、走査型電子顕微鏡を用い
て計数することである。これによって、転位密度、およ
び分布が容易に測定できる。
As described above, FIELO is a method in which a mask having a plurality of openings is formed, and an Al y Ga 1-y N crystal is vapor-phase grown while forming a facet structure using the openings as growth regions. . The Al y Ga 1-y N crystal grown from the adjacent opening unites, and the direction of propagation of the transition changes in a direction parallel to the substrate, so that a second single crystal layer having a low surface transition density is obtained. When a second single crystal layer having a film thickness of 50 μm or more is grown by using FIELO, the extreme distribution of dislocations observed in the ELO growth between the mask opening and the mask disappears, and the entire surface is covered with the entire surface. Dislocations are distributed uniformly,
Moreover, a crystal having a low dislocation density can be obtained. The simplest method of measuring the distribution of dislocation density is to selectively etch the parts where dislocations protrude from the surface with a chemical solution and measure the density of the formed pits (this is called etch pits) with an optical microscope or Counting using a scanning electron microscope. Thereby, the dislocation density and the distribution can be easily measured.

【0058】また、結晶性の評価として、このエッチピ
ットの観察の他に、二結晶法によるX線ロッキングカー
ブの半値幅が用いても調べることができる。この半値幅
は通常の手法で、サファイア基板上にGaNをバッファ層
としてA成長したAlGaN結晶では、5−6分程度と広いも
のである。この半値幅は、結晶性の改善、特に転位の削
減によって小さくなるので結晶性の評価にしばしば用い
られる。
In addition to the observation of the etch pits, the half-width of the X-ray rocking curve by the double crystal method can be used for evaluating the crystallinity. This half-value width is as wide as about 5 to 6 minutes for an AlGaN crystal grown on a sapphire substrate by A using GaN as a buffer layer by a usual method. This half width is often used for evaluation of crystallinity because it is reduced by improving crystallinity, particularly by reducing dislocations.

【0059】ペンディオエピタキシに関しては、文献
「Tsvetankas、Zheleva,et.a
l.,MRS Internet J.Nitride
Semicond.Res.4S1、G3,38(1
999)」に詳述されている。本発明に係る層構造の形
成にこの方法を適用する場合、たとえば以下のような工
程となる。まず、基板上にAlxGa1-xN(0<x<
1)からなる第一の単結晶層を形成する。次いでこの上
にAlyGa1-yN(0<y<x)からなる種結晶層を形
成する。この種結晶層の上に複数のストライプ状開口部
を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、スト
ライプ状AlyGa1-yN層を形成する。そして、これを
起点としてAlyGa1-yN(0<y<x)結晶を気相成
長させ、層厚5μm以上のAlyGa1-yNからなる第二
の単結晶層を形成する。
With respect to pendioepitaxy, see the document “Tsvetankas, Zheleva, et.a.
l. , MRS Internet J .; Nitride
Semicond. Res. 4S1, G3, 38 (1
999) ". When this method is applied to the formation of the layer structure according to the present invention, for example, the following steps are performed. First, Al x Ga 1 -xN (0 <x <
A first single crystal layer consisting of 1) is formed. Then forming a seed crystal layer made of Al y Ga 1-y N ( 0 <y <x) thereon. After forming a mask having a plurality of striped openings on the seed crystal layer, etching is performed to form a striped Al y Ga 1-y N layer. Using this as a starting point, an Al y Ga 1-y N (0 <y <x) crystal is vapor-phase grown to form a second single crystal layer of Al y Ga 1-y N having a thickness of 5 μm or more. .

【0060】本発明における第二の単結晶層は、層中で
新たな結晶欠陥を生じさせない構造とすることが重要と
なるため、層中に組成不連続面を有しないことが好まし
い。すなわち、第二の単結晶層は、実質的に単一組成か
らなるものか、または連続的に組成が変化するものであ
ることが好ましい。第二の単結晶層中にAl組成比差が
0.1以上となる極端な組成不連続面が形成されること
は好ましくない。転位の導入が多くなり結晶性が悪化す
るからである。なお、第二の単結晶層をAlGaNから
なるものとし、層中で連続的に組成を変化させた構成と
する場合は、第二の単結晶層の下面と上面とのAl組成
差は、たとえば0.05以下とすることが好ましい。
Since it is important for the second single crystal layer in the present invention to have a structure that does not cause new crystal defects in the layer, it is preferable that the layer does not have a composition discontinuity plane in the layer. That is, it is preferable that the second single crystal layer has a substantially single composition or a composition whose composition changes continuously. It is not preferable that an extreme composition discontinuity plane in which the Al composition ratio difference is 0.1 or more is formed in the second single crystal layer. This is because the introduction of dislocations increases and crystallinity deteriorates. When the second single crystal layer is made of AlGaN and the composition is continuously changed in the layer, the difference in Al composition between the lower surface and the upper surface of the second single crystal layer is, for example, It is preferred to be 0.05 or less.

【0061】本発明において、第一の単結晶層と第二の
単結晶層との界面に、格子定数の不連続面を形成するこ
とが好ましい。たとえば、第一の単結晶層と第二の単結
晶層の界面に、Al組成の不連続面を形成することが好
ましい。このようにすれば、第二のAlGaN層の結晶
欠陥がより安定的に低減される。Al組成差は、第一お
よび第二の単結晶層の層厚にもよるが、たとえば0.0
2以上とすることが好ましく、0.04以上とすること
がより好ましい。
In the present invention, it is preferable to form a discontinuous plane having a lattice constant at the interface between the first single crystal layer and the second single crystal layer. For example, it is preferable to form a discontinuous plane of the Al composition at the interface between the first single crystal layer and the second single crystal layer. By doing so, the crystal defects of the second AlGaN layer can be more stably reduced. The Al composition difference depends on the thickness of the first and second single crystal layers, but is, for example, 0.0
It is preferably at least 2, more preferably at least 0.04.

【0062】本発明において、第一の単結晶層をAlG
aNにより構成する場合、その表面に薄い膜厚の表面保
護層を設けても良い。このようにすればマスクを形成す
る等して第二の単結晶層の成長させる際、第一の単結晶
層の表面酸化を防止できる。表面保護層としてはGaN
層等が用いられ、膜厚はたとえば0.3μm以下、好ま
しくは0.2μm以下とする。また、このような表面酸
化を防止するためには、第一の単結晶層の表面Al組成
を、第一の単結晶層全体の平均Al組成よりも低くする
ことも有効である。なお、本発明を半導体レーザに適用
する場合において、上記GaN層をコンタクト層とすれ
ば、コンタクト抵抗の低減を図ることができるという利
点も得られる。
In the present invention, the first single crystal layer is made of AlG
In the case of using aN, a surface protective layer having a small thickness may be provided on the surface. In this manner, when growing the second single crystal layer by forming a mask or the like, the surface oxidation of the first single crystal layer can be prevented. GaN as surface protection layer
A layer or the like is used, and the thickness is, for example, 0.3 μm or less, preferably 0.2 μm or less. In order to prevent such surface oxidation, it is also effective to make the surface Al composition of the first single crystal layer lower than the average Al composition of the entire first single crystal layer. In the case where the present invention is applied to a semiconductor laser, if the GaN layer is used as a contact layer, there is an advantage that the contact resistance can be reduced.

【0063】本発明において、素子領域を構成する窒化
物半導体層の面内平均格子定数は、第一の単結晶層の面
内平均格子定数と略等しいか、これよりも大きくするこ
とが好ましい。このようにすれば窒化物半導体層中の歪
みがゼロに近くなるか、または圧縮モード歪みとなるた
め、クラックが発生しにくくなる。これにより、素子寿
命を大幅に向上できる等、素子性能の向上が図られる。
In the present invention, the in-plane average lattice constant of the nitride semiconductor layer forming the element region is preferably substantially equal to or larger than the in-plane average lattice constant of the first single crystal layer. By doing so, the strain in the nitride semiconductor layer becomes close to zero or becomes a compression mode strain, so that cracks hardly occur. As a result, the element performance is improved, for example, the element life can be greatly improved.

【0064】次に本発明の好ましい実施形態について、
図1を参照して説明する。
Next, a preferred embodiment of the present invention will be described.
This will be described with reference to FIG.

【0065】図1は、本発明に係る窒化物半導体基板の
断面図である。結晶成長用基板としてサファイアc面
((0001)面)を用い、この上にAlGaN層を成長さ
せた構成となっている。この基板の作製方法について説
明する。まず、サファイア基板11上に、500℃で、約3
0nm膜厚のGaNからなる低温バッファー層12を形成す
る。その後、1070℃に昇温して、Al7%を含むAl0.07Ga
0.93NからなるAlGaN層13を約1m成長させたのち、Al
0.05Ga0.95NからなるAlGaN層14を100μm成長する。
これにより、クラックのない高品質のAlGaN層14を得
ることができる。
FIG. 1 is a sectional view of a nitride semiconductor substrate according to the present invention. A sapphire c-plane ((0001) plane) is used as a substrate for crystal growth, and an AlGaN layer is grown thereon. A method for manufacturing this substrate will be described. First, on a sapphire substrate 11 at 500.degree.
A low-temperature buffer layer 12 made of GaN having a thickness of 0 nm is formed. Thereafter, the temperature was raised to 1070 ° C., and Al 0.07 Ga containing Al 7%
After growing an AlGaN layer 13 of 0.93 N for about 1 m,
An AlGaN layer 14 of 0.05 Ga 0.95 N is grown to 100 μm.
Thereby, a high quality AlGaN layer 14 without cracks can be obtained.

【0066】Al0.07Ga0.93NからなるAlGaN層13(第一
の単結晶層)では、サファイアとの格子不整合が緩和さ
れて、ほぼ歪みのないAlGaN層が成長しているが、Al組
成が比較的高く、また欠陥密度も高い。このため、この
層を1μm以上の膜厚に成長させるとクラックが生じる
ことが確認されている。
In the AlGaN layer 13 (first single crystal layer) made of Al 0.07 Ga 0.93 N, the lattice mismatch with sapphire is alleviated, and an AlGaN layer with almost no distortion is grown. Relatively high and high defect density. For this reason, it has been confirmed that cracks occur when this layer is grown to a thickness of 1 μm or more.

【0067】そこで、本実施形態では、この上にAl濃度
の低いAlGaN層14(第二の単結晶層)を成長させてい
る。これによりクラックを発生させることなく100μm
以上の厚膜成長が可能としている。第一のAlGaN層と第
二のAlGaN層には圧縮歪みがかかり、クラックを発生さ
せないで厚膜結晶を成長することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, an AlGaN layer 14 (second single crystal layer) having a low Al concentration is grown thereon. 100 μm without cracks
The above thick film growth is possible. Compressive strain is applied to the first AlGaN layer and the second AlGaN layer, and it becomes possible to grow a thick film crystal without generating cracks.

【0068】このAlGaN層14上に素子領域を構成する
窒化物半導体層を形成することにより、本発明の窒化物
半導体素子を作製することができる。この窒化物半導体
素子においては、素子領域を構成する窒化物半導体層結
晶は、サファイア基板11ではなく、主としてAlGaN層
14による束縛力を受け、AlGaN層14との格子定数お
よび熱膨張係数の差に応じた歪みが蓄積されることとな
る。これは、AlGaN層13(第一の単結晶層)が多くの
結晶欠陥を含む構造となっていること、および、AlGaN
13とAlGaN層14の界面にミスフィット転位が発生す
ることにより、基板の束縛力がAlGaN層13中で緩和さ
れるためである。
By forming a nitride semiconductor layer constituting an element region on this AlGaN layer 14, the nitride semiconductor element of the present invention can be manufactured. In this nitride semiconductor device, the crystal of the nitride semiconductor layer constituting the device region is mainly subjected to the binding force not by the sapphire substrate 11 but by the AlGaN layer 14, and the difference between the lattice constant and the thermal expansion coefficient of the AlGaN layer 14 is reduced. The corresponding distortion is accumulated. This is because the AlGaN layer 13 (first single crystal layer) has a structure including many crystal defects, and
This is because the generation of misfit dislocations at the interface between the AlGaN layer 13 and the AlGaN layer 14 reduces the binding force of the substrate in the AlGaN layer 13.

【0069】ここで、AlGaN層13が多くの結晶欠陥を
含むのは、GaNからなる低温バッファー層12との格子
定数の相違に起因するものであり、AlGaN層13とAlGaN
層14の界面にミスフィット転位が発生するのは、両層
の格子定数の相違および両層の厚みが一定以上となって
いることに起因するものである。
The reason why the AlGaN layer 13 contains many crystal defects is due to the difference in lattice constant between the AlGaN layer 13 and the low-temperature buffer layer 12 made of GaN.
The occurrence of misfit dislocation at the interface of the layer 14 is due to the difference in lattice constant between the two layers and the fact that the thickness of both layers is equal to or more than a certain value.

【0070】本実施形態に係る窒化物半導体基板は、Al
GaN層13(第一の単結晶層)のAl組成をx、厚みを
1(μm)とし、AlGaN層14(第二の単結晶層)のA
l組成をy、厚みをd2(μm)としたときに、 (x−y)×d1×d2=2 (x=0.07、y=0.05、d1=1(μm)、d2
=100(μm))となっている。このため、第一の単
結晶層と第二の単結晶層の間の界面に、転位伝搬抑制機
能および歪みエネルギー開放機能が発現する程度にミス
フィット転位を発生させることができる。
The nitride semiconductor substrate according to this embodiment is made of Al
The Al composition of the GaN layer 13 (first single crystal layer) is x, the thickness is d 1 (μm), and the A composition of the AlGaN layer 14 (second single crystal layer) is A
When the composition is y and the thickness is d 2 (μm), (xy) × d 1 × d 2 = 2 (x = 0.07, y = 0.05, d 1 = 1 (μm) , D 2
= 100 (μm)). Therefore, misfit dislocations can be generated at the interface between the first single crystal layer and the second single crystal layer to such an extent that the dislocation propagation suppressing function and the strain energy releasing function are exhibited.

【0071】[0071]

【実施例】<実施例1>本実施例では、図1に示す構造
の窒化物半導体基板を作製した。基板結晶として、(00
01)面のサファイア基板を用いて、III族原料に有機金
属を用いる有機金属化学気相成長法(MOVPE)および、
塩化ガリウム(GaCl)を用いるハイドライドVPE法(HVP
E)によってAlGaN層を形成した。
Example 1 In this example, a nitride semiconductor substrate having the structure shown in FIG. 1 was manufactured. As the substrate crystal, (00
Metalorganic chemical vapor deposition (MOVPE) using an organic metal as a group III raw material on a sapphire substrate
A hydride VPE method using gallium chloride (GaCl) (HVP
An AlGaN layer was formed by E).

【0072】サファイア基板11((0001)面)を常圧MO
VPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら108
0℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃
の温度に降温して、トリメチルガリウム(TMG)とアン
モニア(NH3)ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/min
で供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層1
2を形成する。
The sapphire substrate 11 ((0001) plane) is
Set in the VPE device and supply H 2 gas and N 2 gas while 108
The temperature is raised to 0 ° C. and the surface is heat-treated. Then 500 ℃
Temperature, and trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) gas were respectively 10 μmol / min and 5000 cc / min.
Low-temperature buffer layer 1 made of GaN and supplied with a thickness of 40 nm
Form 2

【0073】次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上
記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してか
ら、トリメチルアルミニウム(TMA)、TMGをそれぞれ9
μmol/min、80μmol/minで供給し、膜厚1μmのAl0.1Ga
0.9Nからなる第一のAlGaN13を形成する。次に、TMA、
および、TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスおよび
N2ガスを供給しながら降温する。
Next, the temperature of the above crystal is raised to 1050 ° C. while supplying NH 3 gas and H 2 gas. After the temperature stabilizes, trimethylaluminum (TMA) and TMG
μmol / min, supplied at 80 μmol / min, and 1 μm thick Al 0.1 Ga
A first AlGaN 13 made of 0.9 N is formed. Next, TMA,
And, the supply of TMG is stopped and NH 3 gas, H 2 gas and
The temperature is lowered while supplying N 2 gas.

【0074】次に、上記結晶を塩化水素(HCl)/ガリウ
ム(Ga)、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア(N
H3)、水素(H2)を原料とするHVPE装置にセットす
る。H2キャリアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを
供給し、1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流
量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が
安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/
minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発さ
せ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層14の成長を行
う。5時間の成長で300μmの厚さのAlGaN層が成長す
る。 Al組成は、X線回折測定から0.04であった。成長
後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッ
チピットを調べたところ、7×106/cm2と低い値が得ら
れた。このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均
一であった。また、本手法で成長した第二のAlGaN層表
面には全くクラックが観察されなかった。
Next, the above crystals were subjected to hydrogen chloride (HCl) / gallium (Ga), aluminum chloride (AlCl 3 ), ammonia (N
H 3 ) and hydrogen (H 2 ) as raw materials. The temperature is raised in an H 2 carrier gas, and NH 3 gas is supplied at around 600 ° C. to raise the temperature to 1070 ° C. The H 2 gas and NH 3 gas flow rates are 4000 cc / min and 1000 cc / min, respectively. After the temperature stabilizes, HCl is added on Ga at 20 cc /
min, and further, AlCl 3 is volatilized as a raw material of Al and supplied at 1 cc / min to grow the second AlGaN layer 14. An AlGaN layer having a thickness of 300 μm grows after 5 hours of growth. The Al composition was 0.04 from the X-ray diffraction measurement. After growth, the etch pits corresponding to the defects were examined using a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid at 240 ° C., and a low value of 7 × 10 6 / cm 2 was obtained. The distribution of the etch pits was uniform over the entire surface. No crack was observed on the surface of the second AlGaN layer grown by this method.

【0075】本実施例では、Al組成として、第一のAlGa
N層のAl組成として0.1、第二のAlGaN層のAl組成として
0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一
のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得ら
れる。さらに、n型、またはp型の不純物を添加しても
同様な効果が得られる。
In the present embodiment, the first AlGa
0.1 as Al composition of N layer, as Al composition of second AlGaN layer
Although an example of 0.04 is shown, similar effects can be obtained if the Al composition of the second AlGaN layer is smaller than the Al composition of the first AlGaN layer. Further, the same effect can be obtained by adding an n-type or p-type impurity.

【0076】<実施例2>本実施例では、図2に示す構
造の窒化物半導体基板を作製した。実施例1と同様に基
板結晶として、サファイア基板を用いて、III族原料に
有機金属を用いる有機金属化学気相成長法(MOVPE)お
よび、塩化ガリウム(GaCl)を用いるハイドライドVPE
法(HVPE)によってAlGaN層を形成した。本実施例で
は、ラテラルオーバー成長によって第二のAlGaN層を形
成した。
Example 2 In this example, a nitride semiconductor substrate having the structure shown in FIG. 2 was manufactured. Metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) using an organic metal as a group III raw material and hydride VPE using gallium chloride (GaCl) using a sapphire substrate as a substrate crystal as in Example 1.
An AlGaN layer was formed by a method (HVPE). In this example, the second AlGaN layer was formed by lateral overgrowth.

【0077】サファイア基板(0001)面11を常圧MOVPE
装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら1080℃
の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃の
温度に降温して、トリメチルガリウム(TMG)とアンモ
ニア(NH3)ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/minで
供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層12
を形成する。
The sapphire substrate (0001) surface 11 is
Set to the device and supply H 2 gas and N 2 gas at 1080 ° C
And heat-treat the surface. Thereafter, the temperature was lowered to 500 ° C., and trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) gas were supplied at 10 μmol / min and 5000 cc / min, respectively, to form a low-temperature buffer layer 12 of GaN having a thickness of 40 nm.
To form

【0078】次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上
記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してか
ら、トリメチルアルミニウム(TMA)、TMGをそれぞれ9
μmol/min、80μmol/minで供給し、Al0.1Ga0.9Nからな
る膜厚1μmの第一のAlGaN層13を形成する。次に、TM
A、および、TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスお
よびN2ガスを供給しながら降温する。
Next, the temperature of the above crystal is raised to 1050 ° C. while supplying NH 3 gas and H 2 gas. After the temperature stabilizes, trimethylaluminum (TMA) and TMG
The first AlGaN layer 13 is supplied at a rate of 80 μmol / min and 80 μmol / min, and is formed of Al 0.1 Ga 0.9 N and has a thickness of 1 μm. Next, TM
The supply of A and TMG is stopped, and the temperature is lowered while supplying NH 3 gas, H 2 gas and N 2 gas.

【0079】この成長結晶を装置から取り出し、第一の
AlGaN層13上に、0.5μmの厚さのSiO 2膜を形成し、フォ
トリソグラフィー法とウェットエッチングによりストラ
イプ状のマスク21を形成する。マスク幅、および開口
部幅は、それぞれ2μm、及び1μmである。
The grown crystal is taken out of the apparatus and
On the AlGaN layer 13, a 0.5 μm thick SiO TwoForm a film and
Stratification by photolithography and wet etching
An ip-shaped mask 21 is formed. Mask width and aperture
The part widths are 2 μm and 1 μm, respectively.

【0080】上記結晶を塩化水素(HCl)/ガリウム(G
a)、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア(NH3)、
水素(H2)を原料とするHVPE装置にセットする。H2キャ
リアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、上
記結晶を1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流
量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が
安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/
minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発さ
せ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層22の成長を行
う。この成長では、開口部から成長が始まり、開口部に
AlGaNのファセットが形成される。成長時間とともに、
マスク21上にラテラル成長が進み、隣接する開口部か
ら成長したAlGaNファセット同士が合体する。その後平
坦な表面を有するAlGaN層22が形成される。5時間の成
長で250μmの厚さのAlGaN層22が成長した。 Al組成
は、X線回折測定、および表面のフォトルミネッセンス
ピーク測定から0.04であることがわかった。成長後、24
0℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッチピッ
トを調べたところ、5×106/cm2と低い値が得られた。
このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均一であ
り、従来のELO成長に見られたマスクパターンに起因す
る分布は観察されなかった。また、本手法で成長した第
二のAlGaN層表面には全くクラックが観察されなかっ
た。
The above crystals were treated with hydrogen chloride (HCl) / gallium (G
a), aluminum chloride (AlCl 3 ), ammonia (NH 3 ),
It is set in an HVPE apparatus using hydrogen (H 2 ) as a raw material. The temperature is raised in an H 2 carrier gas, and NH 3 gas is supplied at around 600 ° C. to raise the temperature of the crystal to 1070 ° C. The H 2 gas and NH 3 gas flow rates are 4000 cc / min and 1000 cc / min, respectively. After the temperature stabilizes, HCl is added on Ga at 20 cc /
min, and further, AlCl 3 is volatilized as a raw material of Al and supplied at 1 cc / min to grow the second AlGaN layer 22. In this growth, the growth starts from the opening and
An AlGaN facet is formed. With growing time,
Lateral growth proceeds on the mask 21, and the AlGaN facets grown from the adjacent openings unite. Thereafter, an AlGaN layer 22 having a flat surface is formed. After 5 hours of growth, an AlGaN layer 22 having a thickness of 250 μm was grown. The Al composition was found to be 0.04 from X-ray diffraction measurement and photoluminescence peak measurement on the surface. After growth, 24
When the etch pit corresponding to the defect was examined using a mixed solution of phosphoric acid and sulfuric acid at 0 ° C., a low value of 5 × 10 6 / cm 2 was obtained.
The distribution of the etch pits was uniform over the entire surface, and no distribution due to the mask pattern observed in conventional ELO growth was observed. No crack was observed on the surface of the second AlGaN layer grown by this method.

【0081】本実施例では、Al組成として、第一のAlGa
N層のAl組成として0.1、第一のAlGaN層のAl組成として
0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一
のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得ら
れる。さらに、n型、またはp型の不純物を添加しても
同様な効果が得られる。
In the present embodiment, the first AlGa
0.1 as Al composition of N layer, Al composition of first AlGaN layer
Although an example of 0.04 is shown, similar effects can be obtained if the Al composition of the second AlGaN layer is smaller than the Al composition of the first AlGaN layer. Further, the same effect can be obtained by adding an n-type or p-type impurity.

【0082】<実施例3>本実施例では、図3に示す構
造の窒化物半導体基板を作製した。実施例2と同様に、
基板結晶としてサファイア基板を用いて、III族原料に
有機金属を用いる有機金属化学気相成長法(MOVPE)お
よび、塩化ガリウム(GaCl)を用いるハイドライドVPE
法(HVPE)によってAlGaN層を形成した。本実施例で
は、第一のAlGaN層上に薄いGaN層を形成し、その上にラ
テラルオーバー成長によって第二のAlGaN層を形成す
る。
Example 3 In this example, a nitride semiconductor substrate having the structure shown in FIG. 3 was manufactured. As in Example 2,
Metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) using organic metal as group III raw material and hydride VPE using gallium chloride (GaCl) using sapphire substrate as substrate crystal
An AlGaN layer was formed by a method (HVPE). In this embodiment, a thin GaN layer is formed on a first AlGaN layer, and a second AlGaN layer is formed thereon by lateral overgrowth.

【0083】サファイア基板11((0001)面)を常圧MO
VPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら108
0℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃
の温度に降温して、トリメチルガリウム(TMG)とアン
モニア(NH3)ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/min
で供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層1
2を形成する。
The sapphire substrate 11 ((0001) plane) was
Set in the VPE device and supply H 2 gas and N 2 gas while 108
The temperature is raised to 0 ° C. and the surface is heat-treated. Then 500 ℃
Temperature, and trimethylgallium (TMG) and ammonia (NH 3 ) gas were respectively 10 μmol / min and 5000 cc / min.
Low-temperature buffer layer 1 made of GaN and supplied with a thickness of 40 nm
Form 2

【0084】次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上
記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してか
ら、トリメチルアルミニウム(TMA)、TMGをそれぞれ9
μmol/min、80μmol/minで供給し、Al0.1Ga0.9Nからな
る膜厚1μmの第一のAlGaN層13を形成する。この成長が
終了後、TMAの供給を停止して、GaN層31のみを50nmの
厚さに成長させた。その後TMGの供給を停止して、NH3
ス、H2ガスおよびN2ガスを供給しながら降温する。
Next, the above crystal is heated to 1050 ° C. while supplying NH 3 gas and H 2 gas. After the temperature stabilizes, trimethylaluminum (TMA) and TMG
The first AlGaN layer 13 is supplied at a rate of 80 μmol / min and 80 μmol / min, and is formed of Al 0.1 Ga 0.9 N and has a thickness of 1 μm. After the completion of this growth, the supply of TMA was stopped, and only the GaN layer 31 was grown to a thickness of 50 nm. Thereafter, the supply of TMG is stopped, and the temperature is lowered while supplying NH 3 gas, H 2 gas and N 2 gas.

【0085】この成長結晶を装置から取り出し、第一の
AlGaN層13上に、0.5μmの厚さのSiO 2膜を形成し、フォ
トリソグラフィー法とウェットエッチングによりストラ
イプ状のマスク21を形成する。マスク幅、および開口
部幅は、それぞれ2μm、及び1μmである。
The grown crystal is taken out of the apparatus and
On the AlGaN layer 13, a 0.5 μm thick SiO TwoForm a film and
Stratification by photolithography and wet etching
An ip-shaped mask 21 is formed. Mask width and aperture
The part widths are 2 μm and 1 μm, respectively.

【0086】上記結晶を塩化水素(HCl)/ガリウム(G
a)、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア(NH3)、
水素(H2)を原料とするHVPE装置にセットする。H2キャ
リアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、上
記結晶を1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流
量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が
安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/
minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発さ
せ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層32の成長を行
う。この成長では、開口部から成長が始まり、開口部に
AlGaNのファセットが形成される。成長時間とともに、
マスク21上にラテラル成長が進み、隣接する開口部か
ら成長したAlGaNファセット同士が合体する。その後平
坦な表面を有するAlGaN層32が形成される。5時間の成
長で250μmの厚さのAlGaN層32が成長した。Al組成
は、X線回折測定、および表面のフォトルミネッセンス
ピーク測定から0.04であることがわかった。
The above crystals were treated with hydrogen chloride (HCl) / gallium (G
a), aluminum chloride (AlCl 3 ), ammonia (NH 3 ),
It is set in an HVPE apparatus using hydrogen (H 2 ) as a raw material. The temperature is raised in an H 2 carrier gas, and NH 3 gas is supplied at around 600 ° C. to raise the temperature of the crystal to 1070 ° C. The H 2 gas and NH 3 gas flow rates are 4000 cc / min and 1000 cc / min, respectively. After the temperature stabilizes, HCl is added on Ga at 20 cc /
min, and further, AlCl 3 is volatilized as an Al material and supplied at 1 cc / min to grow the second AlGaN layer 32. In this growth, the growth starts from the opening and
An AlGaN facet is formed. With growing time,
Lateral growth proceeds on the mask 21, and the AlGaN facets grown from the adjacent openings unite. Thereafter, an AlGaN layer 32 having a flat surface is formed. After 5 hours of growth, an AlGaN layer 32 having a thickness of 250 μm was grown. The Al composition was found to be 0.04 from X-ray diffraction measurement and photoluminescence peak measurement on the surface.

【0087】成長後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠
陥に対応するエッチピットを調べたところ、1×106/c
m2と低い値が得られた。このエッチピットの分布は、表
面全体に亘って均一であり、従来のELO成長に見られた
マスクパターンに起因する分布は観察されなかった。ま
た結晶性を評価するために二結晶法によるX線ロッキン
グカーブの半値幅を調べたところ、1.2分と非常に狭
く、非常に結晶性に優れていることがわかった。また、
本手法で成長した第二のAlGaN層表面には全くクラック
が観察されなかった。
After the growth, the etch pits corresponding to the defects were examined with a mixture of phosphoric acid and sulfuric acid at 240 ° C., and were found to be 1 × 10 6 / c
A low value of m 2 was obtained. The distribution of the etch pits was uniform over the entire surface, and no distribution due to the mask pattern observed in conventional ELO growth was observed. In addition, when the half width of the X-ray rocking curve by the double crystal method was examined to evaluate the crystallinity, it was found that the crystallinity was extremely narrow at 1.2 minutes and was extremely excellent in crystallinity. Also,
No cracks were observed on the surface of the second AlGaN layer grown by this method.

【0088】本実施例では、Al組成として、第一のAlGa
N層のAl組成として0.1、第一のAlGaN層のAl組成として
0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一
のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得ら
れる。さらに、n型、またはp型の不純物を添加しても
同様な効果が得られる。
In the present embodiment, the first AlGa
0.1 as Al composition of N layer, Al composition of first AlGaN layer
Although an example of 0.04 is shown, similar effects can be obtained if the Al composition of the second AlGaN layer is smaller than the Al composition of the first AlGaN layer. Further, the same effect can be obtained by adding an n-type or p-type impurity.

【0089】<実施例6>本実施例は、サファイア基板
上にAlGaN層を形成した後、その上に半導体レーザを構
成する各半導体層を形成した例を示すものである。
<Embodiment 6> This embodiment shows an example in which an AlGaN layer is formed on a sapphire substrate, and then each semiconductor layer constituting a semiconductor laser is formed thereon.

【0090】図4は、サファイア基板11((0001)面)
上に、実施例1と同様の方法により、GaNからなる低温
バッファー層12を介して、珪素(Si)がn型不純物と
して添加された第一のAl0.1Ga0.9N層(膜厚1m)81と、
同様にSiがn型不純物として添加された第二のAl0.04Ga
0.96N層(膜厚300 m)82とを形成し、その基板上に、有
機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いて半導体層
を積層して形成された窒化ガリウム系レーザの概略断面
図である。
FIG. 4 shows a sapphire substrate 11 ((0001) plane).
In the same manner as in Example 1, a first Al 0.1 Ga 0.9 N layer (thickness: 1 m) to which silicon (Si) is added as an n-type impurity is interposed via a low-temperature buffer layer 12 made of GaN. When,
Similarly, the second Al 0.04 Ga to which Si is added as an n-type impurity
A schematic cross-sectional view of a gallium nitride-based laser formed by forming a 0.96 N layer (thickness: 300 m) 82 and stacking a semiconductor layer on the substrate using metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) It is.

【0091】GaN系半導体レーザ構造は、図4で示し
た第二のAlGaN層まで成長した基板をMOCVD装置に
セットし、水素雰囲気で成長温度1050℃に昇温す
る。650℃の温度からNH3ガス雰囲気にする。Siを
添加した0.4m の厚さのn型Al0. 15Ga0.85Nクラッド層8
3、Siを添加した0.1μmの厚さのn型GaN光ガ
イド層84、2.5nmの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N
量子井戸層と5nmの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95
障壁層からなる3周期の多重量子井戸構造活性層85、マ
グネシウム(Mg)を添加した20nmの厚さのp型Al
0.2Ga0.8N層86、Mgを添加した0.1μmの厚さのp
型GaN光ガイド層87、Mgを添加した0.4μmの厚
さのp型Al0.15Ga0.85Nクラッド層88、Mgを添加した
0.5μmの厚さのp型GaNコンタクト層89を順次形
成しレーザー構造を作製した。p型GaNコンタクト層
89を形成した後は、HN3ガス雰囲気で常温まで冷却
し、成長装置より取り出す。2.5nmの厚さのアンド
ープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と5nmの厚さのアンドー
プIn0.05Ga0.95N障壁層からなる多重量子井戸構造活性
層85は、780℃の温度で形成した。
In the GaN-based semiconductor laser structure, the substrate grown up to the second AlGaN layer shown in FIG. 4 is set in an MOCVD apparatus, and the temperature is raised to 1050 ° C. in a hydrogen atmosphere. The temperature is changed from 650 ° C. to an NH 3 gas atmosphere. N-type having a thickness of 0.4m was added Si Al 0. 15 Ga 0.85 N cladding layer 8
3. 0.1 μm thick n-type GaN optical guide layer 84 doped with Si, undoped In 0.2 Ga 0.8 N 2.5 nm thick
Quantum well layer and 5 nm thick undoped In 0.05 Ga 0.95 N
A three-period multi-quantum well structure active layer 85 composed of a barrier layer, a 20 nm-thick p-type Al doped with magnesium (Mg).
0.2 Ga 0.8 N layer 86, Mg-added 0.1 μm thick p
-Type GaN optical guide layer 87, a 0.4 μm thick p-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 88 with Mg added, and a 0.5 μm thick p-type GaN contact layer 89 with Mg added sequentially. A laser structure was fabricated. p-type GaN contact layer
After the formation of 89, it is cooled to room temperature in a HN 3 gas atmosphere and taken out from the growth apparatus. A multiple quantum well structure active layer 85 comprising an undoped In 0.2 Ga 0.8 N quantum well layer having a thickness of 2.5 nm and an undoped In 0.05 Ga 0.95 N barrier layer having a thickness of 5 nm was formed at a temperature of 780 ° C.

【0092】次に、レーザー構造を形成した結晶を研磨
器にセットし、サファイア基板11から第一のAlGaN層
81、第二のAlGaN層82の一部を含んで50μm程度
研磨する。露出したAlGaN層82面には、チタン(Ti)
/アルミニウム(Al)のn型電極92を形成し、p型の
GaN層89上には電流狭搾のためにSiO2膜90を形成
して、ニッケル(Ni)/金(Au)のp型電極91を
作製した(図5)。
Next, the crystal having the laser structure formed is set in a polishing machine, and the sapphire substrate 11 is polished from the sapphire substrate 11 so as to include a part of the first AlGaN layer 81 and the second AlGaN layer 82 by about 50 μm. On the exposed AlGaN layer 82 surface, titanium (Ti)
An aluminum (Al) n-type electrode 92 is formed, and a SiO 2 film 90 is formed on a p-type GaN layer 89 for current constriction, and a nickel (Ni) / gold (Au) p-type The electrode 91 was produced (FIG. 5).

【0093】上記構成の半導体レーザを構成する各半導
体層は、結晶性が良好であり、欠陥も少なかった。ま
た、歩留まりが良好で、製造安定性に優れており、閾値
電流密度3kA/cm2、閾値電圧5Vで室温連続発振が得られ
た。
Each of the semiconductor layers constituting the semiconductor laser having the above-mentioned structure had good crystallinity and few defects. In addition, the yield was good, the manufacturing stability was excellent, and continuous oscillation at room temperature was obtained at a threshold current density of 3 kA / cm2 and a threshold voltage of 5 V.

【0094】本実施例では、AlGaN層82上にレーザー構
造形成してから、サファイア基板11から第一のAlGaN
層81、第二のAlGaN層82の一部を研磨したが、レー
ザー構造を作製する前に、サファイア基板11から第一
のAlGaN層81、第二のAlGaN層82の一部を研磨しても
同様な効果が得られる。
In this embodiment, after the laser structure is formed on the AlGaN layer 82, the first AlGaN
Although the layer 81 and a part of the second AlGaN layer 82 are polished, the first AlGaN layer 81 and a part of the second AlGaN layer 82 may be polished from the sapphire substrate 11 before manufacturing a laser structure. Similar effects can be obtained.

【0095】[0095]

【発明の効果】以上説明したように本発明の窒化物半導
体素子は、面内平均格子定数aの第一の単結晶層と、こ
の上に形成された窒化物半導体からなる面内平均格子定
数b(b>a)の層厚5μm以上の第二の単結晶層と、
からなる歪み緩和領域を備え、この上に素子領域を設け
た構成としている。このため、素子領域を構成する窒化
物半導体層の歪みを顕著に低減できる。また、第二の単
結晶層の表面転移密度が低いため、欠陥の少ない素子領
域を実現することができる。
As described above, the nitride semiconductor device of the present invention comprises a first single crystal layer having an in-plane average lattice constant a and an in-plane average lattice constant comprising a nitride semiconductor formed thereon. b (b> a) a second single crystal layer having a layer thickness of 5 μm or more;
Is provided, and a device region is provided thereon. For this reason, the strain of the nitride semiconductor layer forming the element region can be significantly reduced. Further, since the surface transition density of the second single crystal layer is low, an element region with few defects can be realized.

【0096】このため、発光素子においては素子寿命を
大幅に改善できる等の利点が得られ、さらに、半導体レ
ーザに適用する場合、クラッド層のAl組成を高く、膜
厚を厚くすることができ、光閉じ込め率を改善すること
ができる。また、電子素子においては、高周波特性の改
善や基板への電子漏れの抑制が図られる。
For this reason, the light emitting device has the advantage that the device life can be greatly improved. Further, when applied to a semiconductor laser, the Al composition of the cladding layer can be increased and the film thickness can be increased. The light confinement rate can be improved. Further, in an electronic element, improvement of high-frequency characteristics and suppression of electron leakage to a substrate are achieved.

【0097】また、本発明の窒化物半導体結晶の作製方
法によれば、第一および第二の単結晶層を含む歪み緩和
領域を好適に形成することができる。
Further, according to the method for manufacturing a nitride semiconductor crystal of the present invention, a strain relaxation region including the first and second single crystal layers can be suitably formed.

【0098】さらに本発明の窒化物半導体基板は、表面
欠陥密度が低く、かつ、AlGaN層を一定以上含む構
成となっているため、この基板上に素子領域を形成した
場合、歪みや欠陥が顕著に低減され、従来にない高い性
能の素子を実現することが可能となる。
Further, the nitride semiconductor substrate of the present invention has a low surface defect density and a structure including at least a certain amount of AlGaN layer. Therefore, when an element region is formed on this substrate, distortion and defects are remarkable. , And it is possible to realize an element with a higher performance than ever before.

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

【図1】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図であ
る。
FIG. 1 is a sectional view of a nitride semiconductor substrate according to the present invention.

【図2】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view of a nitride semiconductor substrate according to the present invention.

【図3】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図であ
る。
FIG. 3 is a sectional view of a nitride semiconductor substrate according to the present invention.

【図4】本発明に係る窒化物半導体レーザの断面図であ
る。
FIG. 4 is a sectional view of a nitride semiconductor laser according to the present invention.

【図5】本発明に係る窒化物半導体レーザの断面図であ
る。
FIG. 5 is a sectional view of a nitride semiconductor laser according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 サファイア基板 12 低温バッファー層 13 AlGaN層 14 AlGaN層 21 マスク 22 AlGaN層 23 Al0.06Ga0.94Nクラッド層 31 GaN層 32 AlGaN層 81 Al0.1Ga0.9N層 82 Al0.04Ga0.96N層 83 n型Al0.15Ga0.85Nクラッド層 84 n型GaN光ガイド層 85 多重量子井戸構造活性層 86 p型Al0.2Ga0.8N層 87 p型GaN光ガイド層 88 p型Al0.15Ga0.85Nクラッド層 89 p型GaNコンタクト層 90 SiO2膜 91 p型電極 92 n型電極Reference Signs List 11 sapphire substrate 12 low-temperature buffer layer 13 AlGaN layer 14 AlGaN layer 21 mask 22 AlGaN layer 23 Al 0.06 Ga 0.94 N cladding layer 31 GaN layer 32 AlGaN layer 81 Al 0.1 Ga 0.9 N layer 82 Al 0.04 Ga 0.96 N layer 83 n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 84 n-type GaN optical guiding layer 85 multiple quantum well structure active layer 86 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layer 87 p-type GaN optical guiding layer 88 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer 89 p-type GaN Contact layer 90 SiO 2 film 91 p-type electrode 92 n-type electrode

フロントページの続き (72)発明者 松本 良成 東京都港区芝五丁目7番1号 日本電気株 式会社内 Fターム(参考) 4G077 AA03 BE11 DB08 EF03 5F045 AA04 AB14 AB17 AC03 AC08 AC12 AC13 AF09 BB12 CA09 DA53 DA57 DB02 5F073 AA45 AA55 AA74 CA07 CB07 CB10 CB22 DA04 DA05 EA28 EA29 Continued on the front page (72) Inventor Yoshinari Matsumoto 5-7-1 Shiba, Minato-ku, Tokyo F-term within NEC Corporation 4G077 AA03 BE11 DB08 EF03 5F045 AA04 AB14 AB17 AC03 AC08 AC12 AC13 AF09 BB12 CA09 DA53 DA57 DB02 5F073 AA45 AA55 AA74 CA07 CB07 CB10 CB22 DA04 DA05 EA28 EA29

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化物半導体からなる面内平均格子定数
aの第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護
層を介して形成された、窒化物半導体からなる面内平均
格子定数b(b>a)の層厚5μm以上の第二の単結晶
層と、からなる歪み緩和領域を備え、該歪み緩和領域の
上部に、素子領域を構成する窒化物半導体層が形成され
たことを特徴とする窒化物半導体素子。
An in-plane average lattice made of a nitride semiconductor formed directly or via a surface protective layer on a first single crystal layer made of a nitride semiconductor and having an in-plane average lattice constant a. A second single crystal layer having a constant b (b> a) and a layer thickness of 5 μm or more, and a strain relaxation region including a nitride semiconductor layer forming an element region above the strain relaxation region. A nitride semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 AlxGa1-xN(0<x<1)からなる
第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護層を
介して形成された層厚5μm以上のAlyGa1-yN(0
<y<x)からなる第二の単結晶層と、からなる歪み緩
和領域を備え、該歪み緩和領域の上部に、素子領域を構
成する窒化物半導体層が形成されたことを特徴とする窒
化物半導体素子。
2. A first single crystal layer made of Al x Ga 1 -xN (0 <x <1), and an Al layer having a thickness of 5 μm or more formed thereon directly or via a surface protection layer. y Ga 1-y N (0
A second single crystal layer made of <y <x) and a strain relaxation region made of a nitride semiconductor layer forming an element region formed above the strain relaxation region. Semiconductor device.
【請求項3】 前記素子領域が、AlGaNクラッド層
と活性層とを含むことを特徴とする請求項2に記載の窒
化物半導体素子。
3. The nitride semiconductor device according to claim 2, wherein said device region includes an AlGaN cladding layer and an active layer.
【請求項4】 第一の単結晶層の厚みをd1(μm)、
第二の単結晶層の厚みをd2(μm)としたときに、下
記式(1) (x−y)×d1×d2>0.1 (1) を満たすことを特徴とする請求項2または3に記載の窒
化物半導体素子。
4. The thickness of the first single crystal layer is d 1 (μm),
When the thickness of the second single crystal layer is d 2 (μm), the following formula (1) is satisfied: (x−y) × d 1 × d 2 > 0.1 (1) Item 4. The nitride semiconductor device according to item 2 or 3.
【請求項5】 第二の単結晶層の厚みが30μm以上で
あることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の
窒化物半導体素子。
5. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the second single crystal layer is 30 μm or more.
【請求項6】 基板上にAlxGa1-xN(0<x<1)
からなる第一の単結晶層を形成する工程と、この上に直
接、または表面保護層を介して、複数の開口部を有する
マスクを形成する工程と、前記複数の開口部を成長領域
として、ファセット構造を形成しながらAlyGa1-y
(0<y<x)結晶を気相成長させ、層厚5μm以上の
第二の単結晶層を形成する工程と、を有することを特徴
とする窒化物半導体結晶の作製方法。
6. An Al x Ga 1 -xN (0 <x <1) on a substrate.
Forming a first single crystal layer consisting of, and directly or through a surface protective layer, a step of forming a mask having a plurality of openings, and the plurality of openings as a growth region, Al y Ga 1-y N while forming a facet structure
(0 <y <x) a vapor phase growth of a crystal to form a second single crystal layer having a layer thickness of 5 μm or more.
【請求項7】 基板上にAlxGa1-xN(0<x<1)
からなる第一の単結晶層を形成する工程と、この上に直
接、または表面保護層を介して、AlyGa1 -yN(0<
y<x)からなる種結晶層を形成する工程と、該種結晶
層の上に複数のストライプ状開口部を有するマスクを形
成した後、エッチングを行い、ストライプ状AlyGa
1-yN層を形成する工程と、該ストライプ状AlyGa
1-yN層を起点としてAlyGa1-yN(0<y<x)結
晶を気相成長させ、層厚5μm以上のAlyGa1-yNか
らなる第二の単結晶層を形成する工程と、を有すること
を特徴とする窒化物半導体結晶の作製方法。
7. An Al x Ga 1 -xN (0 <x <1) on a substrate.
Forming a first single-crystal layer made of Al y Ga 1 -y N (0 <
y <x), and after forming a mask having a plurality of striped openings on the seed crystal layer, etching is performed to form a striped Al y Ga
Forming a 1-y N layer, and forming the striped Al y Ga
Al y Ga 1-y N (0 <y <x) crystal is vapor-phase grown from the 1-y N layer as a starting point, and a second single crystal layer made of Al y Ga 1-y N having a layer thickness of 5 μm or more is formed. Forming a nitride semiconductor crystal.
【請求項8】 層厚40μm以上のAlGaN層を含
み、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が1×107
-2以下であることを特徴とする窒化物半導体基板。
8. An element having an average crystal defect density of 1 × 10 7 c including an AlGaN layer having a thickness of 40 μm or more over the entire element formation surface.
A nitride semiconductor substrate having a size of m −2 or less.
【請求項9】 AlxGa1-xN(0<x<1)からなる
第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護層を
介して形成された層厚5μm以上のAlyGa1-yN(0
<y<x)からなる第二の単結晶層と、からなる歪み緩
和領域を含むことを特徴とする請求項8に記載の窒化物
半導体基板。
9. A first single crystal layer made of Al x Ga 1 -xN (0 <x <1) and an Al layer having a thickness of 5 μm or more formed thereon directly or via a surface protective layer. y Ga 1-y N (0
9. The nitride semiconductor substrate according to claim 8, comprising a second single crystal layer made of <y <x) and a strain relaxation region made of the second single crystal layer.
【請求項10】 第二の単結晶層の厚みが30μm以上
であることを特徴とする請求項9に記載の窒化物半導体
基板。
10. The nitride semiconductor substrate according to claim 9, wherein the thickness of the second single crystal layer is 30 μm or more.
【請求項11】 第一の単結晶層の厚みをd1(μ
m)、第二の単結晶層の厚みをd2(μm)としたとき
に、下記式(1) (x−y)×d1×d2>0.1 (1) を満たすことを特徴とする請求項9または10に記載の
窒化物半導体基板。
11. The thickness of the first single crystal layer is d 1
m), when the thickness of the second single crystal layer is d 2 (μm), the following formula (1) is satisfied: (x−y) × d 1 × d 2 > 0.1 (1) The nitride semiconductor substrate according to claim 9 or 10, wherein
【請求項12】 素子形成面と反対側の面が、窒化物半
導体からなることを特徴とする請求項9乃至11いずれ
かに記載の窒化物半導体基板。
12. The nitride semiconductor substrate according to claim 9, wherein a surface opposite to the device formation surface is made of a nitride semiconductor.
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