JP2005150287A - Nitride-based iii-v group semiconductor device and its manufacturing method, method of manufacturing nitride-based iii-v group semiconductor substrate, and lot of nitride-based iii-v group semiconductor substrate - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride-based III-V group semiconductor device which has excellent device characteristics and has a good productivity and its manufacturing method, and further provide a method of manufacturing a nitride-based III-V group semiconductor substrate used for the same, and a lot of the nitride-based III-V group semiconductor substrates. <P>SOLUTION: The nitride-based III-V group semiconductor device is in the form of a chip, and includes an epitaxial layer having a device structure on the nitride-based III-V group semiconductor substrate, with at least one set of parallel side faces of the epitaxial layer as cleavage planes. About the substrate, a low index crystal plane closest to the substrate surface is inclined against the substrate surface, that is, the low index plane has an off-angle, and the off-angle direction in which the low index plane is inclined is parallel to one of equivalent cleavage planes of the substrate. The cleavage planes of the epitaxial layer are on the same plane as the cleavage plane of the substrate parallel to the off-angle direction of the substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、III−V族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法、III−V族窒化物系半導体基板の製造方法、III−V族窒化物系半導体基板のロットに関するものである。   The present invention relates to a group III-V nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same, a method for manufacturing a group III-V nitride semiconductor substrate, and a lot of a group III-V nitride semiconductor substrate.

窒化ガリウム(GaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化ガリウムアルミニウム(GaAlN)等の窒化物系半導体材料は、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、短波長発光デバイスへの適用が盛んに検討されている。又、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、電子デバイスへの応用も期待されている。   Nitride-based semiconductor materials such as gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), and gallium aluminum nitride (GaAlN) have a sufficiently large forbidden band and a direct transition type between bands. Application to is actively studied. In addition, application to electronic devices is also expected due to the high saturation drift velocity of electrons and the use of two-dimensional carrier gas by heterojunction.

既に世の中に広く普及しているシリコン(Si)や砒化ガリウム(GaAs)等は、それぞれSi基板、GaAs基板といった同種の材料からなる基板の上に、半導体デバイスを作るためのエピタキシャル成長層を、ホモエピタキシャル成長させて使用されている。同種基板上のホモエピタキシャル成長では、成長の初期からステップフローモードで結晶成長が進行するため、結晶欠陥の発生が少なく、平坦なエピタキシャル成長表面が得られやすい。GaAs基板上に格子定数の近いAlGaInPなどの混晶層を成長させる場合は、エピタキシャル層の表面モフォロジが荒れやすくなる傾向が見られるが、下地基板の面方位を基準となる低指数面から、特定方向に故意に傾ける(これを一般にオフを付けると称する)ことで、結晶欠陥の発生が少なく、平坦なエピタキシャル成長表面を得ることができている。   Silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), etc., which are already widely used in the world, are homoepitaxially grown on an epitaxial growth layer for making semiconductor devices on a substrate made of the same kind of material as Si substrate and GaAs substrate, respectively. Have been used. In homoepitaxial growth on the same kind of substrate, crystal growth proceeds in a step flow mode from the initial stage of growth, so that there are few crystal defects and a flat epitaxial growth surface is easily obtained. When growing a mixed crystal layer such as AlGaInP with a close lattice constant on a GaAs substrate, the surface morphology of the epitaxial layer tends to be rough, but it is specified from the low index plane based on the plane orientation of the underlying substrate. By intentionally inclining in the direction (this is generally referred to as turning off), the occurrence of crystal defects is small, and a flat epitaxial growth surface can be obtained.

一方、窒化物系半導体は、バルク結晶成長が難しく、最近ようやく実用に耐えるレベルのGaN自立基板が開発され、使われ始めた段階にある。現在、広く実用に供されているGaN成長用の下地基板はサファイアであり、単結晶のサファイア下地基板の上に有機金属気相成長法(MOVPE法)や分子線気相成長法(MBE)、ハイドライド気相成長法(HVPE)等の気相成長法で、一旦GaNをヘテロエピタキシャル成長させ、その上に連続で、あるいは一旦取り出した後、別の成長炉で半導体デバイスを作るための窒化物系半導体エピタキシャル層を成長させる方法が一般に用いられている。   On the other hand, nitride-based semiconductors are difficult to grow in bulk crystals, and recently, a GaN free-standing substrate of a level that can withstand practical use has been developed and is in use. Currently, the base substrate for GaN growth, which is widely used in practice, is sapphire, and metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam vapor phase epitaxy (MBE), Nitride-based semiconductor for producing semiconductor devices in another growth furnace after GaN is heteroepitaxially grown by a vapor phase growth method such as hydride vapor phase epitaxy (HVPE) and continuously or once taken out of the GaN. A method of growing an epitaxial layer is generally used.

サファイア下地基板は、GaNと格子定数が異なるため、サファイア下地基板上に直接GaNを成長させたのでは単結晶膜を成長させることができない。このため、サファイア下地基板上にSiなどをヘテロ成長させる目的で考案された、低温バッファ層技術(特許文献1)をGaNの成長に応用して、サファイア下地基板上に一旦500℃程度の低温でAlNやGaNのバッファ層を成長させ、この低温成長バッファ層で格子の歪みを緩和させてからその上にGaNを成長させる方法が考案された(特許文献2)。この低温成長窒化物層をバッファ層として用いることで、サファイア下地基板上のGaNの単結晶エピタキシャル成長は可能になった。しかし、この方法でも、やはり下地基板と結晶の格子のずれは如何ともし難く、成長の開始当初は前述のステップフローモードではなく、3次元島状成長モードで結晶成長が進行する。このため、こうして得られたGaNは、109〜1010cm-2もの転位密度を有している。この欠陥は、GaN系半導体デバイス、特にLD(レーザダイオード)や紫外発光LEDを製作する上で障害となる。 Since the sapphire base substrate has a lattice constant different from that of GaN, a single crystal film cannot be grown by directly growing GaN on the sapphire base substrate. For this reason, the low-temperature buffer layer technology (Patent Document 1) devised for the purpose of hetero-growth Si or the like on the sapphire base substrate is applied to the growth of GaN, and once at a low temperature of about 500 ° C. on the sapphire base substrate. A method has been devised in which a buffer layer of AlN or GaN is grown, and lattice distortion is relaxed by this low-temperature growth buffer layer, and then GaN is grown thereon (Patent Document 2). By using this low-temperature grown nitride layer as a buffer layer, single crystal epitaxial growth of GaN on a sapphire base substrate became possible. However, even with this method, it is difficult to shift the lattice between the base substrate and the crystal. At the beginning of the growth, the crystal growth proceeds in the three-dimensional island growth mode instead of the above-described step flow mode. For this reason, the GaN thus obtained has a dislocation density of 10 9 to 10 10 cm −2 . This defect becomes an obstacle in manufacturing a GaN-based semiconductor device, particularly an LD (laser diode) or an ultraviolet light emitting LED.

最近では、サファイア下地基板等の異種下地基板上に、転位密度を低減したGaN層を厚くエピタキシャル成長させ、成長後にGaN層を下地基板から剥離して、得られたGaN層を自立したGaN基板として用いる方法がいろいろ提案されている。たとえば、特許文献3には、サファイア下地基板上にGaN層の厚膜を成長させた後、サファイア下地基板を除去する方法が開示されており、又、特許文献4では、ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth:非特許文献1)と呼ばれる転位低減技術を用いてサファイア下地基板上にGaN層を形成した後、サファイア下地基板をエッチング等により除去し、GaN自立基板を得ることが提案されている。VAS法(Void-Assisted Separation:非特許文献2、特許文献5)は、サファイア等の下地基板上で、網目構造のTiN薄膜を介してGaNを成長することにより、下地基板とGaN層の界面にボイドを形成し、GaN基板の剥離と低転位化を同時に可能にしたものである。 Recently, a GaN layer with a reduced dislocation density is epitaxially grown thickly on a dissimilar substrate such as a sapphire substrate, and the GaN layer is peeled off from the substrate after growth, and the resulting GaN layer is used as a self-supporting GaN substrate. Various methods have been proposed. For example, Patent Document 3, after a thick film of GaN layer grown on a sapphire base substrate, which is discloses a method of removing a sapphire base substrate, also in Patent Document 4, ELO (E pitaxial L ateral O vergrowth: after forming a GaN layer on a sapphire base substrate by using a dislocation reduction technique called non-Patent Document 1), the sapphire base substrate is removed by etching or the like, it has been proposed to obtain a GaN free-standing substrate. VAS method (V oid- A ssisted S eparation: Non-Patent Document 2, Patent Document 5), on the underlying substrate such as sapphire, by growing the GaN through the TiN thin film mesh structure, the base substrate and the GaN layer A void is formed at the interface of the GaN substrate, and the GaN substrate can be peeled off and the dislocation can be reduced at the same time.

サファイア下地基板上にGaNを結晶成長する際、GaNエピタキシャル層の表面モフォロジの平坦性、再現性を高めるため、一般的にサファイア下地基板もオフを付けたものを用いることが多い。オフの付いた下地基板上に成長したエピタキシャル層は、下地基板に倣った方向にオフを付けたまま結晶成長する傾向があり、従って、オフを付けたサファイア下地基板上に成長したGaN層は、サファイア下地基板を除去した後でも、オフの付いた自立基板となっている。   When GaN is crystal-grown on a sapphire base substrate, in order to improve the flatness and reproducibility of the surface morphology of the GaN epitaxial layer, a sapphire base substrate that is turned off is often used. The epitaxial layer grown on the base substrate with the off tends to grow crystal with the off in the direction following the base substrate, and therefore the GaN layer grown on the sapphire base substrate with the off is Even after the sapphire base substrate is removed, the substrate is turned off.

又、この自立基板を用いて半導体デバイスを製造するには、自立基板上にデバイス構造のエピタキシャル層を成長させデバイス用エピタキシャル基板を形成した後、そのデバイス用エピタキシャル基板を切り分け、チップ状に形成するが、この時に、結晶の持っている劈開性を利用して切り分けることが多い。一般に、劈開で得られた結晶端面は、ダイサーなどにより切断された端面に比べてきれいで、又、切り代のロスも無いという利点を有している。特に、ファブリペロー(Fabry Perot)型のレーザダイオードでは、共振器面を劈開で作製することが一般的に行われている。例えば、特許文献6には、III−V族窒化物系半導体レーザダイオードの共振器面を劈開で作製する例が記載されている。
特公昭62−29397号公報 特開平4−297023号公報 特開平10−256662号公報 特開平11−251253号公報 特開2003−178984号公報 特開平10−22526号公報 Appl.Phys.Lett.71(18)2638(1997) Y.Oshima et.al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)pp.L1−L3
In order to manufacture a semiconductor device using this free-standing substrate, an epitaxial layer having a device structure is grown on the free-standing substrate to form a device epitaxial substrate, and then the device epitaxial substrate is cut into chips. However, at this time, it is often cut using the cleavage property of the crystal. In general, the crystal end face obtained by cleaving has an advantage that it is clean and has no cutting margin loss as compared with an end face cut by a dicer or the like. In particular, in a Fabry Perot type laser diode, it is generally performed by cleaving the resonator surface. For example, Patent Document 6 describes an example in which a resonator surface of a III-V nitride semiconductor laser diode is produced by cleavage.
Japanese Patent Publication No.62-29397 Japanese Patent Laid-Open No. 4-297003 Japanese Patent Laid-Open No. 10-256661 JP-A-11-251253 JP 2003-178984 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-22526 Appl.Phys.Lett.71 (18) 2638 (1997) Y.Oshima et.al., Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42 (2003) pp.L1-L3

しかしながら、このような方法で作製したIII−V族窒化物系半導体レーザダイオード等のIII−V族窒化物系半導体デバイスには解決すべき課題が残されていた。   However, problems to be solved remain in III-V nitride semiconductor devices such as III-V nitride semiconductor laser diodes manufactured by such a method.

前述の通り、GaNの自立基板には、製造に用いる下地基板の影響で、必然的にオフが付いたものが得られることが多い。GaN基板にオフが付いていること自体は、決して悪いことではなく、エピタキシャル成長用の基板としては、オフの付いていない基板に比べて、エピタキシャル層の表面平坦性が向上しやすいなど、優位な点も多い。しかし、この基板のオフが、半導体デバイスを作る際に問題となることを見つけた。   As described above, in many cases, a GaN free-standing substrate is necessarily turned off due to the influence of the base substrate used for manufacturing. The fact that the GaN substrate is turned off is not bad at all, and the substrate for epitaxial growth is superior in that the surface flatness of the epitaxial layer is easier to improve than the substrate that is not turned off. There are also many. However, I found that turning off this substrate is a problem when manufacturing semiconductor devices.

図3にIII−V族窒化物系半導体基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図を、図4にGaAs基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図を示す。SiやGaAsのように、立方晶系の(001)面を基板に使った半導体デバイスは、図4に示すように、劈開面が4回対称に出るため、劈開だけで直方体の半導体デバイスを作製することが可能である。しかし、III−V族窒化物系半導体結晶は、一般に六方晶系の(0001)面が使われるため、劈開面は図3のような6回対称にしか出ない。窒化物系半導体結晶においては、{10−10}面と{11−20}面の両方の面において、原子の配列面に垂直な方向の結合手が一本であり、劈開面になりえる。しかし、実際には、{10−10}面に較べると、{11−20}面の劈開性は弱く、{11−20}面で劈開しようとしても、きれいな劈開面を得ることは困難である。従って、実際に有効に使える劈開面は、6回対称にしか出ない{10−10}面だけと言う事ができる。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the cleavage plane and cleavage direction of the III-V nitride semiconductor substrate, and FIG. 4 is an explanatory diagram showing the cleavage plane and cleavage direction of the GaAs substrate. A semiconductor device using a cubic (001) plane as a substrate, such as Si or GaAs, has a cleavage plane that is symmetrical four times as shown in FIG. Is possible. However, since the III-V nitride semiconductor crystal generally uses a hexagonal (0001) plane, the cleavage plane appears only in 6-fold symmetry as shown in FIG. In a nitride-based semiconductor crystal, there is one bond in the direction perpendicular to the atomic arrangement plane in both the {10-10} plane and the {11-20} plane, which can be a cleavage plane. However, in actuality, the cleavage of the {11-20} plane is weaker than that of the {10-10} plane, and it is difficult to obtain a clean cleavage plane even when attempting to cleave the {11-20} plane. . Therefore, it can be said that the cleaved surface that can be effectively used is only the {10-10} plane that appears only six times symmetrically.

このため、劈開だけでIII−V族窒化物系半導体デバイスを作製しようとすると、半導体デバイス形状は三角柱又は上面が平行四辺形の角柱になってしまい、直方体とはならない。従って、直方体の半導体デバイスを得るには、一対の平行な面だけを劈開で形成し、それに垂直なもう一対の面は、ダイサーを用いた切断などの方法に依らなければならない。これが、従来の立方晶系半導体では起こらなかった、六方晶系のIII−V族窒化物系半導体結晶固有の問題を引き起こすことになる。   For this reason, when an attempt is made to produce a III-V nitride semiconductor device only by cleavage, the shape of the semiconductor device becomes a triangular prism or a prism having a parallelogram on the upper surface, and does not become a rectangular parallelepiped. Therefore, in order to obtain a rectangular parallelepiped semiconductor device, only a pair of parallel surfaces must be formed by cleavage, and the other pair of surfaces perpendicular to it must depend on a method such as cutting using a dicer. This causes problems inherent in hexagonal III-V nitride semiconductor crystals that did not occur in conventional cubic semiconductors.

図2(a)は、理想的な直方体形状の半導体デバイス、図2(b)は、オフの付いた基板を劈開して作製し、劈開面が半導体デバイス表面に対する垂直面から傾いてしまった半導体デバイスの一例を示す模式図である。   FIG. 2A shows an ideal rectangular parallelepiped semiconductor device, and FIG. 2B shows a semiconductor produced by cleaving a substrate with OFF, and the cleavage plane is tilted from a plane perpendicular to the surface of the semiconductor device. It is a schematic diagram which shows an example of a device.

オフの付いた基板を、劈開すると、基板のオフ方向によっては、劈開面が基板表面と垂直ではなくなってしまう。このため、図2(a)に示すように、理想的には直方体であるべき半導体デバイス形状が、図2(b)のように、劈開面12が半導体デバイス表面13に対する垂直面から傾き、少しゆがんだ形になってしまう。これが、LEDデバイスや、電子デバイスであれば、それほど大きな問題になることはないが、劈開面を共振器面とするファブリペロー型のレーザダイオードでは、大きな問題となる。   When a substrate with OFF is cleaved, the cleavage plane is not perpendicular to the substrate surface depending on the off direction of the substrate. For this reason, as shown in FIG. 2A, the shape of the semiconductor device which should ideally be a rectangular parallelepiped is slightly inclined from the plane perpendicular to the semiconductor device surface 13 as shown in FIG. It will be distorted. If this is an LED device or an electronic device, it will not be a big problem, but it becomes a big problem in a Fabry-Perot type laser diode having a cleavage plane as a resonator surface.

ファブリペロー型のレーザダイオードにおいては、電流注入されて発光した光が、相対する共振器面間で反射することにより発振する。このとき、共振器面が半導体デバイス表面から傾いていると、一方の共振器面で反射された光が、もう一方の共振器に戻る割合が減ってしまう。その結果、発振閾電流が増える、発光出力が低下するなどのレーザデバイス特性の劣化につながってしまうのである。   In a Fabry-Perot laser diode, light emitted by current injection is oscillated by reflection between opposing resonator surfaces. At this time, if the resonator surface is inclined from the surface of the semiconductor device, the rate at which the light reflected by one resonator surface returns to the other resonator decreases. As a result, the laser device characteristics are deteriorated such that the oscillation threshold current increases and the light emission output decreases.

GaAsの半導体レーザダイオードの場合も、共振器面が傾いていれば、上述のレーザデバイス特性の劣化が起こる。しかし、劈開面が4回対称に出るので、オフ方向が、劈開方向と平行であれば、半導体デバイス表面から傾いた一対の劈開面の他に、必ず半導体デバイス表面に垂直な一対の劈開面が存在することになる。これに対し、III−V族窒化物系半導体結晶では、劈開面が6回対称に出るので、オフ方向を劈開方向と同じにし、且つオフ方向と平行な劈開面を用いて共振器を作製しない限り、他の劈開面では、必ず共振器面に傾きが生じることになってしまうのである。   Also in the case of a GaAs semiconductor laser diode, if the resonator surface is inclined, the aforementioned laser device characteristics are deteriorated. However, since the cleavage plane appears symmetrically four times, if the off direction is parallel to the cleavage direction, a pair of cleavage planes perpendicular to the surface of the semiconductor device is always provided in addition to the pair of cleavage planes inclined from the surface of the semiconductor device. Will exist. On the other hand, in the group III-V nitride semiconductor crystal, the cleavage plane appears 6 times symmetrical, so that the off direction is the same as the cleavage direction and a resonator is not produced using a cleavage plane parallel to the off direction. As long as other cleaved surfaces, the resonator surface is always inclined.

しかしながら、従来は、III−V族窒化物系半導体基板のオフは、あまり論じられることがなく、オフ方向と半導体デバイスの劈開面との関係に注意が払われていない状況にあった。   Conventionally, however, the turn-off of the group III-V nitride semiconductor substrate has not been discussed so much, and attention has not been paid to the relationship between the off direction and the cleavage plane of the semiconductor device.

これは、サファイア下地基板のオフ方向やオフの大きさに統一がとれておらず、サファイア下地基板を購入するメーカ毎にばらばらであるという事実からも容易にうかがい知ることができる。サファイア下地基板のオフ方向やオフの大きさがばらついていれば、これを利用して作製したGaN基板のオフ方向やオフの大きさもばらばらになってしまうのである。   This can be easily seen from the fact that the sapphire base substrate is not uniform in the off direction and the off size, and is different for each manufacturer who purchases the sapphire base substrate. If the off-direction and off-size of the sapphire base substrate vary, the off-direction and off-size of the GaN substrate produced using this will also vary.

このため、従来のIII−V族窒化物系半導体デバイス、特にIII−V族窒化物系半導体レーザダイオードでは、デバイス特性のばらつきが大きく、又歩留りが悪いという問題があった。   For this reason, conventional group III-V nitride semiconductor devices, particularly group III-V nitride semiconductor laser diodes, have problems of large variations in device characteristics and poor yield.

本発明は、上記課題を解決し、デバイス特性に優れ、生産性の良いIII−V族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法、並びに、それに用いられるIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法、III−V族窒化物系半導体基板のロットを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned problems, and has excellent device characteristics and good productivity, a group III-V nitride semiconductor device, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing a group III-V nitride semiconductor substrate used therefor An object of the present invention is to provide a lot of III-V nitride semiconductor substrates.

本発明は、チップ形状をなしていると共に、III−V族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を有し、該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−V族窒化物系半導体デバイスにおいて、前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっており、前記エピタキシャル層の劈開面は、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面と同一面にあることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体デバイスにある。   The present invention has a chip shape and has an epitaxial layer of a device structure on a group III-V nitride semiconductor substrate, and at least one parallel side surface of the epitaxial layer is a cleavage plane. In the III-V nitride-based semiconductor device, the substrate has a low index plane that is a crystal plane closest to the substrate surface and is tilted off with respect to the substrate surface, and the low index plane tilt The off direction which is the direction is parallel to one of the equivalent cleavage planes of the substrate, and the cleavage plane of the epitaxial layer is the same as the cleavage plane of the substrate parallel to the off direction of the substrate It is in the group III-V nitride semiconductor device characterized by being in the plane.

前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていてもよい。   The device structure of the epitaxial layer may be a laser diode structure, and the cleavage plane of the epitaxial layer may be a resonator surface of the laser diode.

又、本発明は、III−V族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を成長し、当該基板と共に当該エピタキシャル層を劈開して当該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−V族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法において、前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっているものを準備し、前記基板上に前記エピタキシャル層を成長した後、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面の位置で前記基板と共に前記エピタキシャル層を劈開し、前記エピタキシャル層の劈開面と、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面とが同一面となるIII−V族窒化物系半導体デバイスを形成することを特徴とするIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法にある。   The present invention also provides an epitaxial layer having a device structure grown on a group III-V nitride semiconductor substrate, and the epitaxial layer is cleaved together with the substrate so that at least one set of parallel side surfaces of the epitaxial layer is present. In the method of manufacturing a group III-V nitride semiconductor device for forming a group III-V nitride semiconductor device which is a cleavage plane, the substrate has a low index plane which is a crystal plane closest to the substrate surface, And an off direction which is the direction of the low index plane is parallel to one of the equivalent cleavage planes of the substrate, After growing the epitaxial layer on the substrate, cleaving the epitaxial layer together with the substrate at a position of the cleavage plane of the substrate parallel to an off direction of the substrate, and a cleavage plane of the epitaxial layer; A method for producing a group III-V nitride semiconductor device is characterized in that a group III-V nitride semiconductor device is formed in which the cleavage plane of the substrate parallel to the off direction of the substrate is the same plane. .

前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていてもよい。   The device structure of the epitaxial layer may be a laser diode structure, and the cleavage plane of the epitaxial layer may be a resonator surface of the laser diode.

又、本発明は、下地基板上に、III−V族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長し、成長完了後に下地基板を除去し、III−V族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−V族窒化物系半導体基板を製造する方法であって、前記下地基板は、以下に述べるIII−V族窒化物系半導体基板のオフ方向と劈開面が平行となるようなオフ方向でオフが付けられているものを用い、前記III−V族窒化物系半導体基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっていることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法にある。   The present invention also provides a self-supporting III-V group consisting of a group III-V nitride semiconductor crystal by epitaxially growing a group III-V nitride semiconductor crystal on the base substrate, removing the base substrate after completion of the growth. A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, wherein the base substrate is turned off in an off direction such that the off direction of the III-V nitride semiconductor substrate described below is parallel to the cleavage plane. In the III-V nitride semiconductor substrate, the low index plane which is the crystal plane closest to the substrate surface is tilted off with respect to the substrate surface, and the low index plane In the method of manufacturing a group III-V nitride semiconductor substrate, the off direction, which is the direction of inclination, is parallel to one of the equivalent cleavage planes of the substrate.

前記下地基板として、結晶のC軸がM軸方向に傾いたサファイア下地基板を用い、そのサファイア下地基板のC面上に、III−V族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長して、成長完了後にサファイア下地基板を除去し、III−V族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−V族窒化物系半導体基板を製造することによって、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっているIII−V族窒化物系半導体基板を得てもよい。   As the base substrate, a sapphire base substrate in which the C-axis of the crystal is inclined in the M-axis direction is used, and a group III-V nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the C surface of the sapphire base substrate. By removing the base substrate and manufacturing a self-supporting group III-V nitride semiconductor substrate made of a group III-V nitride semiconductor crystal, a low index surface, which is the crystal plane closest to the substrate surface, is obtained. III-V group nitriding in which the off direction, which is the direction of inclination of the low index plane, is parallel to one of the equivalent cleavage planes of the substrate. A physical semiconductor substrate may be obtained.

又、本発明は、複数の前記III−V族窒化物系半導体基板から構成されるIII−V族窒化物系半導体基板のロットである。   The present invention also relates to a lot of III-V group nitride semiconductor substrates composed of a plurality of group III-V nitride semiconductor substrates.

以上説明したように本発明によれば、デバイス特性を向上、安定させ、信頼性を高めることが可能になる。又、半導体デバイスのプロセス工程が容易となり、上記のデバイス特性向上効果と併せて、半導体デバイスの良品取得歩留りが向上する。   As described above, according to the present invention, device characteristics can be improved and stabilized, and reliability can be improved. In addition, the process steps of the semiconductor device are facilitated, and the yield of non-defective products of the semiconductor device is improved in combination with the above-described effect of improving the device characteristics.

本発明者らは、III−V族窒化物系半導体基板にオフを設ける際、そのオフ方向を基板の劈開方向に合わせるとともに、オフ方向が基板内に3つある劈開方向のうち、どの劈開方向に合っているかが特定できるようにして、このオフ方向に平行な劈開面を有するIII−V族窒化物系半導体デバイス、特にIII−V族窒化物系半導体レーザダイオードを形成すれば、半導体デバイスの劈開面が常に半導体デバイス表面と垂直に形成できるようになるため、デバイス特性を向上、安定させ、信頼性を高めることができることを見出した。   The inventors of the present invention provide a group III-V nitride-based semiconductor substrate with an off direction that is aligned with the cleavage direction of the substrate, and which cleavage direction is one of the three cleavage directions in the substrate. If a group III-V nitride semiconductor device, particularly a group III-V nitride semiconductor laser diode, having a cleavage plane parallel to the off direction is formed, the semiconductor device can be identified. It has been found that the cleavage plane can always be formed perpendicular to the surface of the semiconductor device, so that the device characteristics can be improved and stabilized, and the reliability can be improved.

本発明に係るIII−V族窒化物系半導体デバイスの一実施の形態を示すと、次の通りである。   An embodiment of a III-V nitride semiconductor device according to the present invention is as follows.

チップ形状をなしていると共に、GaN基板上に、レーザダイオード構造のエピタキシャル層を有する半導体レーザダイオードであって、該半導体レーザダイオードのエピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面がレーザダイオードの共振器面であり、且つ劈開面となっており、前記GaN基板は、オフが付いていると共に、そのオフ方向が、当該GaN基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっており、前記エピタキシャル層の劈開面は、前記GaN基板のオフ方向と平行な前記GaN基板の劈開面と同一面にあるIII−V族窒化物系半導体レーザダイオードである。   A semiconductor laser diode having a chip shape and having an epitaxial layer of a laser diode structure on a GaN substrate, wherein at least one parallel side surface of the epitaxial layer of the semiconductor laser diode is a resonator surface of the laser diode And the GaN substrate is turned off, and the off direction is parallel to one of the equivalent cleavage surfaces of the GaN substrate, The cleavage plane of the epitaxial layer is a group III-V nitride semiconductor laser diode that is in the same plane as the cleavage plane of the GaN substrate parallel to the off direction of the GaN substrate.

本発明に係るIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法の一実施の形態示すと、次の通りである。   An embodiment of a method for producing a group III-V nitride semiconductor device according to the present invention is as follows.

GaN基板上に、レーザダイオード構造のエピタキシャル層を成長し、当該GaN基板と共に当該エピタキシャル層を劈開して当該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面がレーザダイオードの共振器面であり、且つ劈開面であるIII−V族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法において、前記GaN基板は、オフが付いていると共に、そのオフ方向が、当該GaN基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっているものを準備し、前記GaN基板上に前記エピタキシャル層を成長した後、前記GaN基板のオフ方向と平行な前記GaN基板の劈開面の位置で前記GaN基板と共に前記エピタキシャル層を劈開し、前記エピタキシャル層の劈開面と、前記GaN基板のオフ方向と平行な前記GaN基板の劈開面とが同一面となるIII−V族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−V族窒化物系半導体レーザダイオードの製造方法である。   An epitaxial layer having a laser diode structure is grown on the GaN substrate, the epitaxial layer is cleaved together with the GaN substrate, and at least one set of parallel side surfaces of the epitaxial layer is a resonator surface of the laser diode, and a cleavage plane In the method of manufacturing a group III-V nitride semiconductor device for forming a group III-V nitride semiconductor device, the GaN substrate is turned off, and the off direction is equivalent to that of the GaN substrate. And preparing a parallel one of the cleavage planes, growing the epitaxial layer on the GaN substrate, and then the position of the cleavage plane of the GaN substrate parallel to the off-direction of the GaN substrate And cleaving the epitaxial layer together with the GaN substrate, and the cleavage plane of the epitaxial layer and a front surface parallel to the off direction of the GaN substrate. And the cleavage plane of the GaN substrate is the production method of the III-V nitride semiconductor laser diode to form a group III-V nitride-based semiconductor device having the same surface.

なお、ここで、GaN基板にオフが付いているとは、GaN基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、GaN基板表面に対して傾いていることを言い、オフ方向とは、前記低指数面の傾きの方向を言う。   Here, the GaN substrate is turned off means that the low index plane, which is the crystal plane closest to the GaN substrate surface, is tilted with respect to the GaN substrate surface, The direction of the slope of the low index plane.

又、III−V族窒化物系半導体基板のオフ方向を基板の劈開方向に合わせるために、M軸方向にオフを付けたサファイア下地基板のC面上にIII−V族窒化物系半導体の厚膜をエピタキシャル成長させ、結晶成長後にIII−V族窒化物系半導体層だけを剥離させるIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法を考案した。こうすることで、自然に基板のオフ方向と劈開方向を合わせることができる。   Further, in order to align the off direction of the III-V nitride semiconductor substrate with the cleavage direction of the substrate, the thickness of the III-V nitride semiconductor on the C surface of the sapphire base substrate that is off in the M-axis direction. A method for producing a group III-V nitride semiconductor substrate has been devised in which a film is epitaxially grown and only the group III-V nitride semiconductor layer is peeled off after crystal growth. By doing so, the off direction and the cleavage direction of the substrate can be naturally matched.

基板のオフ方向と劈開方向を合わせた前記III−V族窒化物系半導体基板の複数枚を一つのセットとしてIII−V族窒化物系半導体基板のロットを構成してもよい。   A group of group III-V nitride semiconductor substrates may be formed by combining a plurality of the group III-V nitride semiconductor substrates with the off direction and the cleavage direction of the substrate as one set.

従来は、同一ロット内に含まれるGaN基板であっても、基板のオフ方向が等価な方向の中の1つに特定されていなかったため、半導体デバイスの劈開面も基板のオフを考慮して選ばれておらず、半導体デバイス作成時のデバイス特性、歩留りに大きなウェハ間ばらつきがあったが、本発明により、すべての基板のオフ方向が、特定の劈開方向と平行な方向に揃うため、前述のウェハ間ばらつきを大幅に低減することができる。   Conventionally, even in the case of GaN substrates included in the same lot, the off direction of the substrate was not specified as one of the equivalent directions, so the cleavage surface of the semiconductor device was also selected in consideration of the substrate off. Although there were large wafer-to-wafer variations in device characteristics and yield at the time of semiconductor device creation, according to the present invention, the off direction of all the substrates is aligned in a direction parallel to a specific cleavage direction. Variations between wafers can be greatly reduced.

一般に、半導体結晶基板は円形であることが多く、結晶方位を示すために、円形の一部にオリエンテーションフラット(オリフラ)と呼ばれる切り欠きを設けてある。しかし、発光デバイス用基板の一部などには、長方形をしたものもある。長方形の基板には、特にオリエンテーションフラットを設けたりはしないが、この場合にも、1対の端面をオフ方向に合わせた劈開方向と平行にし、これを常に長方形の長辺(又は短辺)にするというように決めておけば、半導体デバイスを作製する際に劈開面が傾いて出ることを防止することができる。基板が正方形の場合は、基板の角に切り欠きを付けるなどして、オフ方向を示す辺を特定できるようにしておけば良い。   In general, a semiconductor crystal substrate is often circular, and a notch called an orientation flat (orientation flat) is provided in a part of the circle in order to indicate a crystal orientation. However, some of the substrates for light emitting devices have a rectangular shape. The rectangular substrate is not particularly provided with an orientation flat, but in this case as well, a pair of end faces are parallel to the cleavage direction aligned with the off direction, and this is always on the long side (or short side) of the rectangle. If determined in such a manner, it is possible to prevent the cleavage plane from being inclined when the semiconductor device is manufactured. In the case where the substrate is square, a side indicating the off direction may be specified by notching the corner of the substrate.

本発明における「自立した」基板とは、自らの形状を保持でき、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を具備するために、自立基板の厚みは、好ましくは200μm以上が良い。   The “self-supporting” substrate in the present invention refers to a substrate having a strength that can retain its shape and does not cause inconvenience in handling. In order to have such strength, the thickness of the self-supporting substrate is preferably 200 μm or more.

本発明におけるIII−V族窒化物系半導体とは、InxGayAl1-x-yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)で表される半導体が挙げられる。このうち、GaN、AlGaN等の半導体が好ましく用いられる。強度、製造安定性等、基板材料に求められる特性を満足するからである。 The group III-V nitride semiconductor in the present invention includes a semiconductor represented by In x Ga y Al 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). . Of these, semiconductors such as GaN and AlGaN are preferably used. This is because the properties required for the substrate material such as strength and manufacturing stability are satisfied.

本発明に係るIII−V族窒化物系半導体基板は、半導体デバイス作製の容易さの観点から、六方晶系のC面、特に化学的、機械的、熱的に安定なIII族面を表面に持つ基板であることが望ましい。   The group III-V nitride semiconductor substrate according to the present invention has a hexagonal C-plane, particularly a chemically, mechanically and thermally stable group III plane on the surface, from the viewpoint of easy fabrication of semiconductor devices. It is desirable to have a substrate.

基板面内の結晶軸の傾きは、X線回折測定により求めた値を用いて評価することができる。   The inclination of the crystal axis in the substrate plane can be evaluated using a value obtained by X-ray diffraction measurement.

本発明のIII−V族窒化物系半導体基板を成長する手段は、HVPE(ハイドライド気相成長)法であることが望ましい。HVPE法を用いるのは、結晶成長速度が速く、基板の作製に適するからである。   The means for growing the III-V nitride semiconductor substrate of the present invention is preferably HVPE (hydride vapor phase epitaxy). The HVPE method is used because the crystal growth rate is high and it is suitable for manufacturing a substrate.

本発明に係るIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法の一実施例を次に示す。
VAS法を用いて、自立したGaN基板を作製した。基板の作製手順、条件は、以下の通りである。
An embodiment of a method for producing a group III-V nitride semiconductor substrate according to the present invention will be described below.
A self-standing GaN substrate was fabricated using the VAS method. The substrate manufacturing procedure and conditions are as follows.

市販の直径2インチの単結晶サファイア下地基板のC面上に、MOVPE法で、TMGとNH3を原料として、アンドープGaN層を300nm成長した。サファイア下地基板は、A面をオリフラの面として、オリフラに平行なM軸方向に0.3°オフしている基板を使用した。成長圧力は常圧、始めにサファイア下地基板上に、下地基板の温度を600℃として低温バッファ層を20nmエピタキシャル成長し、その後、下地基板の温度を1100℃に昇温して、GaN層を280nmエピタキシャル成長した。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は4μm/hであった。この方法で、サファイア下地基板上にGaN層を付けた、いわゆるGaNテンプレートを10枚用意した。 An undoped GaN layer was grown to 300 nm on the C-plane of a commercially available single crystal sapphire base substrate having a diameter of 2 inches by MOVPE using TMG and NH 3 as raw materials. As the sapphire base substrate, a substrate that is off by 0.3 ° in the M-axis direction parallel to the orientation flat, with the A plane being the orientation flat surface. The growth pressure is normal pressure. First, a low temperature buffer layer is epitaxially grown on a sapphire base substrate at a temperature of 600 ° C. and a low temperature buffer layer is epitaxially grown to 20 nm, and then the temperature of the base substrate is raised to 1100 ° C. did. The carrier gas is a mixed gas of hydrogen and nitrogen. The crystal growth rate was 4 μm / h. By this method, 10 so-called GaN templates having a GaN layer on a sapphire base substrate were prepared.

次に、これらGaNテンプレートのGaN層上に、EB蒸着器を用いて金属Ti膜を20nm蒸着し、これを電気炉に入れて、NH3を20%混合したH2の気流中、1000℃で20min間の熱処理を施し、金属Ti膜を網目状のTiN膜に変化させると同時に、GaN層中に多数のボイドを形成した。 Next, a 20 nm thick metal Ti film was deposited on the GaN layer of these GaN templates using an EB vaporizer, and this was put in an electric furnace at a temperature of 1000 ° C. in an H 2 stream containing 20% NH 3. A heat treatment was performed for 20 minutes to change the metal Ti film into a mesh-like TiN film, and at the same time, many voids were formed in the GaN layer.

次に、GaN層にボイドを形成したGaNテンプレートをHVPE炉に入れ、該GaNテンプレートを下地基板として、その上にGaNを550μm堆積した。HVPE成長に用いた原料はNH3とGaClで、キャリアガスとしてN2を用いた。成長条件は、常圧、基板温度1040℃である。GaN層は成長終了後の降温過程においてボイド層を境にサファイア下地基板から剥離し、表面を(0001)Ga面とする、自立したGaN基板が得られた。 Next, a GaN template in which voids were formed in the GaN layer was placed in an HVPE furnace, and the GaN template was used as a base substrate, and GaN was deposited thereon by 550 μm. The raw materials used for HVPE growth were NH 3 and GaCl, and N 2 was used as a carrier gas. The growth conditions are normal pressure and a substrate temperature of 1040 ° C. The GaN layer was peeled from the sapphire base substrate with the void layer as a boundary in the temperature lowering process after the growth was completed, and a self-supporting GaN substrate having a (0001) Ga surface as the surface was obtained.

得られたGaN基板は、表面と裏面を鏡面研磨し、厚さ350μmの基板に仕上げた。GaN基板は、いずれも透明で、平坦な鏡面を持っており、その表面粗さは表面段差計を用いて500μm範囲をスキャンした時のRa値がすべて10nm以下となっていた。GaN基板は、外形を円形に研削加工し、さらに、サファイア下地基板のオリフラ位置と平行な位置関係になるGaNの(1−100)面をオリフラ面とするようにオリフラ付け加工を行った。オリフラの面精度は、オリフラ面でX線回折測定を行い、(1−100)面からのずれを更に修正加工していく方法で高精度に仕上げ、最終的に(1−100)面±0.02°の加工精度とした。   The obtained GaN substrate was mirror-polished on the front and back surfaces to finish a substrate having a thickness of 350 μm. All of the GaN substrates were transparent and had a flat mirror surface, and the surface roughness was all 10 nm or less when Ra was scanned in a 500 μm range using a surface step meter. The GaN substrate was subjected to orientation flat processing such that the outer shape was ground into a circular shape, and the (1-100) plane of GaN that had a positional relationship parallel to the orientation flat position of the sapphire base substrate was used as the orientation flat surface. The surface accuracy of the orientation flat is measured by X-ray diffraction measurement on the orientation flat surface, and finished with high accuracy by further correcting the deviation from the (1-100) surface, and finally the (1-100) surface ± 0. The processing accuracy was .02 °.

表面にオフを付けたサファイア下地基板上にGaN結晶をエピタキシャル成長すると、成長するGaNも、サファイア下地基板のオフに倣ってオフの付いたまま成長する。従って、上述のやりかたでGaN基板にオリフラ加工を行うと、10枚すべてのGaN基板において、そのオフ方向は、オリフラ面と平行な[11−20]方向に統一することができる。   When a GaN crystal is epitaxially grown on a sapphire base substrate with the surface turned off, the grown GaN also grows off with the sapphire base substrate off. Therefore, when the orientation flat processing is performed on the GaN substrate in the manner described above, the off-direction can be unified to the [11-20] direction parallel to the orientation flat surface in all ten GaN substrates.

こうして作製したGaN基板の、表面に対するC軸の傾き方向を調べるため、基板表面でX線回折測定を行った。その結果、基板の中央で測定されたC軸の傾きのベクトルは、基板のオリフラと平行な[11−20]方向に平均0.36°傾いていることが判明した。   In order to investigate the inclination direction of the C axis with respect to the surface of the GaN substrate thus fabricated, X-ray diffraction measurement was performed on the substrate surface. As a result, it was found that the C-axis inclination vector measured at the center of the substrate was inclined by an average of 0.36 ° in the [11-20] direction parallel to the orientation flat of the substrate.

次に、本発明に係るIII−V族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法の一実施例を示す。   Next, an example of a III-V nitride semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described.

実施例1で作製したGaN基板を用いて、レーザダイオードチップを作製した。   Using the GaN substrate produced in Example 1, a laser diode chip was produced.

図1は、本発明の一実施例にかかるIII−V族窒化物系半導体レーザダイオードの構造を示す、断面模式図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a III-V nitride semiconductor laser diode according to one embodiment of the present invention.

実施例1の方法で得られた単結晶からなる自立したn型GaN基板10上に、Siドープ(n=5×1017cm-3)のn型GaNバッファ層9を2μm、Siドープ(n=5×1017cm-3)のn型Al0.07Ga0.93Nクラッド層8を1.0μm、Siドープ(n=1×1017cm-3)のn型GaN SCH層7を0.1μm、Siドープ又はアンドープのIn0.2Ga0.8N/In0.05Ga0.95N多重量子井戸層6を30A/50A×3、Mgドープ(p=2×1019cm-3)のp型Al0.2Ga0.91Nオーバーフロー防止層5を0.02μm、Mgドープ(p=2×1019cm-3)のp型GaN光閉じ込め層4を0.1μm、Mgドープ(p=2×1019cm-3)のp型Al0.07Ga0.93Nクラッド層3を0.5μm、Mgドープ(p=2×1019cm-3)のp型GaNコンタクト層2を0.05μmの厚さで順に形成し、LD構造を作製した。その後、p側にドライエッチングにより幅4μm、深さ0.4μmのリッジ構造を作製し電流狭窄を行った。さらにリッジの上部にNi/Au電極を形成しp型オーミック電極1とした。裏面の自立GaN基板側にはTi/Al電極を全面に形成し、n型オーミック電極11とした。共振器となる端面は、n型GaN基板10のオリフラ面と平行な(1−100)面で劈開して作製し、さらに両端面に、TiO2/SiO2からなる高反射コーティング膜を施した。半導体デバイス長は500μmとした。この半導体デバイスに通電するとしきい値電流密度4.6kA/cm2、しきい値電圧5.4Vで室温連続発振した。又、半導体デバイスの寿命は25℃、30mW駆動時において5000時間と良好な特性を有していた。実施例1で作製した10枚すべてのGaN基板において、そのGaN基板から作製した80%以上のレーザダイオードチップで良好な特性が得られた。本発明のIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法により、デバイス特性のばらつきが少なくなり、又プロセスが安定することから、半導体デバイスの取得歩留りが大幅に改善したものと考えられる。
[比較例1]
先ず、実施例2と同じようにしてGaN基板上にレーザダイオード構造のエピタキシャル層を形成した。その後、これをチップ化する際に、共振器となる面を、故意にGaN基板のオリフラ面とは60°の角度をなす(10−10)面で基板を劈開して切り分けを行いレーザダイオードチップを作製した。
(10−10)面で劈開して得られた共振器面は、チップの表面に対して、GaN基板のオフの大きさと同じ約0.4°傾いており、強調して描くと図2(b)のようになっていることが、チップ側面のSEM観察により明らかとなった。
On a self-supporting n-type GaN substrate 10 made of a single crystal obtained by the method of Example 1, a Si-doped (n = 5 × 10 17 cm −3 ) n-type GaN buffer layer 9 is 2 μm, Si-doped (n = n-type Al 0 of 5 × 10 17 cm -3). 07 Ga 0.93 n cladding layer 8 to 1.0 .mu.m, the n-type GaN SCH layer 7 of Si-doped (n = 1 × 10 17 cm -3) 0. 1 μm, Si-doped or undoped In 0.2 Ga 0.8 N / In 0.05 Ga 0.95 N multiple quantum well layer 6 of 30 A / 50 A × 3, Mg-doped (p = 2 × 10 19 cm −3 ) p-type Al 0.2 Ga 0.91 N overflow prevention layer 5 is 0.02 μm, Mg-doped (p = 2 × 10 19 cm −3 ) p-type GaN optical confinement layer 4 is 0.1 μm, Mg-doped (p = 2 × 10 19 cm −3 ) p-type Al 0.07 Ga 0.93 N clad layer 3 of 0.5 μm, Mg-doped (p = 2 × 10 19 cm −3 ) p-type The GaN contact layer 2 was formed in order with a thickness of 0.05 μm to produce an LD structure. Thereafter, a ridge structure having a width of 4 μm and a depth of 0.4 μm was formed on the p side by dry etching, and current confinement was performed. Further, a Ni / Au electrode was formed on the ridge to form a p-type ohmic electrode 1. A Ti / Al electrode was formed on the entire surface of the back surface of the self-standing GaN substrate to form an n-type ohmic electrode 11. The end face serving as a resonator was cleaved with a (1-100) plane parallel to the orientation flat surface of the n-type GaN substrate 10, and a highly reflective coating film made of TiO 2 / SiO 2 was applied to both end faces. . The semiconductor device length was 500 μm. When this semiconductor device was energized, it oscillated continuously at room temperature with a threshold current density of 4.6 kA / cm 2 and a threshold voltage of 5.4 V. The lifetime of the semiconductor device was as good as 5000 hours when driven at 25 ° C. and 30 mW. In all 10 GaN substrates fabricated in Example 1, good characteristics were obtained with 80% or more of the laser diode chips fabricated from the GaN substrate. It is considered that the yield of semiconductor devices is greatly improved because the method of manufacturing a III-V nitride semiconductor device of the present invention reduces variations in device characteristics and stabilizes the process.
[Comparative Example 1]
First, an epitaxial layer having a laser diode structure was formed on a GaN substrate in the same manner as in Example 2. Thereafter, when this is made into a chip, the surface serving as the resonator is cleaved and separated by a (10-10) plane that intentionally forms an angle of 60 ° with the orientation flat surface of the GaN substrate. Was made.
The resonator plane obtained by cleaving at the (10-10) plane is inclined about 0.4 °, which is the same as the off-size of the GaN substrate, with respect to the chip surface. It was clarified by SEM observation of the side surface of the chip that it was as shown in b).

こうして作製したレーザダイオードチップの特性は、室温連続発振に必要なしきい値電流密度は4.9kA/cm2、しきい値電圧は6.2Vと、実施例2で得られたレーザダイオードの特性に較べて明らかに悪くなっていた。又、半導体デバイスの寿命は25℃、30mW駆動時において900時間と、デバイス特性の劣化に呼応して信頼性も悪くなっていた。 The characteristics of the laser diode chip fabricated in this way are the characteristics of the laser diode obtained in Example 2, with a threshold current density required for continuous oscillation at room temperature of 4.9 kA / cm 2 and a threshold voltage of 6.2 V. It was clearly worse than that. Further, the lifetime of the semiconductor device was 900 hours when driven at 25 ° C. and 30 mW, and the reliability deteriorated in response to the deterioration of the device characteristics.

従来の複数枚のGaN基板から構成されるGaN基板ロットでは、劈開方向を等価な3方向の内の特定方向だけに揃えることができなかったため、上記比較例のような作り方をした半導体デバイスが、実施例2のような作り方をした半導体デバイスの中に2/3の確立で混入することとなり、結果として、ウェハ間のデバイス特性、歩留りばらつきを大きなものにしていたと言える。   In a conventional GaN substrate lot composed of a plurality of GaN substrates, since the cleavage direction could not be aligned only in a specific direction among the three equivalent directions, a semiconductor device having a method of making as in the above comparative example, It can be said that 2/3 of the semiconductor devices manufactured as in Example 2 were mixed, and as a result, device characteristics and yield variations between wafers were increased.

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、又そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。   The present invention has been described above based on the embodiments. However, these are exemplifications, and various modifications can be made to combinations of the respective processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. It will be understood by those skilled in the art.

たとえば、本実施例において、GaN基板につけるオリフラ面をサファイア下地基板のオリフラ面と平行な(1−100)面としたが、GaN基板のオフ方向がオリフラに対してどちらの劈開方向であるかが特定できさえすれば、本発明に合致することになり、必ずしもオリフラ面は(1−100)面でなくても構わない。例えば、GaN基板のオリフラを(10−10)面や(01−10)面として、これを基準に基板のオフ方向を規定した基板でも、本発明の効果が得られる。又、基板のオフ方向と垂直な{11−20}面をオリフラ面とすることも可能である。GaN基板につけるオリフラが、サファイア下地基板のオリフラに対して相対的にどのような位置関係にあるのかも、本特許においては重要な問題ではない。GaN基板のオフ方向が劈開方向と合うように、GaN基板を作製するのにサファイア下地基板が、M軸方向にオフしていることが重要であって、サファイア下地基板のオリフラが基板のオフ方向に対してどちらの位置に付けてあるかは、問題では無いということである。(くどいようだが、成長したGaN基板のオフ方向を特定するための目印として、サファイアのオリフラを使用するので、サファイア下地基板においてオフが、オリフラに対してどちらの方向のM軸につけてあるかということは重要である。)但し、混乱を避ける意味で、サファイア下地基板のオリフラを(11−20)面とし、サファイア下地基板のオフ方向を[1−100]方向とすれば、この上に成長して得られるGaN基板のオフ方向は、[11−20]方向となり、これに平行な(1−100)面をオリフラ面としておくことが望ましい。そうすれば、サファイア下地基板のオリフラ、サファイア下地基板のオフ方向、GaN基板のオリフラ、GaN基板のオフ方向、GaN基板の劈開方向がすべて平行に揃うので、GaN基板の製造やその使用に際して、結晶方位を間違えることが少なくなる。   For example, in this embodiment, the orientation flat surface attached to the GaN substrate is a (1-100) plane parallel to the orientation flat surface of the sapphire base substrate, but which cleavage direction is the off direction of the GaN substrate relative to the orientation flat? As long as it can be specified, the present invention conforms to the present invention, and the orientation flat surface is not necessarily the (1-100) surface. For example, even if the orientation flat of the GaN substrate is the (10-10) plane or the (01-10) plane and the off direction of the substrate is defined based on this, the effect of the present invention can be obtained. Further, the {11-20} plane perpendicular to the off direction of the substrate can be an orientation flat surface. The relative position of the orientation flat attached to the GaN substrate relative to the orientation flat of the sapphire base substrate is not an important problem in this patent. It is important for the sapphire base substrate to be off in the M-axis direction so that the off direction of the GaN substrate matches the cleavage direction, and the orientation flat of the sapphire base substrate is in the off direction of the substrate. Which position is attached to is not a problem. (It seems awkward, but since the orientation sapphire of sapphire is used as a mark for specifying the off direction of the grown GaN substrate, in the direction of the M axis in the sapphire base substrate, the off state is attached to the orientation flat. However, in order to avoid confusion, if the orientation flat of the sapphire base substrate is the (11-20) plane and the off direction of the sapphire base substrate is the [1-100] direction, it grows on this. The off direction of the GaN substrate obtained in this way is the [11-20] direction, and it is desirable that the (1-100) plane parallel to this be the orientation flat surface. Then, the orientation flat of the sapphire base substrate, the off direction of the sapphire base substrate, the orientation flat of the GaN substrate, the off direction of the GaN substrate, and the cleavage direction of the GaN substrate are all aligned in parallel. Mistakes in direction are reduced.

本実施例では、本発明の基板を作製する際の下地基板にサファイア下地基板を用いた例を挙げたが、GaAsやSiC、Si、ZrB2、ZnOなどの従来からGaN系エピタキシャル層形成用基板として報告例のある基板は、すべて適用が可能である。その際、GaN基板にオフを付ける必要のあるときは、下地基板とGaNとの整合性を考慮した上で、GaN基板のオフ方向が劈開方向と同じになるように下地基板のオフ方向を選ばなければならない。例えば、GaAsやSiの基板を用いる場合は、表面が(111)面で[1−10]方向にオフした基板を使う必要があり、SiC基板を用いる場合は、(0001)面で[11−20]方向にオフした基板を使う必要がある。 In this embodiment, an example in which a sapphire base substrate is used as the base substrate for manufacturing the substrate of the present invention has been described. Conventionally, a substrate for forming a GaN-based epitaxial layer such as GaAs, SiC, Si, ZrB 2 , ZnO or the like All the substrates with reported examples are applicable. At that time, when it is necessary to turn off the GaN substrate, the off direction of the base substrate is selected so that the off direction of the GaN substrate is the same as the cleavage direction in consideration of the consistency between the base substrate and GaN. There must be. For example, when using a GaAs or Si substrate, it is necessary to use a substrate whose surface is (111) plane and turned off in the [1-10] direction, and when using a SiC substrate, [11− 20] It is necessary to use a substrate turned off in the direction.

本実施例では、オリフラを付けた円形のGaN基板の例を述べたが、オリフラに相当する基板の方向を特定する手段、例えば劈開方向を表すノッチやIF(インデックスフラット)を利用することも可能である。又、円形ではない長方形や正方形の核型基板に適用することも可能である。例えば、長方形の基板であれば、長辺が基板のオフ方向に平行な劈開面であると決めておけば良く、正方形の基板であれば、一辺を基板のオフ方向に平行な劈開面とした上で、基板の角に面取り加工を施すなどして方位を特定できるようにしておくことができる。   In this embodiment, an example of a circular GaN substrate with an orientation flat is described, but means for specifying the orientation of the substrate corresponding to the orientation flat, for example, a notch indicating the cleavage direction or IF (index flat) can also be used. It is. It is also possible to apply to a rectangular or square core substrate that is not circular. For example, in the case of a rectangular substrate, it may be determined that the long side is a cleavage plane parallel to the off direction of the substrate, and in the case of a square substrate, one side is a cleavage plane parallel to the off direction of the substrate. The orientation can be specified by chamfering the corner of the substrate.

本実施例では自立したGaN基板の例を挙げたが、本発明は、自立したAlGaN基板に適用することもできる。   In this embodiment, an example of a self-supporting GaN substrate has been described. However, the present invention can also be applied to a self-supporting AlGaN substrate.

本発明の一実施例にかかるIII−V族窒化物系半導体レーザダイオードの構造を示す、断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the III-V nitride semiconductor laser diode concerning one Example of this invention. (a)は、理想的な直方体形状の半導体デバイス、(b)は、オフの付いた基板を劈開して作製し、劈開面が半導体デバイス表面に対する垂直面から傾いてしまった半導体デバイスの一例を示す模式図である。(A) is an ideal rectangular parallelepiped-shaped semiconductor device, and (b) is an example of a semiconductor device produced by cleaving a substrate with OFF, and the cleavage plane is inclined from a plane perpendicular to the surface of the semiconductor device. It is a schematic diagram shown. III−V族窒化物系半導体基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cleavage surface and cleavage direction of a III-V group nitride semiconductor substrate. GaAs基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cleavage surface and cleavage direction of a GaAs substrate.

符号の説明Explanation of symbols

1 P型オーミック電極
2 p型GaNコンタクト層
3 p型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
4 p型GaN光閉じ込め層
5 p型Al0.2Ga0.91Nオーバーフロー防止層
6 In0.2Ga0.8N/In0.05Ga0.95N多重量子井戸層
7 n型GaN SCH層
8 n型Al0.07Ga0.93Nクラッド層
9 n型GaNバッファ層
10 n型GaN基板
11 n型オーミック電極
1 P-type ohmic electrode 2 p-type GaN contact layer 3 p-type Al 0.07 Ga 0.93 N clad layer 4 p-type GaN optical confinement layer 5 p-type Al 0.2 Ga 0.91 N overflow prevention layer 6 In 0.2 Ga 0.8 N / In 0.05 Ga 0.95 N multiple quantum well layer 7 n-type GaN SCH layer 8 n-type Al 0.07 Ga 0.93 N clad layer 9 n-type GaN buffer layer 10 n-type GaN substrate 11 n-type ohmic electrode

Claims (7)

チップ形状をなしていると共に、III−V族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を有し、該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−V族窒化物系半導体デバイスにおいて、
前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっており、
前記エピタキシャル層の劈開面は、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面と同一面にあることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体デバイス。
A group III-V having a chip shape, having an epitaxial layer of a device structure on a group III-V nitride semiconductor substrate, and at least one parallel side surface of the epitaxial layer being a cleavage plane In nitride-based semiconductor devices,
The substrate has a low index plane that is the crystal plane closest to the substrate surface and is tilted off with respect to the substrate surface, and an off direction that is a direction of the tilt of the low index plane is equivalent to the substrate. Parallel to one of the cleavage planes,
A group III-V nitride semiconductor device, wherein a cleavage plane of the epitaxial layer is flush with a cleavage plane of the substrate parallel to an off direction of the substrate.
前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていることを特徴とする請求項1記載のIII−V族窒化物系半導体デバイス。   2. The III-V nitride semiconductor according to claim 1, wherein the device structure of the epitaxial layer is a laser diode structure, and the cleavage plane of the epitaxial layer is a resonator surface of the laser diode. device. III−V族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を成長し、当該基板と共に当該エピタキシャル層を劈開して当該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−V族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法において、
前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっているものを準備し、前記基板上に前記エピタキシャル層を成長した後、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面の位置で前記基板と共に前記エピタキシャル層を劈開し、前記エピタキシャル層の劈開面と、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面とが同一面となるIII−V族窒化物系半導体デバイスを形成することを特徴とするIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法。
An epitaxial layer having a device structure is grown on a group III-V nitride semiconductor substrate, the epitaxial layer is cleaved together with the substrate, and at least one parallel side surface of the epitaxial layer is a cleavage plane. In a method for manufacturing a group III-V nitride semiconductor device for forming a group V nitride semiconductor device,
The substrate has a low index plane that is the crystal plane closest to the substrate surface and is tilted off with respect to the substrate surface, and an off direction that is a direction of the tilt of the low index plane is equivalent to the substrate. A substrate parallel to one of the cleavage planes is prepared, and the epitaxial layer is grown on the substrate, and then the substrate is cleaved at a position of the cleavage plane parallel to the off-direction of the substrate. And the epitaxial layer is cleaved to form a group III-V nitride semiconductor device in which the cleavage plane of the epitaxial layer and the cleavage plane of the substrate parallel to the off direction of the substrate are the same plane. A method for producing a group III-V nitride semiconductor device.
前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていることを特徴とする請求項3記載のIII−V族窒化物系半導体デバイスの製造方法。   4. The group III-V nitride semiconductor according to claim 3, wherein the device structure of the epitaxial layer is a laser diode structure, and a cleavage plane of the epitaxial layer is a resonator surface of the laser diode. Device manufacturing method. 下地基板上に、III−V族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長し、成長完了後に下地基板を除去し、III−V族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−V族窒化物系半導体基板を製造する方法であって、前記下地基板は、以下に述べるIII−V族窒化物系半導体基板のオフ方向と劈開面が平行となるようなオフ方向でオフが付けられているものを用い、前記III−V族窒化物系半導体基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっていることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。   A group III-V nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the base substrate, the base substrate is removed after the growth is completed, and a self-supporting group III-V nitride semiconductor substrate made of group III-V nitride semiconductor crystal is obtained. A method of manufacturing, wherein the base substrate is a substrate that is turned off in an off direction such that an off direction and a cleavage plane of a group III-V nitride semiconductor substrate described below are parallel, In the III-V nitride semiconductor substrate, the low index plane, which is the crystal plane closest to the substrate surface, is tilted off with respect to the substrate surface, and the off direction is the direction of the tilt of the low index plane. A method for producing a group III-V nitride semiconductor substrate, characterized in that the direction is parallel to one of the equivalent cleavage planes of the substrate. 六方晶のC面を表面とするサファイア下地基板上に、III−V族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長し、成長完了後にサファイア下地基板を除去し、III−V族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−V族窒化物系半導体基板を製造する方法であって、前記サファイア下地基板は、その結晶のC軸がM軸方向に傾いたものを用い、前記III−V族窒化物系半導体基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の1つの面と平行となっていることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法。   A III-V nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on a sapphire base substrate having a hexagonal C-plane as its surface, and after completion of the growth, the sapphire base substrate is removed to form a self-supporting layer consisting of a group III-V nitride semiconductor crystal. A method of manufacturing a group III-V nitride-based semiconductor substrate, wherein the sapphire base substrate uses a crystal whose C-axis is inclined in the M-axis direction, and the group III-V nitride-based semiconductor substrate is used. The low index plane that is the crystal plane closest to the substrate surface is tilted off with respect to the substrate surface, and the off direction that is the direction of the tilt of the low index plane is the equivalent cleavage of the substrate. A method for producing a group III-V nitride semiconductor substrate, characterized by being parallel to one of the planes. 複数のIII−V族窒化物系半導体基板から構成されるIII−V族窒化物系半導体基板のロットであって、前記ロットを構成する個々の基板が、請求項5又は6に記載のIII−V族窒化物系半導体基板の製造方法によって得られたIII−V族窒化物系半導体基板であることを特徴とするIII−V族窒化物系半導体基板のロット。   The group III-V nitride semiconductor substrate lot composed of a plurality of group III-V nitride semiconductor substrates, wherein each of the substrates constituting the lot is III- according to claim 5 or 6. A lot of group III-V nitride semiconductor substrates, which is a group III-V nitride semiconductor substrate obtained by a method for manufacturing a group V nitride semiconductor substrate.
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