JP2005353804A - Semiconductor element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化物半導体レーザ素子などの半導体素子及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device such as a nitride semiconductor laser device and a manufacturing method thereof.
GaN、AlGaN、GaInN、AlGaInN、及び、それらの混晶などの窒化物半導体は、AlGaInAs系半導体やAlGaInP系半導体に比べてバンドギャップEgが大きく、かつ直接遷移の半導体材料であるという特徴を有している。このため、これらの窒化物半導体は、紫外線から緑色に当たる短波長の光の発光が可能な半導体レーザや、紫外線から赤色まで広い発光波長範囲をカバーできる発光ダイオードなどの半導体発光素子を構成する材料として注目されており、高密度光ディスクやフルカラーディスプレー、さらには環境・医療分野など、広く応用が考えられている。 Nitride semiconductors such as GaN, AlGaN, GaInN, AlGaInN, and mixed crystals thereof are characterized by having a large band gap Eg and a direct transition semiconductor material compared to AlGaInAs semiconductors and AlGaInP semiconductors. ing. Therefore, these nitride semiconductors are used as materials for semiconductor light-emitting elements such as semiconductor lasers capable of emitting short-wavelength light from ultraviolet to green and light-emitting diodes capable of covering a wide emission wavelength range from ultraviolet to red. It is attracting attention and is widely considered for high-density optical discs, full-color displays, and environmental and medical fields.
又、この窒化物半導体は、熱伝導性がGaAs系半導体などよりも高く、高温・高出力動作の素子の応用に期待される。更に、AlGaAs系半導体における砒素(As)、ZnCdSSe系半導体におけるカドミウム(Cd)などに相当する材料及びその原料(アルシン(AsH3))などを使用しないため、環境への負荷が小さい化合物半導体材料として期待される。 In addition, this nitride semiconductor has higher thermal conductivity than GaAs-based semiconductors and the like, and is expected to be applied to devices that operate at high temperature and high output. Furthermore, since a material corresponding to arsenic (As) in an AlGaAs-based semiconductor, cadmium (Cd) in a ZnCdSSe-based semiconductor, and its raw material (arsine (AsH 3 )) are not used, the compound semiconductor material has a low environmental load. Be expected.
しかしながら、従来、窒化物半導体素子の一つである窒化物半導体レーザ素子などの製造において、1ウエーハ上に作製された窒化物半導体レーザ素子の数に対して、得られる良品の素子数の割合を示す歩留まりの値が、非常に低いという問題がある。 However, conventionally, in the manufacture of a nitride semiconductor laser element which is one of the nitride semiconductor elements, the ratio of the number of non-defective elements obtained to the number of nitride semiconductor laser elements manufactured on one wafer is There is a problem that the yield value shown is very low.
このような歩留まりを落としている原因として、クラックの発生が挙げられる。このクラックは、基板上に積層させる窒化物半導体成長層が原因で発生する場合がある。即ち、窒化物半導体レーザ素子を作製するとき、基板上に窒化物半導体成長層が積層され、窒化物半導体成長層は、GaN、AlGaN、InGaNなど異なる種類の膜から構成される。このとき、窒化物半導体成長層を構成する各膜は、格子定数が異なり、格子不整合が生じため、クラックが発生する。そこで、加工された基板を用い、窒化物半導体成長層を成長後、窒化物半導体成長層の表面を平坦化せず、くぼみを形成することで、クラックを低減する方法が提案されている(特許文献1参照)。例えば、特許文献1に記載の方法を使用することで、基板上に形成される窒化物半導体成長層を構成する各膜の格子不整合が原因で発生するクラックを、抑制することができる。 The cause of such a decrease in yield is the occurrence of cracks. This crack may occur due to a nitride semiconductor growth layer stacked on the substrate. That is, when a nitride semiconductor laser device is manufactured, a nitride semiconductor growth layer is stacked on a substrate, and the nitride semiconductor growth layer is composed of different types of films such as GaN, AlGaN, and InGaN. At this time, the films constituting the nitride semiconductor growth layer have different lattice constants and cause lattice mismatch, and thus cracks are generated. Therefore, a method of reducing cracks by forming a recess without using a processed substrate to grow a nitride semiconductor growth layer and then flattening the surface of the nitride semiconductor growth layer has been proposed (patented). Reference 1). For example, by using the method described in Patent Document 1, it is possible to suppress cracks that are generated due to lattice mismatch of each film constituting the nitride semiconductor growth layer formed on the substrate.
上述した特許文献1に記載された技術を用いて窒化物半導体レーザ素子を作製する際、例えば、その窒化物半導体成長層が図10のように構成される。 When a nitride semiconductor laser device is manufactured using the technique described in Patent Document 1 described above, for example, the nitride semiconductor growth layer is configured as shown in FIG.
即ち、エッチングが行われたn型GaNなどから成る加工基板10(図9参照)表面に形成された窒化物半導体成長層11は、例えば、加工基板10の表面に、層厚1.0μmのn型GaN層100と、層厚1.5μmのn型Al0.062Ga0.938N第1クラッド層101と、層厚0.2μmのn型Al0.1Ga0.9N第2クラッド層102と、層厚0.1μmのn型Al0.062Ga0.938N第3クラッド層103と、層厚0.1μmのn型GaNガイド層104と、層厚4nmのInGaN井戸層が3層及び層厚8nmのGaN障壁層が4層から成る多重量子井戸活性層105と、層厚20nmのp型Al0.3Ga0.7N蒸発防止層106と、層厚0.05μmのp型GaNガイド層107と、層厚0.5μmのp型Al0.062Ga0.938Nクラッド層108と、層厚0.1μmのp型GaNコンタクト層109と、が順に積層され構成されている。尚、多重量子井戸活性層105は、障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層/井戸層/障壁層の順序で形成される。
That is, the nitride
尚、結晶の面や方位を示す指数が負の場合、絶対値の上に横線を付して表記するのが結晶学の決まりであるが、以下において、そのような表記ができないため、絶対値の前に負号「−」を付して負の指数を表す。 In addition, when the index indicating the crystal plane or orientation is negative, it is a rule of crystallography to indicate the absolute value with a horizontal line, but in the following, since such notation is not possible, the absolute value A negative sign “−” is added in front of to indicate a negative index.
又、本明細書に記載の「異種基板」とは、窒化物半導体以外の基板を意味する。具体的な異種基板としては、サファイア基板、SiC基板、又はGaAs基板などが用いられる。 Further, the “heterogeneous substrate” described in the present specification means a substrate other than a nitride semiconductor. As a specific heterogeneous substrate, a sapphire substrate, a SiC substrate, a GaAs substrate, or the like is used.
又、「加工基板」は、窒化物半導体基板、もしくは、窒化物半導体基板又は異種基板表面に積層された窒化物半導体薄膜表面上に、掘り込み領域と丘が形成された基板であるものとする。更に、Mgがドーピングされるp型Al0.3Ga0.7N蒸発防止層106、p型GaNガイド層107、p型Al0.062Ga0.938Nクラッド層108、p型GaNコンタクト層109、が積層されて得られる窒化物半導体層を、以下では「p層」とする。
The “processed substrate” is a nitride semiconductor substrate, or a substrate in which a dug region and a hill are formed on the surface of a nitride semiconductor substrate or a nitride semiconductor thin film laminated on the surface of a different type of substrate. . Further, a p-type Al 0.3 Ga 0.7 N
加工された加工基板10表面上に、窒化物半導体成長層11をMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて積層することで図9のように、窒化物半導体成長層11表面に窪みのある窒化物半導体ウエーハが形成される。尚、図9には、面方位も併せて表示する。
By depositing the nitride
図9に示す加工基板10として用いられたのがn型GaN基板であり、[1−100]方向に向かって、RIE(Reactive Ion Etching)などのドライエッチング技術を用いて、ストライプ状に掘り込み領域16と丘19が形成されている。当該掘り込み領域の幅が5μmとされ、深さは3μmとされるとともに、隣接する堀り込み領域との周期が15μmとされる。このようなエッチングが行われた加工基板10上に、図10のような積層構造の窒化物半導体成長層11をMOCVD法などの成長方法で作製する。
しかしながら、上述の特許文献1による技術で、加工基板10としてn型GaN基板を用い、このn型GaN基板上に窒化物半導体成長層11をMOCVD法などを用いエピタキシャル成長させることで、窒化物半導体レーザ素子を作製したところ、クラックの低減には効果があったが、歩留まりは大きく向上しなかった。即ち、特許文献1の技術を用い、窒化物半導体レーザ素子を複数作製し、その中から無作為に100個の窒化物半導体レーザ素子を取り出し、水平方向及び垂直方向のFFPの半値幅を測定した。この際、FFPの半値幅の設計値に対して、±1度以内の窒化物半導体レーザ素子を良品としたところ、FFPの半値幅が規格を満たしている窒化物半導体レーザは30個であり、非常に低い歩留まり結果となった。
However, with the technique according to Patent Document 1 described above, an n-type GaN substrate is used as the processed
これは、窒化物半導体成長層11上にくぼみを残すと、残した窪みが原因となり、膜の平坦性が悪化したためである。平坦性が悪化すれば、窒化物半導体成長層11内で各層厚がばらつき、窒化物半導体レーザ素子ごとの特性が異なり、規格の範囲内の特性を満たす素子は減少する。よって、歩留まりを向上させるには、クラック発生の低減だけではなく、膜の平坦性も向上させる必要がある。
This is because if the recess is left on the nitride
又、図9及び図10のように形成した窒化物半導体ウエーハ面内の表面平坦性を測定したところ、[1−100]方向に測定した表面平坦性の測定結果が図11のようになる。尚、測定長600μm、測定時間3s、触針圧30mg、水平分解能1μm/sample、の測定条件によって測定を行った。このとき、測定した600μm幅の領域で、表面の最も高い部分と最も低い部分との段差は、図11のグラフより、200nmとなった。 Further, when the surface flatness in the nitride semiconductor wafer surface formed as shown in FIGS. 9 and 10 is measured, the measurement result of the surface flatness measured in the [1-100] direction is as shown in FIG. The measurement was performed under the measurement conditions of a measurement length of 600 μm, a measurement time of 3 s, a stylus pressure of 30 mg, and a horizontal resolution of 1 μm / sample. At this time, in the measured region of 600 μm width, the level difference between the highest part and the lowest part of the surface was 200 nm from the graph of FIG.
このように平坦性に差があるのは、図9(b)に示すように、加工基板10上表面に積層された窒化物半導体成長層11の各層の膜厚が、ウエーハの位置によって異なるためである。よって、窒化物半導体レーザ素子の特性が、素子が作製されたウエーハの面内位置によって、大きく異なるものとなり、窒化物半導体レーザ素子の特性に大きな影響を与えるMgをドープしたp層厚(図10に示すp型Al0.3Ga0.7N蒸発防止層106からp型GaNコンタクト層109まで積層されたp層の層厚の和に相当する)が、基板の面内位置によって大きく異なるものとなる。
The difference in flatness is as shown in FIG. 9B because the thickness of each layer of the nitride
又、電流狭窄構造であるリッジ構造を作りこむ際に、2μm幅のストライプ状にリッジ部を残し、他の部分はICP(Inductively Coupled Plasma)装置などを用いたドライエッチング技術を用いてエッチングされる。よって、エッチング前のp層厚がウエーハの面内位置によって異なれば、窒化物半導体レーザ素子の特性に最も影響を与えるエッチング後のp層の残り膜厚も、ウエーハの面内位置によって大きく異なることとなる。これらのことが原因で、窒化物半導体レーザ素子同士の間で層厚が異なるばかりか、一つの窒化物半導体レーザ素子内においても、p層の残り膜厚がほとんど無い部分と、大幅に残ってしまう部分とが混在することになる。このように、p層の残り膜厚がばらつくと、窒化物半導体レーザ素子の寿命や、上述したように、FFP(Far Field Pattern)の半値幅などの特性にも影響を与える。 Also, when a ridge structure that is a current confinement structure is formed, the ridge portion is left in a stripe shape having a width of 2 μm, and the other portions are etched using a dry etching technique using an ICP (Inductively Coupled Plasma) apparatus or the like. . Therefore, if the p-layer thickness before etching varies depending on the in-plane position of the wafer, the remaining thickness of the p-layer after etching that most affects the characteristics of the nitride semiconductor laser device also varies greatly depending on the in-plane position of the wafer. It becomes. For these reasons, the nitride semiconductor laser elements have different layer thicknesses, and even within a single nitride semiconductor laser element, the p-layer has almost no remaining film thickness and remains significantly. Will be mixed. Thus, if the remaining film thickness of the p layer varies, the lifetime of the nitride semiconductor laser element and characteristics such as the half width of FFP (Far Field Pattern) are affected as described above.
このように、ウエーハ面内で大きな層厚分布が存在するのは、窒化物半導体基板を含む加工基板の丘の部分にエピタキシャル成長する膜の成長速度が、掘り込み領域の影響で変化し、そのウエーハ面内で均一性が悪化したためであると考えられる。 Thus, a large layer thickness distribution exists in the wafer surface because the growth rate of the film epitaxially grown on the hill portion of the processed substrate including the nitride semiconductor substrate changes due to the influence of the digging region. This is probably because the uniformity in the surface deteriorated.
即ち、図12のように、掘り込み領域16が形成された加工基板10に対して、エピタキシャル成長を開始させると、成長の始めた初期段階では、図12(a)のように、掘り込み領域16の底面部124及び側面部126上に成長した窒化物半導体薄膜から成る掘り込み領域内成長部122が、掘り込み領域16の部分の一部しか埋めていない。このとき、丘19の上面部123表面で成長する窒化物半導体薄膜から成る上面成長部121は、窒化物半導体薄膜表面が平坦な状態で成長が進行する。
That is, when the epitaxial growth is started on the processed
上述の図12(a)の状態から、窒化物半導体薄膜のエピタキシャル成長が進行していくと、図12(b)のように、掘り込み領域16の底面部124及び側面部126上に成長した窒化物半導体薄膜から成る掘り込み領域内成長部122が掘り込み領域16をほとんど埋めてしまい、丘19の上面部123表面で成長した窒化物半導体薄膜から成る上面成長部121と成長部125を介して連結した状態になる。このような状態になると、丘19の上面部123上で成長した窒化物半導体薄膜表面に付着した原料となる原子・分子(Ga原子など)が、熱エネルギーによりマイグレーションなどをおこし、成長部125や掘り込み領域内成長部122に移動してしまう。このマイグレーションによる原子・分子の移動はウエーハ面内で非常に不均一に発生し、又、その移動距離もウエーハ面内で異なる値をとる。その結果、図12(b)のように、上面成長部121表面の平坦性が悪化する。
When the epitaxial growth of the nitride semiconductor thin film progresses from the state of FIG. 12A described above, the nitride grown on the
このような窒化物半導体薄膜の平坦性は、オフ角度のウエーハ面内分布や基板曲率のウエーハ面内分布などの窒化物半導体基板自体の不均一性、またはエピタキシャル成長速度の基板面内の不均一性、掘り込みプロセスの基板面内の不均一性などが影響して、[1−100]方向においても悪化する。即ち、掘り込み領域16が埋まるまでの時間が[1−100]方向によって異なり、早く埋まってしまった部分は、丘19の上面成長部121からマイグレーションなどにより、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が成長部125又は掘り込み領域内成長部122に移動する。よって、移動したところで窒化物半導体薄膜を形成する時間が長くなり、結果、掘り込み領域16に形成される窒化物半導体薄膜の膜厚が厚くなる。一方、掘り込み領域16が埋まりきらなかった部分では、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が丘19の上面成長部121から掘り込み領域16内に移動しない、もしくは移動しても窒化物半導体薄膜を形成する時間が短い。よって、この掘り込み領域16に形成される窒化物半導体薄膜の膜厚は、掘り込み領域16が早く埋まってしまった部分よりも薄くなる。
The flatness of such a nitride semiconductor thin film is due to the non-uniformity of the nitride semiconductor substrate itself such as the off-angle wafer in-plane distribution and the substrate curvature in-wafer distribution, or the epitaxial growth rate in-plane non-uniformity. Also, the non-uniformity in the substrate surface of the digging process affects the [1-100] direction. That is, the time until the digging
又、窒化物半導体薄膜の成長速度がウエーハ表面に供給される原子・分子のフラックスなどによって律速されている、いわゆる供給律速な状態であるとき、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子がマイグレーションなどにより掘り込み領域16に流れこんだ場合、ウエーハ表面全体に供給される原料となる原子・分子のフラックスが一定であるので、丘19の上面部123上に窒化物半導体薄膜が成長する上面成長部121部分の膜厚は、薄くなる。逆の場合、即ち、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子がマイグレーションなどにより掘り込み領域16に流れ込まない場合、丘19の上面部123上に窒化物半導体薄膜が成長する上面成長部121部分の膜厚は、厚くなる。
Also, when the growth rate of the nitride semiconductor thin film is controlled by the flux of atoms / molecules supplied to the wafer surface, the so-called supply-controlled state, the atoms / molecules that are the raw material of the nitride semiconductor thin film migrate When flowing into the digging
これが原因となって、丘19の上面部123上の上面成長部121の層厚がウエーハ面内で異なり、結果、窒化物半導体薄膜表面の平坦性が悪化することになる。即ち、平坦性を向上させるには、丘19の上面成長部121からマイグレーションなどにより、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が成長部125又は掘り込み領域内成長部122に移動して窒化物半導体薄膜を形成することを抑制する必要がある。
Due to this, the layer thickness of the upper
更に、上述の特許文献1による技術で、窒化物半導体レーザ素子を作製した場合、窒化物半導体成長層11表面の窪み部分に、電極を作製すると、その窪み部分に電流のリークパスが発生し、正常なI−V特性が得られないことが分かった。通常、窪み上には、SiO2などの絶縁膜が形成され、その上に電極が作製されているが、窪みが存在しているために、その表面上に絶縁膜が均一に成膜されず、小さなクラック、非常に薄い領域、小さな穴(ピット)などが多数発生している。このため、この不均一な絶縁膜の部分を通して、電流リークが発生する。
Further, when a nitride semiconductor laser device is manufactured by the technique according to Patent Document 1 described above, if an electrode is formed in a recessed portion on the surface of the nitride
このような問題を鑑みて、本発明は、少なくとも表面の一部に窒化物半導体層を備えた基板上に、窒化物半導体成長層を積層し窒化物半導体レーザ素子などの半導体素子を作製するに際し、クラックの発生を防止し、併せて、丘表面の上面成長部からマイグレーションなどにより、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が掘り込み領域に移動して窒化物半導体薄膜を形成することを抑制することにより、表面平坦性が良好な窒化物半導体成長層を形成し、電流リークパスやダメージの無い半導体素子及びその製造方法を提案することを目的とする。 In view of such a problem, the present invention provides a semiconductor device such as a nitride semiconductor laser device by stacking a nitride semiconductor growth layer on a substrate having a nitride semiconductor layer on at least a part of its surface. Prevent the generation of cracks, and at the same time, the migration of the top surface of the hill surface causes migration of atoms / molecules as the raw material of the nitride semiconductor thin film to the digging region to form the nitride semiconductor thin film. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor growth layer with good surface flatness by suppressing the semiconductor element, and to provide a semiconductor element free from a current leak path and damage and a manufacturing method thereof.
上記目的を達成するために本発明は、少なくとも表面の一部に窒化物半導体層を備える基板に、少なくとも1つの凹部から成る掘り込み領域と掘り込まれていない領域である丘部とを形成して加工基板を作製する第1ステップを備えた半導体素子の製造方法において、前記加工基板が備える丘部の両端部双方に凸部からなる流れ込み防止壁を形成する第2ステップと、前記第2ステップで前記流れ込み防止壁が形成された前記加工基板の掘り込み領域及び前記丘部表面の双方に少なくとも1種類以上の窒化物半導体薄膜からなる窒化物半導体積層部を形成することで、前記丘の両端部に形成された前記流れ込み防止壁上に前記窒化物半導体積層部を積層し、前記丘部表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面との間に段差が設けられた凸状の流れ込み防止部を形成する第3ステップと、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention forms a digging region consisting of at least one concave portion and a hill portion which is a non-digging region on a substrate having a nitride semiconductor layer on at least a part of its surface. In the method of manufacturing a semiconductor device including the first step of manufacturing the processed substrate, the second step of forming the inflow prevention walls made of convex portions on both ends of the hill portion included in the processed substrate, and the second step And forming a nitride semiconductor laminated portion made of at least one nitride semiconductor thin film on both the digging region of the processed substrate and the hill surface where the inflow prevention wall is formed. The nitride semiconductor laminated portion is laminated on the inflow prevention wall formed in the portion, and a step is provided between the flat surface of the nitride semiconductor laminated portion laminated on the hill surface. Characterized in that it comprises a third step of forming a convex inflow prevention portion that, the.
このような方法において、前記掘り込み領域を構成する前記凹部は、ストライプ状に形成されても構わないし、桝目状に形成されても構わない。 In such a method, the concave portion constituting the digging region may be formed in a stripe shape or a grid shape.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第3ステップで前記窒化物半導体積層部を形成する際、前記掘り込み領域の前記凹部が完全に埋もれていないものとしても構わない。 Further, in such a method of manufacturing a semiconductor device, when the nitride semiconductor multilayer portion is formed in the third step, the concave portion of the digging region may not be completely buried.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記流れ込み防止壁がSiO2、Al2O3、TiO2、ZrO、W、のいずれかで構成されているものとしても構わない。 In such a method of manufacturing a semiconductor device, in the second step, the inflow prevention wall may be composed of any one of SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO, and W. Absent.
これら上述した材料の表面にGaN又はAlGaNを成膜した場合、GaN又はAlGaNの成長速度が遅い、又は、GaN又はAlGaNが成長しないなどの選択性を有する。このような選択性を有する材料であれば、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO、W、以外の材料を用いても構わない。 When a film of GaN or AlGaN is formed on the surface of these materials described above, there is selectivity such that the growth rate of GaN or AlGaN is slow or GaN or AlGaN does not grow. A material other than SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO, and W may be used as long as it has such selectivity.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記流れ込み防止壁を形成する際、前記流れ込み防止壁における、前記丘部表面と垂直な方向である法線方向の厚みが、50nm以上3μm以下であるとしても構わない。 Further, in such a method of manufacturing a semiconductor element, when forming the inflow prevention wall in the second step, the thickness in the normal direction that is a direction perpendicular to the surface of the hill portion in the inflow prevention wall, It may be 50 nm or more and 3 μm or less.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記流れ込み防止壁を形成する際、前記流れ込み防止壁における長手方向と垂直な方向における幅が、1μm以上25μm以下であるとしても構わない。 In the method of manufacturing a semiconductor device, when the inflow prevention wall is formed in the second step, the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the inflow prevention wall may be 1 μm or more and 25 μm or less. I do not care.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第3ステップで前記流れ込み防止壁を備えた前記加工基板表面に積層された前記窒化物半導体積層部上に、外部との電気的接続を行うワイヤボンディングを実施するための電極パッドを形成して前記基板上に複数の半導体素子を形成する第4ステップを備えるとともに、前記第4ステップにおいて、
前記掘り込み領域の上部に前記電極パッドを形成しないことを特徴とする。
Further, in such a method of manufacturing a semiconductor device, a wire for electrical connection to the outside is formed on the nitride semiconductor laminated portion laminated on the processed substrate surface provided with the flow-in prevention wall in the third step. In the fourth step, an electrode pad for performing bonding is formed to form a plurality of semiconductor elements on the substrate.
The electrode pad is not formed on the digging region.
又、このような半導体素子の製造方法において、少なくとも表面の一部に窒化物半導体層を備える基板に、少なくとも1つの凹部から成る掘り込み領域と掘り込まれていない領域である丘部とを形成して加工基板を作製する第1ステップと、前記加工基板が備える掘り込み領域及び前記丘部表面の双方に少なくとも1種類以上の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体積層部を積層する第2ステップとを、備えた半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記掘り込み領域の近傍となる前記丘部の両端部双方の上に積層する前記窒化物半導体積層部の前記丘部表面から前記窒化物半導体積層部表面までの膜厚を、前記丘部の両端部以外の領域に積層する前記窒化物半導体積層部の前記丘部表面から前記窒化物半導体積層部表面までの膜厚より厚く積層することで、前記掘り込み領域の近傍となる前記丘部の両端部双方に、前記丘部の両端部以外の領域の表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面に対して凸状の形状を備える流れ込み防止部を形成することを特徴とする。 Further, in such a method of manufacturing a semiconductor device, a digging region composed of at least one recess and a hill portion that is not digging are formed on a substrate having a nitride semiconductor layer on at least a part of its surface. A first step of fabricating a processed substrate, and a second step of stacking a nitride semiconductor stacked portion made of at least one type of nitride semiconductor thin film on both the digging region and the hill surface of the processed substrate. In the method for manufacturing a semiconductor device, the second step, from the surface of the hill portion of the nitride semiconductor stacked portion that is stacked on both ends of the hill portion in the vicinity of the digging region. The nitride semiconductor multilayer portion from the hill surface of the nitride semiconductor multilayer portion, wherein the film thickness to the nitride semiconductor multilayer portion surface is laminated in a region other than both ends of the hill portion. By laminating thicker than the film thickness up to the surface, the nitride semiconductor laminated portion laminated on the surface of the region other than the both end portions of the hill portion on both ends of the hill portion in the vicinity of the digging region The inflow prevention portion having a convex shape is formed on the surface of the flat portion.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップで前記窒化物半導体積層部を形成する際、前記掘り込み領域の前記凹部が完全に埋もれていないことを特徴とする。 Further, in such a method for manufacturing a semiconductor device, the recess of the digging region is not completely buried when the nitride semiconductor stacked portion is formed in the second step.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記丘部表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面と、凸状の前記流れ込み防止部との間で形成される段差が150nm以上であるとする。 Further, in such a method of manufacturing a semiconductor element, in the second step, the gap is formed between the flat surface of the nitride semiconductor stacked portion stacked on the hill surface and the convex inflow preventing portion. It is assumed that the step difference is 150 nm or more.
このような方法において、上述した段差を150nm以上とすることにより、歩留まり良く半導体素子が作製される。 In such a method, by setting the above-described step to 150 nm or more, a semiconductor element can be manufactured with high yield.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜を0.5μm以下のGaNとする。 In such a semiconductor device manufacturing method, in the second step, the nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate surface is made GaN having a thickness of 0.5 μm or less.
このような方法によると、前記加工基板表面にマイグレーションしやすいGaNを成長させた後においても、引き続き、AlGaNなどの窒化物半導体薄膜を積層することで、前記丘部表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面と凸状の前記流れ込み防止部との間で形成される前記段差を150nm以上とすることができる。 According to such a method, even after growing GaN that is easy to migrate to the surface of the processed substrate, the nitride layered on the hill surface is continuously laminated by laminating a nitride semiconductor thin film such as AlGaN. The step formed between the flat portion surface of the semiconductor stacked portion and the convex flow-in prevention portion can be 150 nm or more.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜をAlGaNとしても構わない。 In such a method of manufacturing a semiconductor device, in the second step, the nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate surface may be AlGaN.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜をGaNとし、前記加工基板表面に前記GaNを成膜するときの基板表面温度を1025℃としても構わない。 In such a method of manufacturing a semiconductor device, in the second step, the nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate surface is GaN, and the substrate surface temperature when forming the GaN on the processed substrate surface is set to It may be 1025 ° C.
このような方法によると、前記加工基板に接する前記窒化物半導体薄膜をGaNとした場合においても、前記丘部表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面と凸状の前記流れ込み防止部との間で形成される前記段差を150nm以上とすることができ、歩留まり良く半導体素子が作製される。 According to such a method, even when the nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate is GaN, the flat portion surface of the nitride semiconductor laminated portion laminated on the hill surface and the convex inflow prevention The step formed between the portions can be 150 nm or more, and a semiconductor element can be manufactured with high yield.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜をGaNとし、前記GaNを成膜する際、III族であるガリウム原子を含む原料の単位時間当たり供給される流量のモル数に対する、V族である窒素原子を含む原料の単位時間当たり供給される流量のモル数の比が、2000以上であるとしても構わない。 Further, in such a method of manufacturing a semiconductor element, in the second step, the nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate surface is GaN, and when the GaN is formed, a raw material containing a group III gallium atom The ratio of the number of moles of the flow rate supplied per unit time of the raw material containing a nitrogen atom that is a group V to the number of moles of the flow rate supplied per unit time may be 2000 or more.
このような方法によると、前記加工基板に接する前記窒化物半導体薄膜をGaNとした場合においても、前記丘部表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面と凸状の前記流れ込み防止部との間で形成される前記段差を150nm以上とすることができ、歩留まり良く半導体素子が作製される。 According to such a method, even when the nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate is GaN, the flat portion surface of the nitride semiconductor laminated portion laminated on the hill surface and the convex inflow prevention The step formed between the portions can be 150 nm or more, and a semiconductor element can be manufactured with high yield.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップにおいて、前記窒化物半導体積層部を構成する前記窒化物半導体薄膜に、Al組成比が0.02以上であるAlGaN層が含まれるものとしても構わない。 Further, in such a method of manufacturing a semiconductor device, in the second step, the nitride semiconductor thin film constituting the nitride semiconductor multilayer portion includes an AlGaN layer having an Al composition ratio of 0.02 or more. It does not matter.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第2ステップで前記加工基板表面に積層された前記窒化物半導体積層部上に、外部との電気的接続を行うワイヤボンディングを実施するための電極パッドを形成して前記基板上に複数の半導体素子を形成する第4ステップを備えるとともに、前記第4ステップにおいて、前記掘り込み領域の上部に前記電極パッドを形成しないことを特徴とする。 Further, in such a method for manufacturing a semiconductor device, an electrode for performing wire bonding for electrical connection to the outside on the nitride semiconductor laminated portion laminated on the processed substrate surface in the second step. A fourth step of forming a plurality of semiconductor elements on the substrate by forming a pad is provided, and in the fourth step, the electrode pad is not formed above the digging region.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第4ステップにおいて、前記電極パッドを前記掘り込み領域の端から30μm以上離して形成するものとしても構わない。 Further, in such a method for manufacturing a semiconductor element, in the fourth step, the electrode pad may be formed at a distance of 30 μm or more from the end of the digging region.
又、このような半導体素子の製造方法において、2つの隣接する前記掘り込み領域に挟まれた前記丘部に、1つの前記半導体素子を形成するものとしても構わないし、複数の前記半導体素子を形成するものとしても構わない。 Further, in such a semiconductor element manufacturing method, one semiconductor element may be formed on the hill portion sandwiched between two adjacent digging regions, or a plurality of the semiconductor elements may be formed. It does n’t matter what you do.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記掘り込み領域に積層された前記窒化物半導体積層部表面又は前記掘り込み領域の直下部分となる前記加工基板の裏面側をスクライビングして、チップ分割を実施するものとしても構わない。 Further, in such a method of manufacturing a semiconductor element, the surface of the nitride semiconductor laminated portion laminated in the digging region or the back side of the processed substrate which is a portion immediately below the digging region is scribed, thereby dividing the chip. It does not matter even if it implements.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第1ステップにおいて、前記凹部から成る前記掘り込み領域を形成する際、前記凹部の深さが、1μm以上20μm以下であるものとしても構わない。 In such a method of manufacturing a semiconductor element, the depth of the concave portion may be 1 μm or more and 20 μm or less when the digging region including the concave portion is formed in the first step.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第1ステップにおいて、前記凹部から成る前記掘り込み領域を形成する際、前記凹部の開口幅が、1μm以上であるものとする。 In such a method of manufacturing a semiconductor element, when the digging region including the recess is formed in the first step, the opening width of the recess is 1 μm or more.
このような方法によると、前記掘り込み領域が前記窒化物半導体薄膜により埋まってしまうこと、及び、前記掘り込み領域の上部で前記窒化物半導体薄膜が会合し前記掘り込み領域内に空洞が形成されること、が防止される。 According to such a method, the digging region is filled with the nitride semiconductor thin film, and the nitride semiconductor thin film associates above the digging region to form a cavity in the digging region. Is prevented.
又、このような半導体素子の製造方法において、前記第1ステップにおいて、前記凹部から成る前記掘り込み領域を形成する際、隣接前記掘り込み領域に挟まれた前記丘部の幅が、140μm以上4mm以下であるとしても構わない。 In such a method of manufacturing a semiconductor element, when forming the digging region including the concave portion in the first step, a width of the hill portion sandwiched between adjacent digging regions is 140 μm or more and 4 mm. The following may be used.
更に、本発明の半導体素子は、上述したいずれかに記載の前記半導体素子の製造方法によって製造されることを特徴とする。 Furthermore, the semiconductor element of the present invention is manufactured by any one of the above-described methods for manufacturing a semiconductor element.
本発明によると、掘り込み領域を備えた加工基板の丘部の両端部双方にSiO2などから成る凸部か成る流れ込み防止壁を形成し、加工基板表面に窒化物半導体薄膜を成長させて流れ込み防止壁が形成された丘部の両端部に層厚の厚い凸状の流れ込み防止部を形成する。この流れ込み防止部によって、基板表面に更に窒化物半導体薄膜を成長させるとき、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が丘表面の上面成長部からマイグレーションなどにより掘り込み領域内に移動して掘り込み領域内で窒化物半導体薄膜を形成することを抑制する。この結果、丘表面の上面成長部において表面平坦性が良好な窒化物半導体薄膜を形成することができ、結果、各窒化物半導体薄膜の層厚を均一にできる。 According to the present invention, a flow prevention wall made of a convex portion made of SiO 2 or the like is formed on both end portions of a hill portion of a processed substrate having a digging region, and a nitride semiconductor thin film is grown on the processed substrate surface to flow in. Thick convex inflow prevention portions are formed at both end portions of the hill portion where the prevention walls are formed. When the nitride semiconductor thin film is further grown on the substrate surface by this inflow prevention part, the atoms / molecules that are the raw material of the nitride semiconductor thin film move from the upper surface growth part of the hill surface into the digging region by migration or the like. The formation of the nitride semiconductor thin film in the recessed region is suppressed. As a result, a nitride semiconductor thin film with good surface flatness can be formed in the upper surface growth portion of the hill surface, and as a result, the thickness of each nitride semiconductor thin film can be made uniform.
又、本発明によると、SiO2などを材料とする流れ込み防止壁の厚みを、50nm以上とすることにより、ウエーハ面内で均一な厚みの流れ込み防止壁を形成できる。又、流れ込み防止壁の厚みを3μm以下とすることにより、又は、流れ込み防止壁の長手方向に垂直な方向の幅を25μm以下とすることにより、流れ込み防止壁から窒化物半導体薄膜へ応力が掛かることを抑制できる。又、流れ込み防止壁の長手方向に垂直な方向の幅を1μm以上とすることにより、流れ込み防止壁が容易に形成できる。 In addition, according to the present invention, when the thickness of the inflow prevention wall made of SiO 2 or the like is 50 nm or more, the inflow prevention wall having a uniform thickness can be formed in the wafer surface. Further, when the thickness of the inflow prevention wall is 3 μm or less, or the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the inflow prevention wall is 25 μm or less, stress is applied from the inflow prevention wall to the nitride semiconductor thin film. Can be suppressed. In addition, when the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the inflow prevention wall is 1 μm or more, the inflow prevention wall can be easily formed.
又、本発明によると、掘り込み領域を構成する凹部の深さ又は開口幅それぞれを1μm以上とすることにより、掘り込み領域が窒化物半導体薄膜により埋まってしまうことを防止して、窒化物半導体積層部に内包される歪みを開放し、クラックの発生を抑制できる。又、掘り込み領域の深さを20μm以下とすることにより、後工程のチップ分割工程において、ウエーハが割れることが防止される。 In addition, according to the present invention, by setting the depth or opening width of the recesses constituting the digging region to be 1 μm or more, the digging region is prevented from being filled with the nitride semiconductor thin film, and the nitride semiconductor The strain contained in the laminated portion can be released and the generation of cracks can be suppressed. Further, by setting the depth of the digging region to 20 μm or less, it is possible to prevent the wafer from cracking in the subsequent chip dividing step.
又、本発明によると、隣接する掘り込み領域に挟まれた丘の幅を140μm以上にすることにより、丘の平坦な部分に半導体素子を作製し、外部との電気的接続を行うワイヤボンディングも容易に実施できる。又、隣接する掘り込み領域に挟まれた丘の幅を4mm以下とすることで、窒化物半導体薄膜を積層した窒化物半導体積層部内にクラックが発生することが抑制される。 In addition, according to the present invention, by making the width of a hill sandwiched between adjacent digging regions 140 μm or more, a semiconductor element is produced on a flat portion of the hill, and wire bonding is performed for electrical connection with the outside. Easy to implement. In addition, by setting the width of the hill sandwiched between adjacent digging regions to 4 mm or less, the occurrence of cracks in the nitride semiconductor laminated portion in which the nitride semiconductor thin films are laminated is suppressed.
又、本発明によると、掘り込み領域の上部に電極パッドを形成せず、又、掘り込み領域端部から電極パッドまでの距離を30μm以上とすることにより、掘り込み領域における絶縁膜や窒化物半導体薄膜の欠陥、転位、クラックなどの影響を受けない。その結果、電流リークやダメージのない半導体素子を製造できる。 In addition, according to the present invention, the electrode pad is not formed on the upper part of the digging region, and the distance from the end of the digging region to the electrode pad is set to 30 μm or more so that the insulating film and nitride in the digging region Not affected by defects, dislocations, cracks, etc. in semiconductor thin films. As a result, a semiconductor element free from current leakage and damage can be manufactured.
又、本発明によると、掘り込み領域に積層された窒化物半導体積層部表面又は掘り込み領域の直下部分となる加工基板の裏面側をスクライビングして、チップ分割する。このため、この掘り込み領域における溝をチップ分割の際のガイドとすることができ、チッピングや意図しない方向への分割などの発生を防ぐことができる。 In addition, according to the present invention, the surface of the nitride semiconductor laminated portion laminated in the digging region or the back side of the processed substrate that is directly below the digging region is scribed to divide the chip. For this reason, the groove in the digging region can be used as a guide for chip division, and chipping and division in an unintended direction can be prevented.
又、本発明によると、基板に凹部を備えた掘り込み領域を形成して掘り込み領域近傍となる丘部の両端部双方において層厚を厚くでき、凸状の流れ込み防止部を形成する。この流れ込み防止部により、更に、窒化物半導体薄膜を成長させるとき、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が丘表面の上面成長部からマイグレーションなどにより掘り込み領域内に移動して、掘り込み領域内で窒化物半導体薄膜を形成することが抑制される。この結果、丘表面の上面成長部において、表面平坦性が良好な窒化物半導体薄膜を形成することができ、結果、各窒化物半導体薄膜の層厚を均一にできる。 Further, according to the present invention, the digging region having the concave portion is formed on the substrate, and the layer thickness can be increased at both end portions of the hill portion near the digging region, thereby forming the convex inflow prevention portion. When the nitride semiconductor thin film is further grown by this inflow prevention part, the atoms / molecules that are the raw material of the nitride semiconductor thin film move from the upper surface growth part of the hill surface into the digging region by migration or the like, and digging. Formation of the nitride semiconductor thin film in the region is suppressed. As a result, a nitride semiconductor thin film with good surface flatness can be formed in the upper surface growth portion of the hill surface, and as a result, the thickness of each nitride semiconductor thin film can be made uniform.
まず、本明細書において、いくつかの用語の意味を予め明らかにしておく。まず、「掘り込み領域」とはたとえば図2に示されているように窒化物半導体基板又は異種基板表面でストライプ状に加工された凹部を意味する。図2は掘り込み加工を実施し、掘り込み領域16と丘19は形成された基板の概略断面図である。掘り込み領域16の断面形状は、必ずしも矩形状である必要はなく、図2に示したように、△形状、もしくは台形の形状でも構わなく、凹凸の段差を生じさせるものであれば良い。又、掘り込み領域16は必ずしも単独の凹部でなくても、複数の凹部と当該凹部に挟まれた狭い平坦部からなるものとしても構わない。
First, in this specification, the meaning of some terms will be clarified in advance. First, the “digging region” means, for example, a recess processed into a stripe shape on the surface of a nitride semiconductor substrate or a different substrate as shown in FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the substrate in which the digging process is performed and the digging
又、「丘」は、同様にストライプ状に加工された凸部である。図2に示された掘り込み領域16と丘19は1方向に沿って加工されたストライプ配列であるが、掘り込み領域16又は丘19が互いに交差し合った桝目配列であってもよい。また、一つの基板上に異なる形状の掘り込み領域16、掘り込み深さ、幅が異なる掘り込み領域が存在していても良い。また、一つの基板上で掘り込み領域16が形成される周期が異なっても構わない。
The “hill” is a convex portion that is similarly processed into a stripe shape. The digging
「窒化物半導体基板」は、AlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z≦1;x+y+z=1)から成る基板を意味する。ただし、窒化物半導体基板の窒素元素のうちで、その約10%以下がAs、P、またはSbの元素で置換されても構わない(但し、基板の六方晶系が維持されている。)。又、窒化物半導体基板中に、Si、O、Cl、S、C、Ge、Zn、Cd、Mg、またはBeがドーピングされても構わない。更に、n型窒化物半導体としては、これらのドーピング材料のうちでも、Si、O、およびClが特に好ましい。窒化物半導体基板の主面方位としては、C面{0001}、A面{11−20}、R面{1−102}、M面{1−100}、または{1−101}面が好ましく用いられ得る。また、これらの結晶面方位から2°以内のオフ角度を有する基板主面であれば、その表面モホロジーが良好であり得る。 “Nitride semiconductor substrate” means a substrate made of Al x Ga y In z N (0 ≦ x ≦ 1; 0 ≦ y ≦ 1; 0 ≦ z ≦ 1; x + y + z = 1). However, about 10% or less of the nitrogen element of the nitride semiconductor substrate may be substituted with an element of As, P, or Sb (however, the hexagonal system of the substrate is maintained). The nitride semiconductor substrate may be doped with Si, O, Cl, S, C, Ge, Zn, Cd, Mg, or Be. Furthermore, as these n-type nitride semiconductors, Si, O, and Cl are particularly preferable among these doping materials. The principal plane orientation of the nitride semiconductor substrate is preferably a C plane {0001}, A plane {11-20}, R plane {1-102}, M plane {1-100}, or {1-101} plane. Can be used. Further, if the substrate main surface has an off angle within 2 ° from these crystal plane orientations, the surface morphology can be good.
<第1の実施形態>
次に、本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の各実施形態において、半導体素子の一例として窒化物半導体レーザの説明を行うが、本発明は他の半導体素子にも適用可能である。図1(a)は、本実施形態における窒化物半導体レーザ素子の概略断面図であり、図1(b)は図1(a)の上面図である。図3(b)は、本発明の実施形態の、窒化物半導体薄膜を成長させる前の加工基板10の概略断面図であり、図3(a)は図3(b)の上面図である。図1及び図3において、面方位も併せて表示する。
<First Embodiment>
Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the following embodiments, a nitride semiconductor laser will be described as an example of a semiconductor element, but the present invention can also be applied to other semiconductor elements. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the nitride semiconductor laser device according to this embodiment, and FIG. 1B is a top view of FIG. FIG. 3B is a schematic cross-sectional view of the processed
本実施形態の窒化物半導体レーザ素子では、凹部となる掘り込み領域16を備えた窒化物半導体基板より成る加工基板10に、更に、掘り込まれていない領域である丘19の両端部双方に[1−100]方向に延在するストライプ状のSiO2壁を形成し、当該加工基板10上に窒化物半導体成長層11を成長させることで作製される。このような窒化物半導体レーザ素子において、まず、加工基板10の作製方法について、図面を参照して説明する。尚、本実施形態では加工基板10としてn型GaN基板を用いるものとする。
In the nitride semiconductor laser device of the present embodiment, the processed
まず、n型GaN基板の全面に膜厚1μmのSiO2などをスパッタ蒸着してSiO2膜を形成し、引き続き、一般的なフォトリソグラフィ工程において、ストライプ形状のフォトレジストパターンを、レジスト開口部の幅5μm、ストライプ中心部と隣接するストライプ中心部との[11−20]方向と平行な方向での間隔(以下、周期)が250μmとなるように、[1−100]方向に形成する。次に、RIE(Reactive Ion Etching)技術などのドライエッチング技術を用い、SiO2膜及びn型GaN基板をエッチングすることで、掘り込み深さYを5μm、開口幅Xを5μmとする掘り込み領域16を形成する。その後、エッチャントとしてHF(フッ酸)などを用いてSiO2を除去することで掘り込み領域16と丘19を備えた加工基板10を作製する。
First, sputter deposited SiO 2 or the like having a thickness of 1μm on the entire surface of the n-type GaN substrate to form a SiO 2 film, subsequently, in a general photolithography process, a photoresist pattern of stripes, the resist opening portion It is formed in the [1-100] direction so that the width (hereinafter referred to as the period) in the direction parallel to the [11-20] direction between the stripe central part and the adjacent stripe central part is 250 μm in width. Next, a dry etching technique such as RIE (Reactive Ion Etching) technique is used to etch the SiO 2 film and the n-type GaN substrate so that the digging depth Y is 5 μm and the opening width X is 5 μm. 16 is formed. Thereafter, SiO 2 is removed using HF (hydrofluoric acid) or the like as an etchant, thereby manufacturing the processed
尚、本実施形態ではSiO2を蒸着してSiO2膜をn型GaN基板表面に形成するものとするが、これに限定されるものではなく、他の誘電体膜などをn型GaN基板表面に形成するものとして構わない。又、上述したSiO2膜の形成方法はスパッタ蒸着に限定されるものではなく、電子ビーム蒸着法、プラズマCVD法などの方法を用いても構わない。又、レジストパターンについても、その周期は上述の250μmに限定されるものではなく、作製する窒化物半導体レーザ素子の幅によって、変化させても構わない。更に、本実施形態では、掘り込み領域16を形成するのにドライエッチング技術を用いるものとしたが、この方法に限定されるものではなく、ウエットエッチング技術などを用いても構わない。
In this embodiment, SiO 2 is deposited to form the SiO 2 film on the surface of the n-type GaN substrate. However, the present invention is not limited to this, and other dielectric films are formed on the surface of the n-type GaN substrate. It does not matter as what is formed. Further, the above-described method for forming the SiO 2 film is not limited to sputtering deposition, and methods such as electron beam deposition and plasma CVD may be used. Also, the period of the resist pattern is not limited to the above 250 μm, and may be changed depending on the width of the nitride semiconductor laser element to be manufactured. Furthermore, in this embodiment, the dry etching technique is used to form the digging
このようにして形成される加工基板10は、上述のようにn型GaN基板表面に直接、掘り込み領域16を掘り込むことで形成しても構わないし、n型GaN基板やn型GaN基板以外の窒化物半導体基板、又は、異種基板の表面に、GaN、InGaN、AlGaN、InAlGaNなどの窒化物半導体薄膜を成長させた後に、掘り込むことで形成しても構わない。
The processed
このようにして、掘り込み領域16を備えた加工基板10を形成した後、更に、掘り込まれていない領域である丘19上にSiO2を蒸着し、SiO2膜を形成する。引き続き、丘19の両端において、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて、幅をDとするストライプ状のレジストパターンを[1−100]方向に形成する。このとき、掘り込み領域16の側面部から伸張した線がレジストパターンの側壁面に一致するようにレジストパターンを形成する。そして、ドライエッチング技術又はHF(フッ酸)などを用いたウエットエッチング技術を用いてn型GaN基板表面が露出するまで、SiO2膜のエッチングを実施する。その結果、図3に示すような、掘り込み領域16及び丘19と、当該丘19の両端部に幅がDで、且つ、厚みがTとなる[1−100]方向に延在するストライプ状のSiO2壁17と、が形成された加工基板10が得られる。
In this way, after forming the processed
尚、本実施形態において、SiO2を材料として用いSiO2壁17を形成しているが、壁の材料はSiO2に限定されるものではなく、Al2O3、TiO2、ZrO、W、などを用いても構わない。これらAl2O3、TiO2、ZrO、W、などの材料は、当該材料の表面にGaN又はAlGaNを成膜した場合、GaN又はAlGaNの成長速度が遅い、又は、GaN又はAlGaNが成長しないなどの選択性を有する。このような選択性を有する材料を用いて丘19の両端に壁を形成すると、掘り込み領域16内へのGaN又はAlGaNの原料となる原子・分子の流れ込みが抑制される。よって、SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO、Wなどの選択性を有する材料は、壁の材料として好ましい。
In this embodiment, the SiO 2 wall 17 is formed using SiO 2 as a material. However, the material of the wall is not limited to SiO 2 , and Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO, W, Etc. may be used. These materials such as Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO, W, etc., when GaN or AlGaN is formed on the surface of the material, the growth rate of GaN or AlGaN is slow, or GaN or AlGaN does not grow, etc. Selectivity. When walls are formed at both ends of the
尚、上述した方法でSiO2壁17を形成する際に、丘19上に形成するSiO2膜の膜厚の値Tが50nmより小さいと、ウエーハ面内で均一な膜厚のSiO2膜を形成することが容易でない。又、逆に、上述した方法でSiO2壁17を形成する際に、丘19に形成するSiO2膜の膜厚の値Tが3μmより大きくなると、SiO2膜から窒化物物半導体薄膜に応力が掛かるようになり、好ましくない。よって、SiO2壁17を形成する際に、丘19に形成するSiO2膜の膜厚Tの値は、50nm以上3μm以下であることが好ましい。
When the SiO 2 wall 17 is formed by the above-described method, if the thickness T of the SiO 2 film formed on the
又、SiO2壁17の[11−20]方向に平行な方向の幅Dは、1μm未満であるとプロセスを実施する上で難易度が増し、SiO2壁17の形成が困難となり、好ましくない。又、逆に、幅Dが25μmより大きいと、SiO2膜から窒化物物半導体薄膜に応力が掛かるようになり、好ましくない。よって、SiO2壁17の[11−20]方向に平行な方向の幅Dは、1μm以上25μm以下であることが、好ましい。 Further, if the width D in the direction parallel to the [11-20] direction of the SiO 2 wall 17 is less than 1 μm, the difficulty in carrying out the process increases and the formation of the SiO 2 wall 17 becomes difficult, which is not preferable. . On the other hand, if the width D is larger than 25 μm, stress is applied from the SiO 2 film to the nitride semiconductor thin film, which is not preferable. Therefore, it is preferable that the width D in the direction parallel to the [11-20] direction of the SiO 2 wall 17 is 1 μm or more and 25 μm or less.
又、上述のようにして形成される掘り込み領域16の深さYを1μm未満とした場合、掘り込み領域16が窒化物半導体成長層11により埋まってしまい、窒化物半導体成長層11に内包される歪みが開放されなくなり、その結果、クラックが発生する。又、深さYを20μm以上とした場合、後工程のチップ分割工程において、ウエーハの厚みが100μm程度になるまでを研磨するために、このときウエーハが割れることがある。よって、掘り込み領域16の深さYは1μm以上20μm以下が好ましい。
Further, when the depth Y of the digging
上述のようにして得られた加工基板10上に、MOCVD法などの周知の技術を適宜用いて、例えば、図10で示したような複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層11をエピタキシャル成長させることで、図1に示された窒化物半導体レーザ素子を作製する。
For example, a nitride
このような掘り込み領域16と丘19を備えるとともに、丘19の両端部にSiO2壁17が形成された加工基板10に窒化物半導体成長層11を積層するために、窒化物半導体薄膜を成長させた場合のウエーハの概略断面図を図4に示す。図4に示すように、窒化物半導体薄膜が、丘19の上面部41の中央部には上面成長部45として、SiO2壁17a、17b(図1のSiO2壁17に相当する)が形成された丘19の上面部41の両端部双方には流れ込み防止部44として、掘り込み領域16内の側面部42と底面部43には掘り込み領域内成長部47として、それぞれ成長している。又、流れ込み防止部44と掘り込み領域内成長部47は成長部46を介して結合している。
A nitride semiconductor thin film is grown in order to stack the nitride
図4に示すように、加工基板10がSiO2壁17a、17bを備えることにより、流れ込み防止部44は凸状に盛り上がった形状となっている。このことは、SiO2壁17a、17bによって、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が丘19の上面部41から掘り込み領域16内にマイグレーションして移動することが、抑制されるためである。このように流れ込み防止部44が凸状に形成されることで、窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が丘19の上面部41から掘り込み領域16内にマイグレーションして移動することが、更に、強く抑制される。
As shown in FIG. 4, when the processed
即ち、丘19の上面部41上に成長した上面成長部45の表面に窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が付着しても、流れ込み防止部44によって、成長部45及び掘り込み領域16内の側面部42や底面部43にマイグレーションして移動することが抑制される。よって、上面部45の表面に付着した原子・分子は、上面部45の表面でのみ、マイグレーションすることとなり、結果、上面部45の表面の平坦性が向上し、均一な膜厚の窒化物半導体薄膜が形成される。又、この流れ込み防止部44の[11−20]方向と平行な方向の幅は、10μmから30μm程度である。
That is, even if atoms / molecules that are the raw material of the nitride semiconductor thin film adhere to the surface of the upper
尚、本明細書において、「平坦性」とは上面成長部45、75(後述:図7参照)表面及び当該上面成長部45、75の上に積層された窒化物半導体薄膜表面における平坦性を指す。又、図4に示すように、SiO2壁17a、17bの延在する方向に対して垂直な面で切ったときの断面形状は、SiO2壁17aのように矩形でも構わないし、SiO2壁17bのように矩形以外の形状でも構わない。
In this specification, “flatness” refers to the flatness on the surface of the upper
このように窒化物半導体成長層11が積層される際、掘り込み領域16の開口幅Xを1μm未満とすると、図5(a)に示すように、掘り込み領域16が掘り込み領域内成長部47により完全に埋まってしまい、クラックが発生する。もしくは、図5(b)のように、丘19表面で成長する上面成長部45が横方向にも成長し、結果、掘り込み領域16の上部で上面成長部45が会合し、空洞51が形成される。このような場合、上面成長部45表面の平坦性が悪化するとともにクラック低減の効果が著しく低くなる。よって、掘り込み領域16の開口幅Xは1μm以上必要である。
When the nitride
このように流れ込み防止部44によって、丘19の上面部41に形成される上面成長部45において、良好な表面平坦性を得られる。この平坦性が良好な上面成長部45上に、複数の窒化物半導体薄膜を順次積層し、例えば、図10のような構成の窒化物半導体成長層11を形成することで、図1に示された窒化物半導体レーザ素子を作製する。又、窒化物半導体成長層11は、MOCVD法などの周知の技術を適宜用いることで形成されるので、その詳細な説明は省略する。
In this way, the
又、上述の加工基板10上形成されたこの窒化物半導体成長層11の表面にはレーザ光導波路であるレーザストライプ12と、レーザストライプ12を挟むように設置されるとともに、電流狭窄を目的としたSiO2膜13とが形成される。そして、このレーザストライプ12及びSiO2膜13それぞれの表面には、p側電極14が形成され、又、加工基板10の裏面にはn側電極15が形成される。このとき、レーザストライプ12直上のp側電極14表面の凸部をストライプ18とする。又、レーザストライプ12の中央部とSiO2壁17のレーザストライプ12側の端部との距離をdとする。尚、本実施形態では、この距離dを40μmとする。
The nitride
又、このような窒化物半導体レーザ素子において、p側電極14は、窒化物半導体成長層11に近い側から、Mo/Au、又は、Mo/Pt/Au、もしくはAu単層のみ、などから形成される。又、本実施形態では、電流狭窄のための絶縁膜としてSiO2膜13を用いているが、絶縁膜材料として、ZrO、TiO2などを用いても構わない。又、図1は、断面構造を分かりやすくするために、後述する実際にチップ分割する位置である掘り込み領域16とは別の箇所でチップ分割を実施することで得た窒化物半導体レーザ素子の断面を示す図としている。
Further, in such a nitride semiconductor laser device, the p-
このような、リッジ構造を備えた窒化物半導体レーザ素子は、加工基板10上に窒化物半導体成長層11を積層した後、周知の技術を適宜用いて作製されるので、その詳細な作製方法などの説明は省略する。そして、この窒化物半導体成長層11が積層されることで、加工基板10(ウエーハ)上に構成された複数の窒化物半導体レーザ素子を、個々の素子に分割する。このとき、まず、加工基板10の一部を除去し、ウエーハの厚みを100μm程度までに薄くする。その後、加工基板10の裏面側にn側電極15を形成する。引き続いて、ウエーハを[11−20]方向(図1参照)と平行な方向に沿って劈開して共振器端面を形成し、図6に示すように、複数の窒化物半導体レーザ素子を備えたバー状のものにする。この際、本実施形態では共振器方向([1−100]方向)の長さである共振器長を600μmとするが、この値に限定されるものではなく、好ましくは、共振器長が300μmから1200μmであれば良い。そして、共振器端面にSiO2及びTiO2から成る誘電体膜を電子ビーム蒸着法などを用いて交互に蒸着し、誘電体多層反射膜を形成する。尚、この誘電体多層反射膜を形成する誘電体材料としては、SiO2/TiO2に限定されるものではなく、例えば、SiO2/Al2O3などを用いても構わない。
Such a nitride semiconductor laser element having a ridge structure is manufactured by appropriately using a well-known technique after the nitride
このようにすることで、図6のように複数の窒化物半導体レーザ素子を備えたバーが得られる。尚、図6(b)は[11−20]方向(図1参照)と平行な方向にウエーハを劈開することで共振器端面を形成し、バー形状にしたものの概略断面図の一部であり、図6(a)は、その上面図である。 By doing so, a bar having a plurality of nitride semiconductor laser elements as shown in FIG. 6 is obtained. FIG. 6B is a part of a schematic cross-sectional view of a bar shape formed by cleaving the wafer in a direction parallel to the [11-20] direction (see FIG. 1) to form a resonator end face. FIG. 6A is a top view thereof.
この図6のような構成のバーにおいて、掘り込み領域16と、丘19の両端部にSiO2壁17が形成された加工基板10上に窒化物半導体成長層11が積層され、更に、その表面にSiO2膜13などの絶縁膜とp側電極14(図1参照)から成るp側電極パッド60が形成されている。尚、p側電極パッド60は、その表面にワイヤーボンディングが実施されるため、その厚さを通常、100nmから1μm程度とする。このとき、窒化物半導体成長層11内に電流狭窄層を持ち、この層で電流狭窄を行う「埋め込み型電流狭窄レーザ」では、p側電極14のみがp側電極パッド60となる。又、このようにして構成されるp側電極パッド60の表面には凸型のストライプ18が備えられているとともに、加工基板10の裏面にはn側電極15が形成されている。更に、このとき、図6に示すように、p側電極パッド60の両端それぞれから、各両端に隣接する掘り込み領域16の端部までの距離を、それぞれ、M、Nとする。
In the bar having the configuration as shown in FIG. 6, a nitride
このように形成されるp側電極パッド60は、図6に示すように、掘り込み領域16上には形成されない。これは、掘り込み領域16上では、窒化物半導体成長層11の表面が平坦でないため、その表面にSiO2などの絶縁膜を形成した場合、クラック、貫通転位、穴、部分的に膜厚の薄い部分、などが存在し、掘り込み領域16以外の他の領域と比較して、絶縁性が低く、リーク電流が流れるためである。
The p-
又、掘り込み領域16が埋まりきった状態で、目視で溝又は窪みが確認されなくても、掘り込み領域16では、掘り込み領域16が窒化物半導体薄膜を積層することで埋まっていく過程において、掘り込み領域16中の窒化物半導体薄膜中に欠陥、転位、クラックなどが発生する。このため、掘り込み領域16における窒化物半導体成長層11表面にSiO2などを形成した場合、絶縁性が低くなる。そのため、掘り込み領域16や窪み上にp側電極パッド60を形成した場合、その領域で自然放出光が確認されることがある。尚、この自然放出光は窒化物半導体レーザ素子内にリーク電流が流れたときに発生する。更に、[11−20]方向と平行な方向の幅が10μmから30μm程度である流れ込み防止部44が丘19の両端部双方に形成されるので、その領域においてp電極パッド60を形成するのは好ましくない。
In the state where the digging
以上のことから、掘り込み領域16の端から30μm以上離してp側電極パッド60を形成すると、上述した自然放出光について、レーザーストライプ12(図1参照)の領域以外からの発光は見られなかった。よって、掘り込み領域16の端部からp側電極パッド60の両端までの距離、M、Nは、それぞれ、30μm以上であることが好ましい。
From the above, when the p-
又、本実施形態では、窒化物半導体成長層11上にSiO2などの絶縁膜を用いて電流狭窄をするリッジストライプ型レーザに関して説明してきたが、これに限定されるものではなく、窒化物半導体成長層11の内部に電流狭窄層をもつVSIS(V-channeled Substrate Inner Stripe)型レーザなどでも構わない。このようなレーザは窒化物半導体成長層11の表面に電流狭窄のための絶縁膜がなく、p側電極パッド60はp側電極14のみから成る。尚、本明細書において電極パッドとは、絶縁膜上の電極パッド、もしくは電極自体を指す。このようなレーザにおいても、掘り込み領域16にp側電極パッド60を形成した場合、リッジストライプ型レーザと同様、大きなリーク電流が発生し、窒化物半導体レーザ素子の特性が悪化し、レーザ発振することができなかった。これは、掘り込み領域16の上部にある電流狭窄層の結晶性が悪化したことが原因と考えられる。よって、VSIS型レーザのようなレーザにおいても、掘り込み領域16の端部からp側電極パッド60の両端までの距離、M、Nは30μm以上であることが好ましい。
Further, in the present embodiment, the ridge stripe type laser that performs current confinement using an insulating film such as SiO 2 on the nitride
尚、本実施形態では、加工基板10としてn型GaNを用い、窒化物半導体成長層11表面に形成する電極パッドをp側電極パッドとしたが、これに限定されるものではなく、加工基板10としてp型半導体材料を用い、窒化物半導体成長層11の表面がn型の窒化物半導体薄膜で構成され、その表面に形成する電極パッドをn側電極パッドとした構成の窒化物半導体レーザ素子でも構わない。
In this embodiment, n-type GaN is used as the processed
又、窒化物半導体レーザ素子の構造などにもよるが、ワイヤーボンディングを実施する場合、ワイヤ先端のボール部分の直径が略80μmであるため、p側電極パッド60の幅は略80μm以上、必要である。よって、隣接する掘り込み領域16の間隔Tは、T≧{p側電極パッド60の幅(80μm以上)+60μm(p電極パッド70の両端と掘り込み領域16の端部の距離M、Nの和の最小値)}を満たす必要がある。即ち、隣接する掘り込み領域16の間隔Tが140μmより小さいと、窒化物半導体レーザ素子を作製することが困難となる。このため、隣接する掘り込み領域16の間隔Tは、140μm以上であることが好ましい。又、Tの値が4mmより大きくなると、積層した窒化物半導体薄膜内にクラックが発生しやすくなるので、結果的に、隣接する掘り込み領域16の間隔Tの値は、140μm以上4mm以下が好ましい。
Also, depending on the structure of the nitride semiconductor laser element, when wire bonding is performed, the diameter of the ball portion at the tip of the wire is approximately 80 μm, so the width of the p-
又、上述した図6に示されたバーをチップ分割することで、個々の窒化物半導体レーザ素子を得られる。以下にチップ分割について、図を参照して説明する。 Further, individual nitride semiconductor laser elements can be obtained by dividing the bar shown in FIG. 6 described above into chips. Hereinafter, chip division will be described with reference to the drawings.
このようなチップ分割をするとき、まず、図6に示すチップ分割箇所61か62のいずれかをスクライビングする。このチップ分割箇所62は加工基板10が備える掘り込み領域16に積層された窒化物半導体成長層11の表面となり、又、チップ分割箇所61は掘り込み領域16の直下部分となる加工基板10の裏面側となる。このスクライビングは、ダイヤモンドペンなどで実施される。このスクライビングされたライン(以下スクライブライン)に先端形状が鋭角となる刃を当て、ブレーキング装置を用いて圧力を加えて押し割る。又、スクライブラインの位置については、掘り込み領域16の中心にあるのが好ましい。しかしながら、本実施形態では、上述したように掘り込み領域16は窒化物半導体成長層11で完全には埋まり切らず、溝が形成されているので、その溝がチップ分割する際のガイドとなる。このため、スクライブラインの位置が掘り込み領域16の中心からずれていても、掘り込み領域16内であれば、チッピングや意図しない方向への分割などの発生を防止することができる。
When performing such chip division, first, one of the
又、スクライブラインの位置が掘り込み領域16からはずれている場合においても、チップ分割する際、割れる方向がスクライブラインから離れ、意図しない方向に割れが進行する場合がある。しかしながら、この意図しない方向の割れが発生しても、その割れが隣接する掘り込み領域16に到達すると、掘り込み領域16内の溝に沿って割れが進むため、隣接する窒化物半導体レーザ素子まで破壊することがない。尚、このように分割部分が掘り込み領域16から外に広がっていかない理由として、掘り込み領域16内に積層した窒化物半導体薄膜の結晶性や面方位などが、丘19上の平坦な部分に成長した窒化物半導体薄膜とは、異なるためであると考えられる。
Further, even when the position of the scribe line is deviated from the digging
又、本実施形態において、図6に示すように、隣接する掘り込み領域16に挟まれた掘り込まれていない領域である丘19上に、1つの窒化物半導体レーザ素子が作製されているが、これに限定されるものではなく、複数の窒化物半導体レーザ素子が作製されるものとしても構わない。又、本実施形態では、掘り込み領域16は1つの凹部から成るものとしているが、これに限定されるものではなく、複数の凹部と当該凹部に挟まれた狭い平坦部からなるものとしても構わない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 6, one nitride semiconductor laser element is fabricated on a
この上述した本実施形態における方法で、厚さTが500nm、[11―20]方向と平行な方向の幅Dが3μmのSiO2壁17を形成した加工基板を用いて、窒化物半導体レーザ素子を複数作製した。そして、その中から無作為に100個の窒化物半導体レーザ素子を取り出し、水平方向及び垂直方向のFFPの半値幅を測定した。この際、FFPの半値幅の設計値に対して、±1度以内の窒化物半導体レーザ素子を良品としたところ、FFPの半値幅が規格を満たしている窒化物半導体レーザは92個であった。それに対して、上述した従来技術を用いて作製した窒化物半導体レーザ素子の場合、良品は30個であり、それと比較すると歩留まりが大きく改善されていることが分かる。 In the method according to this embodiment described above, a nitride semiconductor laser element is formed using a processed substrate on which a SiO 2 wall 17 having a thickness T of 500 nm and a width D in the direction parallel to the [11-20] direction of 3 μm is formed. Several were produced. Then, 100 nitride semiconductor laser elements were randomly taken out from them, and the half-value widths of the FFP in the horizontal direction and the vertical direction were measured. At this time, when the nitride semiconductor laser element within ± 1 degree with respect to the design value of the half-width of the FFP was determined to be a non-defective product, there were 92 nitride semiconductor lasers whose half-width of the FFP satisfied the standard. . In contrast, in the case of the nitride semiconductor laser device manufactured using the above-described conventional technique, there are 30 non-defective products, and it can be seen that the yield is greatly improved as compared with that.
これは、窒化物半導体レーザ素子を作製する領域において、丘19の両端部双方に凸状の流れ込み防止部44を形成することで窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子の掘り込み領域16内へのマイグレーションを抑制することができたためである。即ち、窒化物半導体レーザ素子を作製する領域の表面平坦性を向上させ、結果、窒化物半導体成長層11を構成する窒化物半導体薄膜の各層厚が均一となったためである。
This is because, in the region where the nitride semiconductor laser device is manufactured, the convex flow-in
又、掘り込み領域16を備えた加工基板10を用いることにより、窒化物半導体成長層11が内包する歪みがウエーハ面内で不均一となり、様々な方向に歪みが掛かることとなり、窒化物半導体成長層11に内包される歪みを解放することができる。更に、掘り込み領域が窒化物半導体成長層11によって完全には埋もれきっていない状態とすることで、歪みの開放が促進された。よって、クラックも発生しなかった。
Further, by using the processed
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図7は、本実施形態において、加工基板10上に窒化物半導体薄膜を成長させたウエーハの一部の概略断面図である。第1の実施形態と異なり、加工基板10の掘り込まれていない領域である丘19の両端において、SiO2壁が形成されていない。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a part of a wafer in which a nitride semiconductor thin film is grown on the processed
このような掘り込み領域16を備えた加工基板10に、窒化物半導体薄膜を成長させた場合のウエーハの概略断面図を図7に示す。図7に示すように、窒化物半導体薄膜が、丘19の上面部71の中央部には上面成長部75として、丘19の上面部71の両端部で掘り込み領域16の近傍には流れ込み防止部74として、掘り込み領域16内の側面部72と底面部73には掘り込み領域内成長部77として、それぞれ成長している。又、流れ込み防止部74と掘り込み領域内成長部77は成長部76を介して結合している。
FIG. 7 shows a schematic cross-sectional view of the wafer when a nitride semiconductor thin film is grown on the processed
図7に示すように、本実施形態ではSiO2壁が形成されていなくても、凸状に盛り上がった流れ込み防止部74が形成されており、この流れ込み防止部74においては上面成長部75よりも窒化物半導体薄膜が厚く成長しており、段差が形成されている。以下において、この段差の値をHとする。この流れ込み防止部74と上面成長部75とにおける窒化物半導体成長層11の厚みの違いは、掘り込み領域16の近傍で丘19の上面部71の両端部にある流れ込み防止部74における窒化物半導体薄膜の成長速度が、丘19の上面部71の両端部以外の領域である上面成長部75における窒化物半導体薄膜の成長速度よりも大きいためである。このように、流れ込み防止部74と上面成長部75とで窒化物半導体薄膜の成長速度が大きく異なるのは、一旦、窒化物半導体薄膜の成長面に吸着した窒化物半導体薄膜の原料となる原子・分子が、窒化物半導体薄膜を形成することなく成長面から再び蒸発する確率を示す再蒸発確率が異なるためである。
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, even if the SiO 2 wall is not formed, the
即ち、掘り込み領域16の間の丘19の上面部71上に成長した窒化物半導体薄膜の表面に付着した原料となる原子・分子は、成長表面をマイグレーションなどをして、エネルギー的に安定な領域まで移動した後、そこで表面の原子・分子と結合し窒化物半導体薄膜となる。しかしながら、一定時間内にエネルギー的に安定となる領域に移動できない場合は、成長表面より、再蒸発してしまう。又、加工基板10のように基板表面に掘り込み領域16を形成するとき、掘り込み領域16の間の丘19の上面部71においてエネルギー的に最も安定な部分は、掘り込み領域16近傍となる両端部であることが分かっている。よって、この掘り込み領域16近傍となる両端部での再蒸発確率は低い。その結果、掘り込み領域16近傍となる丘19の上面部71の両端部双方における窒化物半導体薄膜の成長速度は、丘19の上面部71のその他の部分より大きくなり、結果、上面成長部75よりも窒化物半導体薄膜が厚く成長した流れ込み防止部74が形成される。
That is, the atoms / molecules that are the raw materials attached to the surface of the nitride semiconductor thin film grown on the
このような流れ込み防止部74は、GaN層又はAlGaN層を加工基板10上に成長させることで、形成される。又、GaNとAlGaNを比較したとき、GaNを成膜した場合の方がGaNの原料となる原子・分子がマイグレーションする傾向が顕著である。このため、通常、丘19の上面部71上に付着したGaNの原料となる原子・分子が掘り込み領域16内にマイグレーションすることで移動し、側面部72及び底面部73の表面に掘り込み領域内成長部77として層厚の厚いGaNが成長するとともに、流れ込み防止部74についても、上面成長部75表面との段差Hが僅か10nm程度の流れ込み防止部74が形成されるにすぎない。一方、AlGaNを成膜した場合、AlGaNの原料となる原子・分子(特にAl)がマイグレーションする傾向が弱い。このため、丘19の上面部71上に付着したAlGaNの原料となる原子・分子は掘り込み領域16内に移動せず、丘19の上面部71上にとどまる。丘19の上面部71上にとどまったAlGaNの原料となる原子・分子は丘19の上面部71上をマイグレーションする。この際、上述したように、丘19の上面部71の両端部がエネルギー的に安定な領域であるため、その領域においてAlGaNの原料となる原子・分子の再蒸発が抑制され膜が形成され、結果、上面成長部75よりも層厚の厚いAlGaN層が成長して流れ込み防止部74が形成される。このAlGaN層により形成される流れ込み防止部74は、AlGaNのAl組成比が2%以上としたとき、その層厚が厚くなる。このように、流れ込み防止部74が形成されることで、上面成長部75表面に付着したAlGaNの原料となる原子・分子は、上面成長部75の表面のみでマイグレーションする。よって、表面平坦性が良好な上面成長部75が形成される。又、このようにして形成される流れ込み防止部74の[11−20]方向と平行な方向の幅Zは(図7参照)、10〜30μm程度の値となる。
Such an
このように、掘り込み領域16と丘19を備えた加工基板10上に、複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層11を積層し、上述したように上面成長部75表面と流れ込み防止部74の先端部との間に段差Hが設けられた窒化物半導体レーザ素子を複数作製した。そして、その中から無作為に100個の窒化物半導体レーザ素子を取り出し、水平方向及び垂直方向のFFPの半値幅を測定した。この際、FFPの半値幅の設計値に対して、±1度以内の窒化物半導体レーザ素子を良品とした。図8に、段差Hと良品とされた窒化物半導体レーザ素子の個数の相関図を示す。図8に示すように、段差Hが150nm以上の場合、良品となる窒化物半導体レーザ素子の個数は85個以上となり、高い歩留まり結果が得られている。それに対し、段差Hが150nmより小さい場合は、良品となる窒化物半導体レーザ素子の個数は40個以下となり、急激に歩留まりが低下している。これは、段差Hが150nmより小さい窒化物半導体レーザ素子では、丘19の上面部71上に積層された各窒化物半導体薄膜の層厚が、ウエーハ面内だけではなく、一つの窒化物半導体レーザ素子内においても、ばらついているためである。よって、高い歩留まりで窒化物半導体レーザ素子を作製するには、上面成長部75表面と流れ込み防止部74の先端部との間の段差Hが150nm以上であることが必要である。即ち、段差Hを150nm以上とすることで、加工基板10上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層11を形成する際、丘19の上面部71上に積層される各窒化物半導体薄膜表面において、十分に良好な表面平坦性を得ることで各窒化物半導体薄膜の層厚のばらつきを抑制することができる。
As described above, the nitride
又、上述のように、AlGaNを用いて流れ込み防止部74を作製すると、その後に、マイグレーションする傾向の強いGaNを成長させても、当該流れ込み防止部74によって、掘り込み領域16内へGaNの原料となる原子・分子のマイグレーションによる移動は抑制される。即ち、マイグレーションする傾向が小さいAlGaNを加工基板10上に最初に成膜すると、上面成長部75表面との段差Hの大きな流れ込み防止部74が形成される。その後に、マイグレーションする傾向の強いGaNを成膜しても、掘り込み領域16内の側面部72及び底面部73上に掘り込み領域内成長部77として、GaNが成長することが抑制される。
Further, as described above, when the
又、加工基板10上にGaNを最初に成膜した場合においても、当該GaNの層厚が0.5μm以下であれば、その後、例えば、図10に示されているn型Al0.062Ga0.938N第1クラッド層101〜p型GaNコンタクト層109までの各窒化物半導体薄膜を順次積層することで、段差の値Hが150nm以上である流れ込み防止部74を形成することができる。一方、GaNの層厚が0.5μmより厚い場合、GaNの原料となる原子・分子がマイグレーションして掘り込み領域16内に流れ込み、側面部72及び底面部73上での掘り込み領域内成長部77の成長が顕著となり、図12(b)に示されるように、掘り込み領域16の大部分がGaNで埋め込まれてしまう。その結果、掘り込み領域16へのマイグレーションがさらに促進され、GaNの層厚が不均一になり、上面成長部75の表面平坦性が悪化する。このことより、図10に示すような構成の窒化物半導体成長層11を積層する場合、加工基板10表面と接するn型GaN層100の層厚を0.5μm以下とすることにより、n型GaN層100の原料となる原子・分子の流れ込みが抑制される。又、加工基板10表面にn型GaN層100を積層せず、n型Al0.062Ga0.938N第1クラッド層101より成長を始めて窒化物半導体成長層11を形成しても、表面の平坦性が良好な窒化物半導体成長層11を作製できる。
Further, even when GaN is first formed on the processed
このように、掘り込み領域16を備えた加工基板10にAlGaNを成長させることで、流れ込み防止部74が形成されるが、GaNを成長させる場合においても、サセプタ温度、原料のモル数比V/III(III族であるGaの原料となるTMGaの単位時間当たりの流量のモル数に対するV族であるNの原料となるNH3の単位時間当たり供給される流量のモル数の比)を制御することで、GaNの原料となる原子・分子のマイグレーションを抑制し、上面成長部75との段差Hが150nm以上となる流れ込み防止壁74を作製できることが分かった。以下に、GaNを掘り込み領域16を備えた加工基板10上に成長させることで、上面成長部75表面との段差Hが150nm以上となる流れ込み防止部74が形成される成長条件について説明する。尚、サセプタ温度は加工基板の表面温度とほぼ等しくなる。
In this way, the AlGaN is grown on the processed
通常、加工基板10上にn型GaN層100(図10参照)を成長させる際、加工基板10(ウエーハ)を載せるサセプタ温度は1075℃であり、この場合、n型GaNの原料となる原子・分子がマイグレーションして、掘り込み領域16内への大きな流れ込みが発生し、十分に大きな段差Hを有する流れ込み防止部74は形成されない。そこで、サセプタ温度を1025℃と通常のサセプタ温度より50℃低い温度に設定し、その温度でn型Gaを成長させた場合に、上面成長部75表面との段差Hが300nmである流れ込み防止部74が形成された。これは、サセプタ温度を下げることで、加工基板10表面の温度が低下し、結果、n型GaNの原料となる原子・分子(Ga原子やN原子など)のマイグレーションが抑制されたためと考えられる。
Normally, when the n-type GaN layer 100 (see FIG. 10) is grown on the processed
又、原料のモル数比V/IIIに関しては、通常、原料のモル数比V/IIIの値を1033とする成膜条件でn型GaN層100を成長させるが、この原料のモル数比V/IIIの値を2066と2倍とした成膜条件でn型GaN層100を成長させた。このとき、通常の成膜条件では、上面成長部75と流れ込み防止部74との間の段差Hは略10nmであるに対して、原料のモル数比V/IIIの値を2066と2000以上の値にした場合、段差Hは略320nmとなり、十分に大きな値の段差Hを有する流れ込み防止部74が形成された。これは、GaNの原料となる原子・分子が成長膜表面に付着して熱エネルギーにより成長膜表面をマイグレーションする際、原料のモル数比V/IIIが大きいと、NH3の供給量が非常に多いために、NH3中のN原子とTMGa中のGaが、すみやかに反応してGaNとなり膜中に取り込まれるためである。即ち、原料のモル数比V/IIIが大きい場合にはGaNの原料となる原子・分子(Ga原子やN原子など)の成長膜表面でのマイグレーションが抑制され、その結果、AlGaNを成膜した場合と同様、段差Hが大きな流れ込み防止部74が形成される。逆に、原料のモル数比V/IIIが小さい場合、NH3の供給量が少ないため、成長膜表面に付着したGa原子が、すみやかにN原子と反応しGaNとなることができない。よって、Ga原子などのGaNの原料となる原子・分子の成長膜表面でマイグレーションして移動する距離が長くなり、掘り込み領域16内へ流れ込みが促進される。即ち、原料のモル数比V/IIIの値を2000以上に大きくすることにより、GaNの原料となる原子・分子の成長膜表面でのマイグレーションが抑制され、上面成長部75表面との間で十分に大きな段差Hを有する流れ込み防止部74が形成される。
In addition, regarding the molar ratio V / III of the raw material, the n-
上述したように、加工基板10上に複数の窒化物半導体薄膜から成る窒化物半導体成長層11を積層する際、n型GaN層100を成膜することで、上面成長部75との間に150nm以上の段差Hを有する流れ込み防止部74を形成するには、まず、n型GaN層100だけ、サセプタ温度を1025℃で成膜し、その後、サセプタ温度を1075℃に上げて多重量子井戸活性層105を除くn型Al0.062Ga0.938N第1クラッド層101〜p型GaNコンタクト層109を成膜する。尚、多重量子井戸活性層105は、1075℃ではInの蒸気圧が高くなりInが膜中にとりこまれないため、700℃〜800℃で成膜する。
As described above, when the nitride
又、n型GaN層100だけ、原料のモル数比V/IIIの値が2000以上の成膜条件で成膜し、その後、少なくともn型Al0.062Ga0.938N第1クラッド層101〜n型Al0.062Ga0.938N第3クラッド層103を、原料のモル数比V/IIIの値を2000以
下で成膜する。このとき、引き続き成膜するn型GaNガイド層104〜p型GaNコンタクト層109については、原料のモル数比V/IIIの値は2000以上でも2000以下でも、どちらでも構わない。
Further, only the n-
このような各条件を用いてn型GaN層100を形成して加工基板10上に窒化物半導体成長層11を積層することで、上面成長部75との間の段差Hが150nm以上となる流れ込み防止部74を形成される。よって、結果的に、窒化物半導体成長層11を良好な表面平坦性をもつ窒化物半導体薄膜が積層したものとすることが出来る。尚、n型GaN層100を成膜するとき、上述の2条件を組み合わせて、即ち、サセプタ温度を1025℃とし、且つ、原料のモル数比V/IIIの値を2000以上として、成膜しても構わない。
By forming the n-
又、このようにして窒化物半導体成長層11を積層する際に流れ込み防止部74を形成するとき、この流れ込み防止部74の[11−20]方向と平行な方向の幅Zに関して狭い方が、丘19の平坦な部分が広くなり、その表面に窒化物半導体レーザ素子を作製するには好ましい。又、更に、GaNの原料となる原子・分子がマイグレーションする傾向が強いほど幅Zは狭くできるが、マイグレーションする傾向が強くなり過ぎると、掘り込み領域16内への流れ込みを引き起こすので好ましくない。以上より、この流れ込み防止部74の幅Zが10〜30μmとなるように制御することが好ましい。
In addition, when forming the
10 加工基板
11 窒化物半導体成長層
12 レーザストライプ
13 SiO2膜
14 p側電極
15 n側電極
16 掘り込み領域
17 SiO2壁
17a SiO2壁
17b SiO2壁
18 ストライプ
19 丘
41 上面部
42 側面部
43 底面部
44 流れ込み防止部
45 上面成長部
46 成長部
47 掘り込み領域内成長部
60 p側電極パッド
61 チップ分割箇所
62 チップ分割箇所
71 上面部
72 側面部
73 底面部
74 流れ込み防止部
75 上面成長部
76 成長部
77 掘り込み領域内成長部
100 n型GaN層
101 n型Al0.062Ga0.938N第1クラッド層
102 n型Al0.1Ga0.9N第2クラッド層
103 n型Al0.062Ga0.938N第3クラッド層
104 n型GaNガイド層
105 多重量子井戸活性層
106 p型Al0.3Ga0.7N蒸発防止層
107 p型GaNガイド層
108 p型Al0.062Ga0.938Nクラッド層
109 p型GaNコンタクト層
121 上面成長部
122 掘り込み領域内成長部
123 上面部
124 底面部
125 成長部
126 側面部
10 processed
Claims (23)
前記加工基板が備える丘部の両端部双方に凸部からなる流れ込み防止壁を形成する第2ステップと、
前記第2ステップで前記流れ込み防止壁が形成された前記加工基板の掘り込み領域及び前記丘部表面の双方に少なくとも1種類以上の窒化物半導体薄膜からなる窒化物半導体積層部を形成することで、前記丘の両端部に形成された前記流れ込み防止壁上に前記窒化物半導体積層部を積層し、前記丘部表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面との間に段差が設けられた凸状の流れ込み防止部を形成する第3ステップと、
を備えることを特徴とする半導体素子の製造方法。 A first step of producing a processed substrate by forming a digging region composed of at least one concave portion and a hill portion which is a non-digging region on a substrate having a nitride semiconductor layer on at least a part of the surface; In a method for manufacturing a semiconductor device,
A second step of forming a flow-in prevention wall consisting of convex portions on both ends of the hill portion provided in the processed substrate;
By forming a nitride semiconductor stacked portion composed of at least one type of nitride semiconductor thin film on both the digging region of the processed substrate and the hill surface where the flow-in prevention wall is formed in the second step, The nitride semiconductor multilayer portion is stacked on the inflow prevention wall formed at both ends of the hill, and a step is provided between the flat surface of the nitride semiconductor multilayer portion stacked on the hill surface. A third step of forming the convex inflow prevention portion formed,
The manufacturing method of the semiconductor element characterized by the above-mentioned.
前記掘り込み領域の前記凹部が完全に埋もれていないことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方法。 When forming the nitride semiconductor multilayer portion in the third step,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the concave portion of the digging region is not completely buried.
前記流れ込み防止壁がSiO2、Al2O3、TiO2、ZrO、W、のいずれかで構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体素子の製造方法。 In the second step,
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the inflow prevention wall is made of any one of SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , ZrO, and W. 4.
前記流れ込み防止壁における、前記丘部表面と垂直な方向である法線方向の厚みが、50nm以上3μm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In forming the flow-in prevention wall in the second step,
The thickness of the normal direction which is a direction perpendicular | vertical to the said hill surface in the said inflow prevention wall is 50 nm or more and 3 micrometers or less, The semiconductor element in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. Production method.
前記流れ込み防止壁における長手方向と垂直な方向における幅が、1μm以上25μm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の半導体素子の製造方法 In forming the flow-in prevention wall in the second step,
5. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein a width of the flow preventing wall in a direction perpendicular to a longitudinal direction is 1 μm or more and 25 μm or less.
前記第4ステップにおいて、
前記掘り込み領域の上部に前記電極パッドを形成しないことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 Forming an electrode pad for performing wire bonding for electrical connection with the outside on the nitride semiconductor laminated portion laminated on the processed substrate surface having the flow-in prevention wall in the third step; A fourth step of forming a plurality of semiconductor elements on the substrate;
In the fourth step,
6. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein the electrode pad is not formed on an upper portion of the digging region.
前記第2ステップにおいて、
前記掘り込み領域の近傍となる前記丘部の両端部双方の上に積層する前記窒化物半導体積層部の前記丘部表面から前記窒化物半導体積層部表面までの膜厚を、前記丘部の両端部以外の領域に積層する前記窒化物半導体積層部の前記丘部表面から前記窒化物半導体積層部表面までの膜厚より厚く積層することで、前記掘り込み領域の近傍となる前記丘部の両端部双方に、前記丘部の両端部以外の領域の表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面に対して凸状の形状を備える流れ込み防止部を形成することを特徴とする半導体素子の製造方法。 A first step of forming a processed substrate by forming a digging region composed of at least one recess and a hill portion which is a non-digging region on a substrate having a nitride semiconductor layer on at least a part of the surface; In a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a second step of laminating a nitride semiconductor multilayer portion composed of at least one kind of nitride semiconductor thin film on both the dug region provided on the processed substrate and the hill surface.
In the second step,
The film thickness from the hill surface to the nitride semiconductor multilayer surface of the nitride semiconductor multilayer portion laminated on both ends of the hill portion in the vicinity of the digging region is determined at both ends of the hill portion. The both ends of the hill part which becomes the vicinity of the digging area | region by laminating | stacking thicker than the film thickness from the hill part surface of the nitride semiconductor lamination | stacking part laminated | stacked to area | regions other than a part to the nitride semiconductor lamination part surface Forming a flow-in prevention part having a convex shape with respect to a flat part surface of the nitride semiconductor laminated part laminated on a surface of a region other than both ends of the hill part on both sides Device manufacturing method.
前記掘り込み領域の前記凹部が完全に埋もれていないことを特徴とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。 When forming the nitride semiconductor multilayer portion in the second step,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the concave portion of the digging region is not completely buried.
前記丘部表面に積層された前記窒化物半導体積層部の平坦部表面と、凸状の流れ込み防止部との間で形成される段差が150nm以上であることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の半導体素子の製造方法。 In the second step,
The step formed between the flat part surface of the nitride semiconductor laminated part laminated on the hill surface and the convex inflow prevention part is 150 nm or more, or 9. A method for producing a semiconductor device according to 8.
前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜を0.5μm以下のGaNとすることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the second step,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate surface is made of GaN having a thickness of 0.5 μm or less.
前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜をAlGaNとすることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the second step,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the nitride semiconductor thin film in contact with the surface of the processed substrate is AlGaN.
前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜をGaNとし、
前記加工基板表面に前記GaNを成膜するときの基板表面温度を1025℃とすることを特徴とする請求項7〜請求項9のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the second step,
The nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate surface is GaN,
10. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 7, wherein the substrate surface temperature when forming the GaN film on the processed substrate surface is set to 1025 ° C. 10.
前記加工基板表面に接する前記窒化物半導体薄膜をGaNとし、
前記GaNを成膜する際、III族であるガリウム原子を含む原料の単位時間当たり供給される流量のモル数に対する、V族である窒素原子を含む原料の単位時間当たり供給される流量のモル数の比が、2000以上であることを特徴とする請求項7〜請求項9又は請求項12のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the second step,
The nitride semiconductor thin film in contact with the processed substrate surface is GaN,
When forming the GaN film, the number of moles of the flow rate supplied per unit time of the raw material containing group V nitrogen atoms relative to the number of moles of the flow rate supplied per unit time of the raw material containing group III gallium atoms The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 7, wherein the ratio of the above is 2000 or more.
前記窒化物半導体積層部を構成する前記窒化物半導体薄膜に、Al組成比が0.02以上であるAlGaN層が含まれることを特徴とする請求項7〜請求項13のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the second step,
The semiconductor according to any one of claims 7 to 13, wherein the nitride semiconductor thin film constituting the nitride semiconductor multilayer portion includes an AlGaN layer having an Al composition ratio of 0.02 or more. Device manufacturing method.
前記第4ステップにおいて、
前記掘り込み領域の上部に前記電極パッドを形成しないことを特徴とする請求項7〜請求項14のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 A plurality of semiconductors are formed on the substrate by forming electrode pads for performing wire bonding for electrical connection with the outside on the nitride semiconductor laminated portion laminated on the processed substrate surface in the second step. Comprising a fourth step of forming the element;
In the fourth step,
The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 7, wherein the electrode pad is not formed on an upper portion of the digging region.
前記電極パッドを前記掘り込み領域の端から30μm以上離して形成することを特徴とする請求項6又は請求項15に記載の半導体素子の製造方法。 In the fourth step,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the electrode pad is formed at a distance of 30 μm or more from an end of the digging region.
前記凹部の深さが、1μm以上20μm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項19のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the first step, when forming the digging region consisting of the recess,
The depth of the said recessed part is 1 micrometer or more and 20 micrometers or less, The manufacturing method of the semiconductor element in any one of Claims 1-19 characterized by the above-mentioned.
前記凹部の開口幅が、1μm以上であることを特徴とする請求項1〜請求項20のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the first step, when forming the digging region consisting of the recess,
21. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 1, wherein an opening width of the concave portion is 1 [mu] m or more.
隣接前記掘り込み領域に挟まれた前記丘部の幅が、140μm以上4mm以下であることを特徴とする請求項1〜請求項21のいずれかに記載の半導体素子の製造方法。 In the first step, when forming the digging region consisting of the recess,
The method of manufacturing a semiconductor element according to any one of claims 1 to 21, wherein a width of the hill portion sandwiched between adjacent digging regions is 140 µm or more and 4 mm or less.
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