JP2006036561A - Method for growing semiconductor crystal, optical semiconductor element, and substrate for crystal growth - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体結晶の結晶成長方法、並びにその半導体結晶を使用した光半導体素子に関する。
この結晶成長方法は、半導体発光素子や半導体受光素子(以下、纏めて光半導体素子と言う。)の製造に大いに有用なものである。
The present invention relates to a method for growing a semiconductor crystal and an optical semiconductor device using the semiconductor crystal.
This crystal growth method is very useful for the manufacture of semiconductor light emitting devices and semiconductor light receiving devices (hereinafter collectively referred to as optical semiconductor devices).
活性層の二軸性歪みによって誘起されるピエゾ電界は、半導体発光素子の内部量子効率の低下をもたらすことが一般に知られている。この様なピエゾ電界の緩和や最小化を考慮して提案された光半導体素子としては、例えば下記の特許文献1に掲載されているものが広く知られている。本願図11、図12は、この特許文献1から抜粋したもので、窒化ガリウム系の半導体でのピエゾ電界の角度依存性を示すグラフと、これらの半導体を使用した発光素子の断面図をそれぞれ示している。このグラフの横軸は、c軸の正の向き[0001]からの角度θに対するピエゾ電界の変化を示しており、このグラフから、c面を界面とする活性層においてはピエゾ電界の大きさ(絶対値)が最大となり、r面、a面、またはm面を界面とする活性層においてはピエゾ電界の大きさ(絶対値)は最小(0MV/cm)となることが判る。
It is generally known that a piezo electric field induced by biaxial strain of an active layer causes a decrease in internal quantum efficiency of a semiconductor light emitting device. As an optical semiconductor device proposed in consideration of such relaxation and minimization of the piezo electric field, for example, one disclosed in
そして、この特許文献1(第2の実施例)には、「まず、従来技術によりSiC、GaN等の基板51上にn型GaNコンタクト層53、n型AlGaNクラッド層54を{0001}面方向に成長させ、その後、選択成長あるいは選択エッチングにより{2−1−14}面や{01−12}面を形成する。その後再結晶成長により今形成された面方位を持つGaInN/GaNあるいはGaInN/GaInN多重歪量子井戸層55を形成する。」などの記載があり、この様に本特許文献1では、上記の図12を用いて、ピエゾ電界の緩和作用を有する活性層の構成形態とその形成方法を開示している。
And this patent document 1 (2nd Example) states that "First, the n-type
また、下記の特許文献2には、c面から62°傾斜した斜面((1−101)面)を結晶成長面として用いた結晶成長方法に関する記載がある。
しかしながら、上記の特許文献2においては、上記の結晶成長面に関して特に62°と言う傾斜角が選択されるので、この従来技術を採用する限り、前述のグラフ(図11)からも判る通り、ピエゾ電界を略零にすることはできず、よって、依然としてピエゾ電界効果を十分には払拭することができない。
また、この特許文献2においては、ピエゾ電界を積極的に略零にしようとする思想は全く見当たらない。
However, in the above-mentioned
Further, in this
また、上記の特許文献1においては、上記の選択成長あるいは選択エッチングを実施する場合、以下の問題を回避することが困難である。
(1)選択成長を行う場合の問題点
図12に図示される様な理想的な波板形状の多重歪量子井戸層55を選択成長によって形成することは、現在の結晶成長に関する技術水準に照らして、必ずしも容易ではない。また、その様な選択成長が仮に可能であったとしても、我々はその方法を少なくとも上記の特許文献1からは、何ら具体的に知ることができない。
Moreover, in said
(1) Problems in performing selective growth The formation of an ideal corrugated multi-strain
例えば、図12のn型AlGaNクラッド層54の中にストライプ状の多数のSiO2 マスク等を成膜して上記の選択成長を実施する場合には、そのマスク形成工程の前後で製造中の光半導体素子を大幅に降温したり昇温したりしなければならないので、この場合には各部の熱膨張係数差に基づく応力が素子内に発生する。したがって、この場合、その後に積層される井戸層の結晶品質は劣化する。
For example, when the above selective growth is performed by forming a large number of striped SiO 2 masks or the like in the n-type
また、基板材料等の選択により基板等の熱膨張係数をたとえ最適に選んだとしても、上記の様な大幅な昇降温を行っている間に、n型クラッド層の上方露出面における結晶性が、その露出面近傍における活発な原子脱離現象(:特定元素の昇華)などによって劣化する。この様な結晶性の劣化は、キャリアガスなどによるエッチング作用に基づく所が大きい。これらの事情については、例えば次の文献等からも容易に理解することができる。
(1)公開特許公報:特開平11−068159
(2)公開特許公報:特開平9−139543
(3)公開特許公報:特開平8−88432
Further, even if the thermal expansion coefficient of the substrate or the like is optimally selected by the selection of the substrate material or the like, the crystallinity on the upper exposed surface of the n-type cladding layer is not reduced during the significant temperature increase / decrease as described above. Deteriorated by active atomic desorption phenomenon (sublimation of specific elements) in the vicinity of the exposed surface. Such deterioration of crystallinity is largely based on the etching action by a carrier gas or the like. These circumstances can be easily understood from, for example, the following documents.
(1) Published patent publication: JP-A-11-068159
(2) Published patent publication: JP-A-9-139543
(3) Published patent publication: JP-A-8-88432
また、更に、上記の様なストライプ状の多数のSiO2 マスクなどは、活性層の近傍に配置、残留させざるを得ないが、このため、素子内部の電流密度に偏り(ムラ)が生じて、内部量子効率が低下してしまうなどの派生問題も回避し難い。また、この様なマスクを活性層の近傍に配置、残留させれば、光半導体素子の光取り出し効率、光取り込み効率、或いは共振効率等が低下するなどの不都合も生じる。 In addition, a large number of stripe-like SiO 2 masks as described above must be disposed and remain in the vicinity of the active layer, which causes a bias (unevenness) in the current density inside the device. Derivative problems such as a decrease in internal quantum efficiency are difficult to avoid. Further, if such a mask is disposed and left in the vicinity of the active layer, there arises a disadvantage that the light extraction efficiency, light capture efficiency, resonance efficiency, etc. of the optical semiconductor element are lowered.
(2)選択エッチングを行う場合の問題点
選択エッチングを行う場合にも、マスク形成工程が不可欠となるため、上記の大幅な昇降温の問題は回避し難い。また、選択エッチングを行えば、その侵食面には、エッチング処理に伴うダメージ(表面荒れ)が顕著に残るので、その上に直接多重歪量子井戸層を良好に結晶成長させることは困難となる。
(2) Problems When Performing Selective Etching When performing selective etching, the mask formation process is indispensable, and thus the above-mentioned significant temperature increase / decrease problem is difficult to avoid. Further, if selective etching is performed, damage (surface roughness) associated with the etching process remains remarkably on the eroded surface, so that it is difficult to grow a multiple strain quantum well layer directly on the eroded surface.
また、特にレーザの共振器を形成する際には、上記の(1)、(2)の何れの場合でも、光導波路上に波板形状の活性層を形成すると、その斜面で共振光が散乱され易いなどの派生問題が生じる。 In particular, when forming a laser resonator, in any of the cases (1) and (2), when a corrugated active layer is formed on an optical waveguide, the resonant light is scattered on the inclined surface. Derivation problems such as being easy to be generated occur.
この様に、目的の光半導体素子において所望の発光効率を確保することは、上記の特許文献1から具体的に知り得る技術範囲内では非常に困難である。また、実際に上記の特許文献1(図12)の様な具体的な素子構造によって、実際に半導体発光素子の発光効率が従来よりも向上したと言う報告は、今のところ光半導体素子関連分野において全く見当たらない。これは、それらの半導体発光素子の素子構造や製造工程を具現化するに当たって、実際には上記の様な問題が回避し難いためだと考えられる。
As described above, it is very difficult to ensure the desired light emission efficiency in the target optical semiconductor element within the technical range that can be specifically known from
以上の様に、活性層などの半導体層の内部に生じるピエゾ電界を効果的に緩和したり、或いはそれらの技術に基づいて、実際に特段の派生問題を生むことなく光半導体素子の動作効率を改善したりすることは、現在の一般的な技術水準に照らして、必ずしも容易とは言えない。 As described above, the piezo electric field generated inside the semiconductor layer such as the active layer is effectively mitigated, or the operating efficiency of the optical semiconductor element can be improved based on those techniques without actually causing a special derivation problem. It is not always easy to improve in light of the current general technical level.
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、広大なr面を有する III族窒化物系化合物半導体から成る半導体結晶の製造方法を開示することである。
また、本発明の更なる目的は、特段の派生問題を生むことなくピエゾ電界の悪影響を効果的に緩和若しくは最小化することができる光半導体素子の構造や製造方法を開示することである。
ただし、上記の個々の目的は、本発明の個々の手段の内の少なくとも何れか1つによって、個々に達成されれば十分であって、本願の個々の発明(下記の個々の手段)は、上記の全ての課題を同時に解決する具体的実施形態が存在することを必ずしも保証するものではない。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to disclose a method for producing a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor having a large r-plane.
A further object of the present invention is to disclose a structure and a manufacturing method of an optical semiconductor element capable of effectively mitigating or minimizing the adverse effect of a piezoelectric field without causing a special derivation problem.
However, it is sufficient that the above individual objects are achieved individually by at least one of the individual means of the present invention, and the individual invention of the present application (the individual means described below) It does not necessarily guarantee that there is a specific embodiment that solves all of the above problems at the same time.
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、結晶成長基板に III族窒化物系化合物半導体から成る半導体結晶を結晶成長させる結晶成長工程において、結晶成長基板が有する平面状の主面上に、互いに平行で、内壁面が平面で構成された複数のストライプ溝を形成する溝形成工程と、各ストライプ溝の一つの主内壁面上に、それぞれバッファ層を積層するバッファ層積層工程と、各バッファ層が供する結晶成長面上に半導体結晶をファセット成長又は横方向成長させる非縦方向成長工程と、上記の主面に対して垂直な方向に、半導体結晶を結晶成長させる本成長工程とを設け、半導体結晶のc軸と半導体結晶のピエゾ電界が零となる結晶方位との成す第2の角θ0 に対して、θ0 −10°≦θ1 ≦θ0 +10°が成り立つ様に、ストライプ溝の主内壁面と主面とが成す第1の角θ1 を設定することである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, according to the first means of the present invention, in a crystal growth step of growing a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate, parallel to each other on the planar main surface of the crystal growth substrate. A groove forming step for forming a plurality of stripe grooves each having a flat inner wall surface, a buffer layer laminating step for laminating a buffer layer on one main inner wall surface of each stripe groove, and each buffer layer A non-longitudinal growth step in which a semiconductor crystal is facet-grown or laterally grown on a crystal growth surface to be provided; and a main growth step in which a semiconductor crystal is grown in a direction perpendicular to the main surface. Of the stripe groove so that θ 0 −10 ° ≦ θ 1 ≦ θ 0 + 10 ° is established with respect to the second angle θ 0 formed by the c-axis of the semiconductor crystal and the crystal orientation at which the piezoelectric field of the semiconductor crystal becomes zero. Inner wall and main surface It is to set the first angle theta 1 which forms.
ただし、より望ましくは、「θ0 −3°≦θ1 ≦θ0 +3°」を満たす様に設定すると良い。また、更には、「θ0 −1°<θ1 <θ0 +1°」を満たす様に設定することがより望ましい。 However, it is more desirable to set so as to satisfy “θ 0 −3 ° ≦ θ 1 ≦ θ 0 + 3 °”. Furthermore, it is more desirable to set so as to satisfy “θ 0 −1 ° <θ 1 <θ 0 + 1 °”.
なお、上記のc軸の向きは、それをミラー指数を用いて書けば[0001]と表される向きである。各結晶面のミラー指数を以下に例示する。
c面:(0001)
a面:(11−20)
m面:(10−10)
r面:(10−12)
ただし、これらはあくまでも例示であり、所望の半導体結晶の結晶構造が六方晶系であるので、例えばそれらのa面やm面については、他にも当然ながら対称なその他の5つの向きの面がある。
The direction of the c-axis is the direction represented as [0001] if it is written using the Miller index. The Miller index of each crystal plane is exemplified below.
c-plane: (0001)
Side a: (11-20)
m-plane: (10-10)
r-plane: (10-12)
However, these are merely examples, and the crystal structure of the desired semiconductor crystal is a hexagonal system. For example, the a-plane and the m-plane have other five orientation planes that are naturally symmetrical. is there.
なお、上記の本成長工程においては、主面に対して垂直に半導体結晶を縦方向成長させても良いし、或いは主面上に形成されたマスク上方において、主面に対して略平行に半導体結晶を横方向成長させても良い。また、その様な半導体結晶の横方向成長後に、更に縦方向成長を実施しても良い。これらの成長方向に係わる結晶成長の形態や、各形態の組み合わせは任意で良い。 In the above-described main growth step, the semiconductor crystal may be grown in the vertical direction perpendicular to the main surface, or the semiconductor crystal is substantially parallel to the main surface above the mask formed on the main surface. Crystals may be grown laterally. Further, after such a semiconductor crystal is grown in the lateral direction, further vertical growth may be performed. The form of crystal growth related to these growth directions and the combination of each form may be arbitrary.
また、上記の主面は、結晶成長面に広い1平面を用いる通常の結晶成長における主面と言われる部位(その広い1平面)に相当するが、しかし、本発明では、上記の様に溝形成工程を導入してこの主面を加工し、そのストライプ溝内にバッファ層を積層するので、上記の主面は、バッファ層を介して所望の結晶成長が開始される面とは一致しない。 Further, the main surface corresponds to a portion called the main surface in the normal crystal growth using a wide single plane for the crystal growth surface (the wide single plane). However, in the present invention, the groove is formed as described above. Since the main surface is processed by introducing a formation process and a buffer layer is stacked in the stripe groove, the main surface does not coincide with a surface on which desired crystal growth is started via the buffer layer.
また、ストライプ溝の断面形状を矩形とする場合、上記の主面に対して垂直な側壁面(:ストライプ溝の内壁面)がストライプ溝内で互いに向かい合うことになるが、この様な場合、ストライプ溝内の一方の内壁面だけにバッファ層を形成し、かつ、そのバッファ層が積層される全ての内壁面の法線の向きを1つの向きに揃える様に制限しても良いし、或いはまた、向かい合う双方何れの面にもバッファ層を形成する様にしても良い。 In addition, when the cross-sectional shape of the stripe groove is rectangular, the side wall surfaces perpendicular to the main surface (the inner wall surface of the stripe groove) face each other in the stripe groove. The buffer layer may be formed only on one inner wall surface in the groove, and the normal directions of all the inner wall surfaces on which the buffer layer is laminated may be limited to one direction, or alternatively Alternatively, a buffer layer may be formed on both surfaces facing each other.
また、ストライプ溝が埋まる際には、c面とは異なる局所的な個々の結晶成長面が相互に繋がって略一連の結晶成長面が形成されるが、この時、個々のストライプ溝の中にボイド(:結晶が成長せずにできる空洞部)が形成されて残留していても特段の支障を来すことはない。 When the stripe grooves are filled, local individual crystal growth planes different from the c-plane are connected to each other to form a substantially series of crystal growth planes. Even if voids (: cavities formed without crystal growth) are formed and remain, there is no particular problem.
また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段において、ピエゾ電界が零となる上記の結晶方位としてr軸の方位を選択し、六方晶系の結晶構造を有する結晶成長基板を用い、主面の法線ベクトル<σ|の向きを、結晶成長基板のc軸の正の向きからm軸の正の向きに向って第1の角θ1 だけ回転させ、ストライプ溝の長手方向をa軸の方向に取ることである。 According to a second means of the present invention, there is provided a crystal growth substrate having a hexagonal crystal structure, wherein the r-axis orientation is selected as the crystal orientation in which the piezoelectric field is zero in the first means. The direction of the normal vector <σ | of the main surface is rotated by the first angle θ 1 from the positive c-axis direction of the crystal growth substrate toward the positive m-axis direction, and the longitudinal direction of the stripe groove In the direction of the a-axis.
また、本発明の第3の手段は、上記の第1の手段において、ピエゾ電界が零となる上記の結晶方位としてr軸の方位を選択し、六方晶系の結晶構造を有する結晶成長基板を用い、主面の法線ベクトル<σ|の向きを、結晶成長基板のa軸の正の向きからm軸の正の向きに向って第1の角θ1 だけ回転させ、ストライプ溝の長手方向をc軸の方向に取ることである。 According to a third means of the present invention, there is provided a crystal growth substrate having a hexagonal crystal structure by selecting an r-axis orientation as the crystal orientation in which the piezoelectric field is zero in the first means. The direction of the normal vector <σ | of the main surface is rotated by the first angle θ 1 from the positive direction of the a-axis to the positive direction of the m-axis from the positive direction of the a-axis of the crystal growth substrate, and the longitudinal direction of the stripe groove In the c-axis direction.
また、本発明の第4の手段は、上記の第1の手段において、ピエゾ電界が零となる上記の結晶方位としてr軸の方位を選択し、六方晶系の結晶構造を有する結晶成長基板を用い、主面の法線ベクトル<σ|の向きを、結晶成長基板のa軸の正の向きからc軸の正の向きに向って第1の角θ1 だけ回転させ、ストライプ溝の長手方向をm軸の方向に取ることである。 According to a fourth means of the present invention, there is provided a crystal growth substrate having a hexagonal crystal structure by selecting an r-axis orientation as the crystal orientation in which the piezoelectric field is zero in the first means. The direction of the normal vector <σ | of the main surface is rotated by the first angle θ 1 from the positive direction of the a-axis toward the positive direction of the c-axis from the positive direction of the a-axis of the crystal growth substrate. Is taken in the direction of the m-axis.
また、本発明の第5の手段は、上記の第1の手段において、ピエゾ電界が零となる上記の結晶方位をa軸又はm軸の方位にすることである。 The fifth means of the present invention is to make the crystal orientation in which the piezo electric field becomes zero in the first means as an a-axis or m-axis orientation.
この時、第2の角θ0 は90°となる。したがって、前述の本発明の第1の手段に基づき、第1の角θ1 は、80°以上100°以下の範囲であればピエゾ電界を抑制する効果が大きく得られ、かつ、この第1の角θ1 は、直角に近いほどより望ましい。また、この時用いる結晶成長基板は、a面を主面とするa面基板か、又はm面を主面とするm面基板を用いることが望ましい。また、上記の主面上に形成するストライプ溝の長手方向は、結晶成長基板のc軸の方向に対して略垂直な方向に取ることが望ましい。また、ストライプ溝の長手方向は、m軸又はa軸の方向とすることが望ましい。 At this time, the second angle θ 0 is 90 °. Therefore, based on the first means of the present invention described above, if the first angle θ 1 is in the range of 80 ° or more and 100 ° or less, the effect of suppressing the piezoelectric field is greatly obtained, and the first angle The angle θ 1 is more desirable as it is closer to a right angle. The crystal growth substrate used at this time is preferably an a-plane substrate having an a-plane as a main surface or an m-plane substrate having an m-plane as a main surface. Further, it is desirable that the longitudinal direction of the stripe groove formed on the main surface is a direction substantially perpendicular to the c-axis direction of the crystal growth substrate. The longitudinal direction of the stripe groove is preferably the m-axis or a-axis direction.
また、ストライプ溝の内側の側壁(内壁面)を主面に略垂直な側壁面から形成する場合、所望の半導体結晶を横方向成長させる場合には、ストライプ溝の両側の内側壁にバッファ層を形成して、から横方向成長させて溝の中央部で合体させても良い。この様な場合には、ストライプ溝の内側で対峙する上記の2面の側壁(内壁面)の双方にバッファ層を積層しておくことが望ましい。 Further, when the inner side wall (inner wall surface) of the stripe groove is formed from a side wall surface substantially perpendicular to the main surface, when a desired semiconductor crystal is grown in the lateral direction, a buffer layer is formed on the inner side wall on both sides of the stripe groove. It may be formed and then laterally grown and merged at the center of the groove. In such a case, it is desirable to laminate a buffer layer on both of the two side walls (inner wall surfaces) facing each other inside the stripe groove.
なお、以上の本発明の第2乃至第5の各手段は、それぞれ何れも、本発明の第1の手段を実施するにあたっての、より望ましい若しくはより具体的な個別の実施形態を例示するものである。したがって、これらの例示は、本発明の第1の手段を実施するにあたって、必ずしも何れか1つの手段を選択して採用しなければならないことを意味するものではない。即ち、上記の本発明の第1の手段により、本発明の第1の手段の作用・効果を含め、少なくとも上記の何れか1つの作用・効果を得ることができる。 Each of the second to fifth means of the present invention described above exemplifies a more desirable or more specific individual embodiment for carrying out the first means of the present invention. is there. Therefore, these exemplifications do not necessarily mean that any one of the means must be selected and employed when implementing the first means of the present invention. That is, by the first means of the present invention described above, at least any one of the actions / effects described above can be obtained including the actions / effects of the first means of the present invention.
なお、請求項2〜4に対応する場合、即ち、主面と略同じ向きにr面を形成してその結晶成長面を更に成長させる場合には、上記の非縦方向成長工程では、所望の半導体結晶は少なくともファセット成長する。
また、請求項5に対応する場合、即ち、主面と略同じ向きにa面又はm面を形成してその結晶成長面を更に成長させる場合には、上記の非縦方向成長工程では、所望の半導体結晶は少なくとも横方向成長する。
In the case of corresponding to
Further, in the case of corresponding to claim 5, that is, when the a-plane or m-plane is formed in substantially the same direction as the main surface and the crystal growth surface is further grown, The semiconductor crystal grows at least in the lateral direction.
また、本発明の第6の手段は、上記の第1乃至第5の何れか1つの手段において、溝形成工程の前、又は溝形成工程の後に、ストライプ溝を構成する主内壁面以外の内壁面上に半導体結晶の選択成長を促すマスクを結晶成長基板上に形成するマスク形成工程を設けることである。 According to a sixth means of the present invention, in any one of the first to fifth means described above, the inner wall other than the main inner wall surface constituting the stripe groove is formed before the groove forming step or after the groove forming step. A mask forming step for forming a mask for promoting selective growth of a semiconductor crystal on a wall surface on a crystal growth substrate is provided.
また、本発明の第7の手段は、上記の第6の手段において、隣接する他のストライプ溝との間に上記の主面の平坦部が残される様に各ストライプ溝を形成し、上記のマスク形成工程で、この平坦部にもマスクを形成し、更に、上記の本成長工程で、ストライプ溝上に成長した半導体結晶を核として、上記の平坦部に半導体結晶を横方向成長させることである。
なお、この横方向成長のあとに、所望の半導体結晶を縦方向成長をさせても良い。
According to a seventh means of the present invention, in the sixth means, each stripe groove is formed so that a flat portion of the main surface remains between other adjacent stripe grooves. In the mask formation process, a mask is also formed on the flat part, and in the main growth process, the semiconductor crystal grown on the stripe groove is used as a nucleus, and the semiconductor crystal is laterally grown on the flat part. .
Note that, after the lateral growth, a desired semiconductor crystal may be grown in the vertical direction.
また、本発明の第8の手段は、上記の第1乃至第6の何れか1つの手段において、上記の複数のストライプ溝を、その幅方向に間隔を置かずに隙間なく、前記主面上に連続して形成することである。
この時、上記の主面を構成していた平坦面は全面的に消滅する。
According to an eighth means of the present invention, in any one of the first to sixth means described above, the plurality of stripe grooves are formed on the main surface without any gap in the width direction. It is to form continuously.
At this time, the flat surface constituting the main surface disappears entirely.
また、本発明の第9の手段は、上記の第1乃至第8の何れか1つの手段において、ストライプ溝を構成する主内壁面以外の内壁面を上記の主面に対して垂直に形成することである。 According to a ninth means of the present invention, in any one of the first to eighth means, an inner wall surface other than the main inner wall surface constituting the stripe groove is formed perpendicular to the main surface. That is.
また、本発明の第10の手段は、上記の第1乃至第9の何れか1つの手段において、上記の非縦方向成長工程における半導体結晶の結晶成長温度を900℃以上1150℃以下にすることである。 According to a tenth means of the present invention, in any one of the first to ninth means, the crystal growth temperature of the semiconductor crystal in the non-longitudinal growth step is set to 900 ° C. or higher and 1150 ° C. or lower. It is.
また、本発明の第11の手段は、 III族窒化物系化合物半導体から成る半導体層を有する光半導体素子において、請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の半導体結晶の結晶成長方法に基づいて製造された半導体結晶を少なくとも結晶成長基板又はn型層の一部に備え、少なくとも活性層の下側界面は、 III族窒化物系化合物半導体のr面、a面、またはm面の何れか1つの面に対して10°以内のオフ角を有する面から形成することである。
The eleventh means of the present invention is the method for growing a semiconductor crystal according to any one of
また、本発明の第12の手段は、所定の下地基板上に III族窒化物系化合物半導体から成る半導体結晶が結晶成長した結晶成長基板において、結晶成長基板が有する平面状の主面上に、互いに平行で、内壁面が平面で構成された複数のストライプ溝を備え、各ストライプ溝の一つの主内壁面上にそれぞれバッファ層を備え、各バッファ層が供する結晶成長面上にはそれぞれ、半導体結晶の成長によって形成された非縦方向成長部を備え、半導体結晶のc軸と半導体結晶のピエゾ電界が零となる結晶方位との成す第2の角θ0 に対して、θ0 −10°≦θ1 ≦θ0 +10°が成り立つ様に、ストライプ溝の主内壁面と主面とが成す第1の角θ1 を設定することである。 The twelfth means of the present invention is a crystal growth substrate in which a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor is grown on a predetermined base substrate, on a planar main surface of the crystal growth substrate, A plurality of stripe grooves that are parallel to each other and that have a flat inner wall surface are provided, a buffer layer is provided on one main inner wall surface of each stripe groove, and a semiconductor is formed on the crystal growth surface provided by each buffer layer. A non-longitudinal growth portion formed by crystal growth, and θ 0 −10 ° with respect to a second angle θ 0 formed by the c-axis of the semiconductor crystal and the crystal orientation at which the piezoelectric field of the semiconductor crystal becomes zero The first angle θ 1 formed by the main inner wall surface and the main surface of the stripe groove is set so that ≦ θ 1 ≦ θ 0 + 10 ° holds.
また、本発明の第13の手段は、上記の第12の手段において、主面と略一致する位置に形成された非縦方向成長部の上方界面を、r面、a面、又はm面の何れか1種類の面から形成し、この上方界面を上記の主面と平行に形成し、この上方界面上に、一連の平板状の半導体結晶層を積層することである。 The thirteenth means of the present invention is the above-mentioned twelfth means, wherein the upper interface of the non-longitudinal growth portion formed at a position substantially coinciding with the main surface is the r-plane, a-plane, or m-plane. The upper interface is formed in parallel with the main surface, and a series of flat semiconductor crystal layers are stacked on the upper interface.
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。 By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第1の手段によれば、略一連の広大な1つのr面、a面、m面、若しくはこれらの何れか一つの面に概ね近似できる面を、略一連の広大な層界面として有する半導体結晶を製造することができる。
The effects obtained by the above-described means of the present invention are as follows.
That is, according to the first means of the present invention, a substantially series of vast one r-plane, a-plane, m-plane, or a plane that can be approximated by any one of these planes can be formed by a substantially series of vast layers. A semiconductor crystal having the interface can be manufactured.
バッファ層が供する結晶成長面上では、通常、目的の半導体結晶はc面成長するので、本発明の第1の手段によれば、その後の非縦方向成長(ファセット成長又は横方向成長)によって目的の半導体結晶のr面、a面、m面、又はこれらの何れか一つの結晶面から10°以内のオフ角を有する面が成長する。 On the crystal growth surface provided by the buffer layer, the target semiconductor crystal usually grows c-plane, so that according to the first means of the present invention, the target semiconductor crystal is subjected to subsequent non-longitudinal growth (facet growth or lateral growth). The r-plane, a-plane, m-plane of the semiconductor crystal, or a plane having an off angle within 10 ° from any one of these crystal planes grows.
また、θ0 ≒θ1 なる関係に基づいて、各部で成長する個々の結晶成長面は、何れも結晶成長基板が最初に有していた上記の主面と略同方向を向きつつ結晶成長する。以下、これと同じ向きの結晶成長面を総称してΛ面と言うことがある。このΛ面は、r面、a面、又はm面の何れかと一致していることがより望ましいが、それらと若干(10°以内)のオフ角を持つ面であっても特段差し支えない。 Further, based on the relationship of θ 0 ≈θ 1 , each crystal growth surface grown in each part grows while facing substantially the same direction as the main surface that the crystal growth substrate originally had. . Hereinafter, crystal growth planes in the same direction are sometimes collectively referred to as Λ planes. The Λ plane is more preferably coincident with any of the r, a, and m planes, but even if it is a plane having a slight (within 10 °) off angle, there is no particular step difference.
これにより、上記の非縦方向成長工程の完了時には、各部の個々のΛ面がそれぞれ互いに略一連に繋がって、広大で略平坦な1つの面を形成する。
また、各部の個々のΛ面の間に若干の段差などの凹凸部が生じても、その後の本発明の縦方向成長工程において、Λ面に垂直な方向に進む各部の縦方向成長によって、それらの凹凸部は良好に是正されて、十分に平坦化される。
Thus, when the above non-vertical growth process is completed, the individual Λ planes of the respective portions are connected to each other in a substantially series to form one large and substantially flat surface.
In addition, even if uneven portions such as slight steps are generated between the individual Λ planes of each part, in the subsequent vertical growth process of the present invention, they are caused by the vertical growth of each part proceeding in the direction perpendicular to the Λ plane. The uneven portions of the surface are corrected well and are sufficiently flattened.
ただし、上記の角度θ1 は、極力上記の角θ0 に近いことが望ましく、上記の角θ0 に一致する時に最良の結果をもたらす。例えば、目的の半導体結晶がGaN結晶の場合、一連の広大な1つのr面を得るためには、θ1 =43.2°(=θ0 )とすると最良の結果が得られる。 However, it is desirable that the angle θ 1 is as close to the angle θ 0 as possible, and the best result is obtained when the angle θ 1 coincides with the angle θ 0 . For example, when the target semiconductor crystal is a GaN crystal, the best result is obtained when θ 1 = 43.2 ° (= θ 0 ) in order to obtain a series of vast one r-planes.
また、この広大な層界面(上記のΛ面)は、ファセット成長又は横方向成長に基づいて形成される面であるので、その転位密度は必然的に低く抑制される。
更に、目的の半導体結晶と結晶成長基板との間の接合面は、例えば矩形波や三角波や鋸歯形状などの波板状に形成されるので、格子定数差や熱膨張係数差などに伴って発生し得る目的の半導体結晶と結晶成長基板との間の応力を効果的に緩和する効果をも同時に得ることができる。
Further, since this vast layer interface (the above-mentioned Λ plane) is a plane formed based on facet growth or lateral growth, the dislocation density is inevitably suppressed to be low.
Furthermore, the bonding surface between the target semiconductor crystal and the crystal growth substrate is formed in a corrugated plate shape such as a rectangular wave, a triangular wave, or a sawtooth shape. An effect of effectively relieving the stress between the target semiconductor crystal and the crystal growth substrate can be obtained at the same time.
また、上記の応力緩和作用は、ストライプ溝の中にボイドが大きく形成されていた方がより効果的に発現する。ただし、ストライプ溝中のボイドの形成は必ずしも必要なものではなく、また、外部量子効率の観点から言えば、ボイドは極力小さい又は極力少ない方が良い場合も多い。したがって、上記のストライプ溝中のボイドの有無やその大小などに付いては、これらの応力緩和作用や外部量子効率などの諸条件や、或いは所望の光半導体素子の性能などまでをも総合的に考慮して、個々に具体的に設計することが望ましい。 In addition, the stress relaxation action is more effectively expressed when the voids are formed larger in the stripe grooves. However, the formation of voids in the stripe grooves is not always necessary, and in terms of external quantum efficiency, it is often preferable that the voids be as small as possible or as small as possible. Therefore, regarding the presence or absence of voids in the stripe groove and the size thereof, the conditions such as stress relaxation action and external quantum efficiency, and the performance of the desired optical semiconductor element are also comprehensively considered. In consideration, it is desirable to design each one specifically.
以上の様な各作用をもたらす本発明の第1の手段によれば、従来より問題であった前述の温度の昇降過程に生じる原子脱離の発生が回避でき、或いは半導体結晶の界面の転位密度が低減するなどするため、上記の目的の半導体結晶における結晶品質は、十分良好に確保することができる。 According to the first means of the present invention for providing each of the functions as described above, it is possible to avoid the generation of atomic detachment that occurs in the above-described temperature increasing / decreasing process, which has been a problem conventionally, or the dislocation density at the interface of the semiconductor crystal Therefore, the crystal quality of the above-described semiconductor crystal can be sufficiently satisfactorily ensured.
また、本発明の第2乃至第4の何れか1つの手段によれば、特に広大なr面を形成する場合に、上記のストライプ溝を、上記の主面上に比較的容易または綺麗に形成することができるか、上記のバッファ層を容易、綺麗又は確実に積層することができるか、或いは、周知のファセット成長の作用に基づいて目的の半導体結晶の転位密度を比較的低く抑制することができる。 In addition, according to any one of the second to fourth means of the present invention, the stripe groove is formed relatively easily or cleanly on the main surface particularly when a very large r-plane is formed. The buffer layer can be easily, neatly or reliably stacked, or the dislocation density of the target semiconductor crystal can be suppressed to a relatively low level based on the known facet growth effect. it can.
ただし、ストライプ溝を形成する向きを決定づける基準としては、上記の様な作用・効果の観点以外にも、半導体ウェハを所望の光半導体素子などに分割する時の分割の容易性の観点なども有り得る。したがって、上記のストライプ溝を形成する向きは、例えば所望の光半導体素子の平面形状などにも留意して、より総合的に判断することがより望ましい。 However, as a standard for determining the direction in which the stripe groove is formed, there may be a viewpoint of the easiness of division when dividing the semiconductor wafer into a desired optical semiconductor element, etc., in addition to the above-mentioned viewpoints of action and effect. . Therefore, it is more desirable to determine the direction in which the stripe grooves are formed in a more comprehensive manner, taking into account the planar shape of the desired optical semiconductor element, for example.
また、本発明の第5の手段によれば、広大なa面又はm面を形成することができる。
従来のa面又はm面上に活性層を形成した半導体発光素子としては、例えば「特開2000−21789」の図18に記載されているものなどが公知である。この光素子を製造する場合、少なくとも活性層とその周辺の半導体層は、「ラテラル方向のみに成長する成長条件」で結晶成長させなければならない。しかしながら、この様に完全に横方向の結晶成長の条件設定は、実際には極めて困難である。また、獲得し得る活性層の面積が十分には大きくなり難い点や、獲得された半導体ウェハの加工容易性などにも大きな問題が残っているので、この様な光素子を実際に量産することは、現在の一般的な工業的技術水準に照らして非常に困難であると言わざるを得ない。
Further, according to the fifth means of the present invention, a vast a-plane or m-plane can be formed.
As a conventional semiconductor light-emitting device in which an active layer is formed on the a-plane or m-plane, for example, the one described in FIG. 18 of “JP 2000-21789” is known. When this optical device is manufactured, at least the active layer and the surrounding semiconductor layer must be crystal-grown under “growth conditions for growing only in the lateral direction”. However, it is actually very difficult to set conditions for crystal growth in the lateral direction in this way. In addition, since the active layer area that can be obtained is not sufficiently large, and the processability of the obtained semiconductor wafer remains a big problem, such optical elements are actually mass-produced. It must be said that it is very difficult in view of the current general industrial technical level.
しかしながら、本発明の第5の手段によれば、広大なa面又はm面を形成することができ、かつ、その後の所望の半導体層の結晶成長は、従来の「ラテラル方向のみに成長する成長条件」で実施する必要もない。したがって、本発明の第5の手段によれば、所望の高い発光効率と大きな光出力を有する発光素子や受光素子を量産することができる。 However, according to the fifth means of the present invention, a wide a-plane or m-plane can be formed, and the subsequent crystal growth of the desired semiconductor layer is the conventional “growth that grows only in the lateral direction”. It is not necessary to carry out under “conditions”. Therefore, according to the fifth means of the present invention, it is possible to mass-produce light emitting elements and light receiving elements having desired high light emission efficiency and large light output.
この時、上方に何れの結晶面が現れるかは、結晶成長基板の向きに依存する。即ち、a面を主面とする基板を用いれば、目的の半導体結晶についても広大なa面を得ることができ、m面基板を用いれば、目的の半導体結晶についても広大なm面を得ることができる。ただし、この時、主面上に形成するストライプ溝の長手方向は、結晶成長基板のc軸の方向に対して略垂直な方向に取ると良い。より望ましくは、m軸方向またはa軸方向に取ると更に良い。 At this time, which crystal plane appears above depends on the orientation of the crystal growth substrate. That is, if a substrate having an a-plane as a main surface is used, a large a-plane can be obtained even for the target semiconductor crystal, and if an m-plane substrate is used, a large m-plane can also be obtained for the target semiconductor crystal. Can do. However, at this time, the longitudinal direction of the stripe groove formed on the main surface is preferably set in a direction substantially perpendicular to the c-axis direction of the crystal growth substrate. More preferably, it is better to take in the m-axis direction or the a-axis direction.
また、本発明の第6の手段によれば、選択成長を促すマスクによって、バッファ層の向きを1通りに統一することが可能又は容易となる。例えば、バッファ層を結晶成長によって形成する場合には、バッファ層を形成すべきある一定の向きの面だけを残しておき、その他の面をマスクすれば良い。
また、これらのマスクは、縦方向成長工程におけるELOマスクとしても作用し得る。したがって、この場合には、上記の本発明の縦方向成長工程で得られる半導体結晶の転位密度を効果的に低減することも可能となる。
According to the sixth means of the present invention, it is possible or easy to unify the direction of the buffer layer in one way by using a mask that promotes selective growth. For example, when the buffer layer is formed by crystal growth, only the surface in a certain direction where the buffer layer is to be formed may be left and the other surfaces may be masked.
These masks can also act as ELO masks in the vertical growth process. Therefore, in this case, it is possible to effectively reduce the dislocation density of the semiconductor crystal obtained in the vertical growth step of the present invention.
また、本発明の第7の手段によれば、上記の平坦部に形成されるマスクがELOマスクとして作用する。即ち、このマスクの上では、所望の半導体結晶が横方向に成長するため、その横方向成長部分には転位が伝播しない。このため、転位密度が低い半導体結晶を得ることができる。 According to the seventh means of the present invention, the mask formed on the flat part functions as an ELO mask. That is, since a desired semiconductor crystal grows in the lateral direction on this mask, dislocations do not propagate to the laterally grown portion. For this reason, a semiconductor crystal having a low dislocation density can be obtained.
また、本発明の第8の手段によれば、上記の主面上に平坦部が残らないので、例えば斜めスパッタや或いは斜め露光などの様な単純で簡単な準備工程だけで、バッファ層または基板が供する、所定の向きの所望の結晶成長面だけを形成または露出させることができる場合がある。(例えば、図3−Aや、図10−Bなどの例は、この様な場合を典型的かつ具体的に例示するものである。) Further, according to the eighth means of the present invention, since the flat portion does not remain on the main surface, the buffer layer or the substrate can be obtained only by a simple and simple preparation process such as oblique sputtering or oblique exposure. In some cases, only a desired crystal growth surface in a predetermined direction can be formed or exposed. (For example, examples such as FIG. 3-A and FIG. 10-B exemplify such cases typically and specifically.)
また、本発明の第9の手段によれば、方向性を有するドライエッチングなどによって、ストライプ溝の内壁面を容易に形成することができる。
また、本発明の第9の手段によれば、前記の本発明の第5の手段を具体的に実施するにあたって、ストライプ溝の主内壁面を含むストライプ溝の各内壁面を良好に形成することができる。
According to the ninth means of the present invention, the inner wall surface of the stripe groove can be easily formed by directional dry etching or the like.
Further, according to the ninth means of the present invention, when the fifth means of the present invention is specifically implemented, each inner wall surface of the stripe groove including the main inner wall surface of the stripe groove is formed well. Can do.
なお、ストライプ溝の断面形状を矩形とする場合、上記の主面に対して垂直な側壁面(:ストライプ溝の内壁面)がストライプ溝内で互いに向かい合うことになるが、この様な場合、ストライプ溝内の一方の内壁面だけにバッファ層を形成し、かつ、そのバッファ層が積層される全ての内壁面の法線の向きを1つの向きに揃える様に制限しても良いし、或いはまた、向かい合う双方何れの面にもバッファ層を形成する様にしても良い。向かい合う双方何れの面にもバッファ層を形成すれば、双方から成長してきた半導体結晶をストライプ溝の略中央で合体させることができる。そして、この様な場合にも、前記の本発明の第5の手段を具体的に実施することができる。 When the cross-sectional shape of the stripe groove is rectangular, the side wall surfaces perpendicular to the main surface (the inner wall surface of the stripe groove) face each other in the stripe groove. The buffer layer may be formed only on one inner wall surface in the groove, and the normal directions of all the inner wall surfaces on which the buffer layer is laminated may be limited to one direction, or alternatively Alternatively, a buffer layer may be formed on both surfaces facing each other. If a buffer layer is formed on both surfaces facing each other, the semiconductor crystals grown from both surfaces can be combined at the approximate center of the stripe groove. Even in such a case, the fifth means of the present invention can be specifically implemented.
また、本発明の第10の手段によれば、ファセット成長を良好に促す結晶成長条件を設定することができるので、上記の非縦方向成長工程においてより確実に上記のΛ面のファセット成長を継続することができる。したがって、本発明の第7の手段によれば、上記の一連化や平坦化が比較的容易かつ良好に達成できる。このファセット成長の結晶成長温度の好適値は、キャリアガスや結晶材料ガスの流量や分圧や或いは結晶成長速度等にも依存するものの、通常、より望ましいこの結晶成長温度は、950℃〜1100℃の範囲内にある。 In addition, according to the tenth means of the present invention, the crystal growth conditions that favorably promote facet growth can be set, so that the facet growth on the Λ plane can be continued more reliably in the non-longitudinal growth process. can do. Therefore, according to the seventh means of the present invention, the above series and flattening can be achieved relatively easily and satisfactorily. The preferred value of the crystal growth temperature for the facet growth depends on the flow rate and partial pressure of the carrier gas and the crystal material gas, or the crystal growth rate, but the more preferable crystal growth temperature is usually 950 ° C. to 1100 ° C. It is in the range.
また、本発明の第11の手段によれば、上記の従来技術の課題においてみられた様な、従来のエッチング工程や或いは従来のマスク形成工程などを介在させるべき必要性を完全に排除することができるので、これらの介在工程に伴う上記の昇降温に起因する問題も必然的に払拭することができる。また、各ストライプ溝を構成する上記の各内壁面上には、それぞれバッファ層が成膜されるので、これにより、内壁面上にダメージ層が形成されていたとしてもその悪影響は効果的に緩和、抑制することができる。 In addition, according to the eleventh means of the present invention, it is possible to completely eliminate the necessity to intervene the conventional etching process or the conventional mask forming process as seen in the problems of the prior art. Therefore, it is possible to inevitably eliminate the problems caused by the above temperature rise and fall associated with these intervening steps. In addition, since a buffer layer is formed on each of the inner wall surfaces constituting each stripe groove, even if a damage layer is formed on the inner wall surface, the adverse effect is effectively mitigated. Can be suppressed.
また、素子構造として必要とされる例えばn型層などの各半導体結晶層のΛ面の結晶成長は、活性層を形成するよりも遥かに前の段階より開始することができる。例えば、n型コンタクト層の結晶成長を実施するなどの早期の段階から開始することができる。更に、Λ面の結晶成長によって、光半導体素子の活性層を略一連の略平坦な板状(平面状)に形成することが可能または容易となる。 In addition, crystal growth on the Λ plane of each semiconductor crystal layer such as an n-type layer required as an element structure can be started at a stage far before the formation of the active layer. For example, it can be started from an early stage such as performing crystal growth of an n-type contact layer. Furthermore, the crystal growth of the Λ plane makes it possible or easy to form the active layer of the optical semiconductor element into a substantially series of substantially flat plate shapes (planar shapes).
したがって、本発明の第11の手段によれば、非常に良好な結晶成長を促すこれらの作用によって、Λ面を界面とする極めて高品質の活性層を形成することが可能または容易となる。したがって、本発明の第11の手段によれば、目的の光半導体素子において、特段の派生問題を生むことなくピエゾ電界の悪影響を効果的に緩和若しくは最小化することができ、よって、その光半導体素子の動作効率を大幅に向上させることができる。 Therefore, according to the eleventh means of the present invention, it is possible or easy to form an extremely high quality active layer having the Λ plane as an interface by these actions that promote very good crystal growth. Therefore, according to the eleventh means of the present invention, in the target optical semiconductor element, the adverse effect of the piezoelectric field can be effectively mitigated or minimized without causing a special derivation problem. The operating efficiency of the element can be greatly improved.
また、本発明の第12の手段に従って構成された結晶成長基板を入手すれば、上記の本発明の第11の手段に基づいて構成される光半導体素子を生産する際に、その生産者は前述の本発明の溝形成工程やバッファ層積層工程や非縦方向成長工程などの比較的高度な技術を要する各製造工程を実施しなくて済む。 In addition, if a crystal growth substrate constructed according to the twelfth means of the present invention is obtained, when producing an optical semiconductor device constructed based on the eleventh means of the present invention, the producer will Therefore, it is not necessary to carry out each manufacturing process requiring a relatively advanced technique such as a groove forming process, a buffer layer laminating process, and a non-longitudinal growth process.
このため、本発明の第12の手段に従って構成された結晶成長基板を入手すれば、上記の本発明の第11の手段に基づいて製造されるべき上記の光半導体素子を、その生産者は容易に製造することができる。言い換えれば、本発明の第12の手段に従って構成される結晶成長基板は、工業的に極めて有用となり得るので、上記の本発明の結晶成長基板は単独でも一般市場において高い商品価値を持ち得る。 Therefore, if a crystal growth substrate constructed according to the twelfth means of the present invention is obtained, the above-mentioned optical semiconductor element to be manufactured based on the eleventh means of the present invention can be easily produced by the producer. Can be manufactured. In other words, since the crystal growth substrate constructed according to the twelfth means of the present invention can be extremely useful industrially, the crystal growth substrate of the present invention alone can have high commercial value in the general market.
なお、この様な結晶成長基板においては、上記のΛ面上に、そのΛ面に対して平行な界面を有する平板状の半導体結晶層を更に積層しておくことがより望ましい。即ち、本発明の第13の手段によれば、結晶成長面の平坦性が向上するなどして、結晶成長面の品質が向上する。 In such a crystal growth substrate, it is more desirable to further stack a flat semiconductor crystal layer having an interface parallel to the Λ plane on the Λ plane. That is, according to the thirteenth means of the present invention, the quality of the crystal growth surface is improved by improving the flatness of the crystal growth surface.
また、更には、この様な半導体結晶層を十分に厚く積層することによって、下地基板(最初の結晶成長基板)を除去することも可能又は容易となる。また、下地基板が除去されれば、その半導体結晶層を、自立したバルク結晶から成る結晶成長基板として用いることができる。異種基板を有しない自立したバルク結晶から成る結晶成長基板は、熱膨張係数差や格子定数差などに起因する応力の問題から解放される点で、非常に有利である。 Furthermore, it is possible or easy to remove the base substrate (first crystal growth substrate) by stacking such semiconductor crystal layers sufficiently thick. If the base substrate is removed, the semiconductor crystal layer can be used as a crystal growth substrate made of a self-supporting bulk crystal. A crystal growth substrate made of a self-supporting bulk crystal that does not have a heterogeneous substrate is very advantageous in that it is free from the problem of stress caused by a difference in thermal expansion coefficient or a difference in lattice constant.
上記の下地基板(または最初の結晶成長基板)としては、例えば、サファイア、シリコン(Si)、炭化珪素(SiC)、酸化亜鉛(ZnO)、2元、3元、又は4元のAlx Iny Ga1-x-y N(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)、或いはその他の公知の結晶成長用の基板材料を使用することができる。即ち、これらの基板は、立方晶系の結晶でも良く、必ずしも六方晶系の結晶に限定されるものではない。
また、例えば、熱膨張係数差や格子定数差などに起因して半導体層に加わる応力を排除するために、所望の半導体結晶に対するそれらの差値が小さい基板材料等を用いると良い場合もある。
Examples of the base substrate (or the first crystal growth substrate) include sapphire, silicon (Si), silicon carbide (SiC), zinc oxide (ZnO), binary, ternary, and quaternary Al x In y. Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) or other known substrate materials for crystal growth can be used. That is, these substrates may be cubic crystals and are not necessarily limited to hexagonal crystals.
Further, for example, in order to eliminate stress applied to the semiconductor layer due to a difference in thermal expansion coefficient or a difference in lattice constant, it may be preferable to use a substrate material or the like having a small difference value with respect to a desired semiconductor crystal.
また、本発明は、2元、3元、或いは4元の「Al1-x-y Gay Inx N;0≦x≦1,0≦y≦1,0≦1−x−y≦1」から成る、より一般の III族窒化物系化合物半導体を目的の半導体結晶とする場合にも有効である。更に、前記の目的の半導体結晶は、2元、3元、又は4元の「Al1-x-y Gay Inx N;0≦x≦1,0≦y≦1,0≦1−x−y≦1」中の III族元素(Al,In,Ga)の内の一部をボロン(B)やタリウム(Tl)等で置換したり、或いは、上記の組成式中の窒素(N)の一部をリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)等で置換したりした半導体等を上記の目的の半導体結晶としても良い。本発明の作用・効果は、これらの若干の変形や置換などに対しても一定の普遍性を示すものである。 Further, the present invention is based on binary, ternary, or quaternary "Al 1-xy Ga y In x N; 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ 1-xy ≦ 1”. This is also effective when a more general group III nitride compound semiconductor is used as a target semiconductor crystal. Further, the above-described target semiconductor crystal is a binary, ternary, or quaternary “Al 1-xy Ga y In x N; 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ 1-xy”. ≦ 1 ”, a part of the group III element (Al, In, Ga) is replaced by boron (B), thallium (Tl), or the like, or one of nitrogen (N) in the above composition formula A semiconductor or the like in which a portion is replaced with phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), or the like may be used as the semiconductor crystal for the above purpose. The actions and effects of the present invention show a certain universality even with respect to these slight modifications and substitutions.
また、前記の目的の半導体結晶は、n型またはp型の周知の適当な不純物が添加されたものであっても良い。p型の不純物としては、例えば、マグネシウム(Mg)や、或いはカルシウム(Ca)等を添加することができる。また、n型の不純物としては、例えば、シリコン(Si)や、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、或いはゲルマニウム(Ge)などを添加することができる。また、これらの不純物は、同時に2元素以上を添加しても良いし、同時に両型(p型とn型)を添加しても良い。 Further, the above-described target semiconductor crystal may be added with a known appropriate impurity of n-type or p-type. As the p-type impurity, for example, magnesium (Mg), calcium (Ca), or the like can be added. As the n-type impurity, for example, silicon (Si), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), germanium (Ge), or the like can be added. Further, two or more elements of these impurities may be added simultaneously, or both types (p-type and n-type) may be added simultaneously.
また、縦方向成長工程の後に、又は、その縦方向成長工程に並行して、目的とする上記の半導体結晶から結晶成長基板を除去する基板除去工程を設けても良い。この様な基板除去工程の導入によれば、下地基板(最初の結晶成長基板)が除去されるため、目的の半導体結晶を厚く結晶成長させた場合には、自立した半導体バルク結晶を得ることも十分に可能となる。この様な自立した半導体バルク結晶は、勿論光半導体素子の結晶成長基板などに有用となる。 Further, a substrate removal step of removing the crystal growth substrate from the target semiconductor crystal may be provided after the vertical growth step or in parallel with the vertical growth step. According to the introduction of such a substrate removal process, since the base substrate (first crystal growth substrate) is removed, when the target semiconductor crystal is grown thick, a self-supporting semiconductor bulk crystal can be obtained. Fully possible. Such a self-supporting semiconductor bulk crystal is, of course, useful for a crystal growth substrate of an optical semiconductor element.
また、光半導体素子を製造する場合には、結晶成長基板の格子定数、熱膨張係数、屈折率、或いは透光性などが厳しく問われる場合が多いが、上記の最初の結晶成長基板(以下、下地基板と言うことがある。)を除去できれば、その様な制約から必然的に解放されるので、下地基板の材料選択の任意性も向上する。 In the case of manufacturing an optical semiconductor element, the lattice constant, thermal expansion coefficient, refractive index, or translucency of the crystal growth substrate is often strictly asked. If it can be removed, it is inevitably freed from such restrictions, so that the material selection of the base substrate is improved.
また、ストライプ溝の形状や大小などによっては、ストライプ溝の底部などにボイドができ易くなる。そして、この様なボイドは、光半導体素子の光取り出し効率や光取り込み効率などを低下させることがあるが、たとえその様な場合であっても、上記の様に下地基板を除去すれば、それらの不具合も同時に回避することができる。 Further, depending on the shape and size of the stripe groove, a void is easily formed at the bottom of the stripe groove. Such voids may reduce the light extraction efficiency and light capture efficiency of the optical semiconductor element. Even in such a case, if the base substrate is removed as described above, these voids This problem can be avoided at the same time.
なお、自立した半導体バルク結晶に対するハンドリングに伴うその結晶の破損の確率を低減して、十分な歩留りを確保するために、上記の基板除去工程を実施する場合には、目的の半導体結晶(:自立した半導体バルク結晶)は、少なくとも400μm以上に積層することが望ましい。また、バッファ層や非縦方向成長部は相対的に十分に小さいので、これらの部位を残留させて上記の下地基板のみを除去する様にしても、勿論、略同等の作用・効果を得ることができる。或いは、上記の半導体結晶層(:自立した半導体バルク結晶)の下方の一部をも除去してしまっても、特段の支障を来すものではない。 In order to reduce the probability of breakage of a crystal due to handling of a self-supporting semiconductor bulk crystal and to secure a sufficient yield, the target semiconductor crystal (: self-supporting) The semiconductor bulk crystal) is desirably laminated to at least 400 μm or more. Further, since the buffer layer and the non-longitudinal growth portion are relatively small enough, it is of course possible to obtain substantially the same operation and effect even if these portions are left and only the base substrate is removed. Can do. Alternatively, even if a part of the lower part of the semiconductor crystal layer (the self-supporting semiconductor bulk crystal) is also removed, no particular trouble is caused.
また、上記の基板除去工程は、上記の縦方向成長工程と並行して実施することも可能である。その様な並行処理を可能とする製造方法や製造装置としては、例えば「特開2003−7619: III族窒化物系化合物半導体の製造方法及び製造装置」に開示されている技法などが公知である。この公知文献には、結晶成長基板の表裏両面から結晶成長やエッチング等を同時に実施することができる装置等が開示されているが、例えばこの様な技法を利用すれば、目的の半導体結晶を厚く成長させる際に、目的の半導体結晶に作用する応力を極力排除することができる。 Further, the substrate removal step can be performed in parallel with the vertical growth step. As a manufacturing method and a manufacturing apparatus that enable such parallel processing, for example, a technique disclosed in, for example, “JP-A 2003-7619: Group III nitride compound semiconductor manufacturing method and manufacturing apparatus” is known. . This known document discloses an apparatus that can simultaneously perform crystal growth, etching, and the like from both the front and back surfaces of a crystal growth substrate. For example, if such a technique is used, the target semiconductor crystal is thickened. When growing, the stress acting on the target semiconductor crystal can be eliminated as much as possible.
また、目的とする半導体結晶の組成を結晶成長基板の組成に略一致させると良い場合がある。これにより、目的の半導体結晶と結晶成長基板との熱膨張係数差を小さくすることができるので、上記の様な両面同時処理を可能にする様な特殊な装置を用意できない場合にも、応力の発生を防いで目的の半導体結晶を十分に厚く形成することが可能又は容易となる。 In some cases, the composition of the target semiconductor crystal may be substantially matched with the composition of the crystal growth substrate. As a result, the difference in thermal expansion coefficient between the target semiconductor crystal and the crystal growth substrate can be reduced. Therefore, even when a special apparatus that enables simultaneous processing on both sides as described above cannot be prepared, the stress can be reduced. It is possible or easy to prevent the generation and to form the target semiconductor crystal sufficiently thick.
また、上記のストライプ溝の深さは、1μm以上30μm以下にすることが望ましい。この範囲は、1μm以上15μm以下とすると更に望ましい。この様な寸法設定によれば、各ストライプ溝内で結晶成長するΛ面が良好に繋がって、一連の略平坦で広大なΛ面を良好に形成することができる。
また、この深さを浅くしすぎるとストライプ溝が細くなり過ぎて、所望の適当な形状にこのストライプ溝を形成することが、現在の周知の基板加工技術の加工精度に照らして困難となる。或いは、各ストライプ溝内で各々綺麗なΛ面が形成される前に、それらの個々のΛ面が相互に不規則に繋がってしまう恐れが生じる。
The depth of the stripe groove is desirably 1 μm or more and 30 μm or less. This range is more desirably 1 μm or more and 15 μm or less. According to such a dimension setting, the Λ planes for crystal growth in each stripe groove are connected well, and a series of substantially flat and vast Λ planes can be formed satisfactorily.
If the depth is too shallow, the stripe groove becomes too thin, and it becomes difficult to form the stripe groove in a desired appropriate shape in view of the processing accuracy of the currently known substrate processing technology. Alternatively, before each beautiful Λ surface is formed in each stripe groove, the individual Λ surfaces may be irregularly connected to each other.
また、この深さを深くし過ぎると、各ストライプ溝内で結晶成長するΛ面が、それぞれ互いに一連に良好に繋がるまでに掛かる時間(即ち、本発明の非縦方向成長工程に掛かる時間)が長くなり過ぎて、必ずしも高い生産性を確保できるとは言えない。また、この深さを深くし過ぎると、局所的な成長速度のムラに伴って発生し得る、上記の個々のΛ面間の段差が大きくなってしまう恐れも十分には払拭できない。また、この深さを深くし過ぎると、特にストライプ溝が急峻な側壁面を有する場合、深い部位には材料ガスが到達し難くなるので、バッファ層の積層状況などによってはストライプ溝の底部などにボイドが形成され易くなるので、前にも言及した様に、場合によっては必ずしも望ましい結晶成長形態になるとは言い切れない。
これらの観点より、各ストライプ溝の深さは、約1μm以上15μm以下がより望ましい。更に望ましくは、ストライプ溝の深さは約2μm以上5μm以下が良い。
Further, if this depth is excessively increased, the time required for the Λ planes for crystal growth in each stripe groove to be connected to each other well in series (that is, the time required for the non-longitudinal growth step of the present invention) is increased. It is too long to necessarily ensure high productivity. Moreover, if this depth is too deep, the possibility of increasing the level difference between the individual Λ planes, which may occur due to uneven local growth rate, cannot be sufficiently eliminated. If this depth is too deep, the material gas will not easily reach the deep part, especially if the stripe groove has a steep side wall, so depending on the stacking conditions of the buffer layer, etc. Since voids are easily formed, it is not always possible to obtain a desirable crystal growth form in some cases as mentioned above.
From these viewpoints, the depth of each stripe groove is more preferably about 1 μm or more and 15 μm or less. More preferably, the depth of the stripe groove is about 2 μm or more and 5 μm or less.
また、特に広大なr面を獲得したい場合、上記の主面に対して略垂直な側壁面を用いて、上記のストライプ溝の1つの内壁面を形成すると良い場合がある。この設定によれば、主面に略垂直な上記の側壁面をドライエッチングなどによって容易に形成することができると同時に、特に広大なr面を得たい場合には、この構成によって、ストライプ溝が上記の非縦方向成長工程で、成長した半導体結晶によって略過不足なく埋まる様な結晶成長条件が成立し易くなる場合も少なくない。このため、結晶成長基板と目的の半導体結晶との間には、非常にボイドの少ない界面を形成することも可能又は容易となる。したがって、上記の結晶成長基板をそのまま光半導体素子の基板とする場合には、光取り出し効率または光取り込み効率の高い素子を製造できる場合もある。 Further, when it is desired to obtain a particularly large r-plane, it may be preferable to form one inner wall surface of the stripe groove using a side wall surface substantially perpendicular to the main surface. According to this setting, the side wall surface substantially perpendicular to the main surface can be easily formed by dry etching or the like, and at the same time, when a particularly large r-plane is desired, this configuration allows the stripe groove to be formed. In the above non-longitudinal growth process, there are many cases where the crystal growth conditions such that the grown semiconductor crystal can be filled with almost no excess are easily satisfied. For this reason, it is possible or easy to form an interface with very few voids between the crystal growth substrate and the target semiconductor crystal. Therefore, when the crystal growth substrate is used as it is as a substrate for an optical semiconductor element, an element having high light extraction efficiency or high light extraction efficiency may be manufactured.
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.
(結晶成長基板の構造とその製造工程)
図1−Aに、主面Σを主面とする本実施例1の結晶成長基板1(下地基板)の側面図を示す。この結晶成長基板1はサファイアから形成されている。図中の単位ベクトル<σ|は、結晶成長基板1の上方の略平坦な主面Σの法線ベクトルであり、以下、この法線ベクトル<σ|の向きを3次元直交座標系のz軸の正の向きとする。
(Structure of crystal growth substrate and its manufacturing process)
FIG. 1A shows a side view of the crystal growth substrate 1 (underlying substrate) of Example 1 having a main surface Σ as a main surface. The
また、本明細書では、結晶の各面は4つの軸を使った六方晶系におけるミラー指数(hkil)を用いて、上記の3次元直交座標系(x,y,z)と区別する。したがって、例えば上記の法線ベクトル<σ|は、この3次元直交座標を用いて、次式(1)の様に書くことができる。
(法線ベクトル<σ|の直交座標表示)
<σ|=(0,0,1) …(1)
Further, in this specification, each face of the crystal is distinguished from the above three-dimensional orthogonal coordinate system (x, y, z) by using a Miller index (hkil) in a hexagonal system using four axes. Therefore, for example, the normal vector <σ | described above can be written as the following equation (1) using the three-dimensional orthogonal coordinates.
(Orthogonal coordinate display of normal vector <σ |)
<Σ | = (0, 0, 1) (1)
図1−Aの結晶成長基板1は、次式(2)を満たす板状の直方体として成形されている。ただし、ここでは、図1−Aの結晶成長基板1を形成するサファイア結晶のc軸の正の向きを向く単位ベクトルを以下<c|で表す。また、このサファイア結晶の1つのa軸の正の向きを向く単位ベクトルを以下<a|で表す。なお、下記の角θ0 は、六方晶系のGaN単結晶(即ち、後述の目的の半導体結晶層6)においてc軸とr軸とが成す角度であり、常温では43.2°である。
The
(単位ベクトル<c|,<a|の直交座標表示)
<c|=(0,sinθ0 ′,cosθ0 ′),
<a|=(0,cosθ0 ′,−sinθ0 ′),
θ0 ′≒θ0 …(2)
ここで、上記の角θ0 ′はこの角θ0 の近傍値でよく、例えば45°程度でも良い。以下、本実施例では、この式(2)においてθ0 ′=θ0 =43.2°が満たされているものとする。
(Correct coordinate display of unit vectors <c |, <a |)
<C | = (0, sin θ 0 ′, cos θ 0 ′),
<A | = (0, cos θ 0 ′, −sin θ 0 ′),
θ 0 ′ ≈θ 0 (2)
Here, the angle θ 0 ′ may be a value near the angle θ 0 , for example, about 45 °. Hereinafter, in this embodiment, it is assumed that θ 0 ′ = θ 0 = 43.2 ° is satisfied in this equation (2).
また、ここで注意すべき点は、上記の主面Σは、サファイア基板以外の場合でも、一般にはr面とはならないが、それにも関わらず、最終的にはこの主面Σに対して略平行な広大なr面を有する半導体結晶層(即ち、後述の目的の半導体結晶層6)が得られる点である。そして、この理想的とも言える帰結は、後述の傾斜角θ1 の角度設定に依る所が大きい。そして、これらの点が本発明の最も大きな特徴の一つとなっている。
In addition, it should be noted that the main surface Σ is not generally the r-plane even in the case of other than the sapphire substrate. A semiconductor crystal layer having a large parallel r-plane (that is, a target
図1−Bに、塗布及びベーキングによって上記の主面Σにレジストマスク2が形成された結晶成長基板1の側面図を示す。また、図1−Cには、レジストマスク2が形状加工された結晶成長基板1の側面図を示す。レジストマスク2に対する露光方法としては、例えば次の何れかの方法を採用しても良い。これらの露光方法については周知の適当な任意の方法を用いることができる。
(1)ストライプ形状の濃淡パターンを有するネガを作成して用いる方法
(2)目的の形状に適合する様に焦点制御されたレーザ光を走査制御して照射する方法
FIG. 1B shows a side view of the
(1) A method of creating and using a negative having a stripe-shaped shading pattern (2) A method of irradiating a laser beam whose focus is controlled so as to be adapted to the target shape.
また、このレジストマスク2の厚さΔ1は、ドライエッチング実行時のレジストマスク2の深さ方向への侵食進行速度Rと、結晶成長基板1の侵食進行速度rと、フォトリソグラフィーなどによってレジストマスク2に形成すべき傾斜面2aの傾斜角φと、その後のドライエッチングによって結晶成長基板1に形成すべき傾斜面1aの傾斜角θ1 (図2)などに基づいて決定することができる。これらの変数R,r,φ,θ1 ,Δ1などが満たすべき関係式に付いては既に公知である。この具体的な関係については、例えば、特開2001−160657に開示されている関係式などを参考にすれば良い。
Further, the thickness Δ1 of the resist
上記のドライエッチングによって上記の主面Σが所望の形状に形状加工された結晶成長基板1の斜視図を図2に示す。ストライプ溝Sは、主面Σに形成された図中の傾斜面1aと側壁面1bから構成されている。また、符号Δ2はストライプ溝Sの深さを表しており、符号θ1 (=90°−α)は下地基板1の主面Σと傾斜面1aとが成す角度を表している。この様に、ストライプ溝Sの長手方向をy軸方向と略一致させた時、上記のa軸の方向(単位ベクトル<a|)と上記のストライプ溝Sの長手方向≡<s|=(0,1,0)との成す角ρは極小(最小)となる(本発明の第6の手段)。この時、式(2)から判る様に、ρ=θ0 ′である。
FIG. 2 is a perspective view of the
本実施例1では、次式(3)の様に結晶成長基板1を形成する。
(下地基板(結晶成長基板1)の寸法)
α ≡ 90°−θ1 ≒ 47°,
Δ2 ≒ 3μm,
D ≒ 400μm …(3)
なお、水平方向(xy方向)の面積や縦横比などは任意で良い。
In Example 1, the
(Dimensions of base substrate (crystal growth substrate 1))
α ≡ 90 ° −θ 1 ≒ 47 °,
Δ2 ≒ 3μm,
D ≒ 400μm (3)
The horizontal direction (xy direction) area, aspect ratio, and the like may be arbitrary.
図3−Aは、本実施例1のバッファ層積層工程を示す結晶成長基板1の部分的断面図である。バッファ層3は、AlGaN(またはAlNまたはGaN)からなる半導体層で、スパッタリングによって成膜する。使用するスパッタリング装置としては、例えば、高周波スパッタ装置や或いはプラズマスパッタ装置などが有用である。このスパッタリングにおいては、成膜領域を制限するために若干角度を付けて結晶成長基板1に対して斜めに材料を吹き付ける(斜めスパッタ)。図中の符号Aはその時の投射方向を表している。この傾け角δは、0°〜60°位で良い。本実施例におけるより望ましい範囲としては、3°〜10°程度である。この角度が大きいと後に形成されるボイドも大きくなる。また、この角度が小さ過ぎると、結晶成長基板1の側壁面1bにも材料が付着してしまい、後の非縦方向成長工程における所望のr面成長が順調に進展しない恐れが生じる。
FIG. 3A is a partial cross-sectional view of the
なお、上記のスパッタリングを実施する際の条件は以下の通りに設定する。
(スパッタリング条件)
積層するAlNの膜厚 : 640〔Å〕
スパッタガス : Ar(8sccm)/N2 (10sccm)
基板温度 : 430〔℃〕
DCパワー : 0.5〔W〕
電極面積 : 8000〔cm2 〕
The conditions for performing the above sputtering are set as follows.
(Sputtering conditions)
Film thickness of AlN to be laminated: 640 [Å]
Sputtering gas: Ar (8 sccm) / N 2 (10 sccm)
Substrate temperature: 430 [° C]
DC power: 0.5 [W]
Electrode area: 8000 [cm 2 ]
図3−B,−Cは、その後の本実施例1の非縦方向成長工程を示す結晶成長基板1の部分的断面図である。この非縦方向成長工程では、最初、上記のバッファ層3の上にはGaNのc面が結晶成長する。このc面成長は、下記の非縦方向成長工程の結晶成長条件に従えば、所謂ファセット成長として進行し、その非縦方向成長部4の片側の上向きのr面の法線ベクトルが、最初の主面Σの法線ベクトル<σ|と一致する様に結晶が成長する(図3−B)。
3B and 3C are partial cross-sectional views of the
ここでは、MOCVD法によって、上記の各ストライプ溝S中の大部分をGaN結晶で埋め込む。また、キャリアガスにH2 (またはN2 )を使用し、アンモニアとトリメチルガリウム(TMG)を下記の割合で供給する。これにより、各非縦方向成長部4の上面では、図3−Bに示す様にxy平面に平行にr面が結晶成長し、これらの個々のr面は、側壁面1bの近傍に若干のボイド5を形成しつつも、ストライプ溝Sを完全に覆い隠すまで結晶成長して、最終的には略一連の平坦面4aが形成される(図3−C)。
なお、この時(図3−B,−Cの時)の具体的な結晶成長条件は以下の通りにする。この条件設定は、継続的かつ順調なファセット成長を促進する上で重要である。また、下記の結晶成長速度は、r面に垂直な方向の結晶成長速度である。なお、下記のV/III 比は勿論モル比である。
Here, most of each stripe groove S is filled with GaN crystal by MOCVD. Further, H 2 (or N 2 ) is used as a carrier gas, and ammonia and trimethyl gallium (TMG) are supplied at the following ratio. As a result, on the upper surface of each
The specific crystal growth conditions at this time (in FIGS. 3-B and -C) are as follows. This condition setting is important in promoting continuous and steady facet growth. The following crystal growth rate is a crystal growth rate in a direction perpendicular to the r-plane. The following V / III ratio is, of course, a molar ratio.
(非縦方向成長部4の結晶成長条件)
結晶成長温度 : 990〔℃〕
結晶成長速度 : 0.8〔μm/min〕
結晶成長時間 : 50〔min〕
供給ガス流量比(V/III 比): 5000
(Crystal growth conditions of non-longitudinal growth part 4)
Crystal growth temperature: 990 [° C]
Crystal growth rate: 0.8 [μm / min]
Crystal growth time: 50 [min]
Supply gas flow ratio (V / III ratio): 5000
図4は、GaN結晶から成る目的の半導体結晶層6を有するテンプレート10(新たな結晶成長基板)の断面図である。ここで、この半導体結晶層6の結晶成長条件は、次の通りとする。
(半導体結晶層6の結晶成長条件)
結晶成長温度 : 1050〔℃〕
結晶成長速度 : 0.6〔μm/min〕
結晶成長時間 : 100〔min〕
供給ガス流量比(V/III 比): 50000
FIG. 4 is a cross-sectional view of a template 10 (new crystal growth substrate) having a target
(Crystal growth conditions of the semiconductor crystal layer 6)
Crystal growth temperature: 1050 [° C.]
Crystal growth rate: 0.6 [μm / min]
Crystal growth time: 100 [min]
Supply gas flow ratio (V / III ratio): 50000
例えばこの様に、前述のMOCVD法において若干結晶成長条件を変えることで、半導体結晶層6のr面(上面6a)の転位密度が抑制されると共に、半導体結晶層6の上面6aの更なる平坦化を効果的に促進することができる。
したがって、以上の様にして得られるテンプレート10は、r面を界面とする広大かつ平坦な活性層の結晶成長を安定かつ確実に促進するので、内部量子効率の高い光半導体素子を製造する際の結晶成長基板として非常に有用なものとなる。
なお、後述の各実施例では、この様なテンプレートを用いて製造される内部量子効率の高い光半導体素子に付いて具体的に例示する。
For example, in this way, by slightly changing the crystal growth conditions in the above-described MOCVD method, the dislocation density on the r-plane (
Therefore, since the
In each example described later, an optical semiconductor element having a high internal quantum efficiency manufactured using such a template will be specifically exemplified.
(r面成長を促進する結晶成長条件)
これらのr面成長には、MOCVD法が適している。また、安定したファセット成長(r面成長)を確実に誘起、促進するための結晶成長条件には、通常の一般的なc面成長の場合に対して、以下の特徴がある。
(1)結晶成長温度
結晶成長温度は、通常の一般的なc面成長の場合よりも低くした方が良い。
(Crystal growth conditions for promoting r-plane growth)
For these r-plane growth, the MOCVD method is suitable. Further, the crystal growth conditions for reliably inducing and promoting stable facet growth (r-plane growth) have the following characteristics as compared with the case of normal general c-plane growth.
(1) Crystal growth temperature The crystal growth temperature should be lower than in the case of normal general c-plane growth.
(2)結晶成長速度
結晶成長速度は、通常の一般的なc面成長の場合よりも高くした方が良い。
(3)V/III 比
V/III 比は、通常の一般的なc面成長の場合よりも小さくした方が良い。
(4)アンモニアガス供給量
NH3 分圧は、通常の一般的なc面成長の場合よりも高くした方が良い。
(2) Crystal growth rate The crystal growth rate should be higher than in the case of normal general c-plane growth.
(3) V / III ratio It is better to make the V / III ratio smaller than in the case of normal general c-plane growth.
(4) Ammonia gas supply amount The NH 3 partial pressure should be higher than that in the case of normal general c-plane growth.
これらの具体的な適正範囲に付いては、既に概ね公知であり、ファセット成長に関わるこれらの一般的な諸傾向などについては、例えば以下の公開特許公報などからも、より詳しく具体的に知ることができる。 These specific appropriate ranges are already generally known, and these general trends related to facet growth can be known more specifically from, for example, the following published patent publications. Can do.
ただし、これらの従来技術の目的は、所望の半導体結晶層の結晶品質を向上させることであって、これらの従来技術の思想や技法は、一連の平坦かつ広大なr面から成る積層界面を有する半導体結晶層を形成する様な目的や具体的アプローチを含んだものではない。また、これらの従来技術においては、c面成長によって活性層を形成する事例は多数見られるが、r面成長によって活性層を形成する事例は見当たらない。 However, the purpose of these prior arts is to improve the crystal quality of the desired semiconductor crystal layer, and these prior art ideas and techniques have a stacked interface consisting of a series of flat and vast r-planes. It does not include the purpose or specific approach of forming a semiconductor crystal layer. In these prior arts, there are many cases where an active layer is formed by c-plane growth, but there are no cases where an active layer is formed by r-plane growth.
(参考例1)公開特許公報「特開平10−312971」
(参考例2)公開特許公報「特開平11−130597」
(参考例3)公開特許公報「特開平11−251631」
(参考例4)公開特許公報「特開2001−102307」
(参考例5)公開特許公報「特開2002−280609」
(参考例6)澤木宣彦、「選択成長法によるGaN微細構造の作製−集積形量子効果デバイスの実現に向けて−」名城大学ハイテクセンターシンポジウム(窒化物半導体研究センター成果発表シンポジウム)発表論文集、2000年6月23日
(参考例7)"Transmission Electron Microscopy Investigation of Dislocations in GaN Layer Grown by Facet-Controlled Epitaxial Lateral Overgrowth" , JAPANESE
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,Vol.40(2001)pp.L309-L312,Part2,No.4A,1 April 2001
(参考例8)水谷広光、外6名、「FACELO(ファセット制御ELO)によるGaNの低転位化」,信学技報,社団法人電子情報通信学会,ED2000-22,CPM2000-7,SDM2000-22(2000-05),pp.35-40
(Reference Example 1) Published Patent Publication "JP 10-312971"
(Reference Example 2) Published Patent Publication "JP 11-130597"
(Reference Example 3) Published Patent Publication “JP 11-251631”
Reference Example 4 Published Patent Publication “JP 2001-102307”
(Reference Example 5) Published Patent Publication “JP 2002-280609”
(Reference Example 6) Nobuhiko Sawaki, “Fabrication of GaN microstructures by selective growth-Realization of integrated quantum effect devices-” Meijo University High-Tech Center Symposium (Nitride Semiconductor Research Center Results Presentation Symposium) June 23, 2000 (Reference Example 7) "Transmission Electron Microscopy Investigation of Dislocations in GaN Layer Grown by Facet-Controlled Epitaxial Lateral Overgrowth", JAPANESE
JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Vol.40 (2001) pp.L309-L312, Part2, No.4A, 1 April 2001
(Reference Example 8) Hiromitsu Mizutani and 6 others, “Lower dislocation of GaN by FACELO (facet control ELO)”, IEICE Technical Report, IEICE, ED2000-22, CPM2000-7, SDM2000-22 (2000-05), pp.35-40
(LEDの構成例)
図5は、上記の実施例1のテンプレート10を有して成る本実施例2のLED100の断面図である。このテンプレート10では、図4、図5に法線ベクトル<σ|を用いて図示する通り、ノンドープのGaN結晶から成る前述の半導体結晶層6の上方の界面6aがr面となっている。このテンプレート10の上には、シリコン(Si)ドープのGaN から成る膜厚約4.0 μmの高キャリア濃度n+ 層103が形成されている。そして、この高キャリア濃度n+ 層103の上には、Siドープのn型GaN から成る膜厚約0.5 μmのクラッド層104が形成されている。
(Example of LED configuration)
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
更に、クラッド層104の上にGaNとGa0.8 In0.2 Nから成る多重量子井戸構造(MQW)の膜厚約500Åの発光層105が形成されている。発光層105の上にはp型Al0.15Ga0.85N から成る膜厚約600Åのクラッド層106が形成されている。さらに、クラッド層106の上にはp型GaN から成る膜厚約1500Åのコンタクト層107が形成されている。
Further, a light emitting layer 105 having a multiple quantum well structure (MQW) made of GaN and Ga 0.8 In 0.2 N and having a thickness of about 500 mm is formed on the
又、コンタクト層107の上には金属蒸着による薄膜正電極110が、n+ 層103上には負電極140が形成されている。薄膜正電極110は、コンタクト層107に接合する膜厚約15Åのニッケル(Ni)より成る薄膜正電極第1層111と、このNiに接合する膜厚約60Åの金(Au)より成る薄膜正電極第2層112とで構成されている。
Further, a thin film
厚膜正電極120は、膜厚約175Åのバナジウム(V)より成る厚膜正電極第1層121と、膜厚約15000Åの金(Au)より成る厚膜正電極第2層122と、膜厚約100Åのアルミニウム(Al)より成る厚膜正電極第3層123とを薄膜正電極110の上から順次積層させることにより構成されている。負電極140は、膜厚約175Åのバナジウム(V) 層141と、膜厚約1000Åのアルミニウム(Al)層142と、膜厚約500Åのバナジウム(V) 層143と、膜厚約5000Åのニッケル(Ni)層144と、膜厚8000Åの金(Au)層145とを高キャリア濃度n+ 層103の一部露出された部分の上から順次積層させることにより構成されている。また最上部には、SiO2 膜より成る保護膜層130が形成されている。
The thick
この様にして、形成されたLED100では、活性層(発光層105)の上下の各界面がr面から形成されており、この配向に基づいてピエゾ電界が略0に設定されているので、このLED100は、従来よりも高い発光効率を示す。
In the
(半導体レーザの構成例)
図6に、本実施例3の半導体レーザ200の断面図を示す。この半導体レーザ200は、405nmのピーク波長で青紫色発光するものであり、上記の実施例1の下地基板1をベースに構成されたテンプレート10と略同様にして製造された他のテンプレート10′を有する。
(Configuration example of semiconductor laser)
FIG. 6 shows a cross-sectional view of the
図7にこのテンプレート10′の部分的な断面図を示す。このテンプレート10′の先のテンプレート10に対する差異は、ストライプ溝Sの断面形状と斜めスパッタの投射角にある。即ち、本実施例3で使用するテンプレート10′では、傾斜面1a、1bから成る、断面形状が左右略対称形のV字形のストライプ溝S′が採用されている。また、バッファ層3はストライプ溝の一方の傾斜面1aにしか形成しない点では、図3−Aと同じだが、図3−Aのスパッタリングの投射の際の傾け角δに相当する角度は大幅に広く取られている。
FIG. 7 shows a partial cross-sectional view of the template 10 '. The difference between this template 10 'and the
この様な設定によれば、テンプレート中にボイドを比較的大きく形成することができるので、下地基板と半導体結晶層との間の応力緩和作用が効果的に得られる点で非常に有利となる。
前述の実施例1では、ストライプ溝の片方の面を最初の主面Σに対して略垂直な側壁面(1b)で構成しているが、必ずしもその様な必要性があるわけではなく、例えば、本図7に例示する様に、断面形状が略対称形のV字溝や、或いはU字溝等を形成するなどしても良い。特に、所望の半導体結晶層を厚く結晶成長させたい場合には、基板と成長層との間には十分に歪み緩和作用がある方が望ましいが、その様な場合にはむしろボイドは大きく形成されている方が望ましい。この意味では、ストライプ溝の断面形状はむしろ、本図7に例示される様なV字形や、或いはU字形などの方が望ましい場合も少なくない。
According to such a setting, since the void can be formed relatively large in the template, it is very advantageous in that the stress relaxation action between the base substrate and the semiconductor crystal layer can be effectively obtained.
In the first embodiment described above, one side of the stripe groove is constituted by the side wall surface (1b) substantially perpendicular to the first main surface Σ. However, such a need does not necessarily exist. As illustrated in FIG. 7, a V-shaped groove having a substantially symmetrical cross section, a U-shaped groove, or the like may be formed. In particular, when it is desired to grow a desired semiconductor crystal layer thickly, it is desirable that there is a sufficient strain relaxation effect between the substrate and the growth layer. In such a case, however, the void is rather large. It is desirable to have. In this sense, the cross-sectional shape of the stripe groove is rather desirable to be V-shaped or U-shaped as illustrated in FIG.
また、このテンプレート10′(図7)は、後述の通り共振器の下方部がエッチング処理によって大きくえぐられてしまうため、上記のボイドが外部量子効率などに悪影響を与える様な恐れは、少なくとも共振器の周辺においては全面的に排除される。また、このエッチング(:共振器直下のえぐり)によってもテンプレート10′が大きく二分されるため大きな歪み緩和作用が得られる。 In addition, since the template 10 '(FIG. 7) has a lower portion of the resonator largely etched away as described later, the possibility that the voids adversely affect the external quantum efficiency is at least resonant. The entire area around the vessel is eliminated. Further, since the template 10 'is largely divided into two by this etching (: drilling directly under the resonator), a large strain relaxation effect can be obtained.
図6のテンプレート10′の上には、シリコン(Si)ドープのGaN から成る高キャリア濃度のn型コンタクト層202と、GaN から成るn型クラッド層203とが順次積層されている。更にその上には、活性層とその上下両側に位置する各型の光ガイド層から成る発光出力部204が形成されている。より具体的には、この発光出力部204は、Al0.01Ga0.99Nより成るn型の光ガイド層と、公知の端面発光型レーザダイオードに見られる一般的な多重量子井戸(MQW)構造の活性層と、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.01Ga0.99Nから成るp型の光ガイド層とを順次積層することにより形成されたものである。
A high carrier concentration n-
この発光出力部204の上には、p型のAl0.12Ga0.88N から成るp型クラッド層と、Mgドープのp型のGaNから成るp型コンタクト層の計2層が順次積層されて形成されてできたp型半導体層205が配置されている。n型コンタクト層202は、上方(p型半導体層205側)からのエッチングによりその大部分が露出され、本エッチングにより、テンプレート10′に対して略垂直に立脚した平頂な共振器部分が形成される。また、この共振器の両脇には、SiO2 より成る絶縁性保護膜210がスパッタリングにより形成されている。
A total of two layers, a p-type cladding layer made of p-type Al 0.12 Ga 0.88 N and a p-type contact layer made of Mg-doped p-type GaN, are sequentially stacked on the light emitting
また、テンプレート10′の裏面の凹部Dはエッチング処理により形成したものであり、符号εはこの凹部Dの形成後におけるn型コンタクト層202の残存膜厚を表している。この様に共振器の直下におけるn型コンタクト層202の厚さεを例えば0.3μm程度と非常に薄くする構造は、共振器内への光閉じ込め作用を良好に得るためのものであり、この構造によって、共振器の出射端面に現れるn型コンタクト層の干渉縞(FFPの乱れ)の発現を極めて効果的に抑制することができる。
Further, the recess D on the back surface of the
共振器の真下に位置するn型コンタクト層を全部削ってしまうと電流密度分布に偏りが生じて、共振器に効率よく電流を供給することができなくなるが、本実施例の様に共振器の真下に位置するn型コンタクト層の一部分をある程度(例:ε=0.3μm)残しておけば、共振器直下においても負電極と共振器とのコンタクトが良好に確保できるので、共振器内及び共振器周辺の電流の密度分布が理想的な状態に維持でき、同時に、上記の光の閉じ込め作用をも良好に確保することができる。更に、勿論、テンプレート10′の導入によって、発光出力部204の活性層ではr面成長に基づいてピエゾ電界が略0に改善されるため、本実施例3の半導体レーザ200においては、効果的に閾値電流を抑制することも可能となる。
このため、本実施例3の半導体レーザ200は、極めて良好に安定発振する。
If all of the n-type contact layer located directly under the resonator is scraped, the current density distribution will be biased, and it will not be possible to efficiently supply current to the resonator. If a part of the n-type contact layer located directly below (for example, ε = 0.3 μm) is left to some extent, a good contact between the negative electrode and the resonator can be secured even directly under the resonator. The current density distribution around the resonator can be maintained in an ideal state, and at the same time, the above-described light confinement action can be secured well. Furthermore, of course, by introducing the template 10 ', the piezo electric field is improved to substantially zero in the active layer of the light
For this reason, the
また、この様な半導体レーザの構造は、上下方向のFFPが乱れないため、レーザビームの照射位置(照射領域)を正確に制御するのに都合が良く、収斂性の良好なスポットサイズの小さな半導体レーザを実現する上で非常に有用である。 Further, such a semiconductor laser structure is convenient for accurately controlling the irradiation position (irradiation region) of the laser beam because the FFP in the vertical direction is not disturbed, and has a small spot size with good convergence. It is very useful in realizing a laser.
上記の実施例1では、前述の斜めスパッタを実施しているが、スパッタリングによるバッファ層の積層は、マスクを用いてその積層領域を制限しても良い。
また、上記の実施例1では、スパッタリングによってバッファ層を形成しているが、その他にも例えば結晶成長などの工程によってもバッファ層を形成することができる。この場合、バッファ層を積層しない部位にマスクを形成しておくマスキング工程などが必要となってしまうが、しかしながら、マスクを用いて自在に制御される結晶成長によってバッファ層を形成すれば、バッファ層を所望の領域に略一様の厚さで薄くムラなく形成することが可能または容易になる。また、バッファ層をその様に綺麗に成膜することは、非縦方向成長工程で形成される非縦方向成長部の平坦性などの品質をより高く確保する上でより望ましい。
以下の本実施例4では、その様な、結晶成長によってバッファ層を形成する場合について例示する。
In the first embodiment, the above-described oblique sputtering is performed. However, the stacking of buffer layers by sputtering may be limited by using a mask.
In Example 1 described above, the buffer layer is formed by sputtering. However, the buffer layer can also be formed by a process such as crystal growth. In this case, a masking process for forming a mask in a portion where the buffer layer is not laminated is required. However, if the buffer layer is formed by crystal growth controlled freely using the mask, the buffer layer Can be formed in a desired area with a substantially uniform thickness and without any unevenness. In addition, it is more desirable to form the buffer layer in such a clean manner in order to ensure higher quality such as flatness of the non-longitudinal growth portion formed in the non-vertical growth step.
In Example 4 below, such a case where a buffer layer is formed by crystal growth will be exemplified.
図8−A〜Dは、バッファ層を結晶成長させる実施例(実施例4)の基板の断面図である。基板21には、サファイア基板を用いており、この基板21の向き(配向)は、実施例1(図1−A)と同じである。また、レジストマスク22には図1−Bのレジストマスク2と同じ材料のものを用いているので、記号α、Δ1、φの各変数値についても、前述の実施例1と一致する。
8A to 8D are cross-sectional views of the substrate of the example (Example 4) in which the buffer layer is crystal-grown. As the
本実施例4の大きな特徴の一つは、図8−Aに示される基板21の主面Σ上にSiO2 より成るマスク23が積層されている点にある。ここで、レジストマスク22は、このマスク23の上に形成されている。この様な方法に従えば、図8−Bに示す様に、ストライプ溝Sを形成する両脇のリッジRgの平頂面に選択成長を促すELOマスク(マスク23)を形成することができる。
One of the major features of the fourth embodiment is that a
フォトレジスト24は、スパッタまたは塗布によって、上記の基板上に成膜されたものである。このフォトレジスト24に対して、図示する右上の方向Aから露光すると、マスク23上、及び傾斜面21a上のフォトレジスト24は取り除くことができるが、垂直な内壁面21b上のフォトレジスト24は、そのまま残る。したがって、基板21では、傾斜面21aの大部分だけが、上方に露出することになる。
The
図8−Dは、この傾斜面21aの露出面上に、AlNまたはAlGaNから成る低温バッファ層25を積層したものである。この様な方法によっても、図3−Aと同様の所望の方位にバッファ層25を積層することができる。
また、この方法に従えば、低温バッファ層25を成長核として、その後に成長する半導体結晶でストライプ溝Sが全て埋まった後には、マスク23上では、半導体結晶の横方向の成長が促進されるため、所望の半導体結晶を更に上方に成長させれば、目的の半導体結晶の転位密度が効果的に抑制できる。
FIG. 8D shows the low
Further, according to this method, the lateral growth of the semiconductor crystal is promoted on the
図9−A,−B,−Cは何れも、バッファ層を結晶成長させる本実施例5の基板の断面図である。a面を主面とするサファイア基板31には、その主面である上面に、c軸に対して垂直な方向に、ストライプ溝Sの長手方向が取られている。SiO2 から形成されるマスク33は、図示する左上の方向からの斜めスパッタリングによって、主面及びストライプ溝Sの内壁面や底面の一部に積層されたものである。この斜めスパッタリングによって、略垂直な内壁面31a上と断面形状が縦長矩形のストライプ溝Sの底部の一部の双方を除く部分に、マスク33が形成されている。内壁面31aは、上記の配向により、サファイアc面となっている。
9A, 9B, and 9C are cross-sectional views of the substrate of Example 5 in which the buffer layer is crystal-grown. In the
この様な基板に対して、AlNまたはAlGaNから成る低温バッファ層34を積層し、更に、GaNから成る非縦方向成長部35をファセット成長させた状態を図9−Bに示す。この図9−Bは、非縦方向成長部35を形成するGaN結晶によって、上記のストライプ溝Sに蓋がされて、ストライプ溝Sの底部などにボイドが形成された状態を示している。その後a面成長が促進される結晶成長条件で、GaN結晶の成長を続けることにより、図9−Cに図示する様に、一連かつ広大なa面を結晶成長面とする所望のGaN結晶36を得ることができる。
FIG. 9B shows a state in which a low-
図10−A,−Bは何れも、バッファ層を結晶成長させる本実施例6の基板の断面図である。本図のサファイア基板41の配向は、垂直上向きがm軸の向きと一致し、水平右向きがc軸の向きと一致している。したがって、ストライプ溝Sの垂直な内壁面41aは、サファイアc面になっている。この様な深い略V字型のストライプ溝Sを有するサファイア基板41の上方から、塗布またはスパッタによって、フォトレジスト42を成膜した(図10−A)。
10A and 10B are both cross-sectional views of the substrate of Example 6 in which the buffer layer is crystal-grown. As for the orientation of the
図10−Aに図示する矢印の向きは、このフォトレジスト42に対する露光条件を示している。即ち、内壁面41aの上位の部分だけが露出される様に、右上の方向から露光する。この様な構成によっても、サファイアc面だけを露出させることができるので、この場合にも、図9−B,図9−Cと略同様の結晶成長過程に従って、一連の広大なm面を結晶成長面とする、GaNから成る所望の半導体結晶を得ることができる。
The direction of the arrow shown in FIG. 10A indicates the exposure condition for this
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
[Other variations]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications as exemplified below may be made. Even with such modifications and applications, the effects of the present invention can be obtained based on the functions of the present invention.
(変形例1)
例えば、ボイドを大きく形成すると熱膨張係数差や或いは格子定数差などに伴って、基板と成長層との間に発生する上記の応力が、非縦方向成長部又は下地基板の突起部に対する剪断応力として作用するため、下地基板を綺麗に分離できる場合がある。即ち、この様な剪断作用を利用すると良い場合もある。この様な分離工程や分離作用に付いては、例えば公開特許公報「特開2002−293698:半導体基板の製造方法及び半導体素子」にも関連する類似の例示があり、この様な分離処理を本発明の結晶成長方法に導入することは、極めて有用な技法となる場合がある。
(Modification 1)
For example, when a large void is formed, the above stress generated between the substrate and the growth layer due to a difference in thermal expansion coefficient or a difference in lattice constant is the shear stress applied to the non-longitudinal growth portion or the protrusion of the base substrate. In some cases, the base substrate can be separated cleanly. That is, there are cases where such a shearing action may be used. As for such a separation process and separation action, there is a similar example related to, for example, published patent publication “Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293698: Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor element”. Introducing the crystal growth method of the invention can be a very useful technique.
(変形例2)
また、上記の実施例2や実施例3では、下地基板(結晶成長基板1)を除去せずに半導体発光素子(100,200)の中に残したが、例えば図4の半導体結晶層6の厚さを例えば400μm以上に積層すれば、その半導体結晶層6は自立した単独のバルク結晶として安定するので、その様なバルク結晶を新たな結晶成長基板として、所望の光半導体素子を製造しても良い。この様な場合には、例えば図4の非縦方向成長部4と下地基板(結晶成長基板1)との間に形成されるボイド5は、後の工程(前述の基板除去工程)で完全に排除することができるので、この様なボイドが光半導体素子の外部量子効率を低下させると言った前述の問題が必然的に解決できる。
(Modification 2)
Further, in the above-described Example 2 and Example 3, the base substrate (crystal growth substrate 1) is not removed but left in the semiconductor light emitting device (100, 200). For example, the
また、この様に後で下地基板を分離または除去する場合には、製造工程の途中で形成されるボイドは、大きい方が応力緩和作用をもたらすのでより望ましい。また、その様な自立した単独のバルク結晶を製造する場合には、前にも言及した様に、前述の縦方向成長工程の後に、又は、その縦方向成長工程に並行して、目的とする上記の半導体結晶から結晶成長基板を除去する基板除去工程を設けても良い。
逆に、この様な技法を用いなかったり、或いは、多数のストライプ溝の形成に基づいて、結晶成長基板(下地基板)と半導体結晶との間に形成される凹凸構造やボイドによる応力緩和作用が乏しかったりすると、所望の半導体結晶層を10μm程度しか積層できないことがあるので注意を要する。
Further, when the base substrate is separated or removed later in this way, a larger void formed during the manufacturing process is more desirable because it provides a stress relaxation action. Moreover, when manufacturing such a self-supporting single bulk crystal, as mentioned above, the purpose is after the above-described vertical growth process or in parallel with the vertical growth process. A substrate removal step for removing the crystal growth substrate from the semiconductor crystal may be provided.
On the other hand, the stress relief action due to the uneven structure or void formed between the crystal growth substrate (underlying substrate) and the semiconductor crystal based on the formation of a large number of stripe grooves without using such a technique. If it is scarce, it should be noted that a desired semiconductor crystal layer may be deposited only about 10 μm.
(変形例3)
また、上記の実施例1では、ストライプ溝の深さや形成周期は略一定に統一したが、必ずしもこれらを統一した形式でストライプ溝を形成する必要はない。ここで最も重要なことは、尾根状の頂点ラインを略同一平面(Σ)上に略平行に配列することと、各傾斜面(1a)の傾斜角θ1 をそれぞれ何れも前述の角θ0 に略一致させることである。
また、ストライプ溝の幅は、必ずしも図2の様に、一定である必要はない。このことは、図2のx軸方向についてもy軸方向についても、更にはz軸方向についても言えることである。
(Modification 3)
In the first embodiment, the depth and the formation cycle of the stripe grooves are unified to be substantially constant. However, it is not always necessary to form the stripe grooves in a unified form. What is most important here is that the ridge-like vertex lines are arranged substantially in parallel on the substantially same plane (Σ), and the inclination angle θ 1 of each inclined surface (1a) is the angle θ 0 described above. To approximately match.
Further, the width of the stripe groove is not necessarily constant as shown in FIG. This is also true for the x-axis direction, the y-axis direction, and even the z-axis direction in FIG.
また、上記の実施例1では、最初の結晶成長基板(下地基板)の主面Σは殆ど全面的に取り除かれているが、下地基板には上方の主面(Σ)を部分的かつ離散的に一部残しても良い。
例えば、シリコン(Si)を下地基板とする場合、GaNはバッファ層が供する結晶成長面には結晶成長するが、下地基板(Si)に対して直接には非常に結晶成長し難いので、下地基板にストライプ溝を形成した後に、元来の上方の主面が部分的かつ離散的に一部残っていても、その幅が数μm程度以内と細ければ各結晶成長面を1つの略平坦な面に特段の不都合なく繋げることは十分に可能であり、特に他の派生問題が生じることはない。この意味で、シリコン(Si)を下地基板とすることは有効であると考えられる。
In the first embodiment, the main surface Σ of the first crystal growth substrate (underlying substrate) is almost completely removed, but the upper main surface (Σ) is partially and discretely formed in the undersubstrate. You may leave some.
For example, when silicon (Si) is used as the base substrate, GaN grows on the crystal growth surface provided by the buffer layer, but is difficult to grow directly on the base substrate (Si). Even if the original upper main surface partially and discretely remains after the stripe grooves are formed on each other, if the width is narrow within about several μm, each crystal growth surface becomes one substantially flat surface. It is sufficiently possible to connect to the surface without any particular inconvenience, and no other derivation problems arise. In this sense, it is considered effective to use silicon (Si) as the base substrate.
(変形例4)
また、上記の公開特許公報「特開2002−293698:半導体基板の製造方法及び半導体素子」にも記載されている様に、シリコン(Si)を下地基板とする場合には、炭化シリコン(SiC)などから成る周知の反応防止層を形成しておくと、積層工程が増えてしまうものの、結晶品質などに関してより効果的となることがある。
また、シリコン(Si)は比較的柔らかい材料であるので、歪み緩和作用やエッチング容易性などの観点からも有利である。また、上記の実施例1では、ドライエッチングによってストライプ溝を形成しているが、例えば基板材料などの個々の実施条件によってはウェットエッチングを実施しても良い。
(Modification 4)
Further, as described in the above-mentioned published patent publication “Japanese Patent Laid-Open No. 2002-293698: Semiconductor substrate manufacturing method and semiconductor element”, when silicon (Si) is used as a base substrate, silicon carbide (SiC) is used. If a well-known reaction prevention layer made up of, for example, is formed, the number of lamination steps increases, but it may be more effective with respect to crystal quality and the like.
Further, since silicon (Si) is a relatively soft material, it is advantageous from the viewpoint of strain relaxation action and etching ease. In the first embodiment, the stripe grooves are formed by dry etching. However, wet etching may be performed depending on individual conditions such as a substrate material.
本発明の結晶成長方法、並びに本発明の結晶成長基板は、LEDや半導体レーザなどの半導体発光素子や半導体受光素子の製造に大いに有用なものである。また、それらの結晶成長方法、並びに本発明の結晶成長基板を用いて製造される光半導体素子も本発明の範疇にある。 The crystal growth method of the present invention and the crystal growth substrate of the present invention are very useful for the production of semiconductor light emitting devices such as LEDs and semiconductor lasers and semiconductor light receiving devices. In addition, these crystal growth methods and optical semiconductor devices manufactured using the crystal growth substrate of the present invention are also within the scope of the present invention.
1 : 結晶成長基板(下地基板)
1a: 下地基板(結晶成長基板1)の傾斜面
1b: 下地基板(結晶成長基板1)の側壁面
S : ストライプ溝(傾斜面1aと側壁面1bから構成される)
2 : レジストマスク
3 : バッファ層
4 : 非縦方向成長部
5 : ボイド
6 : 目的の半導体結晶層
10 : テンプレート(実施例1で得られる新たな結晶成長基板)
10′: テンプレート(実施例3)
100: 実施例2のLED
200: 実施例3の半導体レーザ
θ0 : 目的の半導体結晶(半導体結晶層6)のc面とr面とが成す角
θ1 : 下地基板1の主面Σと傾斜面1aとが成す角
φ : レジストマスク2の傾斜角
Σ : 下地基板(結晶成長基板1)の上方の主面(主面)
<σ|: 主面Σの法線ベクトル
<c|: c軸の方向ベクトル
<a|: a軸の方向ベクトル
1: Crystal growth substrate (underlying substrate)
1a: Inclined surface of base substrate (crystal growth substrate 1) 1b: Side wall surface of base substrate (crystal growth substrate 1) S: Striped groove (consisting of
2: Resist mask 3: Buffer layer 4: Non-longitudinal growth part 5: Void 6: Target semiconductor crystal layer 10: Template (new crystal growth substrate obtained in Example 1)
10 ': Template (Example 3)
100: LED of Example 2
200: Semiconductor laser of Example 3 θ 0 : Angle formed by c-plane and r-plane of target semiconductor crystal (semiconductor crystal layer 6) θ 1 : Angle formed by main surface Σ of
<Σ |: Normal vector of principal surface Σ <c |: Direction vector of c-axis <a |: Direction vector of a-axis
Claims (13)
前記結晶成長基板が有する平面状の主面上に、互いに平行で、内壁面が平面で構成された複数のストライプ溝を形成する溝形成工程と、
前記ストライプ溝の一つの主内壁面上に、バッファ層を積層するバッファ層積層工程と、
前記バッファ層が供する結晶成長面上に前記半導体結晶をファセット成長又は横方向成長させる非縦方向成長工程と、
前記主面に対して垂直な方向に、前記半導体結晶を結晶成長させる本成長工程と
を有し、
前記ストライプ溝の前記主内壁面と前記主面とが成す第1の角θ1 は、前記半導体結晶のc軸と前記半導体結晶のピエゾ電界が零となる結晶方位との成す第2の角θ0 に対して、θ0 −10°≦θ1 ≦θ0 +10°を満たす
ことを特徴とする半導体結晶の結晶成長方法。 A method of growing a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor on a crystal growth substrate,
A groove forming step of forming a plurality of stripe grooves parallel to each other and having a flat inner wall surface on a planar main surface of the crystal growth substrate;
A buffer layer laminating step of laminating a buffer layer on one main inner wall surface of the stripe groove;
A non-longitudinal growth step of facet growing or laterally growing the semiconductor crystal on a crystal growth surface provided by the buffer layer;
A main growth step for crystal growth of the semiconductor crystal in a direction perpendicular to the main surface;
A first angle θ 1 formed by the main inner wall surface of the stripe groove and the main surface is a second angle θ formed by the c-axis of the semiconductor crystal and the crystal orientation at which the piezoelectric field of the semiconductor crystal becomes zero. against 0, the crystal growth method of the semiconductor crystal and satisfies the θ 0 -10 ° ≦ θ 1 ≦ θ 0 + 10 °.
前記結晶成長基板は、
六方晶系の結晶構造を有し、
前記主面の法線ベクトル<σ|の向きは、
前記結晶成長基板のc軸の正の向きからm軸の正の向きに向って前記第1の角θ1 だけ回転しており、
前記ストライプ溝の長手方向は、
前記a軸の方向にとられている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The crystal orientation at which the piezoelectric field is zero is the r-axis orientation,
The crystal growth substrate is
Having a hexagonal crystal structure,
The direction of the normal vector <σ |
The crystal growth substrate rotates from the positive direction of the c-axis toward the positive direction of the m-axis by the first angle θ 1 .
The longitudinal direction of the stripe groove is
2. The crystal growth method for a semiconductor crystal according to claim 1, wherein the crystal growth method is in the direction of the a-axis.
前記結晶成長基板は、
六方晶系の結晶構造を有し、
前記主面の法線ベクトル<σ|の向きは、
前記結晶成長基板のa軸の正の向きからm軸の正の向きに向って前記第1の角θ1 だけ回転しており、
前記ストライプ溝の長手方向は、
前記c軸の方向にとられている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The crystal orientation at which the piezoelectric field is zero is the r-axis orientation,
The crystal growth substrate is
Having a hexagonal crystal structure,
The direction of the normal vector <σ |
The crystal growth substrate rotates from the positive direction of the a-axis toward the positive direction of the m-axis by the first angle θ 1 ;
The longitudinal direction of the stripe groove is
2. The crystal growth method for a semiconductor crystal according to claim 1, wherein the crystal growth method is in the direction of the c-axis.
前記結晶成長基板は、
六方晶系の結晶構造を有し、
前記主面の法線ベクトル<σ|の向きは、
前記結晶成長基板のa軸の正の向きからc軸の正の向きに向って前記第1の角θ1 だけ回転しており、
前記ストライプ溝の長手方向は、
前記m軸の方向にとられている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The crystal orientation at which the piezoelectric field is zero is the r-axis orientation,
The crystal growth substrate is
Having a hexagonal crystal structure,
The direction of the normal vector <σ |
The crystal growth substrate rotates from the positive direction of the a-axis toward the positive direction of the c-axis by the first angle θ 1 .
The longitudinal direction of the stripe groove is
The method of growing a semiconductor crystal according to claim 1, wherein the crystal growth method is in the direction of the m-axis.
a軸又はm軸の方位である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The crystal orientation in which the piezoelectric field is zero is
The crystal growth method for a semiconductor crystal according to claim 1, wherein the crystal growth method is an a-axis or m-axis orientation.
前記ストライプ溝を構成する前記主内壁面以外の内壁面上に前記半導体結晶の選択成長を促すマスクを前記結晶成長基板上に形成するマスク形成工程を有する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 Before the groove forming step or after the groove forming step,
2. A mask forming step of forming a mask for promoting selective growth of the semiconductor crystal on the crystal growth substrate on an inner wall surface other than the main inner wall surface constituting the stripe groove. 6. The method for growing a semiconductor crystal according to any one of 5 above.
隣接する他の前記ストライプ溝との間に、前記主面の平坦部が残される様に形成されており、
前記マスク形成工程は、
前記平坦部にもマスクを形成する工程であり、
前記本成長工程は、
前記ストライプ溝上に成長した半導体結晶を核として前記平坦部に前記半導体結晶を横方向成長させる工程を含む
ことを特徴とする請求項6に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The stripe groove is
It is formed so that the flat portion of the main surface remains between the adjacent other stripe grooves,
The mask forming step includes
A step of forming a mask on the flat portion,
The growth process includes
The method of growing a semiconductor crystal according to claim 6, further comprising a step of laterally growing the semiconductor crystal on the flat portion using the semiconductor crystal grown on the stripe groove as a nucleus.
その幅方向に間隔を置かずに隙間なく、前記主面上に連続して形成されている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The plurality of stripe grooves are
7. The crystal growth method for a semiconductor crystal according to claim 1, wherein the crystal growth method is continuously formed on the main surface without any gap in the width direction. .
前記主面に対して垂直に形成する
ことを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The crystal growth of a semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 8, wherein an inner wall surface other than the main inner wall surface constituting the stripe groove is formed perpendicular to the main surface. Method.
900℃以上1150℃以下である
ことを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の半導体結晶の結晶成長方法。 The crystal growth temperature of the semiconductor crystal in the non-longitudinal growth step is:
The method of growing a semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 9, wherein the temperature is 900 ° C or higher and 1150 ° C or lower.
請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の半導体結晶の結晶成長方法に基づいて製造された前記半導体結晶を少なくとも結晶成長基板又はn型層の一部に有し、
少なくとも活性層の下側界面は、
III族窒化物系化合物半導体のr面、a面、またはm面の何れか1つの面に対して、
10°以内のオフ角を有する面から形成されている
ことを特徴とする光半導体素子。 An optical semiconductor element having a semiconductor layer made of a group III nitride compound semiconductor,
The semiconductor crystal manufactured based on the crystal growth method of a semiconductor crystal according to any one of claims 1 to 10 is included in at least a part of a crystal growth substrate or an n-type layer,
At least the lower interface of the active layer
With respect to any one of the r-plane, a-plane, and m-plane of the group III nitride compound semiconductor,
An optical semiconductor element characterized by being formed from a surface having an off angle of 10 ° or less.
前記結晶成長基板が有する平面状の主面上に、互いに平行で、内壁面が平面で構成された複数のストライプ溝を有し、
各前記ストライプ溝の一つの主内壁面上に、それぞれバッファ層を有し、
各前記バッファ層が供する結晶成長面上にはそれぞれ、前記半導体結晶の成長によって形成された非縦方向成長部を有し、
前記ストライプ溝の前記主内壁面と前記主面とが成す第1の角θ1 は、前記半導体結晶のc軸と前記半導体結晶のピエゾ電界が零となる結晶方位との成す第2の角θ0 に対して、θ0 −10°≦θ1 ≦θ0 +10°を満たす
ことを特徴とする結晶成長基板。 A crystal growth substrate in which a semiconductor crystal made of a group III nitride compound semiconductor is grown on a predetermined base substrate,
On the planar main surface of the crystal growth substrate, there are a plurality of stripe grooves which are parallel to each other and whose inner wall surface is a plane,
On one main inner wall surface of each stripe groove, each has a buffer layer,
Each of the buffer layers provided on the crystal growth surface has a non-longitudinal growth portion formed by the growth of the semiconductor crystal,
A first angle θ 1 formed by the main inner wall surface of the stripe groove and the main surface is a second angle θ formed by the c-axis of the semiconductor crystal and the crystal orientation at which the piezoelectric field of the semiconductor crystal becomes zero. against 0, the crystal growth substrate characterized by satisfying the θ 0 -10 ° ≦ θ 1 ≦ θ 0 + 10 °.
r面、a面、又はm面の何れか1種類の面から形成されており、
前記上方界面は、
前記主面と平行に形成されており、
前記上方界面上に、
一連の平板状の半導体結晶層が積層されている
ことを特徴とする請求項12に記載の結晶成長基板。 The upper interface of the non-longitudinal growth portion formed at a position substantially coinciding with the main surface is:
It is formed from any one of r-plane, a-plane, or m-plane,
The upper interface is
Formed parallel to the main surface,
On the upper interface,
The crystal growth substrate according to claim 12, wherein a series of flat semiconductor crystal layers are stacked.
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