JP2006147942A - Nitride semiconductor element manufacturing method and nitride semiconductor element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a nitride semiconductor element which reduces pits caused by a high dislocation area of a substrate. <P>SOLUTION: A high dislocation area 15e is shown with dots on the main surface 15a of a gallium nitride substrate 15. A gallium nitride film 17 is deposited on the gallium nitride substrate 15 at the growing rate of 3 micrometers/hr or higher. Pits 21 are formed in the surface 17a of the GaN film 17 at pit surface density D(P). The growth of the gallium nitride film reduces the surface density of the pit 21 or 23 formed due to the high dislocation area 15e appearing on the surface 15a of the gallium nitride substrate 15, resulting in that the pitch surface density D(P) is reduced as small as 0<(D(P)/D(H))<0.8. Each pit 21 is composed of a plurality of facets (not shown) corresponding to the high dislocation area 15e on the main surface 15a of the GaN substrate 15. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、窒化物半導体素子を製造する方法及び窒化物半導体素子に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a nitride semiconductor device and a nitride semiconductor device.

特許文献1には、106cm−2以下の低転位のGaN単結晶を製造する方法が記載されている。この方法では、気相成長の成長表面が平面でなく、三次元的なファセット構造を持つようにGaN単結晶厚膜を成長する。ファセット構造を持ったまま、ファセット構造を埋め込まないで成長させることにより転位を低減するようにすると、単結晶窒化ガリウムが成長される。その後、単結晶GaN基板を形成するために、機械的な加工により単結晶GaN基板に平坦にし、さらに単結晶GaN基板の加工表面を研磨することにより鏡面を得る。この単結晶GaN基板は、成長面に対してほぼ垂直に線状の高転位領域を有しており、その線状欠陥領域の密度が105cm−2以下である。   Patent Document 1 describes a method for producing a low dislocation GaN single crystal of 106 cm −2 or less. In this method, a GaN single crystal thick film is grown so that the growth surface of vapor phase growth is not flat but has a three-dimensional facet structure. If the dislocation is reduced by growing without embedding the facet structure with the facet structure, single crystal gallium nitride is grown. Thereafter, in order to form a single crystal GaN substrate, the single crystal GaN substrate is flattened by mechanical processing, and a processed surface of the single crystal GaN substrate is further polished to obtain a mirror surface. This single crystal GaN substrate has a linear high dislocation region substantially perpendicular to the growth surface, and the density of the linear defect region is 105 cm −2 or less.

特許文献2には、単結晶窒化ガリウム基板およびその成長方法が記載されている。下地基板の上に規則正しく種パターンを設けてその上にファセットよりなるピットを形成し、該ピットを維持しながらGaNをファセット成長する。ファセット成長により、ファセット面よりなるピット底部に高転位領域を形成し、該領域へ転位を集めてその周囲を低転位化する。この結晶を用いて窒化ガリウムを得る。
特開2001−102307号公報 特開2003−165799号公報
Patent Document 2 describes a single crystal gallium nitride substrate and a growth method thereof. A seed pattern is regularly provided on the base substrate to form facet pits thereon, and GaN is facet grown while maintaining the pits. By the facet growth, a high dislocation region is formed at the bottom of the pit formed by the facet surface, and the dislocation is collected in the region to lower the periphery thereof. Gallium nitride is obtained using this crystal.
JP 2001-102307 A JP 2003-165799 A

上記の特許文献に記載された窒化ガリウム基板は、単結晶から成り、またその表面に分布した高転位領域とこれら高転位領域を囲む低転位領域とを有する。この窒化ガリウム基板上にエピタキシャル成長した時、高転位領域上では正常にエピタキシャル層が成長せず、ピットが形成される。発光ダイオードといった窒化物半導体素子を作製して電流を流すと、ピット部分からリークが発生し、良好な発光特性が得られない。また、ダイオードといった窒化物半導体素子を作製して電流を流すと、ピット部分からリークが発生し、良好な電流−電圧特性が得られない。したがって、求められていることは、窒化物半導体素子においてピットに起因するリーク電流を低減することである。   The gallium nitride substrate described in the above patent document is made of a single crystal and has a high dislocation region distributed on the surface thereof and a low dislocation region surrounding the high dislocation region. When epitaxially growing on the gallium nitride substrate, the epitaxial layer does not grow normally on the high dislocation region, and pits are formed. When a nitride semiconductor device such as a light emitting diode is manufactured and a current is passed, leakage occurs from the pit portion, and good light emission characteristics cannot be obtained. In addition, when a nitride semiconductor element such as a diode is manufactured and a current is passed, leakage occurs from the pit portion, and good current-voltage characteristics cannot be obtained. Therefore, what is required is to reduce the leakage current caused by pits in the nitride semiconductor device.

そこで、本発明の目的は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、基板の高転位領域に起因するピットを低減できる窒化物半導体素子を製造する方法を提供することを目的とし、また基板の高転位領域に起因するピットが低減された窒化物半導体素子を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is made in view of the above matters, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a nitride semiconductor device that can reduce pits caused by a high dislocation region of a substrate. An object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device in which pits resulting from a high dislocation region of a substrate are reduced.

本発明の一側面は窒化物半導体素子を製造する方法である。この方法は、(a)複数の高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、(b)3マイクロメートル/時間以上の成長速度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長する工程を備え、該窒化ガリウム膜の表面はピット面密度D(P)で分布するピットを有しており、欠陥エリア面密度D(H)に対するピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.8より小さい。   One aspect of the present invention is a method of manufacturing a nitride semiconductor device. This method includes the step of (a) preparing a group III nitride substrate having a main surface including a plurality of high dislocation areas and a low dislocation area surrounding the high dislocation areas, and the defect density in the high dislocation areas is low. The high dislocation area is larger than the defect density of the dislocation area, and the high dislocation area is distributed with the defect area surface density D (H) on the main surface, and (b) the group III nitride substrate at a growth rate of 3 micrometers / hour or more. And a surface of the gallium nitride film has pits distributed at a pit surface density D (P), and a pit surface corresponding to a defect area surface density D (H). The ratio of density D (P) (D (P) / D (H)) is greater than zero and less than 0.8.

この方法によれば、3マイクロメートル/時間以上の成長速度で窒化ガリウム膜を成長しているので、III族窒化物基板基板の表面に現れる高転位領域に起因して発生するピットの面密度、つまりピット面密度D(P)を小さくできる。この結果、ピット面密度D(P)は、0<(D(P)/D(H))<0.8程度まで小さくなる。   According to this method, since the gallium nitride film is grown at a growth rate of 3 micrometers / hour or more, the surface density of pits generated due to the high dislocation region appearing on the surface of the group III nitride substrate substrate, That is, the pit surface density D (P) can be reduced. As a result, the pit surface density D (P) decreases to about 0 <(D (P) / D (H)) <0.8.

本発明の別の側面は窒化物半導体素子を製造する方法である。この方法は、(a)高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、(b)摂氏1050度以上の成長温度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長する工程を備え、該窒化ガリウム膜の表面はピット面密度D(P)で分布するピットを有しており、前記欠陥エリア面密度D(H)に対する前記ピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.4より小さい。   Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a nitride semiconductor device. This method includes the step of (a) preparing a group III nitride substrate having a main surface including a high dislocation area and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, and the defect density in the high dislocation area is the low dislocation area. And the high dislocation area is distributed with a defect area surface density D (H) on the main surface, and (b) on the main surface of the group III nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher. The surface of the gallium nitride film has pits distributed at a pit surface density D (P), and the pit surface density D with respect to the defect area surface density D (H). The ratio (D) (D (P) / D (H)) is greater than zero and less than 0.4.

この方法によれば、摂氏1050度以上の成長温度でIII族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長するので、III族窒化物基板基板の表面に現れる高転位領域に起因して発生するピットの面密度、つまりピット面密度D(P)を小さくできる。この結果、ピット面密度D(P)は0<(D(P)/D(H))<0.4程度まで小さくなる。   According to this method, since the gallium nitride film is grown on the main surface of the group III nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher, the generation occurs due to the high dislocation region appearing on the surface of the group III nitride substrate substrate. Pit surface density, that is, pit surface density D (P) can be reduced. As a result, the pit surface density D (P) is reduced to about 0 <(D (P) / D (H)) <0.4.

本発明の別の側面は窒化物半導体素子を製造する方法である。この方法は、(a)高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、(b)3マイクロメートル/時間以上の成長速度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウムを堆積して5マイクロメートル以下のピットサイズの窒化ガリウム膜を形成する工程を備える。   Another aspect of the present invention is a method of manufacturing a nitride semiconductor device. This method includes the step of (a) preparing a group III nitride substrate having a main surface including a high dislocation area and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, and the defect density in the high dislocation area is the low dislocation area. The high dislocation area is distributed with a defect area surface density D (H) on the main surface, and (b) the main group III nitride substrate has a growth rate of 3 micrometers / hour or more. Gallium nitride is deposited on the surface to form a gallium nitride film having a pit size of 5 micrometers or less.

この方法によれば、3マイクロメートル/時間以上の成長速度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長するので、III族窒化物基板基板の表面に現れる高転位領域に起因して発生するピットのサイズを小さくできる。この結果、ピットの最大サイズは5マイクロメートル以下にまで小さくなる。   According to this method, since the gallium nitride film is grown on the main surface of the group III nitride substrate at a growth rate of 3 micrometers / hour or more, it is caused by the high dislocation region appearing on the surface of the group III nitride substrate substrate. Thus, the size of the generated pit can be reduced. As a result, the maximum pit size is reduced to 5 micrometers or less.

本発明の別の側面は、窒化物半導体素子を製造する方法である。この方法は、(a)高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、(b) 摂氏1050度以上の成長温度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウムを堆積して5マイクロメートル以下のピットサイズの窒化ガリウム膜を形成する工程を備える。   Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a nitride semiconductor device. This method includes the step of (a) preparing a group III nitride substrate having a main surface including a high dislocation area and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, and the defect density in the high dislocation area is the low dislocation area. The high dislocation area is distributed at a defect area surface density D (H) on the main surface, and (b) on the main surface of the group III nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher. And depositing gallium nitride to form a pit-sized gallium nitride film of 5 micrometers or less.

この方法によれば、摂氏1050度以上の成長温度でIII族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長するので、III族窒化物基板基板の表面に現れる高転位領域に起因して発生するピットのサイズを小さくできる。この結果、ピットの最大サイズは5マイクロメートル以下にまで小さくなる。   According to this method, since the gallium nitride film is grown on the main surface of the group III nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher, the generation occurs due to the high dislocation region appearing on the surface of the group III nitride substrate substrate. The size of the pit to be played can be reduced. As a result, the maximum pit size is reduced to 5 micrometers or less.

本発明に係る窒化物半導体素子を製造する方法では、前記窒化ガリウム層の厚さは6マイクロメートル以下であることが好ましい。   In the method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention, the thickness of the gallium nitride layer is preferably 6 micrometers or less.

窒化ガリウム層の厚さが6マイクロメートルを越えると、ピットのサイズが膜厚の増加とともに大きくなる。   If the thickness of the gallium nitride layer exceeds 6 micrometers, the size of the pits increases with increasing film thickness.

本発明に係る方法は、(c)前記窒化ガリウム膜の成長に先立って、前記III族窒化物基板の主面上にAlXGa1−XN膜(0<X≦1)を成長する工程を更に備えることが好ましい。   The method according to the present invention further includes (c) a step of growing an AlXGa1-XN film (0 <X ≦ 1) on the main surface of the group III nitride substrate prior to the growth of the gallium nitride film. Is preferred.

この方法によれば、AlGaNは、III族窒化物基板の表面上だけでなくこの表面上に付着している汚染物質上にも成長して、AlGaN膜の表面は平坦になる。これ故に、窒化ガリウム膜の成長にために好適な下地を提供できる。   According to this method, AlGaN grows not only on the surface of the group III nitride substrate but also on contaminants adhering to the surface, and the surface of the AlGaN film becomes flat. Therefore, a suitable base for the growth of the gallium nitride film can be provided.

本発明の更なる別の側面によれば、窒化物半導体素子は、(a)複数の高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面と該主面と反対側の裏面とを有するIII族窒化物支持基体と、(b)前記III族窒化物支持基体上に設けられた窒化ガリウム層を含む窒化ガリウム系半導体領域と、(c)前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第1の電極と、(d)前記III族窒化物支持基体の前記裏面に上に設けられた第2の電極と備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥面密度D(H)で分布しており、前記窒化ガリウム系半導体領域の厚さがTマイクロメートルであり、前記窒化ガリウム系半導体領域の最上層の表面は、前記欠陥エリア面密度D(H)より小さいピット面密度D(P)で分布するピットを有しており、前記表面における該ピットのサイズは1マイクロメートル以上であり10マイクロメートル以下の範囲であり、前記表面における該ピットの深さは0.1マイクロメートル以上でありTマイクロメートル以下の範囲である。   According to still another aspect of the present invention, a nitride semiconductor device includes: (a) a main surface including a plurality of high dislocation areas and a low dislocation area surrounding the high dislocation area; and a back surface opposite to the main surface. A group III nitride supporting base having: (b) a gallium nitride based semiconductor region including a gallium nitride layer provided on the group III nitride supporting base; and (c) provided on the gallium nitride based semiconductor region. And (d) a second electrode provided on the back surface of the group III nitride support substrate, wherein the defect density in the high dislocation area is larger than the defect density in the low dislocation area. The high dislocation areas are distributed with a defect surface density D (H) on the main surface, the thickness of the gallium nitride based semiconductor region is T micrometers, and the surface of the uppermost layer of the gallium nitride based semiconductor region Is the defect area surface Pits distributed at a pit surface density D (P) smaller than degree D (H), and the size of the pits on the surface is not less than 1 micrometer and not more than 10 micrometers, The depth of the pit is not less than 0.1 micrometers and not more than T micrometers.

窒化物半導体素子の作製において、窒化ガリウム系半導体領域の窒化ガリウム層の表面には、高転位エリアに起因するピットが形成される。該ピットが形成されないように成膜条件で窒化ガリウムを堆積することも可能である。しかしながら、このような条件で堆積された窒化ガリウムの結晶品質はあまりよくない。一方、第1および第2の電極の一方から他方へIII族窒化物支持基体および窒化ガリウム系半導体領域を横切って電流が流れる縦型窒化物半導体素子では、形成されたあらゆるピットが窒化物半導体素子の特性を悪化させているわけではなく、サイズや深さが以下のようなピットであれば、窒化物半導体素子は所望の範囲の特性を示すことを発明者らは発見した。すなわち、ピットのサイズは1マイクロメートル以上10マイクロメートル以下の範囲であり、表面における該ピットの深さは0.1マイクロメートル以上Tマイクロメートル以下の範囲である。   In the manufacture of the nitride semiconductor device, pits resulting from the high dislocation area are formed on the surface of the gallium nitride layer in the gallium nitride based semiconductor region. It is also possible to deposit gallium nitride under film forming conditions so that the pits are not formed. However, the crystal quality of gallium nitride deposited under such conditions is not very good. On the other hand, in a vertical nitride semiconductor device in which current flows from one of the first and second electrodes to the other across the group III nitride support base and the gallium nitride based semiconductor region, every pit formed is a nitride semiconductor device. The inventors have found that the nitride semiconductor element exhibits characteristics in a desired range if the size and depth are pits as described below. That is, the pit size is in the range of 1 to 10 micrometers, and the depth of the pits on the surface is in the range of 0.1 to T micrometers.

本発明に係る窒化物半導体素子では、前記欠陥エリア面密度D(H)に対する前記ピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.8より小さいことが好ましい。この範囲のD(P)/D(H)によれば、窒化物半導体素子は良好な電流−電圧特性を示す。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) is larger than zero and smaller than 0.8. It is preferable. According to D (P) / D (H) in this range, the nitride semiconductor device exhibits good current-voltage characteristics.

本発明に係る窒化物半導体素子では、前記欠陥エリア面密度D(H)に対する前記ピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.4より小さいことが好ましい。この窒化物半導体素子によれば、この範囲のD(P)/D(H)によれば、窒化物半導体素子は良好な電流−電圧特性を示す。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) is larger than zero and smaller than 0.4. It is preferable. According to this nitride semiconductor device, according to D (P) / D (H) in this range, the nitride semiconductor device exhibits good current-voltage characteristics.

本発明に係る窒化物半導体素子では、前記表面における前記ピットの最大サイズは5マイクロメートル以下であることが好ましい。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the maximum size of the pits on the surface is preferably 5 micrometers or less.

ピットの最大サイズが5マイクロメートル以下であれば、窒化物半導体素子の特性は、この範囲のピットからあまり影響されない。   If the maximum size of the pits is 5 micrometers or less, the characteristics of the nitride semiconductor device are not significantly affected by the pits in this range.

本発明に係る窒化物半導体素子では、前記ピット面密度D(P)がゼロより大きく800cm−2未満であり、当該窒化物半導体素子のチップ面積が0.1225平方ミリメートル以下であることが好ましい。ピット面密度D(P)が800cm−2未満であれば、一辺のサイズが350マイクロメートル以下に相当する窒化物半導体素子は良好な特性を示す。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the pit surface density D (P) is greater than zero and less than 800 cm −2, and the chip area of the nitride semiconductor device is 0.1225 square millimeters or less. If the pit surface density D (P) is less than 800 cm −2, a nitride semiconductor element corresponding to a side size of 350 μm or less exhibits good characteristics.

本発明に係る窒化物半導体素子では、前記ピット面密度D(P)がゼロより大きく25cm−2未満であり、当該窒化物半導体素子のチップ面積が4平方ミリメートル以下であることが好ましい。ピット面密度D(P)が25cm−2未満であれば、一辺のサイズが2ミリメートル以下に相当する窒化物半導体素子は良好な特性を示す。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the pit surface density D (P) is greater than zero and less than 25 cm −2, and the nitride semiconductor device has a chip area of 4 mm 2 or less. When the pit surface density D (P) is less than 25 cm −2, a nitride semiconductor element having a side size of 2 millimeters or less exhibits good characteristics.

本発明に係る窒化物半導体素子では、前記窒化ガリウム層の厚さは6マイクロメートル以下であることが好ましい。窒化ガリウム層の厚さが6マイクロメートルを越えると、ピットのサイズが膜厚の増加とともに大きくなり、素子の特性を悪化させる。   In the nitride semiconductor device according to the present invention, the gallium nitride layer preferably has a thickness of 6 micrometers or less. If the thickness of the gallium nitride layer exceeds 6 micrometers, the size of the pits increases as the film thickness increases, deteriorating the device characteristics.

本発明に係る窒化物半導体素子は、前記III族窒化物支持基体と前記窒化ガリウム層との間に設けられたAlXGa1−XN層(0<X≦1)を更に備えることができる。   The nitride semiconductor device according to the present invention may further include an AlXGa1-XN layer (0 <X ≦ 1) provided between the group III nitride support base and the gallium nitride layer.

この窒化物半導体素子によれば、AlGaNはIII族窒化物基板の表面上に付着している汚染物質上にも成長するので、AlGaN層の表面モフォロジは良好である。これ故に、窒化ガリウム層の成長のために好適な下地を提供できる。   According to this nitride semiconductor device, since AlGaN grows also on the contaminant adhering on the surface of a group III nitride substrate, the surface morphology of the AlGaN layer is good. Therefore, a suitable base for the growth of the gallium nitride layer can be provided.

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。   The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.

以上説明したように、本発明によれば、III族窒化物基板の高転位領域に起因するピットを低減できる窒化物半導体素子を製造する方法が提供される。また、本発明によれば、基板の高転位領域に起因するピットが低減された窒化物半導体素子が提供される。   As described above, according to the present invention, there is provided a method for manufacturing a nitride semiconductor device capable of reducing pits resulting from a high dislocation region of a group III nitride substrate. Moreover, according to the present invention, a nitride semiconductor device in which pits resulting from a high dislocation region of a substrate are reduced is provided.

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の窒化物半導体素子を製造する方法および窒化物半導体素子に係わる実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。   The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the nitride semiconductor device manufacturing method and the nitride semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.

(第1の実施の形態)
図1(A)は、窒化物半導体素子を製造する方法を説明する図面である。図1(B)は、図1(A)に示された破線BOX内のIII族窒化物基板の拡大図を示す図面である。図2(A)、図2(B)および図2(C)は、窒化物半導体素子を製造する方法を説明する図面である。
(First embodiment)
FIG. 1A illustrates a method for manufacturing a nitride semiconductor device. FIG. 1B is an enlarged view of the group III nitride substrate in the broken line BOX shown in FIG. 2A, 2B, and 2C are views for explaining a method of manufacturing a nitride semiconductor device.

図1(A)を参照すると、準備された窒化ガリウム基板15といったIII族窒化物基板が成膜装置11のサセプタ13上に置かれている。III族窒化物基板としてはAlXGa1−XN(0≦X≦1)基板を使用できる。引き続く説明では、III族窒化物基板として、窒化ガリウム基板15を参照しながら行われる。成膜装置11としては、例えば、有機金属気相成長装置を使用できる。   Referring to FIG. 1A, a prepared group III nitride substrate such as a gallium nitride substrate 15 is placed on a susceptor 13 of a film forming apparatus 11. An AlXGa1-XN (0≤X≤1) substrate can be used as the group III nitride substrate. In the following explanation, the gallium nitride substrate 15 is referred to as the group III nitride substrate. For example, a metal organic vapor phase growth apparatus can be used as the film forming apparatus 11.

窒化ガリウム基板15は、図1(B)に示されるような構造を有する。窒化ガリウム基板15の主面15aには、後の工程においてIII族窒化物が堆積される。図1(B)を参照すると、縦型III族窒化物半導体素子のための窒化ガリウム(GaN)基板15における高転位領域15cおよび低転位領域15dの一配置が示されている。高転位領域15cの各々は低転位領域15dに囲まれており、窒化ガリウム基板15の主面15aから裏面15bへ伸びている。窒化ガリウム基板15の主面15aは、比較的大きい貫通転位密度を有する高転位領域15cが現れた第1のエリア15eと、比較的小さい貫通転位密度を有する低転位領域15dが現れた第2のエリア15fとを有する。高転位領域15cは低転位領域15dに囲まれているので、主面15aにおいて、第1のエリア15eは、第2のエリア15f内にドット状に分布している。全体として貫通転位密度は、例えば1×108cm−2以下である。例えば、高転位領域15cは、窒化ガリウム基板15において不規則(ランダム)に配置されていている。基板15の主面15aにおける高転位領域15cの欠陥エリア面密度D(H)は、例えば100個/cm2以上1×105個/cm2以下である。また、窒化ガリウム基板15の主面15aの面積に占める第1のエリア15eの表面積の割合は、例えば1パーセント以下である。高転位領域15cにおける転位密度は、例えば3×107cm−2以下であり、低転位領域15dにおける転位密度は、例えば5×106cm−2以下である。このエピタキシャル基板15によれば、転位密度が小さいので、エピタキシャル層中の転位が減少する。   The gallium nitride substrate 15 has a structure as shown in FIG. Group III nitride is deposited on the main surface 15a of the gallium nitride substrate 15 in a later step. Referring to FIG. 1B, one arrangement of a high dislocation region 15c and a low dislocation region 15d in a gallium nitride (GaN) substrate 15 for a vertical group III nitride semiconductor device is shown. Each of the high dislocation regions 15c is surrounded by the low dislocation regions 15d and extends from the main surface 15a of the gallium nitride substrate 15 to the back surface 15b. The main surface 15a of the gallium nitride substrate 15 has a first area 15e in which a high dislocation region 15c having a relatively large threading dislocation density appears and a second area 15d in which a low dislocation region 15d having a relatively small threading dislocation density appears. And an area 15f. Since the high dislocation region 15c is surrounded by the low dislocation region 15d, the first area 15e is distributed in the form of dots in the second area 15f on the main surface 15a. The threading dislocation density as a whole is, for example, 1 × 10 8 cm −2 or less. For example, the high dislocation regions 15 c are irregularly (randomly) arranged on the gallium nitride substrate 15. The defect area surface density D (H) of the high dislocation region 15c in the main surface 15a of the substrate 15 is, for example, 100 / cm 2 or more and 1 × 10 5 / cm 2 or less. Further, the ratio of the surface area of the first area 15e to the area of the main surface 15a of the gallium nitride substrate 15 is, for example, 1% or less. The dislocation density in the high dislocation region 15c is, for example, 3 × 10 7 cm −2 or less, and the dislocation density in the low dislocation region 15 d is, for example, 5 × 10 6 cm −2 or less. According to this epitaxial substrate 15, since the dislocation density is small, dislocations in the epitaxial layer are reduced.

窒化ガリウム基板15上に窒化ガリウム系半導体領域を成長する。まず、図2(A)に示されるように、3マイクロメートル/時間以上の成長速度で窒化ガリウム膜を窒化ガリウム基板15の主面15a上に成長する。これにより、エピタキシャル基板が提供される。窒化ガリウム膜17の表面17aはピット面密度D(P)で分布するピット(図3(B)に示される参照番号21または図3(C)に示される参照番号23)を有している。欠陥エリア面密度D(H)に対するピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.8より小さい。この結果、エピタキシャル基板E1が提供される。   A gallium nitride based semiconductor region is grown on the gallium nitride substrate 15. First, as shown in FIG. 2A, a gallium nitride film is grown on the main surface 15a of the gallium nitride substrate 15 at a growth rate of 3 micrometers / hour or more. Thereby, an epitaxial substrate is provided. The surface 17a of the gallium nitride film 17 has pits (reference number 21 shown in FIG. 3B or reference number 23 shown in FIG. 3C) distributed at a pit surface density D (P). The ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) is larger than zero and smaller than 0.8. As a result, the epitaxial substrate E1 is provided.

この方法によれば、3マイクロメートル/時間以上の成長速度で窒化ガリウム膜17を成長しているので、窒化ガリウム基板15の表面15aに現れる高転位エリア15eに起因して発生するピット(図3(B)に示される参照番号21または図3(C)に示される参照番号23)の面密度を小さくできる。この結果、ピット面密度D(P)は、0<(D(P)/D(H))<0.8程度まで小さくなる。   According to this method, since the gallium nitride film 17 is grown at a growth rate of 3 micrometers / hour or more, pits generated due to the high dislocation area 15e appearing on the surface 15a of the gallium nitride substrate 15 (FIG. 3). The surface density of the reference number 21 shown in (B) or the reference number 23 shown in FIG. As a result, the pit surface density D (P) decreases to about 0 <(D (P) / D (H)) <0.8.

また、窒化ガリウム膜15の成長に先立って、窒化ガリウム基板15の主面15a上にAlXGa1−XN膜(0<X≦1)19を成長することが好ましい。AlGaNは、窒化ガリウム基板15の表面15a上だけでなくこの表面15a上に付着している汚染物質上にも成長して、AlGaN膜19の表面19aは良好なモフォロジを示す。これ故に、窒化ガリウム膜15の成長にために好適な下地を提供できる。   Prior to the growth of the gallium nitride film 15, an AlXGa1-XN film (0 <X ≦ 1) 19 is preferably grown on the main surface 15 a of the gallium nitride substrate 15. AlGaN grows not only on the surface 15a of the gallium nitride substrate 15 but also on the contaminants adhering to the surface 15a, and the surface 19a of the AlGaN film 19 exhibits good morphology. Therefore, a suitable base for the growth of the gallium nitride film 15 can be provided.

図3(A)を参照すると、窒化ガリウム基板15の主面15aに高転位エリア15e(例示的に25個の高転位エリア)がドットにより示されている。図3(B)を参照すると、図3(A)に示された窒化ガリウム基板15上に窒化ガリウム膜17が本実施の形態に係る条件で堆積されている。GaN膜17の表面17aには、ピット面密度D(P)でピット21が形成される。個々のピット21は、図示されていないが複数のファセットからなり、GaN基板15の主面15aの高転位エリア15eと対応している。また、図3(C)を参照すると、図3(A)に示された窒化ガリウム基板15上に、AlGaN膜19およびGaN膜17が本実施の形態に係る条件で堆積されている。GaN膜17の表面17aには、ピット面密度D(P)でピット23が形成される。個々のピット23は、ピット21と同様に複数のファセットからなり、窒化ガリウム基板15の主面15aの高転位エリア15eと対応している。ピット21(23)は、同一の開口サイズおよび深さを持つことはなく、サイズおよび深さは互いに異なっている。   Referring to FIG. 3A, high dislocation areas 15e (for example, 25 high dislocation areas) are indicated by dots on the main surface 15a of the gallium nitride substrate 15. Referring to FIG. 3B, a gallium nitride film 17 is deposited on the gallium nitride substrate 15 shown in FIG. 3A under the conditions according to the present embodiment. On the surface 17a of the GaN film 17, pits 21 are formed with a pit surface density D (P). Although not shown, each pit 21 includes a plurality of facets, and corresponds to the high dislocation area 15e of the main surface 15a of the GaN substrate 15. Referring to FIG. 3C, an AlGaN film 19 and a GaN film 17 are deposited on the gallium nitride substrate 15 shown in FIG. 3A under the conditions according to the present embodiment. On the surface 17a of the GaN film 17, pits 23 are formed with a pit surface density D (P). Each pit 23 is composed of a plurality of facets like the pit 21 and corresponds to the high dislocation area 15 e of the main surface 15 a of the gallium nitride substrate 15. The pits 21 (23) do not have the same opening size and depth, and the sizes and depths are different from each other.

図2(B)に示されるように、引き続いて、窒化ガリウム系半導体領域を形成する。窒化ガリウム膜17上には、量子井戸構造を有する活性領域25、p型窒化ガリウム系半導体層27およびp型コンタクト層29を順に成長する。この結果、エピタキシャル基板E2が提供される。   As shown in FIG. 2B, a gallium nitride based semiconductor region is subsequently formed. On the gallium nitride film 17, an active region 25 having a quantum well structure, a p-type gallium nitride based semiconductor layer 27, and a p-type contact layer 29 are grown in this order. As a result, the epitaxial substrate E2 is provided.

図2(C)に示されるように、アノードのための第1の電極膜31をp型コンタクト層29上に形成するとともに、カソードのための第2の電極膜33を窒化ガリウム基板15の裏面15bに形成する。この結果、基板生産物35が提供される。基板生産物35を切断して、多数の半導体チップを作製する。   As shown in FIG. 2C, the first electrode film 31 for the anode is formed on the p-type contact layer 29, and the second electrode film 33 for the cathode is formed on the back surface of the gallium nitride substrate 15. 15b. As a result, a substrate product 35 is provided. The substrate product 35 is cut to produce a large number of semiconductor chips.

本実施の形態の一変形例では、図4(A)に示されるように、摂氏1050度以上の成長温度で窒化ガリウム基板15の主面15a上に窒化ガリウム膜37を成長する。高転位エリア面密度D(H)に対するピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.4より小さい。これにより、エピタキシャル基板E3が提供される。摂氏1050度以上の成長温度でIII族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長するので、III族窒化物基板基板の表面の高転位エリアに起因して発生するピットの面密度を小さくできる。この結果、ピット面密度D(P)は0<(D(P)/D(H))<0.4程度まで小さくなる。また、窒化ガリウム膜37の成長に先立って、AlXGa1−XN膜(0<X≦1)19を成長することが好ましい。   In one modification of the present embodiment, as shown in FIG. 4A, a gallium nitride film 37 is grown on the main surface 15a of the gallium nitride substrate 15 at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher. The ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the high dislocation area surface density D (H) is larger than zero and smaller than 0.4. Thereby, the epitaxial substrate E3 is provided. Since the gallium nitride film is grown on the main surface of the group III nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher, the surface density of pits generated due to the high dislocation area on the surface of the group III nitride substrate substrate is reduced. it can. As a result, the pit surface density D (P) is reduced to about 0 <(D (P) / D (H)) <0.4. Prior to the growth of the gallium nitride film 37, it is preferable to grow an AlXGa1-XN film (0 <X ≦ 1) 19.

図4(B)に示されるように、窒化ガリウム系半導体領域を形成する。この形成のために、窒化ガリウム膜37上に、量子井戸構造を有する活性領域25、p型窒化ガリウム系半導体層27およびp型コンタクト層29を順に成長する。この結果、エピタキシャル基板E4が提供される。また、図4(C)に示されるように、アノードのための第1の電極膜31をp型コンタクト層29上に形成するとともに、カソードのための第2の電極膜33を窒化ガリウム基板15の裏面15bに形成する。基板生産物41を切断して、多数の半導体チップを作製する。   As shown in FIG. 4B, a gallium nitride based semiconductor region is formed. For this formation, an active region 25 having a quantum well structure, a p-type gallium nitride based semiconductor layer 27 and a p-type contact layer 29 are grown on the gallium nitride film 37 in this order. As a result, an epitaxial substrate E4 is provided. As shown in FIG. 4C, a first electrode film 31 for the anode is formed on the p-type contact layer 29, and a second electrode film 33 for the cathode is formed on the gallium nitride substrate 15. The back surface 15b is formed. The substrate product 41 is cut to produce a large number of semiconductor chips.

(実施例1)
以下の通り、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを原料として用いて有機金属気相成長法により青色発光ダイオードを作製する。900cm−2の転位エリア面密度D(H)を有するn型GaN(0001))基板をサセプタ上に配置し、有機金属気相成長装置の圧力を30kPaにコントロールしながら有機金属気相成長装置にアンモニア(NH3)および水素(H2)を供給する。摂氏1050度の基板温度で10分間の予備クリーニングを行う。その後に、基板温度を摂氏1130度に、有機金属気相成長装置の圧力を101kPaに上昇する。トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランを有機金属気相成長装置に供給して、50nmの厚さのn型Al0.12Ga0.88N膜を成長する。次いで、摂氏1100度の基板温度および101kPaの圧力で厚さ2マイクロメートルの窒化ガリウムバッファ膜を成長速度4μm/hで成長する。その後に、基板温度を摂氏800度に下げて、3周期の多重量子井戸構造(InGaN障壁層:15nm、InGaN井戸層:3nm)からなる発光層を成長する。基板温度を摂氏1050度に上昇させて、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを有機金属気相成長装置に供給して、厚さ20nmのMgドープAl0.12Ga0.88N膜を成長する。この後に、トリメチルガリウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを有機金属気相成長装置に供給して、厚さ150nmのp型GaN膜を成長する。これによりLEDエピタキシャル構造を有するエピタキシャル基板が得られる。
Example 1
As described below, a blue light-emitting diode is fabricated by metal organic vapor phase epitaxy using trimethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, ammonia, silane, and cyclopentadienylmagnesium as raw materials. An n-type GaN (0001) substrate having a dislocation area surface density D (H) of 900 cm −2 is placed on a susceptor, and the pressure of the metal organic vapor phase growth apparatus is controlled to 30 kPa. Ammonia (NH3) and hydrogen (H2) are supplied. Pre-cleaning is performed for 10 minutes at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius. Thereafter, the substrate temperature is raised to 1130 degrees Celsius and the pressure of the metal organic vapor phase epitaxy apparatus is increased to 101 kPa. Trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia, and silane are supplied to a metal organic vapor phase growth apparatus to grow an n-type Al0.12Ga0.88N film having a thickness of 50 nm. Next, a gallium nitride buffer film having a thickness of 2 micrometers is grown at a growth rate of 4 μm / h at a substrate temperature of 1100 degrees Celsius and a pressure of 101 kPa. Thereafter, the substrate temperature is lowered to 800 degrees Celsius to grow a light emitting layer having a three-cycle multiple quantum well structure (InGaN barrier layer: 15 nm, InGaN well layer: 3 nm). The substrate temperature is raised to 1050 degrees Celsius, and trimethylaluminum, trimethylgallium, ammonia, and cyclopentadienylmagnesium are supplied to the metalorganic vapor phase growth apparatus to grow a 20 nm thick Mg-doped Al0.12Ga0.88N film. To do. Thereafter, trimethylgallium, ammonia, and cyclopentadienylmagnesium are supplied to the metalorganic vapor phase growth apparatus to grow a p-type GaN film having a thickness of 150 nm. Thereby, an epitaxial substrate having an LED epitaxial structure is obtained.

このエピタキシャル基板の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、GaN基板の高転位エリアの位置に対応するところに約3μm径のピットが存在しており、ピット面密度D(P)は400cm−2である。したがって、D(P)/D(H)=0.44である。   When the surface of this epitaxial substrate was observed with a differential interference microscope, there was a pit having a diameter of about 3 μm corresponding to the position of the high dislocation area of the GaN substrate, and the pit surface density D (P) was 400 cm−2. is there. Therefore, D (P) / D (H) = 0.44.

エピタキシャル基板のp型GaN膜上に半透明アノード電極を形成すると共に、GaN基板の裏面にカソード電極を形成する。そして、350μm角の発光ダイオードベアチップの青色発光ダイオードに連続電流印加を行うと、青色発光ダイオードは、電流値20mAおよび波長450nmで4mWの光出力を示す。一方、2mm角の発光ダイオードベアチップの青色発光ダイオードに連続電流印加を行うと、図5に示すリーキーな電流電圧特性を示す。リーキーな青色発光ダイオードは発光しない。   A semitransparent anode electrode is formed on the p-type GaN film of the epitaxial substrate, and a cathode electrode is formed on the back surface of the GaN substrate. When a continuous current is applied to a blue light emitting diode of a 350 μm square light emitting diode bare chip, the blue light emitting diode exhibits a light output of 4 mW at a current value of 20 mA and a wavelength of 450 nm. On the other hand, when a continuous current is applied to a blue light emitting diode of a 2 mm square light emitting diode bare chip, the leaky current-voltage characteristics shown in FIG. 5 are exhibited. A leaky blue light emitting diode does not emit light.

(実施例2)
900cm−2の転位エリア面密度D(H)を有するn型GaN(0001)基板に摂氏1050度の基板温度で10分間の予備クリーニングを行った後に、摂氏1050度の基板温度および101kPaの圧力で50nmの厚さのn型Al0.12Ga0.88N膜を成長する。次いで、摂氏1130度の基板温度で101kPaの圧力を保持したまま、厚さ2マイクロメートルの窒化ガリウムバッファ膜を成長速度9μm/hで成長する。その後の工程は、実施例1と同様である。完成したLEDエピタキシャル構造を有するエピタキシャル基板の表面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、基板の高転位エリアの位置に対応するところに直径約3μm程度のピットが存在しており、ピット面密度D(P)は12cm−2である。したがって、D(P)/D(H))=0.013である。
(Example 2)
An n-type GaN (0001) substrate having a dislocation area surface density D (H) of 900 cm −2 is subjected to preliminary cleaning at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius for 10 minutes, and then at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius and a pressure of 101 kPa. An n-type Al0.12Ga0.88N film having a thickness of 50 nm is grown. Next, a gallium nitride buffer film having a thickness of 2 micrometers is grown at a growth rate of 9 μm / h while maintaining a pressure of 101 kPa at a substrate temperature of 1130 degrees Celsius. Subsequent steps are the same as those in the first embodiment. When the surface of the completed epitaxial substrate having the LED epitaxial structure was observed with a differential interference microscope, pits having a diameter of about 3 μm were present at locations corresponding to the positions of the high dislocation areas of the substrate, and the pit surface density D (P ) Is 12 cm−2. Therefore, D (P) / D (H)) = 0.013.

エピタキシャル基板のp型GaN膜上に半透明アノード電極を形成すると共に、GaN基板の裏面にカソード電極を形成する。そして、2mm角の発光ダイオードベアチップの青色発光ダイオードに連続電流印加を行うと、青色発光ダイオードは、電流値20mAおよび波長450nmで4mWの光出力を示す。2mm角の発光ダイオードベアチップの青色発光ダイオードに連続電流印加を行うと、図6に示すような良好な電流電圧特性を示す。ベアチップの青色発光ダイオードは、電流値500mAおよび波長450nmで100mWの光出力を示す。   A semitransparent anode electrode is formed on the p-type GaN film of the epitaxial substrate, and a cathode electrode is formed on the back surface of the GaN substrate. When a continuous current is applied to a blue light emitting diode of a 2 mm square light emitting diode bare chip, the blue light emitting diode exhibits a light output of 4 mW at a current value of 20 mA and a wavelength of 450 nm. When a continuous current is applied to a blue light emitting diode of a 2 mm square light emitting diode bare chip, good current-voltage characteristics as shown in FIG. 6 are exhibited. The bare-chip blue light-emitting diode exhibits a light output of 100 mW at a current value of 500 mA and a wavelength of 450 nm.

(実施例3)
実施例2に示された発光ダイオードの作製において、n型GaN層をいくつかの成長速度で形成する。図7は、成長速度とピット径との関係を示す図面である。図7を参照すると、
成長速度 ピット径
2.2μm/h 5μm以下
4.2μm/h 3μm以下
9μm/h 2μm以下
であり、成膜温度は摂氏1100度である。
成長速度3μm/h以上であれば、成膜速度およびピット径のばらつきを考慮しても、窒化ガリウム膜の表面に形成されるピット径が5μm以下にできる。したがって、窒化ガリウム基板の表面に現れる高転位領域に起因して発生するピットのサイズを小さくできる。3マイクロメートル/時間以上の成長速度で窒化ガリウム基板の主面上に窒化ガリウムを堆積して5マイクロメートル以下の最大ピットサイズの窒化ガリウム膜を形成できる。
(Example 3)
In the fabrication of the light emitting diode shown in Example 2, n-type GaN layers are formed at several growth rates. FIG. 7 is a drawing showing the relationship between the growth rate and the pit diameter. Referring to FIG.
Growth rate Pit diameter 2.2 μm / h 5 μm or less 4.2 μm / h 3 μm or less 9 μm / h 2 μm or less, and the film formation temperature is 1100 degrees Celsius.
If the growth rate is 3 μm / h or more, the pit diameter formed on the surface of the gallium nitride film can be 5 μm or less even when the film formation rate and the variation in pit diameter are taken into consideration. Therefore, the size of the pit generated due to the high dislocation region appearing on the surface of the gallium nitride substrate can be reduced. Gallium nitride can be deposited on the main surface of the gallium nitride substrate at a growth rate of 3 micrometers / hour or more to form a gallium nitride film having a maximum pit size of 5 micrometers or less.

図8は、成長速度と比(D(P)/D(H))との関係を示す図面である。成長速度3μm/hを越えれば、(D(P)/D(H))を0.8未満にできる。   FIG. 8 is a drawing showing the relationship between the growth rate and the ratio (D (P) / D (H)). If the growth rate exceeds 3 μm / h, (D (P) / D (H)) can be less than 0.8.

図9(A)、図9(B)および図9(C)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。それぞれの膜厚は2マイクロメートルである。これらの図面は、成膜速度を2.2μm/h、4.2μm/h、9μm/hと変化させると、ピットのサイズが小さくなることを示している。   FIG. 9A, FIG. 9B, and FIG. 9C are drawings showing micrographs of the surface of the gallium nitride film. Each film thickness is 2 micrometers. These drawings show that the pit size decreases when the deposition rate is changed to 2.2 μm / h, 4.2 μm / h, and 9 μm / h.

図10は成長温度とピット径との関係を示す図面である。図10を参照すると、
成長速度 ピット径
摂氏1030度 5μm以下
摂氏1100度 3μm以下
摂氏1130度 2μm以下
である。成長温度が摂氏1030度を越えれば、成膜温度およびピット径のばらつきを考慮しても、窒化ガリウム膜の表面に形成されるピット径が5μm以下にできる。したがって、窒化ガリウム基板の表面に現れる高転位領域に起因して発生するピットのサイズを小さくできる。摂氏1050度以上の成長温度で窒化ガリウム基板の主面上に窒化ガリウムを堆積して5マイクロメートル以下の最大ピットサイズの窒化ガリウム膜を形成できる。
FIG. 10 is a drawing showing the relationship between the growth temperature and the pit diameter. Referring to FIG.
Growth rate Pit diameter 1030 degrees Celsius 5 μm or less 1100 degrees Celsius 3 μm or less 1130 degrees Celsius 2130 μm or less If the growth temperature exceeds 1030 degrees Celsius, the pit diameter formed on the surface of the gallium nitride film can be reduced to 5 μm or less even when the film forming temperature and the variation in pit diameter are taken into consideration. Therefore, the size of the pit generated due to the high dislocation region appearing on the surface of the gallium nitride substrate can be reduced. Gallium nitride can be deposited on the main surface of the gallium nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher to form a gallium nitride film having a maximum pit size of 5 micrometers or less.

図11は、成長温度と比(D(P)/D(H))との関係を示す図面である。成長温度が摂氏1100度を越えれば、(D(P)/D(H))を0.4未満にできる。   FIG. 11 is a drawing showing the relationship between the growth temperature and the ratio (D (P) / D (H)). If the growth temperature exceeds 1100 degrees Celsius, (D (P) / D (H)) can be made less than 0.4.

図12(A)および図12(B)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。それぞれの膜厚は2マイクロメートルである。これらの図面は、成膜速度9μm/hにおいて、成膜温度を摂氏1100度、摂氏1130度と変化させると、ピットのサイズが小さくなることを示している。   12 (A) and 12 (B) are drawings showing micrographs of the surface of the gallium nitride film. Each film thickness is 2 micrometers. These drawings show that when the film formation temperature is changed to 1100 degrees Celsius and 1130 degrees Celsius at the film formation speed of 9 μm / h, the size of the pits is reduced.

また、図13(A)および図13(B)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。それぞれの膜厚は2マイクロメートルである。これらの図面は、成膜速度4.2μm/hにおいて、成膜温度を摂氏1030度、摂氏1100度と変化させると、ピットのサイズが小さくなることを示している。   FIGS. 13A and 13B are micrographs of the surface of the gallium nitride film. Each film thickness is 2 micrometers. These drawings show that when the film formation temperature is changed to 1030 degrees Celsius and 1100 degrees Celsius at the film formation speed of 4.2 μm / h, the size of the pits is reduced.

図14は、窒化ガリウム膜の厚さとピット径との関係を示す図面である。図14を参照すると、
窒化ガリウム膜の厚さ ピット径
2μm 2μm以下
6μm 5μm以下
9μm 8μm以下
である。成膜温度は摂氏1130度であり、また成膜速度は9μm/hである。図14の結果によれば、窒化ガリウム膜の厚さが厚くなると、ピット径も大きくなる。窒化ガリウム層の好適な厚さは6マイクロメートル以下である。窒化ガリウム層の厚さが6マイクロメートルを越えると、ピットのサイズが5マイクロメートを越える。また、窒化ガリウム層の厚さは0.5マイクロメートル以上であれば、良好なLED特性を得ることができる。
FIG. 14 is a drawing showing the relationship between the thickness of the gallium nitride film and the pit diameter. Referring to FIG.
Thickness of gallium nitride film Pit diameter 2 μm 2 μm or less 6 μm 5 μm or less 9 μm 8 μm or less The film forming temperature is 1130 degrees Celsius, and the film forming speed is 9 μm / h. According to the results of FIG. 14, the pit diameter increases as the thickness of the gallium nitride film increases. The preferred thickness of the gallium nitride layer is 6 micrometers or less. If the thickness of the gallium nitride layer exceeds 6 micrometers, the pit size exceeds 5 micrometers. Moreover, if the thickness of the gallium nitride layer is 0.5 micrometers or more, good LED characteristics can be obtained.

図15は、窒化ガリウム膜の厚さと比(D(P)/D(H))との関係を示す図面である。窒化ガリウム膜が厚くなっても、比(D(P)/D(H))は実質的に変化しない。成膜温度は摂氏1130度であり、成膜速度は9μm/hであり、また圧力は101キロパスカルである。   FIG. 15 is a drawing showing the relationship between the thickness of the gallium nitride film and the ratio (D (P) / D (H)). Even when the gallium nitride film is thickened, the ratio (D (P) / D (H)) does not substantially change. The deposition temperature is 1130 degrees Celsius, the deposition rate is 9 μm / h, and the pressure is 101 kilopascals.

図16(A)、図16(B)および図16(C)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。それぞれの成膜速度は9μm/hである。これらの図面は、膜厚が2μm、6μm、9μmと厚くなるにつれて、ピットのサイズが大きくなることを示している。   FIG. 16A, FIG. 16B, and FIG. 16C are drawings showing micrographs of the surface of a gallium nitride film. Each film formation rate is 9 μm / h. These drawings show that the pit size increases as the film thickness increases to 2 μm, 6 μm, and 9 μm.

図17は、比(D(P)/D(H))と発光ダイオード(2mm角)の歩留まりの関係を示す図面である。アノード電極はコンタクト層の全面に設けられ、またカソード電極は窒化ガリウム支持基体の裏面の全面に設けられている。図17を参照すると、比(D(P)/D(H))が0.4を越えると、実質的に歩留まりはゼロである。比(D(P)/D(H))が0.3以下であれば、歩留まりが実用的なレベルを越える。また、(D(P)/D(H))が0.01以下であれば、歩留まりが良好である。   FIG. 17 is a drawing showing the relationship between the ratio (D (P) / D (H)) and the yield of light-emitting diodes (2 mm square). The anode electrode is provided on the entire surface of the contact layer, and the cathode electrode is provided on the entire back surface of the gallium nitride supporting base. Referring to FIG. 17, when the ratio (D (P) / D (H)) exceeds 0.4, the yield is substantially zero. If the ratio (D (P) / D (H)) is 0.3 or less, the yield exceeds a practical level. Further, when (D (P) / D (H)) is 0.01 or less, the yield is good.

(第2の実施の形態)
図18は、第2の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。窒化物半導体素子51は、窒化ガリウム支持基体53といったIII族窒化物支持基体と、窒化ガリウム系半導体領域55と、第1の電極57と、第2の電極59と備える。窒化物半導体素子51は、図1(A)に示される窒化ガリウム基板上に複数のエピタキシャル膜を成長して作製された半導体生産物を分割して形成された半導体チップであるので、窒化ガリウム支持基体53の主面53aも、窒化ガリウム基板15の主面と同様に、複数の高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含んでおり、高転位エリアにおける欠陥密度は低転位エリアの欠陥密度より大きい。また、高転位エリアは主面53aにおいて欠陥面密度D(H)で分布している。第1の電極57は、窒化ガリウム系半導体領域55上に設けられている。第2の電極59は、窒化ガリウム支持基体53の裏面53b上に設けられている。窒化ガリウム系半導体領域55の厚さはTマイクロメートルである。
(Second Embodiment)
FIG. 18 is a drawing showing a nitride semiconductor device according to the second embodiment. The nitride semiconductor element 51 includes a group III nitride support base such as a gallium nitride support base 53, a gallium nitride based semiconductor region 55, a first electrode 57, and a second electrode 59. Since the nitride semiconductor device 51 is a semiconductor chip formed by dividing a semiconductor product produced by growing a plurality of epitaxial films on the gallium nitride substrate shown in FIG. Similar to the main surface of the gallium nitride substrate 15, the main surface 53a of the base 53 includes a plurality of high dislocation areas and a low dislocation area surrounding the high dislocation area. Greater than defect density. Further, the high dislocation areas are distributed at the defect surface density D (H) on the main surface 53a. The first electrode 57 is provided on the gallium nitride based semiconductor region 55. The second electrode 59 is provided on the back surface 53 b of the gallium nitride support base 53. The thickness of the gallium nitride based semiconductor region 55 is T micrometers.

窒化ガリウム系半導体領域55の最上層の表面55aには、欠陥エリア面密度D(H)より小さいピット面密度D(P)で分布するピットが形成されている。個々のピットは、窒化ガリウム支持基体53の主面53a上の高転位エリアに対応している。窒化ガリウム系半導体領域55は、窒化ガリウム支持基体53上に設けられた窒化ガリウム層61を含む。これ故に、表面55aにおける該ピットのサイズは1マイクロメートル以上であり10マイクロメートル以下の範囲であり、また表面55aにおける該ピットの深さは0.1マイクロメートル以上でありTマイクロメートル以下の範囲である。   On the uppermost surface 55a of the gallium nitride based semiconductor region 55, pits having a pit surface density D (P) that is smaller than the defect area surface density D (H) are formed. Each pit corresponds to a high dislocation area on the main surface 53 a of the gallium nitride support base 53. The gallium nitride based semiconductor region 55 includes a gallium nitride layer 61 provided on the gallium nitride support base 53. Therefore, the size of the pits on the surface 55a is not less than 1 micrometer and not more than 10 micrometers, and the depth of the pits on the surface 55a is not less than 0.1 micrometers and not more than T micrometers. It is.

窒化物半導体素子51の作製において、窒化ガリウム系半導体領域55の窒化ガリウム層61の表面には、図3(B)および図3(C)に示されるように、支持基体53(基板15)の高転位エリアに起因するピットが形成される。該ピットが形成されないように成膜条件で窒化ガリウムを堆積することも可能である。しかしながら、このような条件で堆積された窒化ガリウムの結晶品質は、許容可能な程度であるけれども、あまりよくない。第1および第2の電極の一方から他方へ窒化ガリウム支持基体53および窒化ガリウム系半導体領域55を横切って電流が流れる縦型窒化物半導体素子では、形成されたあらゆるピットが窒化物半導体素子51の特性を悪化させているわけではなく、サイズや深さが以下のようなピットであれば、窒化物半導体素子は所望の範囲の特性を示すことを発明者は発見した。すなわち、表面55aにおけるピットのサイズは1マイクロメートル以上10マイクロメートル以下の範囲であり、表面55aにおける該ピットの深さは0.1マイクロメートル以上Tマイクロメートル以下の範囲である。   In the manufacture of the nitride semiconductor element 51, the surface of the gallium nitride layer 61 of the gallium nitride based semiconductor region 55 is formed on the surface of the support base 53 (substrate 15) as shown in FIGS. 3B and 3C. Pits resulting from the high dislocation area are formed. It is also possible to deposit gallium nitride under film forming conditions so that the pits are not formed. However, although the crystal quality of gallium nitride deposited under such conditions is acceptable, it is not very good. In a vertical nitride semiconductor device in which a current flows from one of the first and second electrodes to the other across the gallium nitride support base 53 and the gallium nitride based semiconductor region 55, all the formed pits are formed on the nitride semiconductor device 51. The inventor has found that the nitride semiconductor device exhibits a desired range of characteristics if the size and depth are as follows, without deteriorating the characteristics. That is, the size of pits on the surface 55a is in the range of 1 to 10 micrometers, and the depth of the pits on the surface 55a is in the range of 0.1 to T micrometers.

図18に示されるように、窒化ガリウム支持基体53は、多数の高転位領域53cを含む。これら高転位領域53cのいくつかに起因して、窒化ガリウム系半導体領域55の表面55a(本実施例では、最上層のコンタクト層の表面)には、対応するピット(図18には描かれていない)が現れる。図19は、窒化ガリウム系半導体領域55の表面55aに形成されたピットP1、P2、P3を示す模式図である。窒化ガリウム支持基体53の表面には、高欠陥エリアHD1、HD2、HD3が位置している。ピットP1、P2、P3は、それぞれ、高欠陥エリアHD1、HD2、HD3から窒化ガリウム系半導体領域55内を縫うように伸びる転位群TD1、TD2、TD3と関連している。図示にように、ピットP1、P2、P3のサイズDiaおよび深さDepは様々である。   As shown in FIG. 18, the gallium nitride support base 53 includes a large number of high dislocation regions 53c. Due to some of these high dislocation regions 53c, the surface 55a of the gallium nitride based semiconductor region 55 (in this embodiment, the surface of the uppermost contact layer) has corresponding pits (not shown in FIG. 18). Not) appears. FIG. 19 is a schematic diagram showing pits P1, P2, and P3 formed on the surface 55a of the gallium nitride based semiconductor region 55. FIG. High defect areas HD1, HD2 and HD3 are located on the surface of the gallium nitride support base 53. The pits P1, P2, and P3 are respectively associated with dislocation groups TD1, TD2, and TD3 extending from the high defect areas HD1, HD2, and HD3 so as to sew in the gallium nitride based semiconductor region 55. As shown in the figure, the size Dia and the depth Dep of the pits P1, P2, and P3 are various.

表面55aにおけるピットのサイズDiaが10マイクロメートル以下であれば、窒化物半導体素子は所望の範囲の特性を示す。表面55aにおけるピットのサイズDiaが1マイクロメートル以上であれば、結晶品質が良好である。表面55aにおけるピットPの深さDepは0.1マイクロメートル以上であれば、結晶品質が良好である。表面55aにおけるピットPの深さDepは、窒化ガリウム系半導体領域55の厚み以下であれば、、窒化物半導体素子は所望の範囲の特性を示す。   If the pit size Dia on the surface 55a is 10 micrometers or less, the nitride semiconductor device exhibits characteristics in a desired range. If the pit size Dia on the surface 55a is 1 micrometer or more, the crystal quality is good. If the depth Dep of the pits P on the surface 55a is 0.1 micrometers or more, the crystal quality is good. If the depth Dep of the pits P on the surface 55a is equal to or smaller than the thickness of the gallium nitride based semiconductor region 55, the nitride semiconductor element exhibits a desired range of characteristics.

ピットを埋め込むような条件“減圧”で無理に窒化ガリウム膜を成長すると、その結晶品質が悪化する。つまり、上記のサイズDiaおよび深さDepを有するピットPを実現する窒化ガリウム層61の結晶品質は、該ピットが形成されないように成膜条件で形成された窒化ガリウム層の結晶品質に比べて良好である。また、ピットのサイズおよび深さが上記の範囲であれば、窒化物半導体素子51の特性への影響は小さい。   If the gallium nitride film is forcibly grown under the condition of “reduced pressure” that embeds the pits, the crystal quality deteriorates. In other words, the crystal quality of the gallium nitride layer 61 that realizes the pits P having the size Dia and the depth Dep is better than the crystal quality of the gallium nitride layer formed under the film formation conditions so that the pits are not formed. It is. In addition, when the pit size and depth are in the above ranges, the influence on the characteristics of the nitride semiconductor device 51 is small.

好適な実施例では、n型AlXGa1−XN(0<X≦1)層63が、n型窒化ガリウム支持基体53とn型窒化ガリウム層61との間に設けられる。AlGaNは窒化ガリウム基板の表面上に付着している汚染物質上にも成長するので、AlGaN層63の表面モフォロジは良好である。これ故に、n型窒化ガリウム層61の成長にために好適な下地を提供できる。   In a preferred embodiment, an n-type AlXGa1-XN (0 <X ≦ 1) layer 63 is provided between the n-type gallium nitride support base 53 and the n-type gallium nitride layer 61. Since AlGaN also grows on contaminants adhering to the surface of the gallium nitride substrate, the surface morphology of the AlGaN layer 63 is good. Therefore, a suitable base for the growth of the n-type gallium nitride layer 61 can be provided.

窒化物半導体素子51は、発光ダイオードとして使用できる構造を有しており、図18に示されるように、窒化ガリウム層61上に設けられた発光領域65と、発光領域65上に設けられたp型窒化ガリウム系半導体層67と、p型窒化ガリウム系半導体層67上に設けられたp型コンタクト層69とを有する。発光領域65は井戸層65aおよび障壁層65bを含む。第1の電極57は、例えば半透明電極であり、またp型コンタクト層69の表面全体を覆うように設けられることができる。第1の電極57上には、パッド電極71が設けられている。   The nitride semiconductor element 51 has a structure that can be used as a light-emitting diode. As shown in FIG. 18, the light-emitting region 65 provided on the gallium nitride layer 61 and the p provided on the light-emitting region 65 are provided. And a p-type contact layer 69 provided on the p-type gallium nitride semiconductor layer 67. The light emitting region 65 includes a well layer 65a and a barrier layer 65b. The first electrode 57 is, for example, a translucent electrode, and can be provided so as to cover the entire surface of the p-type contact layer 69. A pad electrode 71 is provided on the first electrode 57.

図8を参照しながら説明された成膜条件を用いて作製された窒化物半導体素子では、欠陥エリア面密度D(H)に対するピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.8より小さくなる。この範囲のD(P)/D(H)によれば、窒化物半導体素子は良好な電流−電圧特性を示す。   In the nitride semiconductor device manufactured using the film formation conditions described with reference to FIG. 8, the ratio of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) (D (P) / D ( H)) is greater than zero and less than 0.8. According to D (P) / D (H) in this range, the nitride semiconductor device exhibits good current-voltage characteristics.

また、図11を参照しながら説明したような成膜条件を用いて作製された窒化物半導体素子では、ピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.4より小さくなる。この範囲のD(P)/D(H)によれば、窒化物半導体素子は良好な電流−電圧特性を示す。   Further, in the nitride semiconductor device manufactured using the film forming conditions described with reference to FIG. 11, the ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) is less than zero. Greater than 0.4. According to D (P) / D (H) in this range, the nitride semiconductor device exhibits good current-voltage characteristics.

図14を参照しながら説明したように、表面55aにおけるピットPの最大サイズPは5マイクロメートル以下であれば、窒化物半導体素子51の特性は、この範囲のピットからあまり影響されない。図14を参照しながら説明したように、窒化ガリウム層61の厚さは6マイクロメートル以下であることが好ましい。窒化ガリウム層の厚さが6マイクロメートルを越えると、ピットのサイズが膜厚の増加とともに大きくなる。また、窒化ガリウム層の厚さは0.5マイクロメートル以上であれば、LED特性は良好である。   As described with reference to FIG. 14, if the maximum size P of the pits P on the surface 55a is 5 micrometers or less, the characteristics of the nitride semiconductor element 51 are not significantly affected by the pits in this range. As described with reference to FIG. 14, the thickness of the gallium nitride layer 61 is preferably 6 micrometers or less. If the thickness of the gallium nitride layer exceeds 6 micrometers, the size of the pits increases with increasing film thickness. Moreover, if the thickness of the gallium nitride layer is 0.5 micrometers or more, the LED characteristics are good.

高転位エリアが基板表面に分布する窒化ガリウム支持体を用いる窒化物半導体素子ではピット面密度D(P)が800cm−2未満であれば、チップ面積0.1225mm2以下(一辺が350マイクロメートル以下のサイズに対応)の窒化物半導体素子は良好な特性を示すと共に、実用的な歩留まりが実現される。ピット面密度D(P)が800cm−2未満であり且つチップ面積が0.1225mm2以下であれば、ピットを一つも含まない素子が得られるので、なお良い。   In a nitride semiconductor device using a gallium nitride support in which high dislocation areas are distributed on the substrate surface, if the pit surface density D (P) is less than 800 cm −2, the chip area is 0.1225 mm 2 or less (one side is 350 μm or less). The nitride semiconductor device (corresponding to the size) exhibits good characteristics and realizes a practical yield. If the pit surface density D (P) is less than 800 cm −2 and the chip area is 0.1225 mm 2 or less, an element that does not include any pits can be obtained.

高転位エリアが基板表面に分布する窒化ガリウム支持体を用いる窒化物半導体素子ではピット面密度D(P)が25cm−2未満であれば、チップ面積4mm2以下(一辺のサイズが2ミリメートル以下のサイズに対応)の窒化物半導体素子は良好な特性を示すと共に、実用的な歩留まりが実現される。ピット面密度D(P)が25cm−2未満であり且つチップ面積が4mm2以下であれば、ピットを一つも含まない素子が得られる。   In a nitride semiconductor device using a gallium nitride support in which high dislocation areas are distributed on the substrate surface, if the pit surface density D (P) is less than 25 cm −2, the chip area is 4 mm 2 or less (the size of one side is 2 mm or less). The nitride semiconductor device corresponding to (2) exhibits good characteristics and achieves a practical yield. If the pit surface density D (P) is less than 25 cm −2 and the chip area is 4 mm 2 or less, an element including no pits can be obtained.

窒化物半導体素子としては、発光ダイオードといった半導体発光素子に限定されない。図20(A)は、第2の実施の形態に係る窒化物半導体素子の一変形例を示す図面である。ショットキダイオード81は、窒化ガリウム支持基体53といったIII族窒化物支持基体と、窒化ガリウム系半導体領域85と、第1の電極(ショットキ電極)87と、第2の電極89(オーミック電極)と備える。窒化ガリウム系半導体領域85の厚さはTマイクロメートルであり、窒化ガリウム系半導体領域85はGaN層61を含むことができ、また必要な場合には、AlGaN層63を含むことができる。   The nitride semiconductor device is not limited to a semiconductor light emitting device such as a light emitting diode. FIG. 20A is a drawing showing a modification of the nitride semiconductor device according to the second embodiment. The Schottky diode 81 includes a group III nitride support base such as the gallium nitride support base 53, a gallium nitride based semiconductor region 85, a first electrode (Schottky electrode) 87, and a second electrode 89 (ohmic electrode). The thickness of the gallium nitride based semiconductor region 85 is T micrometers, and the gallium nitride based semiconductor region 85 can include the GaN layer 61 and, if necessary, the AlGaN layer 63.

図20(B)は、第2の実施の形態に係る窒化物半導体素子の別の変形例を示す図面である。pn接合ダイオード91は、窒化ガリウム支持基体53といったIII族窒化物支持基体53と、窒化ガリウム系半導体領域95と、第1の電極97(オーミック電極)と、第2の電極99(オーミック電極)と備える。窒化ガリウム系半導体領域95の厚さはTマイクロメートルであり、窒化ガリウム系半導体領域95はGaN層61およびp型窒化ガリウム系半導体層93を含むことができ、また必要な場合には、AlGaN層63を含むことができる。p型窒化ガリウム系半導体層93は、例えばp型GaN層であることができる。   FIG. 20B is a drawing showing another modification of the nitride semiconductor device according to the second embodiment. The pn junction diode 91 includes a group III nitride support base 53 such as a gallium nitride support base 53, a gallium nitride based semiconductor region 95, a first electrode 97 (ohmic electrode), and a second electrode 99 (ohmic electrode). Prepare. The thickness of the gallium nitride based semiconductor region 95 is T micrometers, and the gallium nitride based semiconductor region 95 can include a GaN layer 61 and a p-type gallium nitride based semiconductor layer 93, and if necessary, an AlGaN layer. 63 can be included. The p-type gallium nitride based semiconductor layer 93 can be, for example, a p-type GaN layer.

(実施例3)
以下の通り、有機金属気相成長法によりショットキダイオードを作製する。900cm−2の転位エリア面密度D(H)を有するn型GaN(0001))基板をサセプタ上に配置し、有機金属気相成長装置の圧力を30kPaにコントロールしながら有機金属気相成長装置にアンモニア(NH3)および水素(H2)を供給する。摂氏1050度の基板温度で10分間の予備クリーニングを行う。その後に、基板温度を摂氏1130度に、有機金属気相成長装置の圧力を101kPaに上昇する。トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランを有機金属気相成長装置に供給して、50nmの厚さのn型Al0.12Ga0.88N膜を成長する。次いで、摂氏1130度の基板温度および101kPaの圧力で、5×1015cm−3キャリア濃度および3マイクロメートルの厚さを有する窒化ガリウムバッファ膜を成長速度4μm/hで成長する。これによりLEDエピタキシャル構造を有するエピタキシャル基板が得られる。
(Example 3)
A Schottky diode is manufactured by metal organic vapor phase epitaxy as follows. An n-type GaN (0001) substrate having a dislocation area surface density D (H) of 900 cm −2 is placed on a susceptor, and the pressure of the metal organic vapor phase growth apparatus is controlled to 30 kPa. Ammonia (NH3) and hydrogen (H2) are supplied. Pre-cleaning is performed for 10 minutes at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius. Thereafter, the substrate temperature is raised to 1130 degrees Celsius and the pressure of the metal organic vapor phase epitaxy apparatus is increased to 101 kPa. Trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia, and silane are supplied to a metal organic vapor phase growth apparatus to grow an n-type Al0.12Ga0.88N film having a thickness of 50 nm. Next, a gallium nitride buffer film having a substrate temperature of 1130 degrees Celsius and a pressure of 101 kPa and a 5 × 10 15 cm −3 carrier concentration and a thickness of 3 μm is grown at a growth rate of 4 μm / h. Thereby, an epitaxial substrate having an LED epitaxial structure is obtained.

GaN基板の裏面にオーミック電極(カソード)を形成し、エピタキシャル基板のn型GaN膜上にショットキ電極(アノード)を形成する。オーミック電極およびショットキ電極の形成に先立って、HCl溶液を用いてエピタキシャル基板を室温で約1分程度行う。オーミック電極は、有機洗浄した後にGaN基板の裏面全体に形成し、またオーミック電極の構造は、Ti/Al/Ti/Au(29nm/100nm/20nm/300nm)であり、これらの金属膜をEB蒸着法により堆積する。オーミック電極を形成した後に、摂氏600度で約1分の合金化を行う。ショットキ電極は、500nmの金膜を抵抗加熱蒸着法でGaNエピタキシャル膜上に堆積する。ショットキ電極は、例えば直径800マイクロメートルの円形である。このように作製した半導体素子を試料Aとして参照する。   An ohmic electrode (cathode) is formed on the back surface of the GaN substrate, and a Schottky electrode (anode) is formed on the n-type GaN film of the epitaxial substrate. Prior to the formation of the ohmic electrode and the Schottky electrode, an epitaxial substrate is formed for about 1 minute at room temperature using an HCl solution. The ohmic electrode is formed on the entire back surface of the GaN substrate after organic cleaning, and the structure of the ohmic electrode is Ti / Al / Ti / Au (29 nm / 100 nm / 20 nm / 300 nm), and these metal films are deposited by EB vapor deposition. Deposit by the method. After forming the ohmic electrode, alloying is performed at 600 degrees Celsius for about 1 minute. As the Schottky electrode, a 500 nm gold film is deposited on the GaN epitaxial film by resistance heating vapor deposition. The Schottky electrode is, for example, a circle having a diameter of 800 micrometers. The semiconductor element manufactured in this way is referred to as Sample A.

次いで、試料Bを作製する。900cm−2の転位エリア面密度D(H)を有するn型GaN(0001)基板をサセプタ上に配置し、有機金属気相成長装置の圧力を30kPaにコントロールしながら有機金属気相成長装置にアンモニア(NH3)および水素(H2)を供給する。摂氏1050度の基板温度で10分間の予備クリーニングを行う。その後に、摂氏1130度の基板温度および有機金属気相成長装置の圧力を101kPaまで上昇する。トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニア、シランを有機金属気相成長装置に供給して、50nmの厚さのn型Al0.12Ga0.88N膜を成長する。次いで、摂氏1130度の基板温度および101kPaの圧力で、5×1015cm−3キャリア濃度および3マイクロメートルの厚さを有する窒化ガリウムバッファ膜を成長速度9μm/hで成長する。これによりLEDエピタキシャル構造を有するエピタキシャル基板が得られる。試料Aと同様に、オーミック電極およびショットキ電極を作製する。   Next, sample B is prepared. An n-type GaN (0001) substrate having a dislocation area surface density D (H) of 900 cm −2 is placed on a susceptor, and the pressure of the metal organic vapor phase growth apparatus is controlled to 30 kPa while ammonia is added to the metal organic vapor phase growth apparatus. (NH3) and hydrogen (H2) are supplied. Pre-cleaning is performed for 10 minutes at a substrate temperature of 1050 degrees Celsius. Thereafter, the substrate temperature of 1130 degrees Celsius and the pressure of the metal organic chemical vapor deposition apparatus are increased to 101 kPa. Trimethylgallium, trimethylaluminum, ammonia, and silane are supplied to a metal organic vapor phase growth apparatus to grow an n-type Al0.12Ga0.88N film having a thickness of 50 nm. Next, a gallium nitride buffer film having a 5 × 10 15 cm −3 carrier concentration and a thickness of 3 μm is grown at a growth rate of 9 μm / h at a substrate temperature of 1130 degrees Celsius and a pressure of 101 kPa. Thereby, an epitaxial substrate having an LED epitaxial structure is obtained. Similar to sample A, an ohmic electrode and a Schottky electrode are prepared.

試料Aの逆方向I−V特性はショットキダイオードがリーキであることを示しているが、試料Bの逆方向I−V特性は良好である。   The reverse direction IV characteristic of sample A indicates that the Schottky diode is leaky, but the reverse direction IV characteristic of sample B is good.

III族窒化物支持基体上に窒化ガリウム半導体膜を設ける構造は、多くの半導体素子が持つ。図面を参照しながら説明しないが、窒化物半導体素子は、第2の実施の形態において説明した半導体素子に加えて、MIS縦型電界効果トランジスタおよび縦型絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等であることができる。窒化物半導体素子は、発光ダイオード、ショットキダイオード、pn接合ダイオード、MIS縦型電界効果トランジスタおよび縦型絶縁ゲートバイポーラトランジスタの少なくともいずれかを含む。   Many semiconductor devices have a structure in which a gallium nitride semiconductor film is provided on a group III nitride supporting substrate. Although not described with reference to the drawings, the nitride semiconductor device can be a MIS vertical field effect transistor, a vertical insulated gate bipolar transistor, or the like in addition to the semiconductor device described in the second embodiment. The nitride semiconductor element includes at least one of a light emitting diode, a Schottky diode, a pn junction diode, a MIS vertical field effect transistor, and a vertical insulated gate bipolar transistor.

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。   While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.

図1(A)は、窒化物半導体素子を製造する方法を説明する図面である。図1(B)は、図1(A)に示された破線内のIII族窒化物基板の拡大図を示す図面である。FIG. 1A illustrates a method for manufacturing a nitride semiconductor device. FIG. 1B is an enlarged view of the group III nitride substrate in the broken line shown in FIG. 図2(A)、図2(B)および図2(C)は、窒化物半導体素子を製造する方法を説明する図面である。2A, 2B, and 2C are views for explaining a method of manufacturing a nitride semiconductor device. 図3(A)は、窒化ガリウム基板の表面の高転位エリアの分布を示す図面である。図3(B)および図3(C)は、図1(A)に示された基板上に形成された窒化ガリウム膜の表面のピットの分布を示す図面である。FIG. 3A shows the distribution of high dislocation areas on the surface of the gallium nitride substrate. FIGS. 3B and 3C are diagrams showing the distribution of pits on the surface of the gallium nitride film formed on the substrate shown in FIG. 図4(A)、図4(B)および図4(C)は、窒化物半導体素子を製造する方法の一変形例を説明する図面である。4 (A), 4 (B), and 4 (C) are diagrams illustrating a modification of the method for manufacturing a nitride semiconductor device. 図5は、2mm角の発光ダイオードベアチップの青色発光ダイオード(実施例1)のリーキーな電流電圧特性(実施例1)を示す図面である。FIG. 5 is a diagram showing a leaky current-voltage characteristic (Example 1) of a blue light emitting diode (Example 1) of a 2 mm square LED bare chip. 図6は、2mm角の発光ダイオードベアチップの青色発光ダイオード(実施例2)の良好な電流電圧特性を示す図面である。FIG. 6 is a drawing showing good current-voltage characteristics of a blue light emitting diode (Example 2) of a 2 mm square light emitting diode bare chip. 図7は、成長速度とピット径との関係を示す図面である。FIG. 7 is a drawing showing the relationship between the growth rate and the pit diameter. 図8は、成長速度と比(D(P)/D(H))との関係を示す図面である。FIG. 8 is a drawing showing the relationship between the growth rate and the ratio (D (P) / D (H)). 図9(A)、図9(B)および図9(C)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。FIG. 9A, FIG. 9B, and FIG. 9C are drawings showing micrographs of the surface of the gallium nitride film. 図10は、成長温度とピット径との関係を示す図面である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the growth temperature and the pit diameter. 図11は、成長温度と比(D(P)/D(H))との関係を示す図面である。FIG. 11 is a drawing showing the relationship between the growth temperature and the ratio (D (P) / D (H)). 図12(A)および図12(B)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。12 (A) and 12 (B) are drawings showing micrographs of the surface of the gallium nitride film. 図13(A)および図13(B)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。13A and 13B are drawings showing micrographs of the surface of a gallium nitride film. 図14は、窒化ガリウム膜の厚さとピット径との関係を示す図面である。FIG. 14 is a drawing showing the relationship between the thickness of the gallium nitride film and the pit diameter. 図15は、窒化ガリウム膜の厚さと比(D(P)/D(H))との関係を示す図面である。FIG. 15 is a drawing showing the relationship between the thickness of the gallium nitride film and the ratio (D (P) / D (H)). 図16(A)、図16(B)および図16(C)は、窒化ガリウム膜の表面の顕微鏡写真を示す図面である。FIG. 16A, FIG. 16B, and FIG. 16C are drawings showing micrographs of the surface of a gallium nitride film. 図17は、比(D(P)/D(H))と発光ダイオード(2mm角)の歩留まりの関係を示す図面である。FIG. 17 is a drawing showing the relationship between the ratio (D (P) / D (H)) and the yield of light-emitting diodes (2 mm square). 図18は、第2の実施の形態に係る窒化物半導体素子を示す図面である。FIG. 18 is a drawing showing a nitride semiconductor device according to the second embodiment. 図19は、窒化ガリウム系半導体領域の表面に形成された様々なピットを示す模式図である。FIG. 19 is a schematic diagram showing various pits formed on the surface of the gallium nitride based semiconductor region. 図20(A)は、第2の実施の形態に係る窒化物半導体素子の一変形例を示す図面である。図20(B)は、第2の実施の形態に係る窒化物半導体素子の別の変形例を示す図面である。FIG. 20A is a drawing showing a modification of the nitride semiconductor device according to the second embodiment. FIG. 20B is a drawing showing another modification of the nitride semiconductor device according to the second embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

11…成膜装置、13…サセプタ、15…窒化ガリウム基板、15c…高転位領域、15d…低転位領域、15e…第1のエリア、15f…第2のエリア、17…窒化ガリウム膜、19…AlXGa1−XN膜、21、23…ピット、25…活性領域、27…p型窒化ガリウム系半導体層、29…p型コンタクト層、E1、E2、E3、E4…エピタキシャル基板、31…第1の電極膜、33…第2の電極膜、35…基板生産物、37…窒化ガリウム膜、51…窒化物半導体素子、53…窒化ガリウム支持基体、55…窒化ガリウム系半導体領域、57…第1の電極、59…第2の電極、61…窒化ガリウム層、HD1、HD2、HD3…高欠陥エリア、P1、P2、P3…ピット、TD1、TD2、TD3…転位群、Dia…ピットのサイズ、Dep…ピットの深さ、63…AlXGa1−XN層、65…発光領域、67…p型窒化ガリウム系半導体層、69…p型コンタクト層、71…パッド電極、81…ショットキダイオード、91…pn接合ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Film-forming apparatus, 13 ... Susceptor, 15 ... Gallium nitride substrate, 15c ... High dislocation region, 15d ... Low dislocation region, 15e ... First area, 15f ... Second area, 17 ... Gallium nitride film, 19 ... AlXGa1-XN film, 21, 23 ... pit, 25 ... active region, 27 ... p-type gallium nitride based semiconductor layer, 29 ... p-type contact layer, E1, E2, E3, E4 ... epitaxial substrate, 31 ... first electrode Film, 33 ... second electrode film, 35 ... substrate product, 37 ... gallium nitride film, 51 ... nitride semiconductor element, 53 ... gallium nitride support base, 55 ... gallium nitride based semiconductor region, 57 ... first electrode 59, second electrode, 61, gallium nitride layer, HD1, HD2, HD3, high defect area, P1, P2, P3, pit, TD1, TD2, TD3, dislocation group, Dia, pit size. , Dep ... depth of pit, 63 ... AlXGa1-XN layer, 65 ... light emitting region, 67 ... p-type gallium nitride semiconductor layer, 69 ... p-type contact layer, 71 ... pad electrode, 81 ... Schottky diode, 91 ... pn Junction diode

Claims (14)

窒化物半導体素子を製造する方法であって、
複数の高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、
3マイクロメートル/時間以上の成長速度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長する工程を備え、該窒化ガリウム膜の表面はピット面密度D(P)で分布するピットを有しており、欠陥エリア面密度D(H)に対するピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.8より小さい、ことを特徴とする方法。
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
Providing a group III nitride substrate having a main surface including a plurality of high dislocation areas and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, wherein the defect density in the high dislocation area is larger than the defect density in the low dislocation area The high dislocation areas are distributed with a defect area surface density D (H) on the main surface,
And a step of growing a gallium nitride film on the principal surface of the group III nitride substrate at a growth rate of 3 micrometers / hour or more, and the surface of the gallium nitride film has pits distributed at a pit surface density D (P). And a ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) is larger than zero and smaller than 0.8. .
窒化物半導体素子を製造する方法であって、
高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、
摂氏1050度以上の成長温度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウム膜を成長する工程を備え、該窒化ガリウム膜の表面はピット面密度D(P)で分布するピットを有しており、前記欠陥エリア面密度D(H)に対する前記ピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.4より小さい、ことを特徴とする方法。
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
Preparing a group III nitride substrate having a main surface including a high dislocation area and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, the defect density in the high dislocation area being greater than the defect density of the low dislocation area, High dislocation areas are distributed with a defect area surface density D (H) on the main surface,
A step of growing a gallium nitride film on the main surface of the group III nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher, and the surface of the gallium nitride film has pits distributed at a pit surface density D (P) The ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) is greater than zero and less than 0.4. .
窒化物半導体素子を製造する方法であって、
高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、
3マイクロメートル/時間以上の成長速度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウムを堆積して5マイクロメートル以下のピットサイズの窒化ガリウム膜を形成する工程を備える、ことを特徴とする方法。
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
Preparing a group III nitride substrate having a main surface including a high dislocation area and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, the defect density in the high dislocation area being greater than the defect density of the low dislocation area, High dislocation areas are distributed with a defect area surface density D (H) on the main surface,
And gallium nitride is deposited on the main surface of the group III nitride substrate at a growth rate of 3 micrometers / hour or more to form a pit nitride film having a pit size of 5 micrometers or less. Method.
窒化物半導体素子を製造する方法であって、
高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板を準備する工程を備え、前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥エリア面密度D(H)で分布しており、
摂氏1050度以上の成長温度で前記III族窒化物基板の主面上に窒化ガリウムを堆積して5マイクロメートル以下の最大ピットサイズの窒化ガリウム膜を形成する工程を備える、ことを特徴とする方法。
A method of manufacturing a nitride semiconductor device, comprising:
Preparing a group III nitride substrate having a main surface including a high dislocation area and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, the defect density in the high dislocation area being greater than the defect density of the low dislocation area, High dislocation areas are distributed with a defect area surface density D (H) on the main surface,
Depositing gallium nitride on the main surface of the group III nitride substrate at a growth temperature of 1050 degrees Celsius or higher to form a gallium nitride film having a maximum pit size of 5 micrometers or less. .
前記窒化ガリウム膜の厚さは6マイクロメートル以下である、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載された方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the gallium nitride film has a thickness of 6 micrometers or less. 前記窒化ガリウム膜の成長に先立って、前記III族窒化物基板の主面上にAlGa1−XN膜(0<X≦1)を成長する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載された方法。 The method further comprises a step of growing an Al X Ga 1-X N film (0 <X ≦ 1) on the main surface of the group III nitride substrate prior to the growth of the gallium nitride film. Item 6. The method according to any one of Items 1 to 5. 複数の高転位エリアおよび該高転位エリアを囲む低転位エリアを含む主面と該主面と反対側の裏面とを有するIII族窒化物支持基体と、
前記III族窒化物支持基体上に設けられた窒化ガリウム層を含む窒化ガリウム系半導体領域と、
前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第1の電極と、
前記III族窒化物支持基体の前記裏面に上に設けられた第2の電極と
を備え、
前記高転位エリアにおける欠陥密度は前記低転位エリアの欠陥密度より大きく、前記高転位エリアは前記主面において欠陥面密度D(H)で分布しており、
前記窒化ガリウム系半導体領域の厚さがTマイクロメートルであり、
前記窒化ガリウム系半導体領域の最上層の表面は、前記欠陥エリア面密度D(H)より小さいピット面密度D(P)で分布するピットを有しており、
前記表面における該ピットのサイズは1マイクロメートル以上10マイクロメートル以下の範囲であり、
前記表面における該ピットの深さは0.1マイクロメートル以上でありTマイクロメートル以下の範囲である、ことを特徴とする窒化物半導体素子。
A group III nitride supporting substrate having a main surface including a plurality of high dislocation areas and a low dislocation area surrounding the high dislocation area, and a back surface opposite to the main surface;
A gallium nitride based semiconductor region comprising a gallium nitride layer provided on the III nitride support substrate;
A first electrode provided on the gallium nitride based semiconductor region;
A second electrode provided on the back surface of the group III nitride support substrate,
The defect density in the high dislocation area is larger than the defect density in the low dislocation area, and the high dislocation area is distributed at the defect surface density D (H) in the main surface,
The thickness of the gallium nitride based semiconductor region is T micrometers;
The surface of the uppermost layer of the gallium nitride based semiconductor region has pits distributed at a pit surface density D (P) smaller than the defect area surface density D (H),
The size of the pits on the surface ranges from 1 micrometer to 10 micrometers;
The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the depth of the pits on the surface is in a range of 0.1 micrometers or more and T micrometers or less.
前記欠陥エリア面密度D(H)に対する前記ピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.8より小さい、ことを特徴とする請求項7に記載された窒化物半導体素子。   The ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) is larger than zero and smaller than 0.8. The described nitride semiconductor device. 前記欠陥エリア面密度D(H)に対する前記ピット面密度D(P)の比(D(P)/D(H))はゼロより大きく0.4より小さい、ことを特徴とする請求項8に記載された窒化物半導体素子。   The ratio (D (P) / D (H)) of the pit surface density D (P) to the defect area surface density D (H) is larger than zero and smaller than 0.4. The described nitride semiconductor device. 前記表面における前記ピットの最大サイズは5マイクロメートル以下である、ことを特徴とする請求項7〜9のいずれか一項に記載された窒化物半導体素子。   The nitride semiconductor device according to any one of claims 7 to 9, wherein the maximum size of the pits on the surface is 5 micrometers or less. 前記ピット面密度D(P)がゼロより大きく800cm−2未満であり、
当該窒化物半導体素子のチップ面積が0.1225平方ミリメートル以下である、ことを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載された窒化物半導体素子。
The pit surface density D (P) is greater than zero and less than 800 cm −2 ;
10. The nitride semiconductor device according to claim 7, wherein a chip area of the nitride semiconductor device is 0.1225 square millimeters or less.
前記ピット面密度D(P)がゼロより大きく25cm−2未満であり、
当該窒化物半導体素子のチップ面積が4平方ミリメートル以下である、ことを特徴とする請求項7から9のいずれか一項に記載された窒化物半導体素子。
The pit surface density D (P) is greater than zero and less than 25 cm −2 ;
The nitride semiconductor device according to any one of claims 7 to 9, wherein a chip area of the nitride semiconductor device is 4 square millimeters or less.
前記窒化ガリウム層の厚さは6マイクロメートル以下である、ことを特徴とする請求項7から12のいずれか一項に記載された窒化物半導体素子。   The nitride semiconductor device according to any one of claims 7 to 12, wherein the gallium nitride layer has a thickness of 6 micrometers or less. 前記III族窒化物支持基体と前記窒化ガリウム層との間に設けられたAlGa1−XN層(0<X<1)を更に備える、ことを特徴とする請求項7から13のいずれか一項に記載された窒化物半導体素子。
The Al X Ga 1-X N layer (0 <X <1) provided between the Group III nitride supporting base and the gallium nitride layer is further provided. A nitride semiconductor device according to claim 1.
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