JP2011238884A - Substrate for epitaxial growth, growth method of gan-based semiconductor crystal, semiconductor structure, and gan-based led element - Google Patents
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本発明は、エピタキシャル成長用基板、GaN系半導体結晶の成長方法、半導体構造およびGaN系LED素子に関する。 The present invention relates to an epitaxial growth substrate, a GaN-based semiconductor crystal growth method, a semiconductor structure, and a GaN-based LED element.
GaN系半導体は、一般式AlaInbGa1−a−bN(0≦a≦1、0≦b≦1、0≦a+b≦1)で表される化合物半導体であり、3族窒化物半導体、窒化物系半導体などとも呼ばれる。n型導電性層とp型導電性層とこれらの層の間に挟まれた発光層とからなる発光構造を、GaN系半導体を用いて形成してなるGaN系発光ダイオード素子(GaN系LED素子)は、近紫外〜緑色の波長の光を発生させることができる。GaN系LED素子と蛍光体とを組み合わせて構成した白色発光ダイオードは、液晶ディスプレイのバックライトユニット用光源や、白色照明用の光源として実用化されている。 A GaN-based semiconductor is a compound semiconductor represented by the general formula Al a In b Ga 1-ab N (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1, 0 ≦ a + b ≦ 1), and is a group III nitride It is also called a semiconductor or a nitride semiconductor. A GaN-based light-emitting diode element (GaN-based LED element) formed by using a GaN-based semiconductor to form a light-emitting structure composed of an n-type conductive layer, a p-type conductive layer, and a light-emitting layer sandwiched between these layers ) Can generate light of near ultraviolet to green wavelengths. A white light emitting diode configured by combining a GaN-based LED element and a phosphor is put into practical use as a light source for a backlight unit of a liquid crystal display or a light source for white illumination.
GaN系LED素子は、サファイア基板上にMOVPE法などの気相成長法によりGaN系半導体結晶をエピタキシャル成長させる工程を経て製造される。従って、GaN系LED素子は通常その構造中にサファイア基板を含んでおり、該基板の上にGaN系半導体からなる発光構造を有している。最近では、そのサファイア基板として、表面をエッチングにより加工して凹凸面としたパターン化サファイア基板(Patterned Sapphire Substrate;以下では「PSS」と略称する場合がある)がしばしば使用されている。 A GaN-based LED element is manufactured through a process of epitaxially growing a GaN-based semiconductor crystal on a sapphire substrate by a vapor phase growth method such as MOVPE. Therefore, a GaN-based LED element usually includes a sapphire substrate in its structure, and has a light-emitting structure made of a GaN-based semiconductor on the substrate. Recently, a patterned sapphire substrate (Patterned Sapphire Substrate; hereinafter sometimes abbreviated as “PSS”) is often used as the sapphire substrate.
PSSの利用は、光取出し効率の改善と、発光構造を構成するGaN系半導体結晶の品質改善の、少なくともいずれかを通して、GaN系LED素子の出力向上に寄与する(特許文献1、非特許文献1)。非特許文献1には、熱リン酸ベースの溶液中でエッチングされた三角ピラミッドを凸部とするパターン化表面を備えたPSSを用いた、GaN系LED素子の作製例が報告されている。報告されているところによれば、ピラミッド側壁の傾斜を緩やかにする(傾斜角57.4度から31.6度まで)につれて、パターン化表面に占めるc面の面積比が小さくなり、同時にGaN系LED素子の出力が高くなる。このPSS上ではGaN結晶の成長が主にc面から開始されるために、c面の面積比を小さくするとラテラル成長に基づき形成される転位欠陥密度の低い結晶の面積が増加すると考えられている。また、シミュレーションによって、ピラミッド側壁の傾斜角を80度から30度まで小さくすると、光取出し効率が増加することが判明しているとのことである。 The use of PSS contributes to the improvement of the output of the GaN-based LED element through at least one of the improvement of the light extraction efficiency and the quality of the GaN-based semiconductor crystal constituting the light-emitting structure (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). ). Non-Patent Document 1 reports a production example of a GaN-based LED element using PSS provided with a patterned surface having a triangular pyramid etched in a hot phosphoric acid-based solution. It has been reported that the area ratio of the c-plane occupying the patterned surface decreases as the pyramid sidewall slope becomes gentler (from 57.4 degrees to 31.6 degrees), and at the same time GaN-based The output of the LED element is increased. On this PSS, since the growth of GaN crystals starts mainly from the c-plane, it is believed that if the area ratio of the c-plane is reduced, the area of crystals with low dislocation defect density formed based on lateral growth will increase. . In addition, it has been found by simulation that the light extraction efficiency increases when the inclination angle of the pyramid sidewall is reduced from 80 degrees to 30 degrees.
LED素子の光取出し効率を最大化することを目的とした、PSSの凹凸面パターンの最適化は、非特許文献1に開示されたGaN系LED素子において、かなりのところまで達成されているように思われる。しかし、PSS上に成長するGaN系半導体結晶の品質については、なお改善の余地が残されている。つまり、より転位欠陥密度の低いGaN系半導体結晶がPSS上に成長した構造を形成することができれば、GaN系LED素子の出力は更に改善されるものと期待される。 As shown in Non-Patent Document 1, the GaN-based LED element disclosed in Non-Patent Document 1 has achieved the optimization of the PSS uneven surface pattern for the purpose of maximizing the light extraction efficiency of the LED element. Seem. However, there is still room for improvement in the quality of GaN-based semiconductor crystals grown on PSS. That is, if a structure in which a GaN-based semiconductor crystal having a lower dislocation defect density is grown on the PSS can be formed, the output of the GaN-based LED element is expected to be further improved.
そこで、本発明は、転位欠陥密度の低いGaN系半導体結晶がPSS上に成長した構造が得られるエピタキシャル成長用基板、ならびに、転位欠陥密度の低いGaN系半導体結晶をPSS上に成長させるための方法、を提供することをその主な目的とする。更に、本発明は、転位欠陥密度が低減されたGaN系半導体結晶をPSS上に有する半導体構造、ならびに、PSS上に転位欠陥密度が低減されたGaN系半導体結晶を介して発光層を有するGaN系LED素子を提供することを、その目的に含む。 Therefore, the present invention provides an epitaxial growth substrate that provides a structure in which a GaN-based semiconductor crystal having a low dislocation defect density is grown on the PSS, and a method for growing a GaN-based semiconductor crystal having a low dislocation defect density on the PSS. The main purpose is to provide Furthermore, the present invention provides a semiconductor structure having a GaN-based semiconductor crystal with a reduced dislocation defect density on the PSS, and a GaN-based semiconductor having a light emitting layer via the GaN-based semiconductor crystal with a reduced dislocation defect density on the PSS. Providing an LED element is included in its purpose.
第一の発明によれば、光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクとを含み、該凹凸面が該成長マスクに覆われた第1凹凸面とサファイアが露出した第2凹凸面とを有する、エピタキシャル成長用基板が提供される。
ここでいう光拡散可能な凹凸面とは、多数の凸部および/または凹部を備えることにより、近紫外〜緑色波長域(典型的なGaN系LED素子の発光波長域であり、350〜550nmの範囲を含む)内の波長を有する光に対して、散乱、回折、屈折、乱反射などを通して拡散効果を及ぼし得る面のことである。c面サファイア基板の表面をこのような凹凸面とした場合であっても、該凹凸面が凹部底面または凸部頂面の少なくともいずれかとしてサファイアc面を含むようにすれば、その凹凸面上にGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能となる。
According to the first invention, the concavo-convex surface includes a c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface capable of light diffusion and capable of epitaxial growth of a GaN-based semiconductor crystal, and a growth mask partially formed on the concavo-convex surface. There is provided an epitaxial growth substrate having a first irregular surface covered with the growth mask and a second irregular surface from which sapphire is exposed.
The uneven surface capable of diffusing light here is a near-ultraviolet to green wavelength region (a light emission wavelength region of a typical GaN-based LED element having 350 to 550 nm by providing a large number of convex portions and / or concave portions. A surface that can exert a diffusion effect on light having a wavelength within (including range) through scattering, diffraction, refraction, diffuse reflection, and the like. Even when the surface of the c-plane sapphire substrate is such an uneven surface, if the uneven surface includes the sapphire c-plane as at least one of the concave bottom surface or the convex top surface, In addition, GaN-based semiconductor crystals can be epitaxially grown.
成長マスクは、従来よりGaN系半導体結晶のELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)を発生させるために用いられているものであり、サファイア基板上でGaN系半導体結晶のエピタキシャル成長が開始される条件の下でも、その表面ではGaN系半導体結晶の成長が開始されない薄膜である。成長マスクを用いたGaN系半導体結晶のELOについて記した多数の公知文献が存在するが、そのごく一例として、特許文献2および特許文献3が挙げられる。 The growth mask is conventionally used for generating ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) of a GaN-based semiconductor crystal. On the surface, the GaN-based semiconductor crystal does not start growing. There are a number of known documents describing ELO of GaN-based semiconductor crystals using a growth mask, and Patent Document 2 and Patent Document 3 are just examples.
本発明に係る上記エピタキシャル成長基板では、c面サファイア基板の凹凸面が、成長マスクに覆われた第1凹凸面と、サファイアが露出した第2凹凸面と、を有している。このエピタキシャル成長用基板を用いたGaN系半導体結晶の気相エピタキシャル成長においては、第2凹凸面上で結晶成長が開始される。この第2凹凸面上で生じる初期の結晶成長は、ラテラル成長を含むことが好ましいが、限定されるものではない。第2凹凸面上での結晶成長に続いて、第1凹凸面の上部で生じるラテラル成長により、転位欠陥密度の低いGaN系半導体結晶が形成される。このラテラル成長は、第2凹凸面上に成長する結晶を種結晶として生じるものである。 In the epitaxial growth substrate according to the present invention, the concavo-convex surface of the c-plane sapphire substrate has a first concavo-convex surface covered with a growth mask and a second concavo-convex surface from which sapphire is exposed. In vapor phase epitaxial growth of a GaN-based semiconductor crystal using this epitaxial growth substrate, crystal growth is started on the second irregular surface. The initial crystal growth that occurs on the second irregular surface preferably includes lateral growth, but is not limited thereto. Subsequent to crystal growth on the second uneven surface, lateral growth that occurs above the first uneven surface forms a GaN-based semiconductor crystal having a low dislocation defect density. In this lateral growth, a crystal that grows on the second uneven surface is generated as a seed crystal.
第二の発明によれば、光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板を準備するステップと、成長マスクを部分的に形成することにより、該凹凸面に該成長マスクに覆われた第1凹凸面とサファイアが露出した第2凹凸面とを設けるステップと、気相エピタキシャル成長法を用いて該第2凹凸面の上部から該第1凹凸面の上部に向かってGaN系半導体結晶をラテラル成長させるステップと、を含むGaN系半導体結晶の成長方法が提供される。 According to the second invention, a step of preparing a c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface capable of diffusing light and allowing epitaxial growth of a GaN-based semiconductor crystal, and by partially forming a growth mask, Providing a first concavo-convex surface covered with a growth mask and a second concavo-convex surface from which sapphire is exposed, and using a vapor phase epitaxial growth method, from above the second concavo-convex surface toward the top of the first concavo-convex surface; A step of laterally growing a GaN-based semiconductor crystal, and a method for growing a GaN-based semiconductor crystal.
第三の発明によれば、光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長したGaN系半導体層とを含み、該凹凸面は該成長マスクに覆われた第1凹凸面と該成長マスクに覆われていない第2凹凸面とを有しており、該GaN系半導体層は該第2凹凸面の上部から該第1凹凸面の上部に向かってラテラル成長したGaN系半導体結晶を含む、半導体構造が提供される。 According to the third invention, a c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface on which light diffusion is possible and a GaN-based semiconductor crystal can be epitaxially grown, a growth mask partially formed on the concavo-convex surface, and sandwiching the growth mask A GaN-based semiconductor layer grown so as to cover the uneven surface, and the uneven surface has a first uneven surface covered with the growth mask and a second uneven surface not covered with the growth mask. The GaN-based semiconductor layer is provided with a semiconductor structure including a GaN-based semiconductor crystal laterally grown from the upper portion of the second uneven surface to the upper portion of the first uneven surface.
第四の発明によれば、光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長した第1のGaN系半導体層と、該第1のGaN系半導体層の上に順次成長したそれぞれがGaN系半導体からなるn型導電性層、発光層およびp型導電性層と、を含み、上記凹凸面は成長マスクに覆われた第1凹凸面と該成長マスクに覆われていない第2凹凸面とを有しており、上記第1のGaN系半導体層は該第2凹凸面の上部から該第1凹凸面の上部に向かってラテラル成長したGaN系半導体結晶を含む、GaN系LED素子が提供される。 According to the fourth invention, a c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface capable of light diffusion and capable of epitaxial growth of a GaN-based semiconductor crystal, a growth mask partially formed on the concavo-convex surface, and sandwiching the growth mask A first GaN-based semiconductor layer grown so as to cover the uneven surface, and an n-type conductive layer, a light-emitting layer, and a p-type layer, each of which is sequentially grown on the first GaN-based semiconductor layer. A first conductive layer, and the uneven surface has a first uneven surface covered with a growth mask and a second uneven surface not covered with the growth mask, and the first GaN-based semiconductor The layer is provided with a GaN-based LED element including a GaN-based semiconductor crystal laterally grown from the upper portion of the second uneven surface toward the upper portion of the first uneven surface.
本発明によれば、転位欠陥密度の低いGaN系半導体結晶がPSS上に成長した構造が得られるエピタキシャル成長用基板、転位欠陥密度の低いGaN系半導体結晶をPSS上に成長させるための方法、転位欠陥密度が低減されたGaN系半導体結晶をPSS上に有する半導体構造、ならびに、PSS上に転位欠陥密度が低減されたGaN系半導体結晶を介して発光層を有するGaN系LED素子が提供される。 According to the present invention, a substrate for epitaxial growth from which a structure in which a GaN-based semiconductor crystal having a low dislocation defect density is grown on a PSS is obtained, a method for growing a GaN-based semiconductor crystal having a low dislocation defect density on a PSS, a dislocation defect Provided are a semiconductor structure having a GaN-based semiconductor crystal with reduced density on a PSS, and a GaN-based LED element having a light emitting layer via a GaN-based semiconductor crystal with reduced dislocation defect density on the PSS.
1.エピタキシャル成長用基板
図1および図2に、本発明の一実施形態に係るエピタキシャル成長用基板の構造を模式的に示す。図1は平面図、図2は図1のX−X線の位置における断面図である。エピタキシャル成長用基板10は、上面がエッチングにより凹凸面とされたc面サファイア基板11と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスク12とから構成されている。
1. Epitaxial Growth Substrate FIGS. 1 and 2 schematically show the structure of an epitaxial growth substrate according to an embodiment of the present invention. 1 is a plan view, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. The
図1中および図2中の各部分拡大図に示すように、c面サファイア基板11の上面は全面が凹凸面となっている。凸部は三角ピラミッドであり、凹凸面は三角ピラミッドが均等に配置された繰り返しパターンを呈している。図1中の部分拡大図においてハッチングを施した三角形領域は凹部底面であり、それぞれが3つの三角ピラミッドに取り囲まれている。凹部底面はサファイアc面であり、その表面からはGaN系半導体結晶のエピタキシャル成長が開始可能である。なお、この凹部底面がサファイアc面と厳密に一致していることは必須でない。GaN系半導体結晶は、サファイアc面に対して僅かに傾斜した面からでもエピタキシャル成長し得るからである。
As shown in each enlarged view of FIG. 1 and FIG. 2, the upper surface of the c-
c面サファイア基板11に設ける凹凸面パターンは、図2に示すものに限定されない。例えば、三角ピラミッドの底面は丸みを帯びた形状(膨らんだ正三角形)であってもよい。その場合、凹部底面の面積はより小さいものとなる。あるいは、三角ピラミッド同士の間を完全に離間させることもできる。凸部を三角ピラミッドに代えて、4角ピラミッド、6角ピラミッドなどとしてもよく、あるいは、円錐としてもよい。
The uneven surface pattern provided on the c-
一実施形態では、図3に断面図を示すように、c面サファイア基板11に設けられる凹凸面が、断面台形状の凸部を有するものであってもよい。断面がこのような形状を呈す凸部には、角錐台、円錐台、頂面を有するリッジなどがある。このような凸部は頂面をサファイアc面としてもよく、その場合、該頂面からもGaN系半導体結晶のエピタキシャル成長が可能となる。
In one embodiment, as shown in a cross-sectional view in FIG. 3, the uneven surface provided on the c-
一実施形態では、図4に断面図を示すように、c面サファイア基板11に設けられる凹凸面が、断面半円状の凸部を有するものであってもよい。断面がこのような形状を呈す凸部には、半球、表面が丸味を帯びたリッジなどがある。
一実施形態では、図5に断面図を示すように、c面サファイア基板11に設けられる凹凸面が、断面V字型の凹部を有するものであってもよい。断面がこのような形状を呈す凹部には、三角錐、四角錐、六角錐、円錐などの形状を有するピット、あるいはV溝がある。この場合には、凸部の頂面からGaN系半導体結晶のエピタキシャル成長が開始可能となるよう、該頂面がサファイアc面とされる。
In one embodiment, as shown in a sectional view in FIG. 4, the uneven surface provided on the c-
In one embodiment, as shown in a cross-sectional view in FIG. 5, the uneven surface provided on the c-
以上に例示した凹凸面パターンの共通点は、凹凸面に含まれる凸部の断面積が、基部から上部に向かうにつれて小さくなっているという点である。ここでいう断面積とは、サファイアc面に平行な面で切断したときにできる断面の面積である。かかる凸部を有する凹凸面は傾斜面を多く含むので、GaN系LED素子の光取出し効率を向上させる効果に優れている。非特許文献1の教示を参照すれば、この効果が特に強く現れるのは、凸部側壁の傾斜角が30度に近いときである。従って、凹凸面における凸部側壁の傾斜角は、好ましくは20度以上60度以下、より好ましくは25度以上45度以下である。半球のように、側壁が丸みを帯びている凸部の場合には、傾斜角がこの好ましい範囲内に含まれる部分をできるだけ多くすればよい。 The common feature of the concavo-convex surface pattern exemplified above is that the cross-sectional area of the convex portion included in the concavo-convex surface becomes smaller from the base portion toward the upper portion. The cross-sectional area referred to here is an area of a cross section formed by cutting along a plane parallel to the sapphire c-plane. Since the concavo-convex surface having such convex portions includes many inclined surfaces, it is excellent in the effect of improving the light extraction efficiency of the GaN-based LED element. Referring to the teaching of Non-Patent Document 1, this effect is particularly strong when the inclination angle of the convex side wall is close to 30 degrees. Therefore, the inclination angle of the convex side wall on the irregular surface is preferably 20 degrees or more and 60 degrees or less, more preferably 25 degrees or more and 45 degrees or less. In the case of a convex portion having a rounded side wall, such as a hemisphere, the portion where the inclination angle is included in this preferable range may be increased as much as possible.
また、基部から上部に向かうにつれて断面積が小さくなる凸部を有する凹凸面上では、GaN系半導体結晶のエピタキシャル成長時に凹部の底部に原料が拡散し易い。そのために、凹凸面とその上部に成長するGaN系半導体結晶との間に、隙間が形成され難い。こ
のことは、LED素子内部の熱伝導性の低下を防ぐうえで極めて好ましい。この観点から見た凹凸面における凸部側壁の最も好ましい傾斜角は、20度以上45度以下である。
In addition, on the concavo-convex surface having a convex portion whose cross-sectional area decreases from the base portion toward the upper portion, the raw material easily diffuses to the bottom portion of the concave portion during epitaxial growth of the GaN-based semiconductor crystal. For this reason, it is difficult to form a gap between the concavo-convex surface and the GaN-based semiconductor crystal grown on the upper surface. This is extremely preferable for preventing a decrease in thermal conductivity inside the LED element. The most preferable inclination angle of the convex side wall on the concave and convex surface viewed from this viewpoint is 20 degrees or more and 45 degrees or less.
c面サファイア基板11に設けられる凹凸面が光拡散性を示すためには、凹部と凸部の高低差、すなわち、凹部の最深部から凸部の最上部までの高さが、少なくとも、当該基板を用いた発光素子が放出する光のGaN系半導体内部における波長と同じであればよい。発光ピーク波長460nmの青色発光素子を例にすると、屈折率2.4のGaN中では、この素子が放出する光の波長は192nmとなるので、上記の高低差は少なくとも0.2μmとすればよい。発光素子の発光波長が350〜550nmの範囲内であれば、凹凸面による光拡散効果を十分に大きなものとするためには、上記の高低差は0.5μm以上とすることが好ましく、1μm以上とすることがより好ましい。一方で、この高低差を大きくし過ぎると、凹凸面上にGaN系半導体結晶を表面が平坦となるように成長させて、高品質な発光素子構造を形成することが難しくなる。従って、この高低差は好ましくは2.5μm以下であり、より好ましくは2.0μm以下である。
In order for the concavo-convex surface provided on the c-
c面サファイア基板11に設けられる凹凸面の光拡散性を高くするには、凸部の側壁の傾斜角が上記の好ましい範囲内とし、かつ、凹部と凸部の高低差を上記の好ましい範囲内としたうえで、更に、凸部または凹部をできるだけ高密度で形成することが望ましい。従って、ピラミッド、円錐、円錐台、半球のようなドット状の凸部を有する凹凸面にあっては、凸部が均等に配置された繰り返しパターンを採用することが好ましい。凸部が均等に配置された繰り返しパターンとは、凹凸面をサファイアc軸方向から見たとき、多数の凸部のそれぞれが三角格子の格子位置に配置されたパターンである。いかなる繰り返しパターンを採用する場合にあっても、GaN系半導体結晶の成長が開始される面であるサファイアc面の面積が小さくなり過ぎない範囲内で、繰り返しパターンのピッチをできるだけ小さくする。サファイアc面が占める面積の比率は、凹凸面をサファイアc軸方向から見たときに、5%を下回らないことが望ましい。ドット状の凹部(ピット)を有する凹凸面における、凹部の配置パターンや、繰り返しパターンにおけるピッチの設定についても、同様のことがいえる。リッジ(凸部)と溝(凹部)を交互に配置した繰り返しパターンを採用した凹凸面におけるピッチの設定についても同様である。
In order to increase the light diffusibility of the uneven surface provided on the c-
一実施形態では、c面サファイア基板11に設けられる凹凸面を、多数の凹部または凸部が不規則に配置された凹凸面とすることもできる。
成長マスク12は、c面サファイア基板11の凹凸面を部分的に覆うようにパターニングされている。換言すれば、この凹凸面には、成長マスク12に覆われた第1凹凸面11aと、サファイアが露出した第2凹凸面11bとが含まれているといえる。エピタキシャル成長用基板10上へのGaN系半導体結晶の気相エピタキシャル成長時には、第2凹凸面11b上で結晶成長が開始される。
In one embodiment, the concavo-convex surface provided on the c-
The
成長マスク12の材料には、GaN系半導体結晶のELOを発生させることが可能であり、かつ、近紫外〜緑色波長域(350〜550nmの範囲を含む)における光吸収が弱いものが用いられる。好適例は、各種金属の酸化物、窒化物または酸窒化物であり、とりわけ、絶縁性を有するものである。特に好ましいのは、Si、Ti、TaまたはZrの酸化物、窒化物または酸窒化物、とりわけ、SiO2、SiNx、SiOxN1−x、TiO2およびZnO2である。
As the material of the
成長マスク12の厚さは、その効果が生じる範囲内で設定すればよく、通常は0.01〜1μmの範囲内である。好ましくは、図2、図3および図4のそれぞれの部分拡大図に示すように、成長マスク12はc面サファイア基板11の第1凹凸面11aに対してコンフォーマルに形成する。そうすることにより、成長マスク12の上部にラテラル成長するGaN系半導体結晶の下面が、第1凹凸面11aの形状を反映した凹凸面となるため、エ
ピタキシャル成長基板10を用いて形成されるGaN系LED素子の光取出し効率が高くなる。この理由から、成長マスク12の厚さは、第1凹凸面11aにおける凹部と凸部の高低差よりも小さくすべきであり、好ましくは該高低差の2分の1以下、より好ましくは4分の1以下である。
The thickness of the
図1に示すエピタキシャル成長用基板10では、成長マスク12に、複数の円形開口部が均等に配置された繰り返しパターンをなすように形成されている。この開口部には、c面サファイア基板11の第2凹凸面11bが露出している。この開口部の直径は、第2凹凸面11bにサファイアc面が確実に含まれるように、凹凸パターンの繰り返し周期の好ましくは1.5倍以上、より好ましくは2倍以上に設定される。GaN系半導体結晶のラテラル成長が生じる領域が小さくなり過ぎないよう、第1凹凸面11aおよび第2凹凸面11bの面積の和に対する第2凹凸面11bの面積比は、好ましくは70%以下、より好ましくは50%以下であり、30%以下であってもよい。一方で、第2凹凸面11bの面積を小さくし過ぎると、エピタキシャル成長時にラテラル成長するGaN系半導体結晶が第1凹凸面11a上の領域を完全に覆うまでに要する時間が長くなり、製造効率が低下する可能性がある。よって、上記の面積比は好ましくは5%以上であり、より好ましくは10%以上である。
In the
成長マスク12に設ける開口部の形状は円形に限定されるものではない。一例では、図6に示す例のように正三角形であってもよいし、図7に示す例のように平行四辺形であってもよいし、図8に示す例のように正六角形であってもよい。これら各図に示す例のいずれにおいても、成長マスク12には、同一のサイズおよび形状を有する開口部が、繰り返しパターンをなすように設けている。その理由は、GaN系半導体結晶のラテラル成長が生じる領域、すなわち、第1凹凸面11a上の領域を、エピタキシャル成長用基板10の結晶成長面内に一様に分布させるためである。(図6、図7および図8では、第2凹凸面が呈する凹凸パターンの図示を省略している。図9および図10においても同様である)
更に、成長マスク12に設ける開口部の形状は、図9に示す例のようにストライプとすることもできる。また、図1、図6、図7および図8に示す例において、成長マスクがなすパターンと開口部がなすパターンとを入れ替えることも可能である。図10はその一例であり、図1に示す例において成長マスクがなすパターンと開口部がなすパターンとが入れ替わっており、成長マスク12の方が円形を呈している。
The shape of the opening provided in the
Furthermore, the shape of the opening provided in the
成長マスク12に設ける開口部の形状を多角形とする場合の、その多角形の各辺はサファイアのM軸に直交するようにすることが好ましい。また、この開口部の形状をストライプとする場合の、ストライプの長手方向についても同様である。それによって、第2凹凸面11bの上部から第1凹凸面11aの上部に向かって生じるGaN系半導体結晶のラテラル成長の速度が大きくなるからである。この現象は、サファイアc面上にエピタキシャル成長するGaN系半導体結晶のA軸が、サファイアのM軸と平行となることと関係している。
When the shape of the opening provided in the
次に、エピタキシャル成長用基板10の製造方法を説明する。
まず、出発材料として、通常のc面サファイア基板、つまり、GaN系半導体結晶のエピタキシャル成長に利用可能な、鏡面仕上げされた平坦な表面を有するc面サファイア基板を準備する。このc面サファイア基板にはオフ角が付与されていてもよい。
次に、準備したc面サファイア基板の平坦な表面をエッチングにより加工して凹凸面とする。ウェットエッチング技法では、厚さ100〜500nm程度のSiO2膜をエッチングマスクに、また、硫酸(H2SO4)とリン酸(H3PO4)を混合した溶液をエッチャントとして用いる。混合比は体積比で3:1(H2SO4:H3PO4=3:1)とすることが好ましい。SiO2マスクの成膜およびパターニングは、周知の薄膜形成技法およびフォトリソグラフィ技法を用いて行えばよい。
Next, a method for manufacturing the
First, as a starting material, a normal c-plane sapphire substrate, that is, a c-plane sapphire substrate having a mirror-finished flat surface that can be used for epitaxial growth of a GaN-based semiconductor crystal is prepared. The c-plane sapphire substrate may be given an off angle.
Next, the flat surface of the prepared c-plane sapphire substrate is processed by etching to form an uneven surface. In the wet etching technique, a SiO 2 film having a thickness of about 100 to 500 nm is used as an etching mask, and a solution in which sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and phosphoric acid (H 3 PO 4 ) are mixed is used as an etchant. The mixing ratio is preferably 3: 1 by volume (H 2 SO 4 : H 3 PO 4 = 3: 1). The formation and patterning of the SiO 2 mask may be performed using a well-known thin film formation technique and photolithography technique.
国際公開WO2009/020033号公報(特許文献4)に開示されているように、円形のSiO2マスクで保護したサファイアc面を上記の混酸でウェットエッチングすると、保護された部位には、底面が略三角形で上面が略円形の略三角錐台形の凸部が形成される。非特許文献2に開示されているように、SiO2マスクを除去した後で、追加のウェットエッチング処理を行うことにより、この凸部を三角ピラミッド形とすることができる。従って、三角ピラミッドが密に配置された凹凸面を形成するには、サファイアc面上に形成するSiO2マスクを、円形パターンを均等に配置した繰り返しパターンに形成すればよい。三角ピラミッドの高さ、側壁の傾斜角、凹部底面の面積については、SiO2マスクの除去後に行う追加のウェットエッチング処理の時間などにより調節することができる。 As disclosed in International Publication No. WO2009 / 020033 (Patent Document 4), when the sapphire c surface protected by a circular SiO 2 mask is wet-etched with the above mixed acid, the bottom surface of the protected portion is substantially omitted. A substantially triangular frustum-shaped convex portion having a triangular shape and a substantially circular upper surface is formed. As disclosed in Non-Patent Document 2, this protrusion can be formed into a triangular pyramid by performing an additional wet etching process after removing the SiO 2 mask. Therefore, in order to form an uneven surface in which triangular pyramids are densely arranged, the SiO 2 mask formed on the sapphire c surface may be formed in a repeating pattern in which circular patterns are uniformly arranged. The height of the triangular pyramid, the inclination angle of the side wall, and the area of the bottom surface of the recess can be adjusted by the time of an additional wet etching process performed after removing the SiO 2 mask.
RIE(反応性イオンエッチング)、プラズマエッチングなどのドライエッチング技法を用いる場合には、エッチングマスクのパターンに応じた凹凸パターンをc面サファイア基板に形成することが可能となる。従って、凹凸パターンの設計の自由度がより高くなる。凸部の側壁の傾斜は、エッチングマスクとサファイアのエッチングレート比に基づいて制御可能である。エッチングマスクのエッチングレートが比較的高い場合、サファイアエッチングが進むにつれて、エッチングマスクが周辺部から消失して面積が縮小していくので、形成される凸部の側壁の傾斜が緩やかとなる。中央部に比べて周縁部の膜厚を小さくしたエッチングマスク(端面をテーパ状にしたエッチングマスク)を用いると、この効果はより顕著に現れる。エッチングマスクの材料は例えばフォトレジストである。フォトレジスト膜はパターニング後のポストベーキングによって端面をテーパ状にすることが可能である。 When dry etching techniques such as RIE (reactive ion etching) and plasma etching are used, it is possible to form an uneven pattern corresponding to the pattern of the etching mask on the c-plane sapphire substrate. Therefore, the degree of freedom in designing the concavo-convex pattern becomes higher. The inclination of the side wall of the convex portion can be controlled based on the etching rate ratio between the etching mask and sapphire. When the etching rate of the etching mask is relatively high, as the sapphire etching proceeds, the etching mask disappears from the peripheral portion and the area is reduced, so that the slope of the side wall of the formed convex portion becomes gentle. This effect is more prominent when an etching mask (an etching mask having a tapered end face) with a smaller film thickness at the periphery than at the center is used. The material of the etching mask is, for example, a photoresist. The end face of the photoresist film can be tapered by post baking after patterning.
ドライエッチングとウェットエッチングを併用することも可能である。例えば、ドライエッチングによって凸部側壁の傾斜角の大きな凹凸面をまず形成し、その後で、ウェットエッチングにより凸部側壁に傾斜角の小さな結晶面を露出させる方法である。この方法では、必要に応じて、ウェットエッチング工程の前に、ドライエッチング工程で形成されたサファイアc面からなる凹部底面をSiO2マスクで保護してもよい。 It is also possible to use both dry etching and wet etching. For example, an uneven surface with a large inclination angle of the convex side wall is first formed by dry etching, and then a crystal plane with a small inclination angle is exposed on the convex side wall by wet etching. In this method, if necessary, the bottom surface of the recess made of the sapphire c surface formed in the dry etching process may be protected with a SiO 2 mask before the wet etching process.
凹凸面の形成後、その凹凸面上に成長マスクを部分的に形成する。成長マスクの形成方法に限定はなく、その材料に応じて周知の薄膜形成方法から適宜選択すればよい。金属の酸化物、窒化物または酸窒化物で成長マスクを形成する場合であれば、プラズマCVD法、真空蒸着法またはスパッタリング法を好ましく用いることができる。
成長マスクのパターニングは、リフトオフ法を用いて行うことができる。また、成長マスクを凹凸面全体を覆うように形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチングの技法を用いて不要部分を除去することにより、パターニングすることも可能である。
After the formation of the uneven surface, a growth mask is partially formed on the uneven surface. There is no limitation on the method of forming the growth mask, and it may be appropriately selected from known thin film forming methods depending on the material. If the growth mask is formed of a metal oxide, nitride, or oxynitride, a plasma CVD method, a vacuum evaporation method, or a sputtering method can be preferably used.
The growth mask can be patterned using a lift-off method. Further, after the growth mask is formed so as to cover the entire concavo-convex surface, it is possible to perform patterning by removing unnecessary portions by using photolithography and etching techniques.
以上説明した方法により、エピタキシャル成長基板10を製造することができる。
2.GaN系半導体結晶のエピタキシャル成長
エピタキシャル成長用基板10の上にGaN系半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法としては、MOVPE法、HVPE法、MBE法、スパッタリング法、反応性スパッタ法、その他、GaN系半導体結晶のエピタキシャル成長に使用可能なことが知られている任意の方法を用いることができる。最も好ましい方法はMOVPE法である。
The
2. Epitaxial growth of GaN-based semiconductor crystal As a method of epitaxially growing a GaN-based semiconductor crystal on the
通常行われているように、サファイアとGaN系半導体結晶との界面にはバッファ層を設けることが望ましい。このバッファ層は、公知の低温バッファ層であってもよい。低温バッファ層とは、MOVPE法を用いて、単結晶薄膜を成長させる際よりも低い温度、例えば400〜600℃で形成される、GaN、AlGaN、AlNなどのGaN系半導体材料からなるバッファ層である。バッファ層としては、スパッタ法、反応性スパッタ法で
形成されるGaN系半導体薄膜も使用可能である。
As is usually done, it is desirable to provide a buffer layer at the interface between sapphire and the GaN-based semiconductor crystal. This buffer layer may be a known low-temperature buffer layer. The low-temperature buffer layer is a buffer layer made of a GaN-based semiconductor material such as GaN, AlGaN, or AlN, which is formed at a lower temperature, for example, 400 to 600 ° C., than when a single crystal thin film is grown using the MOVPE method. is there. As the buffer layer, a GaN-based semiconductor thin film formed by sputtering or reactive sputtering can also be used.
本発明に係るエピタキシャル成長用基板上におけるGaN系半導体結晶の成長態様は、概ね、図11に示すようなものとなる。図11(a)は、本発明に係るエピタキシャル成長用基板をサファイアのc軸に直交する方向から見た断面図である。エピタキシャル成長用基板10は、上面全体が凹凸面とされたc面サファイア基板11(凹凸の図示は省略している)と、該凹凸面上に形成された成長マスク12とから構成されている。成長マスク12が部分的に形成されることによって、該凹凸面は、成長マスクに覆われた第1凹凸面11aと、サファイアが露出した第2凹凸面11bとに分けられている。
The growth mode of the GaN-based semiconductor crystal on the epitaxial growth substrate according to the present invention is generally as shown in FIG. FIG. 11A is a cross-sectional view of the epitaxial growth substrate according to the present invention as viewed from a direction perpendicular to the c-axis of sapphire. The
エピタキシャル成長用基板10上に、バッファ層を介してGaN系半導体層21を成長させる過程では、まず、図11(b)に示すように、c面サファイア基板11の第2凹凸面11bから結晶成長が開始される。結晶の高さが成長マスク12の厚さを超えると、図11(c)に示すように、第2凹凸面11b上に成長した結晶を種とするラテラル成長が、第2凹凸面11b上から第1凹凸面11a上に向かって生じる。更に成長を続けると、図11(d)に示すように、ラテラル成長した結晶同士が融合し、c面サファイア基板11上でGaN系半導体結晶がひとつの層をなすに至る。つまり、GaN系半導体層21が成長マスク12を挟んでc面サファイア基板11の上面全体を覆った半導体構造20が形成される。
In the process of growing the GaN-based
3.GaN系LED素子
図12に、本発明の一実施形態に係るGaN系LED素子の断面構造を示す。GaN系LED素子30は、上面全体が光拡散可能な凹凸面(凹凸の図示は省略している)とされたc面サファイア基板11と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスク12と、成長マスク12を挟んで該凹凸面を覆うように成長したGaN系半導体層21と、からなる半導体構造を含んでいる。成長マスク12が部分的に形成されていることによって、c面サファイア基板11の上面は、成長マスク12に覆われた第1凹凸面11aと、成長マスク12に覆われていない第2凹凸面11bとに分けられている。GaN系半導体層21は、第2凹凸面11bの上部から第1凹凸面11aの上部に向かってラテラル成長したGaN系半導体結晶を含んでいる。
3. GaN-based LED element FIG. 12 shows a cross-sectional structure of a GaN-based LED element according to an embodiment of the present invention. The GaN-based
GaN系LED素子30は、更に、GaN系半導体層21上に更にGaN系半導体結晶をエピタキシャル成長させることによって順次形成された、n型コンタクト層32、発光層33およびp型コンタクト層34を有している。n型コンタクト層32の部分的に露出された表面にはn電極E1が形成されている。また、p型コンタクト層33の上面にはp電極E2が形成されており、p電極E2上の一部には電極パッドE3が形成されている。
The GaN-based
GaN系半導体層21は、アンドープGaNまたはSiが添加されたn型GaNで形成されている。n型コンタクト層32は、Siが1×1018cm−3〜1×1019cm−3の濃度で添加されたn型GaNで形成されている。GaN系半導体層21にSiをこのような濃度で添加することによって、GaN系半導体層21とn型コンタクト層31とを一体化した構成とすることが可能である。発光層32は、Inを含むGaN系半導体からなる井戸層と、井戸層よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する障壁層とが、交互に積層されてなる多重量子井戸層である。p型コンタクト層33は、Mgが5×1019〜5×1020の濃度で添加されたp型GaNで形成されている。
The GaN-based
n型コンタクト層31と発光層32との間には、AlGaN層を含むn型クラッド層(キャリアブロック層)を設けてもよい。また、発光層32とp型コンタクト層33との間には、AlGaN層を含むp型クラッド層(キャリアブロック層)を設けてもよい。これらのキャリアブロック層は超格子層であってもよい。その他、発光層32の上下には歪緩
和機能を有する層などを適宜設けることができる。
An n-type cladding layer (carrier block layer) including an AlGaN layer may be provided between the n-type contact layer 31 and the
n電極E1はオーミック電極と電極パッドを兼用しており、n型コンタクト層と接する部分に、Al、Ti、Crの単体または合金、TCO(透明導電性酸化物)などからなるオーミック接触層を有している。n電極E1の最表層は好ましくはAu層である。
p電極E2はTCOからなる透光性電極である。ITOなどの酸化インジウムベースのTCOや、酸化亜鉛ベースのTCOを、p電極E2の材料として好ましく用いることができる。電極パッドE3はp電極E2と接する部分がTCOとの密着性が良好な金属で形成され、最表層は好ましくはAuで形成される。
The n-electrode E1 serves both as an ohmic electrode and an electrode pad, and has an ohmic contact layer made of a simple substance or alloy of Al, Ti, Cr, TCO (transparent conductive oxide) or the like at a portion in contact with the n-type contact layer. is doing. The outermost layer of the n electrode E1 is preferably an Au layer.
The p electrode E2 is a translucent electrode made of TCO. An indium oxide-based TCO such as ITO or a zinc oxide-based TCO can be preferably used as the material of the p-electrode E2. The electrode pad E3 is made of a metal having good adhesion to the TCO at the portion in contact with the p electrode E2, and the outermost layer is preferably made of Au.
GaN系LED素子30を製造する場合、まず、上面を加工して凹凸面としたc面サファイア基板11の該凹凸面上に部分的に成長マスク12を形成してなるエピタキシャル成長用基板を準備する。次に、該エピタキシャル成長用基板上に、バッファ層を介して、GaN系半導体層21、n型コンタクト層31、発光層32、p型コンタクト層33を順次エピタキシャル成長させて、半導体ウェハを作製する。この工程では気相エピタキシャル成長法として、MOVPE法や反応性スパッタ法を好ましく用いることができる。その後、該半導体ウェハ中の個々の素子に対応する部位にn電極E1、p電極E2および電極パッドE3をそれぞれ形成したうえで、半導体ウェハを個々の素子に分断する。
When the GaN-based
好ましくは、半導体ウェハを個々の素子に分断する工程に先立って、レーザ加工技術を用いてc面サファイア基板11の内部に分断ラインに沿った改質領域を形成し、分断工程ではこの改質領域を起点として半導体ウェハを破断する。上記改質領域を形成する工程では、c面サファイア基板11に設けられた凹凸面により加工用のレーザ光の一部が散乱される可能性があるが、散乱されたレーザ光が電極(E1、E2またはE3)に吸収されると、発熱が生じて電極とGaN系半導体のいずれかまたは両方が劣化する。これを防止するためには、レーザ加工によりc面サファイア基板内部に改質領域を形成する工程の後に、電極を形成する工程を行うことが望ましい。
Preferably, prior to the step of dividing the semiconductor wafer into individual elements, a modified region along the dividing line is formed inside the c-
4.好ましい実施形態
本発明の好ましい実施形態を以下に記す。
(1)光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクとを含み、該凹凸面が該成長マスクに覆われた第1凹凸面とサファイアが露出した第2凹凸面とを有する、エピタキシャル成長用基板。
(2)上記凹凸面に含まれる凸部は、サファイアc面に平行な面で切断したときにできる断面の面積が、基部から上部に向かうにつれて小さくなっている、上記(1)に記載のエピタキシャル成長用基板。
(3)上記凹凸面に含まれる凸部は、側壁の傾斜角が20度以上60度以下である部分を有している、上記(2)に記載のエピタキシャル成長用基板。
(4)上記凹凸面は凹部と凸部の高低差が0.5μm以上2.5μm以下である、上記(3)に記載のエピタキシャル成長用基板。
(5)上記凹凸面をサファイアc軸方向から見たときに、サファイアc面が占める面積の比率が5%以上である、上記(4)に記載のエピタキシャル成長用基板。
(6)上記成長マスクが上記第1凹凸面に対してコンフォーマルに形成されている、上記(1)〜(5)のいずれかに記載のエピタキシャル成長用基板。
(7)上記凹凸面をサファイアc軸方向から見たときに、上記第1凹凸面および上記第2凹凸面の面積の和に対する上記第2凹凸面の面積比が5%以上70%以下である、上記(1)〜(6)のいずれかに記載のエピタキシャル成長用基板。
(8)光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板を準備するステップと、成長マスクを部分的に形成することにより、該
凹凸面に該成長マスクに覆われた第1凹凸面とサファイアが露出した第2凹凸面とを設けるステップと、気相エピタキシャル成長法を用いて該第2凹凸面の上部から該第1凹凸面の上部に向かってGaN系半導体結晶をラテラル成長させるステップと、を含むGaN系半導体結晶の成長方法。
(9)光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長したGaN系半導体層とを含み、該凹凸面は該成長マスクに覆われた第1凹凸面と該成長マスクに覆われていない第2凹凸面とを有しており、該GaN系半導体層は該第2凹凸面の上部から該第1凹凸面の上部に向かってラテラル成長したGaN系半導体結晶を含む、半導体構造。
(10)光拡散可能かつGaN系半導体結晶がエピタキシャル成長可能な凹凸面を有するc面サファイア基板と、該凹凸面上に部分的に形成された成長マスクと、該成長マスクを挟んで該凹凸面を覆うように成長した第1のGaN系半導体層と、該第1のGaN系半導体層の上に順次成長したそれぞれがGaN系半導体からなるn型導電性層、発光層およびp型導電性層と、を含み、上記凹凸面は成長マスクに覆われた第1凹凸面と該成長マスクに覆われていない第2凹凸面とを有しており、上記第1のGaN系半導体層は該第2凹凸面の上部から該第1凹凸面の上部に向かってラテラル成長したGaN系半導体結晶を含む、GaN系LED素子。
(11)上記凹凸面に含まれる凸部は、サファイアc面に平行な面で切断したときにできる断面の面積が、基部から上部に向かうにつれて小さくなっている、上記(10)に記載のGaN系LED素子。
(12)上記凹凸面に含まれる凸部は、側壁の傾斜角が20度以上60度以下である部分を有している、上記(11)に記載のGaN系LED素子。
(13)上記凹凸面は凹部と凸部の高低差が0.5μm以上2.5μm以下である、上記(12)に記載のGaN系LED素子。
(14)上記成長マスクが上記第1凹凸面に対してコンフォーマルに形成されている、上記(10)〜(13)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(15)上記凹凸面をサファイアc軸方向から見たときに、上記第1凹凸面および上記第2凹凸面の面積の和に対する上記第2凹凸面の面積比が5%以上70%以下である、上記(10)〜(15)のいずれかに記載のGaN系LED素子。
(16)光拡散可能な凹凸面を有するサファイア基板と、該サファイア基板上に形成され発光構造を備えたGaN系半導体とを含む半導体ウェハを準備するウェハ準備工程と、上記半導体ウェハ中の個々の素子に対応する部位に電極を形成する電極形成工程と、上記電極形成工程の後に上記半導体ウェハを個々の素子に分断する分断工程と、上記電極形成工程に先立ってレーザ加工技術を用いて上記半導体ウェハに含まれるサファイア基板の内部に分断ラインに沿った改質領域を形成する工程と、を有し、上記分断工程では上記改質領域を起点として上記半導体ウェハを破断する、GaN系LED素子の製造方法。
本発明は明細書および図面に明示的に記載された実施形態または実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変形が可能である。
4). Preferred Embodiments Preferred embodiments of the present invention are described below.
(1) A c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface on which light diffusion is possible and a GaN-based semiconductor crystal can be epitaxially grown, and a growth mask partially formed on the concavo-convex surface, the concavo-convex surface serving as the growth mask An epitaxial growth substrate having a covered first uneven surface and a second uneven surface from which sapphire is exposed.
(2) The epitaxial growth according to (1) above, wherein the convex portion included in the concavo-convex surface has an area of a cross section formed by cutting along a plane parallel to the sapphire c-plane, and decreases from the base toward the top. Substrate.
(3) The substrate for epitaxial growth according to (2) above, wherein the convex portion included in the concave-convex surface has a portion whose side wall has an inclination angle of 20 degrees or more and 60 degrees or less.
(4) The substrate for epitaxial growth according to (3), wherein the uneven surface has a height difference between a concave portion and a convex portion of 0.5 μm or more and 2.5 μm or less.
(5) The substrate for epitaxial growth according to (4), wherein the ratio of the area occupied by the sapphire c-plane is 5% or more when the concavo-convex surface is viewed from the sapphire c-axis direction.
(6) The epitaxial growth substrate according to any one of (1) to (5), wherein the growth mask is formed conformally with respect to the first uneven surface.
(7) When the uneven surface is viewed from the sapphire c-axis direction, the area ratio of the second uneven surface to the sum of the areas of the first uneven surface and the second uneven surface is 5% or more and 70% or less. The substrate for epitaxial growth according to any one of (1) to (6) above.
(8) A step of preparing a c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface on which light diffusion is possible and a GaN-based semiconductor crystal can be epitaxially grown, and a growth mask is partially formed to cover the concavo-convex surface with the growth mask. Providing a first concavo-convex surface and a second concavo-convex surface from which sapphire is exposed, and using a vapor phase epitaxial growth method, a GaN-based semiconductor crystal is formed from the upper portion of the second concavo-convex surface toward the upper portion of the first concavo-convex surface. A step of laterally growing the GaN-based semiconductor crystal.
(9) A c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface on which light diffusion is possible and a GaN-based semiconductor crystal can be epitaxially grown, a growth mask partially formed on the concavo-convex surface, and the concavo-convex surface sandwiching the growth mask A GaN-based semiconductor layer grown so as to cover the concavo-convex surface, the concavo-convex surface having a first concavo-convex surface covered with the growth mask and a second concavo-convex surface not covered with the growth mask, A semiconductor structure including a GaN-based semiconductor crystal laterally grown from an upper portion of the second uneven surface toward an upper portion of the first uneven surface;
(10) A c-plane sapphire substrate having a concavo-convex surface on which light diffusion is possible and a GaN-based semiconductor crystal can be epitaxially grown, a growth mask partially formed on the concavo-convex surface, and the concavo-convex surface sandwiched by the growth mask A first GaN-based semiconductor layer grown so as to cover, an n-type conductive layer, a light-emitting layer, and a p-type conductive layer, each of which is sequentially grown on the first GaN-based semiconductor layer, and made of a GaN-based semiconductor; The uneven surface has a first uneven surface covered with a growth mask and a second uneven surface not covered with the growth mask, and the first GaN-based semiconductor layer includes the second uneven surface. A GaN-based LED element comprising a GaN-based semiconductor crystal that is laterally grown from the top of the concavo-convex surface toward the top of the first concavo-convex surface.
(11) The GaN as described in (10) above, wherein the convex portion included in the concave-convex surface has a cross-sectional area that is reduced when cutting along a plane parallel to the sapphire c-plane as it goes from the base toward the top. LED element.
(12) The GaN-based LED element according to (11), wherein the convex portion included in the concave-convex surface has a portion whose side wall has an inclination angle of 20 degrees to 60 degrees.
(13) The GaN-based LED element according to (12), wherein the uneven surface has a height difference between a concave portion and a convex portion of 0.5 μm or more and 2.5 μm or less.
(14) The GaN-based LED element according to any one of (10) to (13), wherein the growth mask is formed conformally with respect to the first uneven surface.
(15) When the uneven surface is viewed from the sapphire c-axis direction, the area ratio of the second uneven surface to the sum of the areas of the first uneven surface and the second uneven surface is 5% or more and 70% or less. The GaN-based LED element according to any one of (10) to (15) above.
(16) A wafer preparation step of preparing a semiconductor wafer including a sapphire substrate having an uneven surface capable of diffusing light and a GaN-based semiconductor formed on the sapphire substrate and having a light emitting structure, and each of the semiconductor wafers in the semiconductor wafer An electrode forming step of forming an electrode in a portion corresponding to the element; a dividing step of dividing the semiconductor wafer into individual elements after the electrode forming step; and the semiconductor using laser processing technology prior to the electrode forming step Forming a modified region along a dividing line inside a sapphire substrate included in the wafer, and in the dividing step, the semiconductor wafer is broken starting from the modified region. Production method.
The present invention is not limited to the embodiments or examples explicitly described in the specification and drawings, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
10 エピタキシャル成長用基板
11 c面サファイア基板
11a 第1凹凸面
11b 第2凹凸面
12 成長マスク
20 半導体構造
21 GaN系半導体層
30 GaN系LED素子
31 n型コンタクト層
32 発光層
33 p型コンタクト層
E1 n電極26
E2 p電極27
E3 電極パッド
DESCRIPTION OF
E2 p-electrode 27
E3 electrode pad
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