JP2012030991A - Method for producing semiconductor light-emitting element, semiconductor light-emitting element, and sapphire single crystal substrate - Google Patents

Method for producing semiconductor light-emitting element, semiconductor light-emitting element, and sapphire single crystal substrate Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high quality and low-cost sapphire single crystal substrate which scarcely has any crystal defect part even when the diameter is as large as 100 mm or more, and which is suited for epitaxial formation of a compound semiconductor layer, and to stably provide a high quality semiconductor light-emitting element having the compound semiconductor layer deposited on the substrate.SOLUTION: The method for producing the semiconductor light-emitting element having a group III compound semiconductor layer includes: a substrate cutting off step S200 of cutting off a wafer from the ingot of a sapphire single crystal; a sorting step S500 of sorting a wafer including a crystal defect part of which the X-ray diffraction image is obtained with an X-ray corrected with a curvature correction value Δω taking the inside of a range of ±0.15° as the standard of determination with respect to an incident angle ω of an X-ray with which the X-ray diffraction image of the (11-20) surface is obtained, by measuring the cut-off wafer with X-ray topography according to the Lang method; and a semiconductor layer deposition step S800 of depositing the group III compound semiconductor layer on the deposition surface of the sorted wafer.

Description

本発明は、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子及びサファイア単結晶基板に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor light emitting device, a semiconductor light emitting device, and a sapphire single crystal substrate.

一般に、III−V族化合物半導体層等の化合物半導体層を有する半導体発光素子は、サファイア単結晶等からなる基板表面上に化合物半導体層を成膜し、その上にさらに正極や負極等の電極を設けた後、基板の裏面を研削及び研磨し、その後、適当な形状に切断することにより発光素子チップとして調製される(特許文献1参照)。
また、サファイア単結晶の基板については、特許文献2に、X線ロッキングカーブの半値幅が20arcsec以下の高品質サファイア基板を用いた半導体発光素子が記載されている(特許文献2参照)。
In general, in a semiconductor light emitting device having a compound semiconductor layer such as a III-V compound semiconductor layer, a compound semiconductor layer is formed on a substrate surface made of a sapphire single crystal or the like, and electrodes such as a positive electrode and a negative electrode are further formed thereon. After being provided, the back surface of the substrate is ground and polished, and then cut into an appropriate shape to prepare a light emitting element chip (see Patent Document 1).
As for a sapphire single crystal substrate, Patent Document 2 describes a semiconductor light-emitting element using a high-quality sapphire substrate whose X-ray rocking curve half-width is 20 arcsec or less (see Patent Document 2).

特開2008−177525号公報JP 2008-177525 A 特開2008−100859号公報JP 2008-1000085 A

ところで、化合物半導体層が積層されるサファイア単結晶基板は、例えば、チョクラルスキー法(CZ法)により製造された単結晶のインゴットを切り出して得られる。一般に、CZ法では、アルミナ融液からサファイア単結晶を成長させる際、製造条件のわずかな変動により、サファイア単結晶に結晶欠陥が生じることが知られている。特に、直径100mm以上の大口径のサファイア単結晶基板を安定的に作製するのが困難である。このような結晶欠陥が多いサファイア単結晶基板を使用すると、発光素子の発光効率の低下等、所望の性能に到達せず、収率低下を招く場合がある。
本発明の目的は、直径100mm以上の大口径であっても結晶欠陥部分が少なく、化合物半導体層のエピタキシャル形成に適した高品質かつ低コストのサファイア単結晶基板を提供し、さらに、かかる基板上に化合物半導体層を成膜した高品質の半導体発光素子を安定的に提供することにある。
By the way, the sapphire single crystal substrate on which the compound semiconductor layers are stacked is obtained by cutting out a single crystal ingot manufactured by the Czochralski method (CZ method), for example. In general, in the CZ method, it is known that when a sapphire single crystal is grown from an alumina melt, crystal defects are generated in the sapphire single crystal due to slight fluctuations in manufacturing conditions. In particular, it is difficult to stably produce a large-diameter sapphire single crystal substrate having a diameter of 100 mm or more. When such a sapphire single crystal substrate with many crystal defects is used, desired performance such as a decrease in light emission efficiency of the light emitting element may not be achieved, and the yield may be decreased.
An object of the present invention is to provide a high-quality and low-cost sapphire single crystal substrate suitable for epitaxial formation of a compound semiconductor layer with few crystal defect portions even with a large diameter of 100 mm or more. Another object is to stably provide a high-quality semiconductor light emitting device having a compound semiconductor layer formed thereon.

本発明によれば、下記[1]〜[11]に係る発明が提供される。
[1]III族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、サファイア単結晶のインゴットから所定の厚さのサファイアウエーハを切り出す基板切り出し工程と、基板切り出し工程において切り出したサファイアウエーハについてラング法によるX線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の(11−20)面のX線回折像が得られるX線の入射角度ωに対し、±0.15°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したX線によりX線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイアウエーハを選別する選別工程と、選別工程により選別されたサファイアウエーハをサファイア基板として、サファイア基板の被成膜面上にIII族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、選別工程により排除したサファイアウエーハをサファイア単結晶のインゴット育成用原料として再利用するサファイア単結晶引き上げ工程と、を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
[2]基板切り出し工程において、サファイアウエーハとしてインゴットからサファイア単結晶のC面((0001)面)を切り出すことを特徴とする前項[1]に記載の半導体発光素子の製造方法。
[3]半導体層成膜工程において、サファイア基板の被成膜面上に、サファイア基板側から、n型半導体層、発光層及びp型半導体層を順次積層することを特徴とする前項[1]又は[2]に記載の半導体発光素子の製造方法。
[4]サファイア基板とIII族化合物半導体層との間に、スパッタ法によりIII族化合物半導体からなる中間層を成膜する中間層形成工程を有することを特徴とする前項[1]乃至[3]のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
[5]III族化合物半導体層と中間層との間に、さらに下地層を成膜することを特徴とする前項[4]に記載の半導体発光素子の製造方法。
According to the present invention, the inventions according to the following [1] to [11] are provided.
[1] A method for manufacturing a semiconductor light-emitting device having a group III compound semiconductor layer, in which a sapphire wafer having a predetermined thickness is cut out from a sapphire single crystal ingot, and a sapphire wafer cut out in the substrate cutting step The X-ray topography measurement is performed by the method, and the curvature is determined within the range of ± 0.15 ° with respect to the X-ray incident angle ω from which the X-ray diffraction image of the (11-20) plane of the sapphire single crystal is obtained. A selection process for selecting a sapphire wafer including a crystal defect portion from which an X-ray diffraction image is obtained by an X-ray corrected by the correction value Δω, and a deposition surface of the sapphire substrate using the sapphire wafer selected by the selection process as a sapphire substrate The semiconductor layer film forming process for forming the group III compound semiconductor layer on the surface and the sapha removed by the selection process. And a sapphire single crystal pulling step for reusing the Iau wafer as a raw material for growing an ingot of the sapphire single crystal.
[2] The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to [1], wherein, in the substrate cutting step, a C-plane ((0001) plane) of a sapphire single crystal is cut out from an ingot as a sapphire wafer.
[3] In the semiconductor layer forming step, the n-type semiconductor layer, the light emitting layer, and the p-type semiconductor layer are sequentially stacked on the surface of the sapphire substrate from the sapphire substrate side. Or the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device as described in [2].
[4] The above [1] to [3], further comprising an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer made of a group III compound semiconductor by a sputtering method between the sapphire substrate and the group III compound semiconductor layer. The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device in any one of.
[5] The method for manufacturing a semiconductor light-emitting element according to [4], further comprising forming an underlayer between the group III compound semiconductor layer and the intermediate layer.

[6]前項[1]乃至[5]のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法により製造したことを特徴とする半導体発光素子。     [6] A semiconductor light-emitting device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor light-emitting device according to any one of [1] to [5].

[7]被成膜面上にIII族化合物半導体層が成膜されるサファイア単結晶からなるサファイア単結晶基板であって、サファイア単結晶は、ラング法によるX線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の格子面のX線回折像が得られるX線の入射角度ωに対し、±0.15°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正したX線によりX線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むことを特徴とするサファイア単結晶基板。
[8]直径100mm以上であることを特徴とする前項[7]に記載のサファイア単結晶基板。
[9]インゴットからサファイア単結晶のC面を切り出すことより得られるサファイアウエーハからなることを特徴とする前項[7]又は[8]に記載のサファイア単結晶基板。
[10]サファイア単結晶の格子面がA面((11−20)面)であることを特徴とする前項[7]乃至[9]のいずれかに記載のサファイア単結晶基板。
[11]直径150mm以上、厚さ0.8mm以上、湾曲補正値Δωが基板全体で±0.15°以内であることを特徴とする前項[7]乃至[10]のいずれかに記載のサファイア単結晶基板。
[7] A sapphire single crystal substrate made of a sapphire single crystal on which a group III compound semiconductor layer is formed, and the sapphire single crystal is a sapphire single crystal in the X-ray topography measurement by the Lang method. It includes a crystal defect portion where an X-ray diffraction image can be obtained by an X-ray corrected with a curvature correction value Δω within a range of ± 0.15 ° with respect to an X-ray incident angle ω from which an X-ray diffraction image of the lattice plane can be obtained. A sapphire single crystal substrate characterized by the above.
[8] The sapphire single crystal substrate according to [7], which has a diameter of 100 mm or more.
[9] The sapphire single crystal substrate according to [7] or [8] above, which is made of a sapphire wafer obtained by cutting a C-plane of a sapphire single crystal from an ingot.
[10] The sapphire single crystal substrate according to any one of [7] to [9], wherein the lattice plane of the sapphire single crystal is an A plane ((11-20) plane).
[11] The sapphire according to any one of [7] to [10] above, wherein the diameter is 150 mm or more, the thickness is 0.8 mm or more, and the curvature correction value Δω is within ± 0.15 ° for the entire substrate. Single crystal substrate.

本発明によれば、本構成を有しない場合と比べ、結晶欠陥部分が少ないサファイア単結晶基板上に化合物半導体層を成膜した高品質の半導体発光素子が安定的に得られる。
また、結晶欠陥の多いサファイア単結晶基板を原料として再利用することにより、低コストなサファイア単結晶基板が得られる。
According to the present invention, it is possible to stably obtain a high-quality semiconductor light-emitting element in which a compound semiconductor layer is formed on a sapphire single crystal substrate with few crystal defect portions as compared with the case without this configuration.
Further, by reusing a sapphire single crystal substrate having many crystal defects as a raw material, a low-cost sapphire single crystal substrate can be obtained.

本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法の流れを説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the flow of the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device to which this Embodiment is applied. 単結晶引き上げ装置の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of a single crystal pulling device. 図2に示す単結晶引き上げ装置を用いて製造されるサファイアインゴットの構成の一例を示している。The example of a structure of the sapphire ingot manufactured using the single crystal pulling apparatus shown in FIG. 2 is shown. サファイアウエーハのラング法によるX線トポグラフィ測定の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the X-ray topography measurement by the Lang method of a sapphire wafer. 半導体発光素子の一例を説明する図である。It is a figure explaining an example of a semiconductor light emitting element.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することが出来る。また、使用する図面は本実施の形態を説明するための一例であり、実際の大きさを表すものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention. The drawings used are examples for explaining the present embodiment and do not represent actual sizes.

図1は、本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法の流れを説明するフローチャートである。半導体発光素子の製造方法においては、先ず、CZ法によりサファイア単結晶のインゴットを製造する。サファイア単結晶のインゴットを製造するには、坩堝に充填した酸化アルミニウムと、後述するステップ500(選別工程)において排除(NO)されたサファイアウエーハを溶融(アルミナ融液)し、種結晶をアルミナ融液表面に接触させ、種結晶を回転させながら上方に引き上げてサファイア単結晶を成長させる(ステップ100:サファイア単結晶引き上げ工程)。次に、得られたサファイア単結晶のインゴットを所定の厚さに切断しサファイアウエーハを切り出す(ステップ200:基板切り出し工程)。   FIG. 1 is a flowchart for explaining the flow of a method for manufacturing a semiconductor light emitting device to which the present embodiment is applied. In the method for manufacturing a semiconductor light emitting device, first, a sapphire single crystal ingot is manufactured by a CZ method. To produce a sapphire single crystal ingot, the aluminum oxide filled in the crucible and the sapphire wafer excluded (NO) in step 500 (screening process) described later are melted (alumina melt), and the seed crystal is fused with alumina. The sapphire single crystal is grown by bringing it into contact with the liquid surface and pulling it upward while rotating the seed crystal (step 100: sapphire single crystal pulling step). Next, the obtained sapphire single crystal ingot is cut to a predetermined thickness to cut out a sapphire wafer (step 200: substrate cutting step).

次に、切り出したサファイアウエーハについてウエットエッチング処理を施し、切り出しにより受けた加工ダメージ(破砕層)を除去する(ステップ300)。続いて、X線トポグラフィ測定法(ラング法)により、ウエットエッチング処理を施したサファイアウエーハにおけるサファイア単結晶の結晶欠陥を測定する(ステップ400)。続いて、サファイアウエーハのX線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の(11−20)面のX線回折像が得られる透過X線の入射角度ωに対し、±0.15°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正した透過X線によりX線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイアウエーハを選別する(ステップ500:選別工程)。湾曲補正値Δωについては後述する。   Next, the cut sapphire wafer is subjected to a wet etching process to remove processing damage (crushed layer) received by the cut (step 300). Subsequently, crystal defects of the sapphire single crystal in the sapphire wafer subjected to the wet etching process are measured by an X-ray topography measurement method (Lang method) (step 400). Subsequently, in the X-ray topography measurement of the sapphire wafer, the curvature within a range of ± 0.15 ° with respect to the incident angle ω of the transmitted X-ray from which the X-ray diffraction image of the (11-20) plane of the sapphire single crystal is obtained. A sapphire wafer including a crystal defect portion from which an X-ray diffraction image is obtained is selected by transmission X-rays corrected with the correction value Δω (step 500: selection step). The curvature correction value Δω will be described later.

次に、選別工程により選別されたサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、被研磨面を鏡面状態に仕上げる(ステップ700)。続いて、被研磨面に鏡面仕上げを施されたサファイアウエーハをサファイア単結晶基板とし、このサファイア単結晶基板の被成膜面上にIII族化合物半導体層を成膜する(ステップ800:半導体層成膜工程)。続いて、III族化合物半導体層を成膜したサファイア単結晶基板に電極を取り付け、さらに、サファイア単結晶基板の被研削面を、例えば、固定砥石を用いて所定の厚さになるまで研削し、研削処理によってダメージを受けた基板の被研削面を、例えば、遊離砥粒を用いるラッピング処理および研磨処理により、サファイア単結晶基板の厚さを所定の厚さに調整する(ステップ900)。そして、ラッピング処理の後、サファイア単結晶基板は所定の大きさに切断され、発光素子チップが得られる(ステップ1000)。以下、各ステップについて説明する。   Next, the surface to be polished of the sapphire wafer selected by the selection process is polished to finish the surface to be polished in a mirror state (step 700). Subsequently, a sapphire wafer having a mirror-finished surface is used as a sapphire single crystal substrate, and a group III compound semiconductor layer is formed on the film formation surface of the sapphire single crystal substrate (step 800: semiconductor layer formation). Membrane process). Subsequently, an electrode is attached to the sapphire single crystal substrate on which the group III compound semiconductor layer is formed, and the ground surface of the sapphire single crystal substrate is ground to a predetermined thickness using, for example, a fixed grindstone, The thickness of the sapphire single crystal substrate is adjusted to a predetermined thickness on the surface to be ground of the substrate damaged by the grinding process by, for example, a lapping process and a polishing process using free abrasive grains (step 900). After the lapping process, the sapphire single crystal substrate is cut into a predetermined size to obtain a light emitting element chip (step 1000). Hereinafter, each step will be described.

(ステップ100)
本実施の形態では、所定の単結晶引き上げ装置を使用し、CZ法によりサファイア単結晶のインゴットを製造する。
図2は、単結晶引き上げ装置Iの一例を説明する図である。図2に示すように、単結晶引き上げ装置Iは、サファイアの単結晶からなるサファイアインゴット30を成長させるための加熱炉10を備える。加熱炉10は断熱容器11を備える。断熱容器11は円柱状の外形を有し、その内部には円柱状の空間が形成されている。断熱容器11は、例えば、ジルコニア製の断熱部材からなる部品を組み立てて構成される。加熱炉10は、内部の空間に断熱容器11を収容するチャンバ14を備える。加熱炉10は、チャンバ14の側面に貫通形成され、チャンバ14の外部からチャンバ14を介して断熱容器11の内部にガスを供給するガス供給管12を備える。同じく、チャンバ14の側面に貫通形成され、断熱容器11の内部からチャンバ14を介して外部にガスを排出するガス排出管13をさらに備える。
(Step 100)
In this embodiment, a sapphire single crystal ingot is manufactured by a CZ method using a predetermined single crystal pulling apparatus.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the single crystal pulling apparatus I. As shown in FIG. 2, the single crystal pulling apparatus I includes a heating furnace 10 for growing a sapphire ingot 30 made of a single crystal of sapphire. The heating furnace 10 includes a heat insulating container 11. The heat insulating container 11 has a columnar outer shape, and a columnar space is formed therein. The heat insulating container 11 is configured by assembling components made of a heat insulating member made of zirconia, for example. The heating furnace 10 includes a chamber 14 that accommodates the heat insulating container 11 in an internal space. The heating furnace 10 includes a gas supply pipe 12 that is formed through the side surface of the chamber 14 and supplies gas from the outside of the chamber 14 to the inside of the heat insulating container 11 through the chamber 14. Similarly, a gas exhaust pipe 13 that is formed through the side surface of the chamber 14 and exhausts gas from the inside of the heat insulating container 11 to the outside through the chamber 14 is further provided.

断熱容器11の内側下方には、坩堝15が、鉛直上方に向かって開口するように配置されている。坩堝15は例えば、イリジウムによって構成され、酸化アルミニウムと、後述するように、ラング法によるサファイア単結晶のX線トポグラフィ測定における湾曲補正値(Δω)の範囲を満たさないとして排除(NO)されたサファイアウエーハとを加え、これらを溶融してなるアルミナ融液35を収容する。さらに、既にサファイアウエーハの切り出しに用いた他のインゴットの肩部、尾部を坩堝15に加え、これらもサファイア単結晶のインゴットを製造するための原料として再利用し、アルミナ融液35を調製しても良い。尚、湾曲補正値(Δω)については後述する。
加熱炉10は、金属製の加熱コイル16を備えている。加熱コイル16は、断熱容器11の下部側の側面外側であってチャンバ14の下部側の側面内側となる部位に巻き回されている。加熱コイル16は、断熱容器11を介して坩堝15の壁面と対向するように配置されている。加熱コイル16の下側端部は、坩堝15の下端よりも下側に位置し、加熱コイル16の上側端部は坩堝15の上端よりも上側に位置するようになっている。
A crucible 15 is arranged below the inner side of the heat insulating container 11 so as to open vertically upward. The crucible 15 is made of, for example, iridium, and, as will be described later, sapphire excluded (NO) as not satisfying the range of the curvature correction value (Δω) in the X-ray topography measurement of the sapphire single crystal by the Lang method, as will be described later. An alumina melt 35 obtained by adding a wafer and melting them is accommodated. Furthermore, the shoulder part and tail part of other ingots already used for cutting out the sapphire wafer are added to the crucible 15, and these are also reused as raw materials for producing an ingot of a sapphire single crystal to prepare an alumina melt 35. Also good. The curvature correction value (Δω) will be described later.
The heating furnace 10 includes a metal heating coil 16. The heating coil 16 is wound around a portion that is outside the side surface on the lower side of the heat insulating container 11 and inside the side surface on the lower side of the chamber 14. The heating coil 16 is disposed so as to face the wall surface of the crucible 15 through the heat insulating container 11. The lower end of the heating coil 16 is located below the lower end of the crucible 15, and the upper end of the heating coil 16 is located above the upper end of the crucible 15.

加熱コイル16は、例えば、中空状の銅管によって構成され、螺旋状に巻き回され、全体としてみたときに円筒状の形状を有している。本実施の形態では、加熱コイル16の上部側の内径と下部側の内径とがほぼ同一である。これにより、巻き回された加熱コイル16によってその内部に形成される空間が円柱状となっている。また、円柱状の空間を通る加熱コイル16の中心軸は、水平方向に対しほぼ垂直、すなわち鉛直方向に沿うようになっている。坩堝15は、加熱コイル16によって形成される円柱状の空間の内側に配置されている。そして、坩堝15は、加熱コイル16によって形成される円形状の領域のほぼ中央となる部位に置かれる。   The heating coil 16 is constituted by, for example, a hollow copper tube, wound spirally, and has a cylindrical shape when viewed as a whole. In the present embodiment, the inner diameter on the upper side and the inner diameter on the lower side of the heating coil 16 are substantially the same. Thereby, the space formed in the inside by the wound heating coil 16 is cylindrical. Further, the central axis of the heating coil 16 passing through the cylindrical space is substantially perpendicular to the horizontal direction, that is, along the vertical direction. The crucible 15 is disposed inside a cylindrical space formed by the heating coil 16. Then, the crucible 15 is placed at a site that is substantially in the center of the circular region formed by the heating coil 16.

加熱炉10は、断熱容器11、チャンバ14それぞれの上面に設けられた貫通孔を介して上方から下方に伸びる引き上げ棒17を備えている。引き上げ棒17は、鉛直方向への移動および軸を中心とする回転が可能となるように取り付けられている。なお、チャンバ14に設けられた貫通孔と引き上げ棒17との間には、図示しないシール材が設けられている。そして、引き上げ棒17の鉛直下方側の端部には、サファイアインゴット30を成長させるための基となる種結晶31(後述する図3参照)を装着、保持させるための保持部材18が取り付けられている。   The heating furnace 10 includes a pulling bar 17 that extends downward from above through through holes provided in the upper surfaces of the heat insulating container 11 and the chamber 14. The pulling rod 17 is attached so as to be able to move in the vertical direction and rotate around the axis. A sealing material (not shown) is provided between the through hole provided in the chamber 14 and the lifting rod 17. A holding member 18 for attaching and holding a seed crystal 31 (see FIG. 3 to be described later) as a base for growing the sapphire ingot 30 is attached to the end of the pulling bar 17 on the vertically lower side. Yes.

単結晶引き上げ装置Iは、引き上げ棒17を鉛直上方に引き上げるための引き上げ駆動部19および引き上げ棒17を回転させるための回転駆動部20を備えている。ここで、引き上げ駆動部19はモータ等で構成されており、引き上げ棒17の引き上げ速度を調整できるようになっている。また、回転駆動部20もモータ等で構成されており、引き上げ棒17の回転速度を調整できるようになっている。
単結晶引き上げ装置Iは、ガス供給管12を介してチャンバ14の内部にガスを供給するガス供給部21を備えている。本実施の形態において、ガス供給部21は、O源22から供給される酸素とN源23から供給される不活性ガスの一例としての窒素とを混合した混合ガスを供給する。そして、ガス供給部21は、酸素と窒素との混合比を可変することで、混合ガス中の酸素濃度を調整する。また、チャンバ14の内部に供給する混合ガスの流量の調整も行う。
The single crystal pulling apparatus I includes a pulling drive unit 19 for pulling up the pulling bar 17 vertically upward and a rotation driving unit 20 for rotating the pulling bar 17. Here, the pulling drive unit 19 is constituted by a motor or the like, and the pulling speed of the pulling rod 17 can be adjusted. The rotation drive unit 20 is also composed of a motor or the like so that the rotation speed of the lifting rod 17 can be adjusted.
The single crystal pulling apparatus I includes a gas supply unit 21 that supplies gas into the chamber 14 via the gas supply pipe 12. In the present embodiment, the gas supply unit 21 supplies a mixed gas in which oxygen supplied from the O 2 source 22 and nitrogen as an example of an inert gas supplied from the N 2 source 23 are mixed. And the gas supply part 21 adjusts the oxygen concentration in mixed gas by changing the mixing ratio of oxygen and nitrogen. The flow rate of the mixed gas supplied into the chamber 14 is also adjusted.

単結晶引き上げ装置Iは、ガス排出管13を介してチャンバ14の内部からガスを排出する排気部24を備えている。排気部24は、例えば、真空ポンプ等を備え、チャンバ14内の減圧や、ガス供給部21から供給されたガスの排気をすることが可能である。
単結晶引き上げ装置Iは、加熱コイル16に電流を供給するコイル電源25を備える。コイル電源25は、加熱コイル16への電流の供給の有無および供給する電流量を設定する。
また、単結晶引き上げ装置Iは、引き上げ棒17を介して引き上げ棒17の下部側に成長するサファイアインゴット30の重量を検出する重量検出部27を備える。この重量検出部27は、例えば、公知の重量センサ等を含んで構成される。
The single crystal pulling apparatus I includes an exhaust unit 24 that exhausts gas from the inside of the chamber 14 via the gas exhaust pipe 13. The exhaust unit 24 includes, for example, a vacuum pump or the like, and is capable of decompressing the chamber 14 and exhausting the gas supplied from the gas supply unit 21.
The single crystal pulling apparatus I includes a coil power supply 25 that supplies current to the heating coil 16. The coil power supply 25 sets whether to supply current to the heating coil 16 and the amount of current to be supplied.
In addition, the single crystal pulling apparatus I includes a weight detection unit 27 that detects the weight of the sapphire ingot 30 that grows on the lower side of the pulling bar 17 through the pulling bar 17. The weight detection unit 27 includes, for example, a known weight sensor.

そして、単結晶引き上げ装置Iは、上述した引き上げ駆動部19、回転駆動部20、ガス供給部21、排気部24、コイル電源25、コイル駆動部の動作を制御する制御部26を備えている。また、制御部26は、重量検出部27から出力される重量信号に基づき、引き上げられるサファイアインゴット30の結晶直径の計算をおこない、コイル電源25にフィードバックする。   The single crystal pulling apparatus I includes the pulling drive unit 19, the rotation drive unit 20, the gas supply unit 21, the exhaust unit 24, the coil power supply 25, and the control unit 26 that controls the operation of the coil drive unit. Further, the control unit 26 calculates the crystal diameter of the sapphire ingot 30 to be pulled up based on the weight signal output from the weight detection unit 27 and feeds it back to the coil power supply 25.

<サファイアインゴット30>
図3は、図2に示す単結晶引き上げ装置Iを用いて製造されるサファイアインゴット30の構成の一例を示している。
このサファイアインゴット30は、サファイアインゴット30を成長させるための基となる種結晶31と、種結晶31の下部に延在しこの種結晶31と一体化した肩部32と、肩部32の下部に延在し肩部32と一体化した直胴部33と、直胴部33の下部に延在し直胴部33と一体化した尾部34とを備えている。本実施の形態では、このサファイアインゴット30においては、上方の種結晶31側から下方の尾部34側に向けてc軸方向にサファイアの単結晶が成長している。
<Sapphire Ingot 30>
FIG. 3 shows an example of the configuration of the sapphire ingot 30 manufactured using the single crystal pulling apparatus I shown in FIG.
The sapphire ingot 30 includes a seed crystal 31 that is a base for growing the sapphire ingot 30, a shoulder portion 32 that extends under the seed crystal 31 and is integrated with the seed crystal 31, and a lower portion of the shoulder portion 32. A straight body portion 33 extending and integrated with the shoulder portion 32, and a tail portion 34 extending below the straight body portion 33 and integrated with the straight body portion 33 are provided. In the present embodiment, in this sapphire ingot 30, a single crystal of sapphire grows in the c-axis direction from the upper seed crystal 31 side toward the lower tail portion 34 side.

ここで、肩部32は、種結晶31側から直胴部33側に向けて、徐々にその直径が拡大していく形状を有している。また、直胴部33は、上方から下方に向けてその直径がほぼ同じとなるような形状を有している。なお、直胴部33の直径は、予め設計されたサファイア単結晶のウエーハの直径よりもわずかに大きな値に設定される。直胴部33の直径(断面直径)をインゴット径Dingと記す。尾部34は、上方から下方に向けて徐々にその直径が縮小し、上方から下方に向けて凸状となる形状(凸形状)を有している。尾部34の上下方向の長さを尾部長さHTと記す。   Here, the shoulder portion 32 has a shape in which the diameter gradually increases from the seed crystal 31 side toward the straight body portion 33 side. Further, the straight body portion 33 has a shape such that the diameters thereof are substantially the same from the top to the bottom. The diameter of the straight body portion 33 is set to a value slightly larger than the diameter of a sapphire single crystal wafer designed in advance. The diameter (cross-sectional diameter) of the straight body portion 33 is referred to as an ingot diameter Ding. The tail portion 34 has a shape (convex shape) that gradually decreases in diameter from the upper side to the lower side and becomes convex from the upper side to the lower side. The length of the tail 34 in the vertical direction is referred to as tail length HT.

<サファイアインゴット30を製造する手順>
サファイアインゴット30の製造に際し、先ず、チャンバ14内の坩堝20内に充填された固体の酸化アルミニウムを加熱によって溶融する(アルミナ融液35)。次に、アルミナ融液35に種結晶31の下端部を接触させた状態で温度調整を行う。次いで、アルミナ融液35に接触させた種結晶31を回転させながら上方に引き上げ、種結晶31の下方に肩部32を形成する。引き続いて、種結晶31を介して肩部32を回転させながら上方に引き上げ、肩部32の下方に直胴部33を形成する。さらに引き続いて、種結晶31および肩部32を介して直胴部33を回転させながら上方に引き上げてアルミナ融液35から引き離し、直胴部33の下方に尾部34を形成する。その後、得られたサファイアインゴット30が冷却された後にチャンバ14の外部に取り出される。その後、サファイアインゴット30の熱歪を除去するため、熱処理工程を加えることが望ましい。
<Procedure for Producing Sapphire Ingot 30>
When manufacturing the sapphire ingot 30, first, solid aluminum oxide filled in the crucible 20 in the chamber 14 is melted by heating (alumina melt 35). Next, temperature adjustment is performed with the alumina melt 35 in contact with the lower end portion of the seed crystal 31. Next, the seed crystal 31 brought into contact with the alumina melt 35 is pulled upward while being rotated, and a shoulder portion 32 is formed below the seed crystal 31. Subsequently, the shoulder portion 32 is rotated upward through the seed crystal 31 while being pulled up, and the straight body portion 33 is formed below the shoulder portion 32. Subsequently, while rotating the straight body portion 33 through the seed crystal 31 and the shoulder portion 32, the straight body portion 33 is pulled upward and separated from the alumina melt 35, and a tail portion 34 is formed below the straight body portion 33. Then, after the obtained sapphire ingot 30 is cooled, it is taken out of the chamber 14. Thereafter, in order to remove the thermal strain of the sapphire ingot 30, it is desirable to add a heat treatment step.

(ステップ200)
次に、このようにして得られたサファイアインゴット30は、先ず、肩部32と直胴部33との境界および直胴部33と尾部34との境界においてそれぞれ切断され、直胴部33が切り出される。次に、切り出された直胴部33は、さらに、例えば、マルチワイヤーソーにより、長手方向と直交する方向に切断され、サファイア単結晶のウエーハ(サファイアウエーハ)として切り出される。このとき、本実施の形態のサファイアインゴット30は、サファイア単結晶のc軸方向に結晶成長していることから、得られるウエーハの主面は、サファイア単結晶のC面((0001)面)となる。
(Step 200)
Next, the sapphire ingot 30 obtained in this way is first cut at the boundary between the shoulder portion 32 and the straight body portion 33 and at the boundary between the straight body portion 33 and the tail portion 34, and the straight body portion 33 is cut out. It is. Next, the cut out straight body portion 33 is further cut in a direction orthogonal to the longitudinal direction by, for example, a multi-wire saw, and cut out as a sapphire single crystal wafer (sapphire wafer). At this time, since the sapphire ingot 30 of the present embodiment is grown in the c-axis direction of the sapphire single crystal, the main surface of the obtained wafer is the C plane ((0001) plane) of the sapphire single crystal. Become.

(ステップ300)
次に、切り出したサファイアウエーハについてウエットエッチング処理を施し、マルチワイヤーソーを用いた切り出しにより受けた加工ダメージ(破砕層)を除去する。ウエットエッチング処理の条件は特に限定されないが、例えば、130℃程度の温度において、サファイアウエーハをリン酸等の酸溶液中に浸漬する方法、サファイアウエーハの表面に酸溶液を吹き付ける方法等が挙げられる。ウエットエッチング処理後は、例えば、温水リンス等を用いてサファイアウエーハの表面を洗浄後、乾燥する。
(Step 300)
Next, the cut sapphire wafer is subjected to a wet etching process to remove processing damage (crushed layer) received by cutting using a multi-wire saw. The conditions for the wet etching treatment are not particularly limited, and examples thereof include a method of immersing a sapphire wafer in an acid solution such as phosphoric acid at a temperature of about 130 ° C., and a method of spraying an acid solution on the surface of the sapphire wafer. After the wet etching process, for example, the surface of the sapphire wafer is washed with hot water rinse or the like and then dried.

(ステップ400)
次に、ウエットエッチング処理を施したサファイアウエーハについて、ラング法によるX線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の結晶欠陥を測定する。
図4は、サファイアウエーハのラング法によるX線トポグラフィ測定の一例を説明する図である。図4に示すように、X線トポグラフィ測定に用いるラングカメラは、所定のX線管(図示せず)に内蔵されたX線源1と、横スリット2aと縦スリット2bとからなる発散スリット2と、ブラッグ回折条件を満たす回折X線を制限する一対の制限スリット板3と、フィルム4とを有している。また、図示しないが、ラングカメラは、フィルム4の後方に配置したカウンタと、測定するサファイアウエーハ5を保持する円形状の試料ホルダ、試料ホルダを水平方向へ往復直進移動可能に固定するスライダ上に固定された支持フレーム、フィルム4を支持する支持フレーム及びこれと一体なアームを有している。
(Step 400)
Next, the X-ray topography measurement by the Lang method is performed about the sapphire wafer which performed the wet etching process, and the crystal defect of a sapphire single crystal is measured.
FIG. 4 is a diagram for explaining an example of X-ray topography measurement by the Lang method of a sapphire wafer. As shown in FIG. 4, a rung camera used for X-ray topography measurement includes an X-ray source 1 built in a predetermined X-ray tube (not shown), and a diverging slit 2 composed of a horizontal slit 2a and a vertical slit 2b. And a pair of limiting slit plates 3 that limit diffraction X-rays that satisfy the Bragg diffraction condition, and a film 4. Although not shown, the rung camera has a counter placed behind the film 4, a circular sample holder for holding the sapphire wafer 5 to be measured, and a slider for fixing the sample holder so that the sample holder can be moved back and forth in the horizontal direction. It has a fixed support frame, a support frame that supports the film 4, and an arm integral therewith.

図4に示す通り、X線源1から放射されたX線は発散スリット2によって発散角が制限され、測定対象であるサファイアウエーハ5に入射する。このとき、サファイアウエーハ5に照射されるX線照射野は、サファイアウエーハ5の垂直方向に細長い帯状の領域となる。
サファイアウエーハ5は、水平方向に延びる中心軸線(図示せず)を中心として面内回転すると共に、垂直軸線L2を中心とし、X線の入射角度を調整するための回転(ω回転)を行う。これにより、サファイアウエーハ5に照射されるX線照射野の全体から、ブラッグ回折条件を満たすX線回折が起きるように角度位置の調整が行われる。サファイアウエーハ5を透過する透過X線6に対し、このブラッグ回折条件を満たす回折X線7は、制限スリット板3の間に形成されたスリットを通過してフィルム4に入射し、そこに細長い帯状の回折X線像8を形成する。
本実施の形態では、サファイアウエーハ5に照射されるX線照射野の全体から、サファイア単結晶の格子面としてA面((11−20)面)から得られる回折X線7により回折X線像8を形成している。
As shown in FIG. 4, the X-ray radiated from the X-ray source 1 has its divergence angle limited by the divergence slit 2 and is incident on the sapphire wafer 5 that is a measurement object. At this time, the X-ray irradiation field irradiated to the sapphire wafer 5 is a strip-like region elongated in the vertical direction of the sapphire wafer 5.
The sapphire wafer 5 rotates in-plane around a central axis (not shown) extending in the horizontal direction, and performs rotation (ω rotation) for adjusting the incident angle of the X-ray around the vertical axis L2. Thereby, the angular position is adjusted so that X-ray diffraction satisfying the Bragg diffraction condition occurs from the entire X-ray irradiation field irradiated to the sapphire wafer 5. The diffracted X-rays 7 satisfying the Bragg diffraction condition with respect to the transmitted X-rays 6 transmitted through the sapphire wafer 5 pass through the slit formed between the limiting slit plates 3 and enter the film 4, and are elongated in a strip shape. The diffraction X-ray image 8 is formed.
In the present embodiment, a diffracted X-ray image is obtained by diffracted X-rays 7 obtained from the A plane ((11-20) plane) as the lattice plane of the sapphire single crystal from the entire X-ray irradiation field irradiated to the sapphire wafer 5. 8 is formed.

ここで、所定のスライダ(図示せず)によって、サファイアウエーハ5及びフィルム4を一体に方向Aに平行移動させ、X線照射野をサファイアウエーハ5の一端から他端まで一定速度で走査する。このとき、サファイアウエーハ5の全面にわたる回折X線7による回折X線像8がフィルム4上に撮像されて、いわゆるX線トポグラフが作成される。そして、この回折X線像8を観察することにより、サファイアウエーハ5の結晶欠陥が判定される。尚、本実施の形態では、サファイア単結晶基板の周辺3mmを除くすべての領域に照射されるX線照射野から回折X線像8を形成している。   Here, the sapphire wafer 5 and the film 4 are moved together in the direction A by a predetermined slider (not shown), and the X-ray irradiation field is scanned from one end to the other end of the sapphire wafer 5 at a constant speed. At this time, a diffracted X-ray image 8 of the diffracted X-rays 7 over the entire surface of the sapphire wafer 5 is imaged on the film 4 to create a so-called X-ray topograph. Then, by observing the diffracted X-ray image 8, crystal defects of the sapphire wafer 5 are determined. In the present embodiment, the diffracted X-ray image 8 is formed from the X-ray irradiation field irradiated to all regions except 3 mm around the sapphire single crystal substrate.

(ステップ500)
前述したように、サファイアウエーハ5は、X線の入射角度を調整するため、垂直軸線L2を中心として回転(ω回転)する。これにより、サファイアウエーハ5から、サファイア単結晶の格子面としてA面((11−20)面)のブラッグ回折条件を満たすX線回折が起きるように入射角度(ω)位置が調整される。入射角度(ω)位置の調整は、サファイアウエーハ5の中心にX線を照射して行われる。
次に、本実施の形態では、サファイアウエーハ5に入射するX線の入射角度(ω)を固定し、サファイアウエーハ5及びフィルム4を、一体に方向Aに平行移動させる。このとき、サファイアウエーハ5及びフィルム4を平行移動させる方法は、これらを一体として連続的に移動させてもよく、また、一定幅のピッチ毎にステップ走査でも構わない。本実施の形態では、一定幅のピッチ毎にステップ走査を行う方法を採用している。
(Step 500)
As described above, the sapphire wafer 5 rotates (ω rotation) about the vertical axis L2 in order to adjust the incident angle of X-rays. Thereby, the incident angle (ω) position is adjusted from the sapphire wafer 5 so that X-ray diffraction satisfying the Bragg diffraction condition of the A plane ((11-20) plane) as the lattice plane of the sapphire single crystal occurs. The adjustment of the incident angle (ω) position is performed by irradiating the center of the sapphire wafer 5 with X-rays.
Next, in this embodiment, the incident angle (ω) of the X-rays incident on the sapphire wafer 5 is fixed, and the sapphire wafer 5 and the film 4 are translated in the direction A together. At this time, as a method of moving the sapphire wafer 5 and the film 4 in parallel, the sapphire wafer 5 and the film 4 may be moved continuously as a unit, or step scanning may be performed for every pitch of a certain width. In the present embodiment, a method of performing step scanning for each pitch having a constant width is employed.

ここで、サファイアウエーハ5のサファイア単結晶に結晶欠陥が存在すると、(11−20)面に基づくブラッグ回折条件を満たす回折X線7による回折X線像8が形成されない。本実施の形態では、サファイアウエーハ5を、垂直軸線L2を中心として回転(ω回転)させ、ブラッグ回折条件を満たす回折X線像8が得られるように、サファイアウエーハ5のサファイア単結晶に入射するX線の入射角度を補正する。本実施の形態では、サファイア単結晶が結晶欠陥部分を含む場合、その結晶欠陥部分にX線を入射させ、サファイア単結晶の(11−20)面のX線回折像が得られるX線の入射角度(ω)に対し、サファイアウエーハ5を回転(ω回転)させ、ブラッグ回折条件を満たす回折X線像8を得る操作を湾曲補正と称し、そのときの回転角度を湾曲補正値(Δω)と称する。   Here, when a crystal defect exists in the sapphire single crystal of the sapphire wafer 5, the diffraction X-ray image 8 by the diffraction X-ray 7 that satisfies the Bragg diffraction condition based on the (11-20) plane is not formed. In this embodiment, the sapphire wafer 5 is rotated (ω rotation) about the vertical axis L2 and is incident on the sapphire single crystal of the sapphire wafer 5 so that a diffraction X-ray image 8 satisfying the Bragg diffraction condition is obtained. The incident angle of X-ray is corrected. In the present embodiment, when the sapphire single crystal includes a crystal defect portion, X-rays are incident on the crystal defect portion, and X-ray incidence is obtained to obtain an X-ray diffraction image of the (11-20) plane of the sapphire single crystal. The operation of rotating the sapphire wafer 5 with respect to the angle (ω) to obtain the diffracted X-ray image 8 satisfying the Bragg diffraction condition is referred to as curvature correction, and the rotation angle at that time is referred to as a curvature correction value (Δω). Called.

本実施の形態では、ラング法によるサファイア単結晶のX線トポグラフィ測定において、上述した湾曲補正値(Δω)の範囲(−0.15°≦Δω≦0.15°)を判断基準としてサファイアウエーハ5を選別している。
すなわち、サファイア単結晶が、上述した湾曲補正値(Δω)が±0.15°の範囲内で補正したX線によりX線回折像が得られるサファイアウエーハ5を採用(YES)し、湾曲補正値(Δω)が過度に大きいものを排除(NO)し、その選別を行っている。
選別されたサファイアウエーハ5は、後述するIII族化合物半導体層の成膜工程におけるサファイア単結晶基板として使用され、半導体発光素子が製造される。ここで、湾曲補正値(Δω)の絶対値が過度に大きい場合は、高密度の結晶欠陥により結晶面方位のズレが発生している。このようなサファイアウエーハ5をIII族化合物半導体層の成膜工程におけるサファイア単結晶基板として使用すると、このようなサファイア単結晶基板の被成膜面には、III族化合物半導体層のエピタキシャル形成が良好に進行しない。
尚、サファイア単結晶基板の湾曲補正値(Δω)の変化は、サファイアウエーハ5の一端から他端にかけてなだらかに変化することが望ましい。サファイア単結晶基板内における湾曲補正値(Δω)のなだらかな変化は、サファイア単結晶基板の被成膜面にIII族化合物半導体層をエピタキシャル形成する際に欠陥が発生しにくいと推測される。
In the present embodiment, in the X-ray topography measurement of the sapphire single crystal by the Lang method, the sapphire wafer 5 with the above-described range of the curvature correction value (Δω) (−0.15 ° ≦ Δω ≦ 0.15 °) as a criterion. Are sorted out.
That is, the sapphire single crystal adopts (YES) a sapphire wafer 5 that can obtain an X-ray diffraction image by X-rays corrected in the above-described range of the curvature correction value (Δω) within ± 0.15 ° (YES). Those having an excessively large (Δω) are excluded (NO) and selected.
The selected sapphire wafer 5 is used as a sapphire single crystal substrate in a film forming process of a group III compound semiconductor layer to be described later, and a semiconductor light emitting device is manufactured. Here, when the absolute value of the curvature correction value (Δω) is excessively large, a crystal plane orientation shift occurs due to high-density crystal defects. When such a sapphire wafer 5 is used as a sapphire single crystal substrate in a film forming process of a group III compound semiconductor layer, the epitaxial formation of the group III compound semiconductor layer is good on the film formation surface of such a sapphire single crystal substrate. Does not progress to.
It should be noted that the change in the curvature correction value (Δω) of the sapphire single crystal substrate desirably changes gently from one end of the sapphire wafer 5 to the other end. The gentle change of the curvature correction value (Δω) in the sapphire single crystal substrate is presumed that defects are less likely to occur when the group III compound semiconductor layer is epitaxially formed on the film formation surface of the sapphire single crystal substrate.

(ステップ600)
ここで、上述した湾曲補正値(Δω)の範囲を満たさないとして排除(NO)されたサファイアウエーハは、断熱容器11の内側下方に配置した坩堝15に加えられ、CZ法によるサファイア単結晶のインゴットの製造コストを低減するための原料として再利用される。選別工程(ステップ600)において排除(NO)されたサファイアウエーハは、選別されたサファイアウエーハと比較すると、サファイア単結晶の結晶欠陥は多い。しかし、サファイアインゴット30の製造に用いる原料としてアルミナの純度が充分高いので、原料としての品質を満足している。
(Step 600)
Here, the sapphire wafer excluded (NO) because it does not satisfy the range of the curvature correction value (Δω) described above is added to the crucible 15 disposed inside and below the heat insulating container 11, and an ingot of a sapphire single crystal by the CZ method. It is reused as a raw material for reducing the manufacturing cost. The sapphire wafer eliminated (NO) in the sorting step (step 600) has more crystal defects in the sapphire single crystal than the sorted sapphire wafer. However, since the purity of alumina is sufficiently high as a raw material used for manufacturing the sapphire ingot 30, the quality as a raw material is satisfied.

(ステップ700)
次に、選別工程により選別されたサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、被研磨面を鏡面状態に仕上げる。サファイアウエーハの被研磨面を研磨する方法は、特に限定されない。例えば、ダイヤモンド砥粒を用いてサファイアウエーハの被研磨面を研磨し、さらに、酸を用いて被研磨面の表面をエッチングし、その後、洗浄することが、望ましい。
さらに、発光素子の発光効率を高める為、サファイアウエーハの表面に微細な凹凸加工を施すことが望ましい。微細な凹凸加工としては、例えば、直径が約2μm、高さが約1μmの凸部を、サファイアウエーハの表面に約3μm間隔に配置する。凸部の加工は、公知のフォトリソグラフィー技術、ドライエッチング技術、ウエットエッチング技術を利用できる。凸部の形状は、半球、円錐、円柱、角錐、角柱などの形状を利用でき、なかでも円錐、半球状が望ましい。
(Step 700)
Next, the surface to be polished of the sapphire wafer selected by the selection step is polished, and the surface to be polished is finished in a mirror state. The method for polishing the surface to be polished of the sapphire wafer is not particularly limited. For example, it is desirable to polish the surface to be polished of a sapphire wafer using diamond abrasive grains, further etch the surface of the surface to be polished using acid, and then clean the surface.
Further, in order to increase the light emission efficiency of the light emitting element, it is desirable to perform fine uneven processing on the surface of the sapphire wafer. As the fine uneven processing, for example, convex portions having a diameter of about 2 μm and a height of about 1 μm are arranged on the surface of the sapphire wafer at intervals of about 3 μm. A known photolithography technique, dry etching technique, or wet etching technique can be used for processing the protrusion. The shape of the convex portion can be a hemisphere, a cone, a cylinder, a pyramid, a prism, or the like, and a cone or a hemisphere is preferable.

(ステップ800)
本実施の形態において半導体発光素子(LC)は、上述した工程を経て選別されたサファイアウエーハ5をサファイア単結晶基板として使用し、このサファイア単結晶基板上にIII族化合物半導体層を成膜する。
次に、本実施の形態が適用される半導体発光素子の製造方法により製造する半導体発光素子の構成を説明する。本実施の形態において製造される半導体発光素子は、基板と基板上に成膜された化合物半導体層とを有している。化合物半導体層を構成する化合物半導体としては、例えば、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、IV−IV族化合物半導体等が挙げられる。本実施の形態では、III−V族化合物半導体が好ましく、中でも、III族窒化物化合物半導体が好ましい。以下に、III族窒化物化合物半導体から構成された化合物半導体層を有する半導体発光素子を例に挙げて説明する。
(Step 800)
In the present embodiment, the semiconductor light emitting device (LC) uses the sapphire wafer 5 selected through the above-described steps as a sapphire single crystal substrate, and forms a group III compound semiconductor layer on the sapphire single crystal substrate.
Next, the structure of the semiconductor light emitting device manufactured by the method for manufacturing the semiconductor light emitting device to which the present embodiment is applied will be described. The semiconductor light emitting device manufactured in the present embodiment has a substrate and a compound semiconductor layer formed on the substrate. Examples of the compound semiconductor constituting the compound semiconductor layer include a III-V group compound semiconductor, a II-VI group compound semiconductor, a IV-IV group compound semiconductor, and the like. In the present embodiment, a III-V group compound semiconductor is preferable, and among these, a group III nitride compound semiconductor is preferable. Hereinafter, a semiconductor light emitting device having a compound semiconductor layer composed of a group III nitride compound semiconductor will be described as an example.

(半導体発光素子)
図5は、本実施の形態において製造される半導体発光素子の一例を説明する図である。図5に示すように、半導体発光素子(LC)は、サファイア単結晶基板110上に形成された中間層120の上に、下地層130とIII族化合物半導体層100とを有している。III族化合物半導体層100は、n型半導体層140、発光層150、p型半導体層160が順次積層されている。
さらに、p型半導体層160上に透明正極170が積層され、その上に正極ボンディングパッド180が形成されるとともに、n型半導体層140のn型コンタクト層140aに形成された露出領域140cに負極190が積層されている。
(Semiconductor light emitting device)
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a semiconductor light emitting device manufactured in the present embodiment. As shown in FIG. 5, the semiconductor light emitting device (LC) has a base layer 130 and a group III compound semiconductor layer 100 on an intermediate layer 120 formed on a sapphire single crystal substrate 110. In the group III compound semiconductor layer 100, an n-type semiconductor layer 140, a light emitting layer 150, and a p-type semiconductor layer 160 are sequentially stacked.
Further, a transparent positive electrode 170 is laminated on the p-type semiconductor layer 160, a positive electrode bonding pad 180 is formed thereon, and a negative electrode 190 is formed in the exposed region 140c formed in the n-type contact layer 140a of the n-type semiconductor layer 140. Are stacked.

ここで、下地層130上に成膜されたn型半導体層140は、n型コンタクト層140a及びn型クラッド層140bを有する。発光層150は、障壁層150a及び井戸層150bが交互に積層された構造を有する。p型半導体層160は、p型クラッド層160a及びp型コンタクト層160bが積層されている。
本実施の形態では、サファイア単結晶基板110上に成膜された化合物半導体層(中間層120、下地層130及びIII族化合物半導体層100を合わせた層)の合計の厚さは、好ましくは3μm以上、さらに好ましくは5μm以上、さらに望ましくは8μm以上である。また、これらの合計の厚さは、好ましくは15μm以下がよい。
次に、半導体発光素子(LC)を構成する各層の材料について説明する。
Here, the n-type semiconductor layer 140 formed on the base layer 130 includes an n-type contact layer 140a and an n-type cladding layer 140b. The light emitting layer 150 has a structure in which barrier layers 150a and well layers 150b are alternately stacked. In the p-type semiconductor layer 160, a p-type cladding layer 160a and a p-type contact layer 160b are stacked.
In the present embodiment, the total thickness of the compound semiconductor layers (a combination of the intermediate layer 120, the base layer 130, and the group III compound semiconductor layer 100) formed on the sapphire single crystal substrate 110 is preferably 3 μm. More preferably, it is 5 μm or more, and more desirably 8 μm or more. The total thickness of these is preferably 15 μm or less.
Next, the material of each layer constituting the semiconductor light emitting element (LC) will be described.

(中間層120)
本実施の形態では、III族化合物半導体層100を有機金属化学気相成長法(MOCVD)により成膜する際に、バッファ機能を発揮する中間層120をサファイア単結晶基板110上に設けることが好ましい。特に、中間層120が単結晶構造であることは、バッファ機能の面から好ましい。単結晶構造を有する中間層120をサファイア単結晶基板110上に成膜した場合、中間層120のバッファ機能が有効に作用し、中間層120上に成膜される下地層130とIII族化合物半導体層100は、良好な配向性及び結晶性を持つ結晶膜となる。
中間層120は、Alを含有することが好ましく、III族窒化物であるAlNを含むことが特に好ましい。中間層120を構成する材料としては、一般式AlGaInNで表されるIII族窒化物化合物半導体であれば特に限定されない。さらに、V族として、AsやPが含有されても良い。中間層120が、Alを含む組成の場合、AlGaNとすることが好ましく、Alの組成が50%以上であることが好ましい。
(Intermediate layer 120)
In the present embodiment, it is preferable to provide an intermediate layer 120 that exhibits a buffer function on the sapphire single crystal substrate 110 when the group III compound semiconductor layer 100 is formed by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). . In particular, the intermediate layer 120 preferably has a single crystal structure from the viewpoint of the buffer function. When the intermediate layer 120 having a single crystal structure is formed on the sapphire single crystal substrate 110, the buffer function of the intermediate layer 120 acts effectively, and the base layer 130 and the group III compound semiconductor formed on the intermediate layer 120 The layer 100 is a crystal film having good orientation and crystallinity.
The intermediate layer 120 preferably contains Al, and particularly preferably contains AlN which is a group III nitride. The material constituting the intermediate layer 120 is not particularly limited as long as it is a group III nitride compound semiconductor represented by the general formula AlGaInN. Furthermore, As and P may be contained as a group V. When the intermediate layer 120 has a composition containing Al, it is preferably AlGaN, and the composition of Al is preferably 50% or more.

(下地層130)
下地層130に用いる材料としては、Gaを含むIII族窒化物(GaN系化合物半導体)が用いられ、特に、AlGaN、又はGaNを好適に用いることができる。下地層130の膜厚は0.1μm以上、好ましくは0.5μm以上、さらに好ましくは1μm以上である。
(Underlayer 130)
As a material used for the underlayer 130, a group III nitride (GaN-based compound semiconductor) containing Ga is used, and in particular, AlGaN or GaN can be preferably used. The film thickness of the underlayer 130 is 0.1 μm or more, preferably 0.5 μm or more, and more preferably 1 μm or more.

(n型半導体層140)
n型半導体層140は、n型コンタクト層140a及びn型クラッド層140bから構成される。n型コンタクト層140aとしては、下地層130と同様にGaN系化合物半導体が用いられる。また、下地層130及びn型コンタクト層140aを構成する窒化ガリウム系化合物半導体は同一組成であることが好ましく、これらの合計の膜厚を0.1μm〜20μm、好ましくは0.5μm〜15μm、さらに好ましくは1μm〜12μmの範囲に設定することが好ましい。
(N-type semiconductor layer 140)
The n-type semiconductor layer 140 includes an n-type contact layer 140a and an n-type cladding layer 140b. As the n-type contact layer 140a, a GaN-based compound semiconductor is used in the same manner as the base layer 130. Further, the gallium nitride compound semiconductor constituting the base layer 130 and the n-type contact layer 140a preferably has the same composition, and the total film thickness thereof is 0.1 μm to 20 μm, preferably 0.5 μm to 15 μm, Preferably, it is set in the range of 1 μm to 12 μm.

n型クラッド層140bは、AlGaN、GaN、GaInN等によって形成することが可能である。また、これらの構造のヘテロ接合や複数回積層した超格子構造としてもよい。GaInNとする場合には、後述する発光層150を構成する井戸層150bのGaInNのバンドギャップよりも大きくすることが望ましい。n型クラッド層140bの膜厚は、好ましくは5nm〜500nmであり、より好ましくは5nm〜100nmの範囲である。   The n-type cladding layer 140b can be formed of AlGaN, GaN, GaInN, or the like. Alternatively, a heterojunction of these structures or a superlattice structure in which a plurality of layers are stacked may be used. In the case of using GaInN, it is desirable to make it larger than the GaInN band gap of the well layer 150b constituting the light emitting layer 150 described later. The film thickness of the n-type cladding layer 140b is preferably 5 nm to 500 nm, more preferably 5 nm to 100 nm.

(発光層150)
発光層150は、窒化ガリウム系化合物半導体からなる障壁層150aと、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体からなる井戸層150bとが交互に繰り返して積層され、且つ、n型半導体層140側及びp型半導体層160側に障壁層150aが配される順で積層して形成される。本実施の形態では、発光層150は、6層の障壁層150aと5層の井戸層150bとが交互に繰り返して積層され、発光層150の最上層及び最下層に障壁層150aが配され、各障壁層150a間に井戸層150bが配される構成とされている。
井戸層150bには、インジウムを含有する窒化ガリウム系化合物半導体として、例えば、Ga1−sInN(0<s<0.4)等の窒化ガリウムインジウムを用いることができる。
井戸層150bの膜厚としては、特に限定されないが、量子効果が得られる程度の膜厚であり、臨界膜厚以下の領域であることが好ましい。例えば、井戸層150bの膜厚は、1nm〜10nmの範囲であることが好ましく、2nm〜6nmの膜厚であればより好ましい。
障壁層150aとしては、井戸層150bよりもバンドギャップエネルギーが大きいAlGa1−cN(0≦c≦0.3)等の窒化ガリウム系化合物半導体を好適に用いることができる。
(Light emitting layer 150)
The light emitting layer 150 includes a barrier layer 150a made of a gallium nitride-based compound semiconductor and a well layer 150b made of a gallium nitride-based compound semiconductor containing indium, which are alternately stacked, and the n-type semiconductor layer 140 side and the p-type layer. The barrier layers 150a are stacked in the order in which the barrier layers 150a are disposed on the type semiconductor layer 160 side. In the present embodiment, the light emitting layer 150 includes six barrier layers 150a and five well layers 150b that are alternately and repeatedly stacked, and the barrier layer 150a is disposed on the uppermost layer and the lowermost layer of the light emitting layer 150. A well layer 150b is arranged between the barrier layers 150a.
The well layer 150b can be indium as semiconductor gallium nitride-based compound containing, for example, it can be used Ga 1-s In s N ( 0 <s <0.4) GaN such as indium.
The film thickness of the well layer 150b is not particularly limited, but it is a film thickness that allows the quantum effect to be obtained, and is preferably a region that is equal to or less than the critical film thickness. For example, the thickness of the well layer 150b is preferably in the range of 1 nm to 10 nm, and more preferably 2 nm to 6 nm.
As the barrier layer 150a, a gallium nitride-based compound semiconductor such as Al c Ga 1-c N (0 ≦ c ≦ 0.3) having a larger band gap energy than the well layer 150b can be preferably used.

(p型半導体層160)
p型半導体層160は、p型クラッド層160a及びp型コンタクト層160bから構成される。p型クラッド層160aとしては、好ましくは、AlGa1−dN(0<d≦0.4)が挙げられる。p型クラッド層160aの膜厚は、好ましくは1nm〜400nmであり、より好ましくは5nm〜100nmである。
p型コンタクト層160bとしては、少なくともAlGa1−eN(0≦e<0.5)を含んでなる窒化ガリウム系化合物半導体層が挙げられる。p型コンタクト層160bの膜厚は、特に限定されないが、10nm〜500nmが好ましく、より好ましくは50nm〜200nmである。
(P-type semiconductor layer 160)
The p-type semiconductor layer 160 includes a p-type cladding layer 160a and a p-type contact layer 160b. The p-type cladding layer 160a is preferably Al d Ga 1-d N (0 <d ≦ 0.4). The film thickness of the p-type cladding layer 160a is preferably 1 nm to 400 nm, more preferably 5 nm to 100 nm.
Examples of the p-type contact layer 160b include a gallium nitride compound semiconductor layer containing at least Al e Ga 1-e N (0 ≦ e <0.5). The thickness of the p-type contact layer 160b is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 500 nm, and more preferably 50 nm to 200 nm.

(透明正極170)
透明正極170を構成する材料としては、例えば、ITO(In−SnO)、AZO(ZnO−Al)、IZO(In−ZnO)、GZO(ZnO−Ga)等の従来公知の材料が挙げられる。また、透明正極170の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。透明正極170は、p型半導体層160上のほぼ全面を覆うように形成しても良く、格子状や樹形状に形成しても良い。
(Transparent positive electrode 170)
Examples of the material constituting the transparent positive electrode 170 include ITO (In 2 O 3 —SnO 2 ), AZO (ZnO—Al 2 O 3 ), IZO (In 2 O 3 —ZnO), and GZO (ZnO—Ga 2 O). Conventionally known materials such as 3 ) may be mentioned. Moreover, the structure of the transparent positive electrode 170 is not specifically limited, A conventionally well-known structure is employable. The transparent positive electrode 170 may be formed so as to cover almost the entire surface of the p-type semiconductor layer 160, or may be formed in a lattice shape or a tree shape.

(正極ボンディングパッド180)
透明正極170上に形成される電極としての正極ボンディングパッド180は、例えば、従来公知のAu、Al、Ni、Cu等の材料から構成される。正極ボンディングパッド180の構造は特に限定されず、従来公知の構造を採用することができる。
正極ボンディングパッド180の厚さは、100nm〜1,000nmの範囲内であり、好ましくは300nm〜500nmの範囲内である。
(Positive electrode bonding pad 180)
The positive electrode bonding pad 180 as an electrode formed on the transparent positive electrode 170 is made of, for example, a conventionally known material such as Au, Al, Ni, or Cu. The structure of the positive electrode bonding pad 180 is not particularly limited, and a conventionally known structure can be adopted.
The thickness of the positive electrode bonding pad 180 is in the range of 100 nm to 1,000 nm, and preferably in the range of 300 nm to 500 nm.

(負極190)
図5に示すように、負極190は、サファイア単結晶基板110上に成膜された中間層120及び下地層130の上にさらに成膜されたIII族化合物半導体層100(n型半導体層140、発光層150及びp型半導体層160)において、n型半導体層140のn型コンタクト層140aに接するように形成される。このため、負極190を形成する際は、p型半導体層160、発光層150及びn型半導体層140の一部を除去し、n型コンタクト層140aの露出領域140cを形成し、この上に負極190を形成する。
負極190の材料としては、各種組成および構造の負極が周知であり、これら周知の負極を何ら制限無く用いることができ、この技術分野でよく知られた慣用の手段で設けることができる。
(Negative electrode 190)
As shown in FIG. 5, the negative electrode 190 includes a group III compound semiconductor layer 100 (n-type semiconductor layer 140, n-type semiconductor layer 140, further formed on the intermediate layer 120 and the base layer 130 formed on the sapphire single crystal substrate 110. The light emitting layer 150 and the p-type semiconductor layer 160 are formed so as to be in contact with the n-type contact layer 140a of the n-type semiconductor layer 140. Therefore, when forming the negative electrode 190, the p-type semiconductor layer 160, the light emitting layer 150, and the n-type semiconductor layer 140 are partially removed to form an exposed region 140c of the n-type contact layer 140a, and the negative electrode is formed thereon. 190 is formed.
As the material of the negative electrode 190, negative electrodes having various compositions and structures are well known, and these well-known negative electrodes can be used without any limitation, and can be provided by conventional means well known in this technical field.

本実施の形態では、先ず、サファイア単結晶基板110上に、V族元素を含むガスと金属材料とをプラズマで活性化して反応させ、III族窒化物からなる中間層120を成膜する。続いて、成膜した中間層120上に、下地層130、n型半導体層140、発光層150、及びp型半導体層160を順次積層する。   In the present embodiment, first, an intermediate layer 120 made of a group III nitride is formed on a sapphire single crystal substrate 110 by activating and reacting a gas containing a group V element with a metal material. Subsequently, the base layer 130, the n-type semiconductor layer 140, the light emitting layer 150, and the p-type semiconductor layer 160 are sequentially stacked on the formed intermediate layer 120.

本実施の形態では、サファイア単結晶基板110上にIII族窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる際、中間層120は、スパッタ法を用いて、プラズマで活性化して反応した原料をサファイア単結晶基板110上に成膜することが好ましい。ここで、V族元素を窒素とし、中間層120を成膜する際のガス中における窒素のガス分率を50%〜99%以下の範囲とするとともに、中間層120を単結晶組織として形成する。これにより、短時間で良好な結晶性を有する中間層120が、サファイア単結晶基板110上に成膜される。その結果、中間層120上に、中間層120を設けない場合と比較して、結晶性の良好なIII族窒化物半導体が成長する。   In the present embodiment, when the group III nitride semiconductor crystal is epitaxially grown on the sapphire single crystal substrate 110, the intermediate layer 120 uses a sputtering method to activate the raw material that has been activated and reacted with plasma on the sapphire single crystal substrate 110. It is preferable to form a film. Here, the V group element is nitrogen, the gas fraction of nitrogen in the gas when forming the intermediate layer 120 is in the range of 50% to 99% or less, and the intermediate layer 120 is formed as a single crystal structure. . Thereby, the intermediate layer 120 having good crystallinity is formed on the sapphire single crystal substrate 110 in a short time. As a result, a group III nitride semiconductor with good crystallinity grows on the intermediate layer 120 as compared with the case where the intermediate layer 120 is not provided.

本実施の形態では、中間層120をスパッタ法によって形成した後、その上に、有機金属化学気相成長法(MOCVD)によって、下地層130、n型半導体層140、発光層150及びp型半導体層160を順次成膜することが好ましい。
MOCVD法では、キャリアガスとして、例えば、水素(H)又は窒素(N)等が用いられる。III族原料であるGa源として、トリメチルガリウム(TMG)、トリエチルガリウム(TEG)等が用いられる。Al源として、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリエチルアルミニウム(TEA)等が用いられる。In源として、トリメチルインジウム(TMI)、トリエチルインジウム(TEI)等が用いられる。V族原料であるN源として、アンモニア(NH)、ヒドラジン(N)等が用いられる。
ドーパントとしては、n型にはSi原料としてモノシラン(SiH)、ジシラン(Si)等が用いられる。Ge原料として、ゲルマンガス(GeH)、テトラメチルゲルマニウム((CHGe)、テトラエチルゲルマニウム((CGe)等の有機ゲルマニウム化合物を利用できる。
In this embodiment, after the intermediate layer 120 is formed by a sputtering method, an underlying layer 130, an n-type semiconductor layer 140, a light-emitting layer 150, and a p-type semiconductor are formed thereon by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). It is preferable to sequentially form the layer 160.
In the MOCVD method, for example, hydrogen (H 2 ) or nitrogen (N 2 ) is used as a carrier gas. Trimethylgallium (TMG), triethylgallium (TEG), or the like is used as a Ga source that is a group III raw material. As the Al source, trimethylaluminum (TMA), triethylaluminum (TEA), or the like is used. As the In source, trimethylindium (TMI), triethylindium (TEI), or the like is used. Ammonia (NH 3 ), hydrazine (N 2 H 4 ), or the like is used as an N source that is a group V raw material.
As the dopant, monosilane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), or the like is used as the Si raw material for the n-type. An organic germanium compound such as germane gas (GeH 4 ), tetramethyl germanium ((CH 3 ) 4 Ge), tetraethyl germanium ((C 2 H 5 ) 4 Ge) can be used as the Ge raw material.

尚、窒化ガリウム系化合物半導体は、Al、Ga、In以外にも、他の元素が含有してもよい。例えば、Ge、Si、Mg、Ca、Zn、Be等のドーパント元素が挙げられる。さらに、意図的に添加した元素に限らず、成膜条件等に依存して必然的に含まれる不純物や、原料、反応管材質に含まれる微量不純物を含む場合もある。   The gallium nitride compound semiconductor may contain other elements in addition to Al, Ga, and In. For example, dopant elements such as Ge, Si, Mg, Ca, Zn, and Be can be given. Furthermore, it is not limited to the element added intentionally, but may include impurities that are inevitably included depending on the film forming conditions, etc., and trace impurities that are included in the raw materials and reaction tube materials.

尚、下地層130をMOCVD法によって形成した後、n型コンタクト層140a及びn型クラッド層140bの各層をスパッタ法で形成し、その上の発光層150をMOCVD法で形成し、次いで、p型半導体層160を構成するp型クラッド層160a及びp型コンタクト層160bの各層を反応性スパッタ法で形成してもよい。   In addition, after forming the base layer 130 by the MOCVD method, each layer of the n-type contact layer 140a and the n-type cladding layer 140b is formed by the sputtering method, and the light emitting layer 150 thereon is formed by the MOCVD method, and then the p-type Each layer of the p-type cladding layer 160a and the p-type contact layer 160b constituting the semiconductor layer 160 may be formed by reactive sputtering.

(ステップ900)
サファイア単結晶基板110上に中間層120、下地層130及びIII族化合物半導体層100を成膜した後、III族化合物半導体層100のp型半導体層160上に透明正極170が積層され、その上に正極ボンディングパッド180が形成される。さらに、n型半導体層140のn型コンタクト層140aに形成された露出領域140cに負極190が設けられたウエーハが形成される。
(Step 900)
After forming the intermediate layer 120, the underlayer 130, and the group III compound semiconductor layer 100 on the sapphire single crystal substrate 110, the transparent positive electrode 170 is stacked on the p-type semiconductor layer 160 of the group III compound semiconductor layer 100. Then, a positive electrode bonding pad 180 is formed. Further, a wafer having the negative electrode 190 provided in the exposed region 140c formed in the n-type contact layer 140a of the n-type semiconductor layer 140 is formed.

前述した化合物半導体層を成膜したサファイア単結晶基板110は、その後、サファイア単結晶基板110の被研削面(裏面)を、予め定めた厚さになるまで研削及び研磨する。本実施の形態では、市販の研削機(図示せず)にウエーハを取り付け、約20分間程度の研削工程により、ウエーハのサファイア単結晶基板110の厚さは、例えば、約900μmから約125μm迄に減少する。
本実施の形態では、各ウエーハのサファイア単結晶基板110の被研削面を研削・研磨する際に、研削材または研磨材を供給する。研削材または研磨材の種類は特に限定されず、市販のスラリー型の研削材または研磨材を使用する。さらに、本実施の形態では、研削工程に続き、約15分間の研磨工程を行うことにより、サファイア単結晶基板110の厚さは、約125μmから約120μm程度迄に研磨される。
The sapphire single crystal substrate 110 on which the compound semiconductor layer described above is formed is then ground and polished until the surface to be ground (back surface) of the sapphire single crystal substrate 110 has a predetermined thickness. In the present embodiment, the wafer is attached to a commercially available grinder (not shown), and the thickness of the sapphire single crystal substrate 110 of the wafer is, for example, about 900 μm to about 125 μm by a grinding process for about 20 minutes. Decrease.
In the present embodiment, when the surface to be ground of the sapphire single crystal substrate 110 of each wafer is ground and polished, an abrasive or an abrasive is supplied. The kind of the abrasive or abrasive is not particularly limited, and a commercially available slurry-type abrasive or abrasive is used. Furthermore, in the present embodiment, the thickness of the sapphire single crystal substrate 110 is polished from about 125 μm to about 120 μm by performing a polishing process for about 15 minutes following the grinding process.

(ステップ1000)
次いで、サファイア単結晶基板110の厚さが調整されたウエーハは、例えば、350μm角の正方形に切断することにより、サファイア単結晶基板110上に中間層120、下地層130及びIII族化合物半導体層100が成膜された半導体発光素子(LC)が形成される。切断方法としては、レーザー、ステルスレーザー、スクライブ・ブレーク法など、公知の技術を利用できる。
(Step 1000)
Next, the wafer in which the thickness of the sapphire single crystal substrate 110 is adjusted is cut into a square of 350 μm square, for example, so that the intermediate layer 120, the base layer 130, and the group III compound semiconductor layer 100 are formed on the sapphire single crystal substrate 110. A semiconductor light emitting device (LC) is formed. As the cutting method, a known technique such as laser, stealth laser, scribe break method or the like can be used.

上述したように、本実施の形態では、サファイア単結晶のインゴットから切り出した所定の厚さのサファイア単結晶基板について、X線トポグラフィ測定において、サファイア単結晶の(11−20)面のX線回折像が得られる透過X線の入射角度ωに対し、±0.15°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正した透過X線によりX線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むサファイア単結晶基板を選別している。このように選別されたサファイア単結晶基板は、サファイア単結晶の結晶欠陥が少ない。また、このようなサファイア単結晶基板の被成膜面には、III族化合物半導体層のエピタキシャル形成が良好に行われる。そして、サファイア単結晶基板とIII族化合物半導体層とを有する半導体発光素子は、発光性能が良好である。   As described above, in the present embodiment, the X-ray diffraction of the (11-20) plane of the sapphire single crystal in the X-ray topography measurement on the sapphire single crystal substrate having a predetermined thickness cut out from the sapphire single crystal ingot. A sapphire single crystal substrate including a crystal defect portion in which an X-ray diffraction image is obtained by a transmission X-ray corrected with a curvature correction value Δω within a range of ± 0.15 ° with respect to an incident angle ω of the transmission X-ray from which an image is obtained Are sorted out. The sapphire single crystal substrate thus selected has few crystal defects of the sapphire single crystal. Further, the epitaxial formation of the group III compound semiconductor layer is favorably performed on the film formation surface of such a sapphire single crystal substrate. And the semiconductor light-emitting device which has a sapphire single crystal substrate and a group III compound semiconductor layer has favorable light emission performance.

一方、選別されなかったサファイアウエーハは、サファイア単結晶のインゴットを得るための原料として再利用されることが望ましい。例えば、直径100mm、厚さ1mmのサファイアウエーハの重量は約30g/枚である。このようなサファイアウエーハ10枚を、サファイア単結晶のインゴットを得るために再利用すれば、酸化アルミニウムの原料コストが約300g程度低減できる。また、直径150mm、厚さ1mmのサファイアウエーハの重量は約67g/枚の重量である。この場合は、サファイアウエーハ10枚を、サファイア単結晶のインゴットを得るために再利用すれば、酸化アルミニウムの原料コストが約670g程度低減できる。
また、上述したサファイアウエーハの選別により、無駄な加工工程や半導体発光素子を作製することがなくなり、半導体発光素子の全体的な製造コストを低減できる。
On the other hand, the unselected sapphire wafer is desirably reused as a raw material for obtaining a sapphire single crystal ingot. For example, the weight of a sapphire wafer having a diameter of 100 mm and a thickness of 1 mm is about 30 g / sheet. If such 10 sapphire wafers are reused to obtain a sapphire single crystal ingot, the raw material cost of aluminum oxide can be reduced by about 300 g. The weight of a sapphire wafer having a diameter of 150 mm and a thickness of 1 mm is about 67 g / sheet. In this case, if 10 sapphire wafers are reused to obtain an ingot of a sapphire single crystal, the raw material cost of aluminum oxide can be reduced by about 670 g.
Further, by selecting the sapphire wafer described above, it is possible to eliminate useless processing steps and production of the semiconductor light emitting element, thereby reducing the overall manufacturing cost of the semiconductor light emitting element.

以下、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明する。但し、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. However, the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.

(1)サファイア単結晶基板のX線トポグラフィ測定
サファイア単結晶のインゴットから切り出し、その後、ウエットエッチング処理を行った直径150mm、厚さ1.0mmのサファイア単結晶基板(試料)について、8インチX線トポグラフィー(株式会社リガク製RU−H3R)を用い、サファイア単結晶の(11−20)面のX線回折像が得られる透過X線の入射角度ωに対しX線トポグラフィ測定を行った。
(測定条件)
X線源:MoKα
X線源側の第一スリット幅:2.0mm
試料側の第二スリット幅:1.0mm
X線出力:250V×300mA
走査速度:1mm/分
走査回数:50〜60回(連続走査)
(1) X-ray topography measurement of a sapphire single crystal substrate An 8-inch X-ray was obtained from a sapphire single crystal substrate (sample) having a diameter of 150 mm and a thickness of 1.0 mm that was cut out from an ingot of a sapphire single crystal and then subjected to wet etching. Using topography (RU-H3R, manufactured by Rigaku Corporation), X-ray topography measurement was performed with respect to an incident angle ω of transmitted X-rays from which an X-ray diffraction image of the (11-20) plane of a sapphire single crystal was obtained.
(Measurement condition)
X-ray source: MoKα
First slit width on the X-ray source side: 2.0 mm
Second slit width on the sample side: 1.0 mm
X-ray output: 250V x 300mA
Scanning speed: 1 mm / min Scanning frequency: 50-60 times (continuous scanning)

(2)発光素子特性の測定
半導体発光素子(LC)を、シリコンペーストを用いて表面実装型のパッケージにダイボンドした後、各電極をパッケージの各端子にAu線でワイヤボンドし、電気特性と光学特性を測定した。発光出力は、積分球を用いて測定した。
(2) Measurement of light emitting device characteristics After a semiconductor light emitting device (LC) is die-bonded to a surface-mount package using silicon paste, each electrode is wire-bonded to each terminal of the package with an Au wire, and electrical characteristics and optical properties are measured. Characteristics were measured. Luminous output was measured using an integrating sphere.

(実施例1〜4、比較例1〜3)
表1に示す4種類のサファイア単結晶基板(直径150mm、厚さ1.0mm:(SC−1)〜(SC−4))についてX線トポグラフィ測定を行った。測定は、円板状のサファイア単結晶基板の中心を通る垂直軸線L2に対し、プラス側70mm(+70mm)及びマイナス側70mm(−70mm)の範囲において、それぞれピッチ幅10mm毎にX線を照射し、サファイア単結晶の格子面としてA面((11−20)面)から得られる回折X線像を得た。サファイア単結晶が結晶欠陥部分を含む場合は、その結晶欠陥部分にX線を入射させ、サファイア単結晶の(11−20)面のX線回折像が得られるX線の入射角度(ω)に対する湾曲補正値Δω(単位:°)を測定した。結果を表1に示す。
また、比較例として、実施例1〜4において使用したサファイア単結晶基板とは異なる3種類のサファイア単結晶基板(直径150mm、厚さ1.0mm:(SCR−1)〜(SCR−3))についてもX線トポグラフィ測定を行った。結果を表1に示す。
(Examples 1-4, Comparative Examples 1-3)
X-ray topography measurement was performed on four types of sapphire single crystal substrates (diameter 150 mm, thickness 1.0 mm: (SC-1) to (SC-4)) shown in Table 1. The measurement is performed by irradiating the vertical axis L2 passing through the center of the disk-shaped sapphire single crystal substrate with X-rays every 10 mm in pitch width in the range of 70 mm (+70 mm) on the plus side and 70 mm (−70 mm) on the minus side. A diffraction X-ray image obtained from the A plane ((11-20) plane) was obtained as the lattice plane of the sapphire single crystal. When the sapphire single crystal includes a crystal defect portion, X-rays are incident on the crystal defect portion, and an X-ray diffraction image of the (11-20) plane of the sapphire single crystal is obtained with respect to the X-ray incident angle (ω). The curvature correction value Δω (unit: °) was measured. The results are shown in Table 1.
Moreover, as a comparative example, three types of sapphire single crystal substrates different from the sapphire single crystal substrates used in Examples 1 to 4 (diameter 150 mm, thickness 1.0 mm: (SCR-1) to (SCR-3)) Also, X-ray topography measurement was performed. The results are shown in Table 1.

Figure 2012030991
Figure 2012030991

(実施例5〜8、比較例4〜7)
続いて、表1に示す湾曲補正値(Δω)の測定結果が得られた直径6インチ(150mm)のサファイア単結晶基板の表面に研磨処理を施し、厚さ0.9mmのサファイア単結晶基板110を調製した。続いて、図5に示すように、このサファイア単結晶基板110上に、スパッタ法によりAlNからなる中間層120を0.05μm成膜し、その上に、有機金属化学気相成長法(MOCVD)によって、厚さ8μmのアンドープGaNからなる下地層130及び厚さ2μmのSiドープGaNからなるn型コンタクト層140aを成膜した化合物半導体基板を作成した。
さらに、化合物半導体基板の上に、MOCVDによって厚さ250nmのIn0.1Ga0.9Nからなるn型クラッド層140bを形成した後、厚さ16nmのSiドープGaNからなる障壁層150aおよび厚さ2.5nmのIn0.2Ga0.8Nからなる井戸層150bを5回積層し、最後に障壁層150aを設けた多重量子井戸構造の発光層150を形成した。
(Examples 5-8, Comparative Examples 4-7)
Subsequently, the surface of the sapphire single crystal substrate having a diameter of 6 inches (150 mm) from which the measurement result of the curvature correction value (Δω) shown in Table 1 was obtained was subjected to polishing treatment, and the sapphire single crystal substrate 110 having a thickness of 0.9 mm. Was prepared. Subsequently, as shown in FIG. 5, an intermediate layer 120 made of AlN is formed on the sapphire single crystal substrate 110 by a sputtering method, and a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is formed thereon. Thus, a compound semiconductor substrate on which an underlayer 130 made of undoped GaN having a thickness of 8 μm and an n-type contact layer 140a made of Si-doped GaN having a thickness of 2 μm was formed.
Furthermore, after forming an n-type cladding layer 140b made of In 0.1 Ga 0.9 N having a thickness of 250 nm on the compound semiconductor substrate by MOCVD, a barrier layer 150a made of Si-doped GaN having a thickness of 16 nm and a thickness A well layer 150b made of In 0.2 Ga 0.8 N having a thickness of 2.5 nm was stacked five times, and finally a light emitting layer 150 having a multiple quantum well structure in which a barrier layer 150a was provided was formed.

さらに、厚さ10nmのMgドープAl0.07Ga0.93Nからなるp型クラッド層160a、厚さ150nmのMgドープGaNからなるp型コンタクト層160bを順に形成した。尚、窒化ガリウム系化合物半導体層の積層は、MOCVD法により、当該技術分野においてよく知られた通常の条件で行なった。
次に、GaNからなるp型コンタクト層160b上に、厚さ250nmのIZOからなる透明正極170を形成した。その後、SiOからなる保護膜を形成する等の当該技術分野においてよく知られた通常処理を施し、上述したX線トポグラフィ測定を行ったサファイア単結晶基板の各位置に対応した青色(ドミナント波長=460nm)発光素子用チップを製造した。発光素子用チップは0.35mmサイズである。
Further, a p-type cladding layer 160a made of Mg-doped Al 0.07 Ga 0.93 N having a thickness of 10 nm and a p-type contact layer 160b made of Mg-doped GaN having a thickness of 150 nm were formed in this order. The gallium nitride-based compound semiconductor layer was laminated by MOCVD under normal conditions well known in the technical field.
Next, a transparent positive electrode 170 made of IZO having a thickness of 250 nm was formed on the p-type contact layer 160b made of GaN. Thereafter, a blue color corresponding to each position of the sapphire single crystal substrate subjected to the usual processing well known in the technical field such as forming a protective film made of SiO 2 and performing the X-ray topography measurement described above (dominant wavelength = (460 nm) A light emitting device chip was manufactured. The light emitting element chip has a size of 0.35 mm.

次に、上述した操作により製造した青色発光素子用チップについて、20mA通電の条件における発光出力(単位:mW)を測定した。発光出力の測定は、X線トポグラフィ測定を行ったサファイア単結晶基板の各位置において、隣接する9個の青色発光素子用チップについて測定した測定値の平均値とした。結果を表2に示す。
尚、比較例1〜3において使用した3種類のサファイア単結晶基板((SCR−1)〜(SCR−3))についても青色発光素子用チップを調製し、同様に発光出力(単位:mW)を測定した。結果を表2に示す。
Next, the light emission output (unit: mW) of the blue light emitting element chip manufactured by the above-described operation under the condition of 20 mA energization was measured. The measurement of light emission output was made into the average value of the measured value measured about nine adjacent blue light emitting element chips | tips in each position of the sapphire single crystal substrate which performed X-ray topography measurement. The results are shown in Table 2.
For the three types of sapphire single crystal substrates ((SCR-1) to (SCR-3)) used in Comparative Examples 1 to 3, blue light emitting element chips were prepared, and similarly, the light emission output (unit: mW) Was measured. The results are shown in Table 2.

Figure 2012030991
Figure 2012030991

表2に示す結果から、ラング法によるX線トポグラフィ測定において、湾曲補正値(Δω)が±0.1°(±50mm)、±0.15°(±70mm)の範囲内で補正したX線によりX線回折像が得られるサファイア単結晶基板を使用した青色発光素子用チップ(実施例5〜8)は、20mAの通電において、発光出力が17mW以上である良好な数値を示すことが分かる。
一方、周辺部で湾曲補正値(Δω)が±0.1°(±50mm)、±0.15°(±70mm)の範囲を超えたサファイア単結晶基板を使用した青色発光素子用チップ(比較例4〜5)は、20mAの通電において、発光出力が15mW以下である低出力領域が存在し、歩留りが低下することが分かる。
From the results shown in Table 2, in the X-ray topography measurement by the Lang method, the X-ray corrected for the curvature correction value (Δω) within the range of ± 0.1 ° (± 50 mm) and ± 0.15 ° (± 70 mm). It can be seen that the blue light-emitting element chips (Examples 5 to 8) using a sapphire single crystal substrate from which an X-ray diffraction image is obtained show good numerical values with a light emission output of 17 mW or more when energized at 20 mA.
On the other hand, a chip for a blue light emitting device using a sapphire single crystal substrate whose curvature correction value (Δω) exceeds the range of ± 0.1 ° (± 50 mm) and ± 0.15 ° (± 70 mm) at the periphery (comparison) In Examples 4 to 5), it can be seen that there is a low output region in which the light emission output is 15 mW or less in the energization of 20 mA, and the yield decreases.

1…X線源、2…発散スリット、3…制限スリット板、4…フィルム、5…サファイアウエーハ、6…透過X線、7…回折X線、8…回折X線像、30…サファイアインゴット、100…III族化合物半導体層、110…サファイア単結晶基板、120…中間層、130…下地層、140…n型半導体層、150…発光層、160…p型半導体層、170…透明正極、180…正極ボンディングパッド、190…負極、I…単結晶引き上げ装置、LC…半導体発光素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... X-ray source, 2 ... Divergence slit, 3 ... Restriction slit board, 4 ... Film, 5 ... Sapphire wafer, 6 ... Transmission X-ray, 7 ... Diffraction X-ray, 8 ... Diffraction X-ray image, 30 ... Sapphire ingot, DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Group III compound semiconductor layer, 110 ... Sapphire single crystal substrate, 120 ... Intermediate layer, 130 ... Underlayer, 140 ... N-type semiconductor layer, 150 ... Light emitting layer, 160 ... P-type semiconductor layer, 170 ... Transparent positive electrode, 180 ... Positive electrode bonding pad, 190 ... Negative electrode, I ... Single crystal pulling device, LC ... Semiconductor light emitting device

Claims (11)

III族化合物半導体層を有する半導体発光素子の製造方法であって、
サファイア単結晶のインゴットから所定の厚さのサファイアウエーハを切り出す基板切り出し工程と、
前記基板切り出し工程において切り出した前記サファイアウエーハについてラング法によるX線トポグラフィ測定を行い、サファイア単結晶の(11−20)面のX線回折像が得られるX線の入射角度ωに対し、±0.15°の範囲内を判断基準とする湾曲補正値Δωにより補正したX線によりX線回折像が得られる結晶欠陥部分を含む当該サファイアウエーハを選別する選別工程と、
前記選別工程により選別された前記サファイアウエーハをサファイア基板として、当該サファイア基板の被成膜面上にIII族化合物半導体層を成膜する半導体層成膜工程と、
前記選別工程により排除したサファイアウエーハを前記サファイア単結晶のインゴット育成用原料として再利用するサファイア単結晶引き上げ工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device having a group III compound semiconductor layer,
A substrate cutting step of cutting a sapphire wafer of a predetermined thickness from a sapphire single crystal ingot;
The X-ray topography measurement by the Lang method is performed on the sapphire wafer cut out in the substrate cutting step, and the X-ray incident angle ω from which an X-ray diffraction image of the (11-20) plane of the sapphire single crystal is obtained is ± 0. A selection step of selecting the sapphire wafer including a crystal defect portion from which an X-ray diffraction image is obtained by an X-ray corrected by a curvature correction value Δω with a range of 15 ° as a determination criterion;
Using the sapphire wafer selected by the selection step as a sapphire substrate, a semiconductor layer film forming step of forming a group III compound semiconductor layer on the film formation surface of the sapphire substrate;
A sapphire single crystal pulling step for reusing the sapphire wafer excluded by the selection step as a raw material for growing an ingot of the sapphire single crystal,
A method for manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising:
前記基板切り出し工程において、前記サファイアウエーハとして前記インゴットからサファイア単結晶のC面((0001)面)を切り出すことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 1, wherein in the substrate cutting step, a C plane ((0001) plane) of a sapphire single crystal is cut out from the ingot as the sapphire wafer. 前記半導体層成膜工程において、前記サファイア基板の前記被成膜面上に、当該サファイア基板側から、n型半導体層、発光層及びp型半導体層を順次積層することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体発光素子の製造方法。   2. The semiconductor layer forming step, wherein an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked on the film formation surface of the sapphire substrate from the sapphire substrate side. Or the manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of 2. 前記サファイア基板と前記III族化合物半導体層との間に、スパッタ法によりIII族化合物半導体からなる中間層を成膜する中間層形成工程を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法。   4. The method according to claim 1, further comprising an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer made of a group III compound semiconductor by a sputtering method between the sapphire substrate and the group III compound semiconductor layer. The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of item. 前記III族化合物半導体層と前記中間層との間に、さらに下地層を成膜することを特徴とする請求項4に記載の半導体発光素子の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor light emitting element according to claim 4, further comprising forming an underlayer between the group III compound semiconductor layer and the intermediate layer. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体発光素子の製造方法により製造したことを特徴とする半導体発光素子。   A semiconductor light emitting device manufactured by the method for manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 1. 被成膜面上にIII族化合物半導体層が成膜されるサファイア単結晶からなるサファイア単結晶基板であって、
前記サファイア単結晶は、ラング法によるX線トポグラフィ測定において、当該サファイア単結晶の格子面のX線回折像が得られるX線の入射角度ωに対し、±0.15°の範囲内の湾曲補正値Δωで補正したX線により当該X線回折像が得られる結晶欠陥部分を含むことを特徴とするサファイア単結晶基板。
A sapphire single crystal substrate composed of a sapphire single crystal on which a group III compound semiconductor layer is formed on a deposition surface,
In the X-ray topography measurement by the Lang method, the sapphire single crystal has a curvature correction within a range of ± 0.15 ° with respect to an X-ray incident angle ω from which an X-ray diffraction image of the lattice plane of the sapphire single crystal is obtained. A sapphire single crystal substrate comprising a crystal defect portion from which an X-ray diffraction image is obtained by X-rays corrected with a value Δω.
直径100mm以上であることを特徴とする請求項7に記載のサファイア単結晶基板。   The sapphire single crystal substrate according to claim 7, which has a diameter of 100 mm or more. インゴットからサファイア単結晶のC面を切り出すことより得られるサファイアウエーハからなることを特徴とする請求項7又は8に記載のサファイア単結晶基板。   The sapphire single crystal substrate according to claim 7 or 8, comprising a sapphire wafer obtained by cutting out a C-plane of a sapphire single crystal from an ingot. 前記サファイア単結晶の前記格子面がA面((11−20)面)であることを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載のサファイア単結晶基板。   The sapphire single crystal substrate according to any one of claims 7 to 9, wherein the lattice plane of the sapphire single crystal is an A plane ((11-20) plane). 直径150mm以上、厚さ0.8mm以上、湾曲補正値Δωが基板全体で±0.15°以内であることを特徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載のサファイア単結晶基板。   The sapphire single crystal substrate according to any one of claims 7 to 10, wherein the diameter is 150 mm or more, the thickness is 0.8 mm or more, and the curvature correction value Δω is within ± 0.15 ° for the entire substrate.
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