JP3839580B2 - Manufacturing method of semiconductor substrate - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、GaN系化合物半導体から構成される半導体基板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、青色のLEDは、赤色や緑色のLEDに比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年、InAlGaN系化合物半導体からなるGaN系化合物半導体層を用い、ドーパントとしてMgをドープした低抵抗のp型半導体層が得られたことにより、高輝度青色LEDが実用化され、さらには、実用化には至らないが室温で連続発振するレーザダイオードも開発されている。
【0003】
図8は文献「Japanese Journal of Applied Physics vol.34(1995) p.L1332〜L1335」に示されているGaN系化合物半導体を用いた発光ダイオード(LED)の断面図である。
【0004】
図8のLEDは、サファイア(Al23単結晶)からなる100〜300μmの基板101上にn型のGaNなどからなる低温バッファ層102と、n型のGaN層103と、ノンドープのInyGa(1-y)N (0<y<1)などからなる活性層104と、p型AlxGa(1-x)N (0<x<1)などからなるバリア層105と、p型GaNなどからなるキャップ層106とが、有機金属化学気相成長法(以下、MOCVD法という)により順次積層されている。
【0005】
そして、この積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出したn型GaN層103上に、n側電極108が形成され、また、キャップ層106上に、p側電極107が形成され、これによってLEDが形成されている。
【0006】
また、図9は、文献「Japanese Journal of Applied Physics vol.35(1996) p.L74〜L76」に示されているような端面発光型レーザダイオード(LD)の斜視図である。
【0007】
図9のLDは、図8のLEDと同様に、サファイア(Al23単結晶)からなる100〜300μmの基板122上に、n型のGaNなどからなる低温バッファ層121と、n型のGaNからなる高温バッファ層120と、n型InyGa(1-y)N層119と、n型のAlxGa(1-x)N (0<x<1)層118と、n型GaN層117と、ノンドープのInGaN MQWなどからなる活性層116と、p型AlzGa(1-z)N (0<z<1)層115と、p型GaN層114と、p型AluGa(1-u)N (0<u<1)層113と、p型GaN層などからなるキャップ層112とが、MOCVD法により順次積層されている。
【0008】
そして、この積層された半導体層をリッジ状にドライエッチングすることによって、光導波路と共振器端面124が形成され、さらに、エッチングにより露出した高温バッファ層120上にn側電極123が形成され、また、キャップ層112上にp側電極111が形成され、これによって、LDが形成されている。
【0009】
また、従来、GaN系化合物半導体の結晶性を向上するために、選択成長と横方向の成長により、クラックの無い厚いGaN単結晶層を形成する方法が提案されている(文献 「Jpn. J. Appl. Phys.」 Vol.36 (1997) pp.L899-L902)。
【0010】
図10は選択成長用のマスクパターンを示す図であり、図11(a)乃至(e)は、図10のマスクパターンの作製方法を説明するための図である。なお、図11(a)乃至(e)は図10のA−A’線における断面で見たものである。
【0011】
図11を参照すると、まず、図11(a)の工程でサファイア基板151上に核発生層としてGaN薄膜152を積層し、次いで、図11(b)の工程で核発生層152上に、7μmピッチで1〜4μm幅のストライプパターンが開いたSiO2からなる選択成長用マスク153を形成する。このストライプパターンはGaN薄膜152の〈11−20〉方向に沿って形成される(図10を参照)。その後、図11(c),(d),(e)の工程で、選択成長と横方向の成長でクラックの無いGaN膜154の結晶成長を行なう。この場合、GaNは、始め、ストライプパターンの露出した核発生層152表面に選択成長し、その後、{1−101}面が現われ、マスク153上を横方向に成長する(図11(c))。成長が進むと、隣接したストライプ状のGaN結晶154同士が合体し(図11(d))、次第に溝156が埋まり、最後には平坦な(0001)面を上面とするGaN単結晶層155がウエハー全面に形成される(図11(e))。この方法により、ウエハー全面でクラックのないGaN厚膜が成長可能となった。この上にInGaN MQWを活性層とするLEDを作製すると、LEDの積層構造の結晶欠陥密度は、107cm-2程度に減少させることが可能となり、光出力も約3倍になっている(文献 「Record of the 16th Electronic Materials Symposium, Minoo, July 9-11, 1997 p.291-292)。
【0012】
また、図12は特開平8−316571号に示されている半導体レーザーの斜視図である。図12の半導体レーザーは、MgAl24基板60上に積層構造61が結晶成長され、積層構造61上にp側電極62,n側電極63が形成されて、発光素子(レーザー)として形成されている。
【0013】
ここで、この発光素子の光出射面側は、MgAl24基板60のへき開面602と積層構造61のへき開面601とにより形成されており、この光出射端面601は、MgAl24基板60を斜めにへき開することによって形成されている。すなわち、MgAl24基板60を使用することにより、斜めへき開による光共振器端面の形成を可能にしている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
このように、低温バッファ層の技術や、選択成長によるGaN厚膜の作製技術により、サファイア等の異種基板上へ高品質のGaN系化合物半導体の結晶成長が可能となり、高輝度LEDが実現され、また、LDの室温連続発振も実現された。
【0015】
しかしながら、従来のGaN系化合物半導体を使用した発光素子は、結晶構造の異なる異種基板に成長するため、基板とGaN系化合物半導体のへき開面は必ずしも一致しているわけではない。そのため、レーザ共振器端面の形成を従来のAlGaAs系等のレーザのようにへき開法で行なうことが困難である。
【0016】
例えば、サファイアは劈開性が悪いため、LD共振器端面はドライエッチングなどの方法で作製していた。そのため、作製プロセスもドライエッチング用マスクの形成,ドライエッチング,マスク除去等の工程が必要とされ複雑化していた。さらには、GaN系化合物半導体のドライエッチング技術は未だ確立されていないため、形成された共振器ミラーには、縦筋状の凹凸があり、また、テーパー状に形成されるなど、その平滑性,平行性,垂直性は未だ十分ではない。そのため、閾電流値の増大などが起こり、実用に耐えうる素子特性を得ることは困難であった。
【0017】
また、特開平8−316571号に開示されているMgAl24基板では、へき開によるLD共振器端面の形成を可能としているが、基板とGaN系化合物半導体の結晶構造の違いから、基板とGaN系化合物半導体との劈開面が一致せず斜め劈開になるため、再現性に問題があった。
【0018】
また、従来のGaN系化合物半導体発光素子は絶縁性基板上に結晶成長が行なわれるため、基板裏面から電極をとることができない。そのため、電極は素子表面に形成されることになり、従来のAlGaAs系等のレーザのように基板裏面に電極を形成しダイボンディングによる実装ができない上、電極のスペースの分だけチップ面積が大きくなるといった問題も残っていた。
【0019】
本発明は、上述のような従来のGaN系化合物半導体による発光素子の種々の問題を解決し、クラックがなく、結晶欠陥や歪みなどが低減された高品質のGaN系化合物半導体により構成される半導体基板の製造方法を提供することを目的としている。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長のための核発生層をAlN層で構成し、このAlN層を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることをことを特徴としている。
【0021】
また、請求項2記載の発明は、単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長するGaN系化合物半導体層をGaN系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも1層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることを特徴としている。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る半導体基板の第1の実施形態を示す斜視図、図2は図1のA−A’線における断面図である。また、図3(a)〜(e)は、図1,図2の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【0025】
この第1の実施形態の半導体基板(図1,図2の半導体基板)は、図3(a)〜(e)に示すように、単結晶基板21の表面上に、選択成長のための核発生層22を積層し、該核発生層22上に、選択成長用マスク23を積層し、該選択成長用マスク23のマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層24を選択成長し、この際、選択成長のための核発生層22をAlN層で構成し、このAlN層を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層24を分離して作製されるようになっている。
【0026】
この半導体基板の製造方法の最大の特徴は、核発生層22の材料として、AlNを用いている点にある。AlNは、GaN系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するGaN系化合物半導体の結晶性は異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。さらに、AlN層はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、GaN系化合物半導体との選択比が大きい。そのため、アルカリ溶液によってGaN系化合物半導体層24を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なGaN系化合物半導体基板24を作製できる。また、基板21として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板21を再利用することが可能となるなどの利点がある。
【0027】
なお、GaN系化合物半導体24としては、例えば、一般式がInxAlyGa(1-x-y)N(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)で表されるIII族窒化物が用いられる。
【0028】
次に、図1,図2の半導体基板の作製工程例を図3(a)〜(e)を用いてより詳細に説明する。この作製工程例では、φ2インチのサファイア基板21の(0001)面上に、選択成長の核発生層としてのAlN層22を例えばMOCVD法によって700℃の温度で0.1μmの膜厚に積層する(図3(a))。次に、AlN層12上に選択成長用マスク23を堆積し、その後、選択成長用マスク23をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてAlN層22の表面を露出させる(図3(b))。なお、この作製工程例では、選択成長用マスク23の材料として、SiO2を堆積し、選択成長マスクパターンとしては、フォトリソグラフィーにより7μmピッチ,3μm幅のストライプパターンを、選択成長するGaN系化合物半導体層24の〈11−20〉方向に沿ってパターニングした。
【0029】
次いで、ストライプパターンの部分において露出しているAlN層22の表面からn−GaN単結晶層24を選択成長させる。すなわち、ストライプパターンの部分において露出しているAlN層22の表面からn−GaN単結晶24を結晶成長させ、選択成長用マスク23を埋め込むように選択成長用マスク23上でGaN系化合物半導体24を横方向にも(選択成長用マスク23の表面方向にも)成長させて、結果的に、選択成長用マスク23が埋め込まれ、図3(c)に示すようなGaN単結晶層24が形成される。
【0030】
なお、n−GaN単結晶層24の結晶成長は、HVPEで行ない、SiCl4をn型のドーピングガスとして用いることによって、n−GaN単結晶層24として、n型GaNを200μmの膜厚に結晶成長させた(図3(c))。
【0031】
このようにして、GaN単結晶層24を形成した後、GaN単結晶層24をサファイア基板21から分離する。すなわち、この作製工程例では、先ず、HF水溶液でSiO2マスク23をエッチング除去して空隙25を形成し、AlNエッチング液が浸透しやすいようにする(図3(d))。しかる後、80℃のKOH水溶液でAlN層22をエッチングして、GaN単結晶層24をサファイア基板21から分離することができる(図3(e))。これにより、具体的には、例えばφ2インチ,厚さ200μmのn−GaN単結晶24として得られる。
【0032】
このように、図1〜図3の第1の実施形態では、単結晶基板21の表面上に、選択成長のための核発生層22を積層し、該核発生層22上に、選択成長用マスク23を積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層24を選択成長し、この際、選択成長のための核発生層22をAlN層で構成し、このAlN層を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層24を分離して作製されるようになっており、AlNは、GaN系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するGaN系化合物半導体24の結晶性は、GaN系化合物半導体を異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。従って、基板から分離して作製されたGaN系化合物半導体基板24の結晶性は高品質なものとなる。
【0033】
さらに、AlN層22はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、GaN系化合物半導体との選択比が大きい。そのため、アルカリ溶液によってGaN系化合物半導体層24を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なGaN系化合物半導体基板を作製できる。また、基板21として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板21を再利用することが可能となるなどの利点がある。従って、このように作製されたGaN系化合物半導体基板24は安価なものとなる。
【0034】
さらに、このGaN系化合物半導体単結晶基板24上に厚いGaN系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【0035】
図4は本発明に係る半導体基板の第2の実施形態を示す斜視図、図5は図4のA−A’線における断面図である。また、図6(a)〜(f)は、図4,図5の半導体基板の作製工程例を示す図である。この第2の実施形態の半導体基板(図4,図5の半導体基板)は、図6(a)〜(f)に示すように、単結晶基板41の表面上に、選択成長用マスク42を積層し、該選択成長用マスク42のマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層を選択成長し、この際、選択成長するGaN系化合物半導体層をGaN系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも1層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層を分離して作製されるようになっている。
【0036】
この半導体基板の製造方法の最大の特徴は、選択成長するGaN系化合物半導体層において、GaN系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも1層存在する構造としている点である。図6(a)〜(f)の例では、GaN系化合物半導体層内の他の領域は符号45で示され、結晶欠陥密度の高い領域は符号44で示されている。
【0037】
GaN系化合物半導体層はその結晶性によってアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく左右される。すなわち、結晶欠陥密度が大きい領域44のエッチングレートは大きく、結晶欠陥密度が小さく結晶性の良い領域45はエッチングレートが小さくほとんどエッチングされなくなる。従って、結晶欠陥密度の高い領域44を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いGaN系化合物半導体層の部分45を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なGaN系化合物半導体基板が作製される。また、基板41として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板41を再利用することが可能となる。
【0038】
なお、GaN系化合物半導体44,45としては、例えば、一般式がInxAlyGa(1-x-y)N(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)で表されるIII族窒化物が用いられる。
【0039】
次に、図4,図5の半導体基板の作製工程例を図6(a)〜(f)を用いてより詳細に説明する。この作製工程例では、φ2インチのサファイア基板41の(0001)面上に、選択成長用マスク42を堆積し、その後、選択成長用マスク42をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてサファイア基板41の表面を露出させる(図6(a))。なお、この作製工程例では、選択成長用マスク42の材料として、SiO2を堆積し、選択成長マスクパターンとしては、フォトリソグラフィーにより7μmピッチ,3μm幅のストライプパターンをサファイア基板41の〈11−20〉方向に沿ってパターニングした。
【0040】
次いで、ストライプパターンの部分において露出しているサファイア基板41の表面にGaN層43をMOCVD法により500℃の温度で0.05μmの膜厚に選択成長させた。すなわち、ストライプパターンのパターン内にGaN層43を成長させた(図6(b))。
【0041】
さらに、MOCVD法により900℃で結晶欠陥密度の高いGaN44を{1−101}面が現われるまで選択成長させた(図6(c))。
【0042】
しかる後、HVPE法で、SiCl4をn型のドーピングガスとして用いて、結晶欠陥密度の低いn−GaN45を200μmの膜厚に結晶成長させた(図6(d))。
【0043】
このようにして、GaN層44,45を形成した後、GaN単結晶層45をサファイア基板41から分離する。すなわち、この作製工程例では、先ず、HF水溶液でSiO2マスク42をエッチング除去して空隙46を形成し、GaNエッチング液が浸透しやすいようにする(図6(e))。しかる後、KOH水溶液で結晶欠陥密度の高い領域,すなわちGaN44をエッチングして、GaN単結晶層45をサファイア基板41から分離することができる(図6(f))。
【0044】
このように、図4〜図6の第2の実施形態では、GaN層44,45を形成する際、欠陥密度の制御は成長条件を変えるだけで行なうことができるので、異種材料を成長する必要なく反応管の汚染などを防止することができる。すなわち、作製されるGaN系化合物半導体基板を、その純度を落とすことなく作製することができる。また、結晶欠陥密度の高い領域44を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いGaN系化合物半導体層45を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なGaN系化合物半導体基板を作製できる。また、基板41として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えば、サファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板41を再利用することが可能となるなどの利点がある。従って、このように作製されたGaN系化合物半導体基板45は安価なものとなる。
【0045】
さらに、このGaN系化合物半導体単結晶基板45上に厚いGaN系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【0046】
なお、図6(a)〜(f)の例では、単結晶基板41上に、直接、選択成長用マスク42を堆積し、その後、選択成長用マスク42をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてサファイア基板41の表面を露出させ、ストライプパターンの部分において露出しているサファイア基板41の表面にGaN層43を成長させたが、単結晶基板41上に、選択成長の核発生層(例えばAlN層)を積層し、核発生層上に、選択成長用マスク42を堆積し、その後、選択成長用マスク42をパターニングし、このパターニングのパターンの部分において核発生層の表面を露出させ、ストライプパターンの部分において露出している核発生層の表面にGaN層43を成長させることもできる。
【0047】
なお、上述の各例(図1〜図3の例,図4〜図6の例)において、GaN系化合物半導体結晶24,45に所定の導電型の不純物(n型あるいはp型の不純物)をドーピングすることも可能であり、GaN系化合物半導体結晶24,45に所定の導電型の不純物をドーピングすることで、導電型,すなわち電気的特性を制御することができ、所望の電気特性を有するGaN系化合物半導体結晶とすることができる。
【0048】
すなわち、GaN系化合物半導体は半導体であるので、不純物のドーピング制御により、その導電型、電気抵抗等の電気的特性を制御することが可能であり、GaN系化合物半導体結晶24,45に所定の導電型の不純物をドーピングすることで、所望の電気的特性を有する基板を形成することができる。
【0049】
また、上述の各例(図1〜図3の例,図4〜図6の例)では、作製工程中、基板全面にGaN系化合物半導体結晶24,45を積層したが、基板の一部にGaN系化合物半導体結晶24,45を積層しても良い。
【0050】
図7は本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す斜視図である。図7の半導体発光素子は、例えば図1,図2の半導体基板24、または、図4,図5の半導体基板45上に形成された少なくとも一つのp−n接合を含むGaN系化合物半導体積層構造からなる発光素子となっている。
【0051】
より具体的に、この半導体発光素子は、n−GaN単結晶基板24または45上に、n−GaN層52,n−AlGaNクラッド層53,AlGaN/InGaN 量子井戸構造活性層54,p−AlGaNクラッド層55,p−GaNキャップ層56が順次に積層されており、この積層構造のp−GaNキャップ層56上にSiO2絶縁層57が形成され、この絶縁層57にp−GaNキャップ層56表面に達する幅5μmのストライプ形状の穴が開けられた構造のものとして構成されている。
【0052】
また、図7の半導体発光素子では、絶縁層57上には、p側オーミック電極58が堆積されており、p側オーミック電極58は、露出したp−GaNキャップ層56と接触し、オーミック電極を形成している。また、n−GaN単結晶基板24または45の裏面には、n側オーミック電極59が形成されている。
【0053】
また、この半導体発光素子の光出射端面500,501はへき開によって、基板24または45に対し垂直に形成され、また、光出射端面500,501は互いに平行に形成されている。
【0054】
なお、図7の半導体発光素子において、n−GaN層52,n−AlGaNクラッド層53,AlGaN/InGaN 量子井戸構造活性層54,p−AlGaNクラッド層55,p−GaNキャップ層56はMOCVD法によって結晶成長できる。
【0055】
また、p側オーミック電極58は、Au/Niを真空蒸着し、熱処理して形成できる。また、n側オーミック電極59は、Al/Tiを真空蒸着し、熱処理して形成できる。
【0056】
このような構成の半導体発光素子では、発光素子のp型,n型層に対応した電極に電流を印加し、p−n接合に電流を注入することで、キャリアの再結合がなされ、これによって発光するものである。
【0057】
すなわち、この半導体発光素子では、p側オーミック電極58、n側オーミック電極59に電流を印加すると、AlGaN/InGaN MQW活性層54に電流が注入され、活性層54においてキャリアの再結合によって発光し、光出射端面500,501によって形成される共振器によって、反射増幅が繰り返され、レーザ光5000,5001として外部に出力される。
【0058】
なお、発光素子を構成するGaN系化合物半導体積層構造は、少なくとも一つのp−n接合を有し、このp−n接合に電流が注入され、キャリアの再結合によって、発光する構造であれば、ホモ接合、シングルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合、量子井戸構造、多重量子井戸構造、その他どのような構造であっても差し支えない。
【0059】
この半導体発光素子においては、図1,図2のGaN系化合物半導体基板上、または、図4,図5のGaN系化合物半導体基板上に形成されたGaN系化合物半導体積層構造からなる、基板主面に垂直なへき開面を光出射端面とする発光素子であり、従来より結晶品質の良い同種の基板上に発光素子部分が形成されていることから、発光素子を構成する積層構造の結晶性は、基板材料とGaN系化合物半導体積層構造の格子不整合による欠陥や熱膨張係数差による熱歪みやクラック等の欠陥、すなわち、発光特性や寿命に悪影響を及ぼす欠陥が低減された高品質なものとなり、そのため、発光特性が良く、寿命の長い発光素子を提供できる。
【0060】
また、光出射面が基板主面に垂直で、原子オーダーで平滑なへき開面であるので、従来のドライエッチングで形成された光出射端面のような凹凸がないため、光出射端面での散乱ロスがなく、発光特性が良好になる。また、レーザー素子の場合には、上記光出射面は、互いに平行で、平滑な共振ミラー端面となるので、従来のドライエッチングで形成された光出射端面を共振器ミラー端面とするレーザー素子に比べ、しきい電流密度が低く、外部微分効率が高い性能のよいレーザー素子を作製することができる。
【0061】
さらに、基板にはGaN系化合物半導体単結晶基板を使用しているので、基板をn型あるいはp型の導電性にすることが可能となり、この場合、基板裏面に電極を形成することができて、従来のダイボンディングによる実装ができる上、電極のスペースの分だけ、チップ面積を低減できる。
【0062】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項1記載の発明によれば、単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層を選択成長して形成した半導体基板において、選択成長のための核発生層をAlN層で構成し、このAlN層を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層を分離して半導体基板を作製するようにしており、AlNは、GaN系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するGaN系化合物半導体の結晶性は、GaN系化合物半導体を異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。従って、基板から分離して作製されたGaN系化合物半導体基板の結晶性を高品質なものにすることができる。
【0063】
さらに、AlN層はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、GaN系化合物半導体との選択比が大きいので、アルカリ溶液によってGaN系化合物半導体層を容易に分離することができ、従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なGaN系化合物半導体基板を作製できる。
【0064】
さらに、このGaN系化合物半導体単結晶基板上に厚いGaN系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【0065】
また、請求項2記載の発明によれば、単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層を選択成長して形成した半導体基板において、選択成長するGaN系化合物半導体層をGaN系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも1層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層を分離して半導体基板を作製するようにしており、GaN層の欠陥密度の制御は成長条件を変えるだけで行なうことができるので、異種材料を成長する必要なく反応管の汚染などを防止することができる。すなわち、作製されるGaN系化合物半導体基板を、その純度を落とすことなく作製することができる。また、結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いGaN系化合物半導体層を容易に分離することができ、従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なGaN系化合物半導体基板を作製できる。
【0066】
さらに、このGaN系化合物半導体単結晶基板上に厚いGaN系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体基板の第1の実施形態を示す斜視図である。
【図2】図1のA−A’線における断面図である。
【図3】図1,図2の基板の作製工程例を示す図である。
【図4】本発明に係る半導体基板の第2の実施形態を示す平面図である。
【図5】図4のA−A’線における断面図である。
【図6】図4,図5の基板の作製工程例を示す図である。
【図7】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す斜視図である。
【図8】従来のGaN系化合物半導体を用いたLEDの断面図である。
【図9】従来の端面発光型レーザーダイオードの斜視図である。
【図10】選択成長用のマスクパターンを示す図である。
【図11】図10のマスクパターンの作製方法を説明するための図である。
【図12】従来の半導体レーザーの斜視図である。
【符号の説明】
21,41 単結晶基板(サファイア基板)
22 核発生層
23,42 選択成長用マスク
24 GaN系化合物半導体層(GaN単結晶層)
44 結晶欠陥密度の高いGaN
45 結晶欠陥密度の低いGaN
52 n−GaN層
53 n−AlGaNクラッド層
54 AlGaN/InGaN量子井戸構造活性層
55 p−AlGaNクラッド層
56 p−GaNキャップ層
58 p側オーミック電極
59 n側オーミック電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor substrate composed of a GaN-based compound semiconductor To the law Related.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, blue LEDs have lower brightness than red and green LEDs and have had difficulties in practical use. However, in recent years, GaN-based compound semiconductor layers made of InAlGaN-based compound semiconductors are used, and Mg is doped as a dopant. By obtaining a resistive p-type semiconductor layer, a high-intensity blue LED has been put into practical use, and further, a laser diode that has not been put into practical use but continuously oscillates at room temperature has been developed.
[0003]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a light-emitting diode (LED) using a GaN-based compound semiconductor disclosed in the document “Japanese Journal of Applied Physics vol. 34 (1995) p.L1332-L1335”.
[0004]
The LED in FIG. 8 is sapphire (Al 2 O Three A low-temperature buffer layer 102 made of n-type GaN, an n-type GaN layer 103, and a non-doped In y Ga (1-y) Active layer 104 made of N (0 <y <1) or the like, and p-type Al x Ga (1-x) A barrier layer 105 made of N (0 <x <1) or the like and a cap layer 106 made of p-type GaN or the like are sequentially stacked by a metal organic chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as MOCVD method).
[0005]
An n-side electrode 108 is formed on the n-type GaN layer 103 exposed by removing a part of the laminated semiconductor layer by etching, and a p-side electrode 107 is formed on the cap layer 106. Thus, an LED is formed.
[0006]
FIG. 9 is a perspective view of an edge-emitting laser diode (LD) as shown in the document “Japanese Journal of Applied Physics vol.35 (1996) p.L74-L76”.
[0007]
The LD of FIG. 9 is similar to the LED of FIG. 2 O Three A low-temperature buffer layer 121 made of n-type GaN or the like, a high-temperature buffer layer 120 made of n-type GaN, and an n-type In y Ga (1-y) N layer 119 and n-type Al x Ga (1-x) N (0 <x <1) layer 118, n-type GaN layer 117, active layer 116 made of non-doped InGaN MQW, etc., p-type Al z Ga (1-z) N (0 <z <1) layer 115, p-type GaN layer 114, and p-type Al u Ga (1-u) An N (0 <u <1) layer 113 and a cap layer 112 made of a p-type GaN layer or the like are sequentially stacked by the MOCVD method.
[0008]
Then, the laminated semiconductor layer is dry-etched into a ridge shape to form an optical waveguide and a resonator end face 124, and an n-side electrode 123 is formed on the high-temperature buffer layer 120 exposed by the etching. The p-side electrode 111 is formed on the cap layer 112, thereby forming the LD.
[0009]
In addition, conventionally, in order to improve the crystallinity of a GaN-based compound semiconductor, a method of forming a thick GaN single crystal layer without cracks by selective growth and lateral growth has been proposed (reference `` Jpn. J. Appl. Phys. "Vol.36 (1997) pp.L899-L902).
[0010]
FIG. 10 is a diagram showing a mask pattern for selective growth, and FIGS. 11A to 11E are diagrams for explaining a method for producing the mask pattern of FIG. FIGS. 11A to 11E are cross-sectional views taken along the line AA ′ of FIG.
[0011]
Referring to FIG. 11, first, a GaN thin film 152 is laminated as a nucleation layer on the sapphire substrate 151 in the step of FIG. 11A, and then 7 μm is formed on the nucleation layer 152 in the step of FIG. SiO with 1 to 4 μm wide stripe pattern at pitch 2 A selective growth mask 153 is formed. This stripe pattern is formed along the <11-20> direction of the GaN thin film 152 (see FIG. 10). Thereafter, in the steps of FIGS. 11C, 11D, and 11E, crystal growth of the GaN film 154 without cracks is performed by selective growth and lateral growth. In this case, GaN is first selectively grown on the surface of the nucleation layer 152 where the stripe pattern is exposed, and then the {1-101} plane appears and grows laterally on the mask 153 (FIG. 11 (c)). . As the growth proceeds, adjacent striped GaN crystals 154 merge together (FIG. 11 (d)), and the grooves 156 are gradually filled, and finally a GaN single crystal layer 155 having a flat (0001) plane as an upper surface is formed. It is formed on the entire surface of the wafer (FIG. 11E). By this method, a GaN thick film without cracks can be grown on the entire wafer surface. When an LED having InGaN MQW as an active layer is fabricated thereon, the crystal defect density of the laminated structure of the LED is 10 7 cm -2 The light output has been tripled (see “Record of the 16th Electronic Materials Symposium, Minoo, July 9-11, 1997 p.291-292).
[0012]
FIG. 12 is a perspective view of a semiconductor laser disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 8-316571. The semiconductor laser of FIG. 2 O Four A laminated structure 61 is crystal-grown on the substrate 60, and a p-side electrode 62 and an n-side electrode 63 are formed on the laminated structure 61 to form a light emitting element (laser).
[0013]
Here, the light emitting surface side of this light emitting element is MgAl 2 O Four The cleaved surface 602 of the substrate 60 and the cleaved surface 601 of the laminated structure 61 are formed. 2 O Four It is formed by cleaving the substrate 60 obliquely. That is, MgAl 2 O Four By using the substrate 60, the end face of the optical resonator can be formed by oblique cleavage.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, the technology of the low-temperature buffer layer and the technology for producing a GaN thick film by selective growth enable crystal growth of a high-quality GaN-based compound semiconductor on a heterogeneous substrate such as sapphire, thereby realizing a high-intensity LED. Also, room temperature continuous oscillation of the LD was realized.
[0015]
However, since a conventional light emitting device using a GaN-based compound semiconductor grows on different substrates having different crystal structures, the cleavage planes of the substrate and the GaN-based compound semiconductor do not necessarily coincide with each other. For this reason, it is difficult to form the end face of the laser resonator by a cleavage method like a conventional AlGaAs laser or the like.
[0016]
For example, since sapphire has a poor cleavage property, the end face of the LD resonator has been manufactured by a method such as dry etching. Therefore, the manufacturing process is complicated because it requires steps such as formation of a mask for dry etching, dry etching, and mask removal. Furthermore, since the dry etching technology for GaN-based compound semiconductors has not yet been established, the formed resonator mirror has vertical streaks and is formed into a tapered shape, such as smoothness, Parallelism and perpendicularity are still not enough. For this reason, an increase in threshold current value has occurred, and it has been difficult to obtain device characteristics that can withstand practical use.
[0017]
Further, MgAl disclosed in JP-A-8-316571 2 O Four In the substrate, it is possible to form the end face of the LD resonator by cleavage, but due to the difference in the crystal structure of the substrate and the GaN-based compound semiconductor, the cleavage surface of the substrate and the GaN-based compound semiconductor does not match, resulting in oblique cleavage There was a problem in reproducibility.
[0018]
In addition, since the conventional GaN-based compound semiconductor light-emitting element is crystal-grown on an insulating substrate, it cannot take an electrode from the back surface of the substrate. For this reason, the electrodes are formed on the element surface, and cannot be mounted by die bonding by forming electrodes on the back surface of the substrate like conventional AlGaAs lasers, and the chip area is increased by the space of the electrodes. The problem that remained.
[0019]
The present invention solves various problems of the above-described conventional GaN-based compound semiconductor light-emitting elements, and is a semiconductor composed of a high-quality GaN-based compound semiconductor that is free from cracks and has reduced crystal defects and distortions. Board manufacturing method The law It is intended to provide.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a nucleation layer for selective growth is laminated on a single crystal substrate surface, and a selective growth mask is laminated on the nucleation layer, A GaN compound semiconductor layer is selectively grown through the mask pattern of the selective growth mask. On this occasion The nucleation layer for selective growth is composed of an AlN layer, and the GaN-based compound semiconductor layer is separated by selectively removing the AlN layer by etching. Semiconductor substrate It is characterized by that.
[0021]
According to a second aspect of the present invention, a selective growth mask is stacked on the surface of a single crystal substrate or a crystal layer that is a nucleation layer for selective growth stacked on the surface of a single crystal substrate. A GaN compound semiconductor layer is selectively grown through the mask pattern of the growth mask. On this occasion The GaN-based compound semiconductor layer that is selectively grown has a structure in which at least one region having a higher crystal defect density than other regions in the GaN-based compound semiconductor layer exists, and this region having a higher crystal defect density is selectively removed by etching. By separating the GaN compound semiconductor layer Semiconductor substrate It is characterized by that.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a semiconductor substrate according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 3A to 3E are diagrams showing an example of a manufacturing process of the semiconductor substrate of FIGS.
[0025]
The semiconductor substrate of the first embodiment (semiconductor substrate of FIGS. 1 and 2) has nuclei for selective growth on the surface of the single crystal substrate 21 as shown in FIGS. A generation layer 22 is stacked, a selective growth mask 23 is stacked on the nucleation layer 22, and a GaN-based compound semiconductor layer 24 is selectively grown through the mask pattern of the selective growth mask 23. The nucleation layer 22 for growth is composed of an AlN layer, and the AlN layer is selectively removed by etching, whereby the GaN-based compound semiconductor layer 24 is separated and manufactured.
[0026]
The greatest feature of this semiconductor substrate manufacturing method is that AlN is used as the material of the nucleation layer 22. Since AlN has the same crystal structure as that of the GaN-based compound semiconductor and has a lattice constant almost similar, the crystallinity of the selectively grown GaN-based compound semiconductor is higher than that when grown on a different substrate. Furthermore, the AlN layer has a high etching rate with an alkaline solution and a high selectivity with respect to the GaN-based compound semiconductor. Therefore, the GaN-based compound semiconductor layer 24 can be easily separated with an alkaline solution. Therefore, it is possible to manufacture a high-quality GaN-based compound semiconductor substrate 24 that does not cause mechanical damage as compared with a method of scraping off the substrate crystal by a method such as polishing. In addition, by using a substrate material insoluble in an alkaline solution (for example, a substrate material such as sapphire) as the substrate 21, there is an advantage that the substrate 21 can be reused.
[0027]
As the GaN-based compound semiconductor 24, for example, the general formula is In x Al y Ga (1-xy) A group III nitride represented by N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) is used.
[0028]
Next, a manufacturing process example of the semiconductor substrate of FIGS. 1 and 2 will be described in more detail with reference to FIGS. In this manufacturing process example, an AlN layer 22 as a nucleation layer for selective growth is laminated on a (0001) surface of a φ2 inch sapphire substrate 21 at a temperature of 700 ° C. to a thickness of 0.1 μm, for example, by MOCVD. (FIG. 3 (a)). Next, a selective growth mask 23 is deposited on the AlN layer 12, and then the selective growth mask 23 is patterned to expose the surface of the AlN layer 22 in the patterning pattern portion (FIG. 3B). . In this example of the manufacturing process, the material for the selective growth mask 23 is SiO. 2 As a selective growth mask pattern, a stripe pattern having a pitch of 7 μm and a width of 3 μm was patterned by photolithography along the <11-20> direction of the GaN-based compound semiconductor layer 24 to be selectively grown.
[0029]
Next, the n-GaN single crystal layer 24 is selectively grown from the surface of the AlN layer 22 exposed in the stripe pattern portion. That is, an n-GaN single crystal 24 is grown from the surface of the AlN layer 22 exposed in the stripe pattern portion, and the GaN-based compound semiconductor 24 is formed on the selective growth mask 23 so as to embed the selective growth mask 23. Growth is performed in the lateral direction (also in the surface direction of the selective growth mask 23), and as a result, the selective growth mask 23 is embedded, and a GaN single crystal layer 24 as shown in FIG. 3C is formed. The
[0030]
The crystal growth of the n-GaN single crystal layer 24 is performed by HVPE, and SiCl Four As an n-type doping gas, n-type GaN crystal was grown to a thickness of 200 μm as the n-GaN single crystal layer 24 (FIG. 3C).
[0031]
In this way, after the GaN single crystal layer 24 is formed, the GaN single crystal layer 24 is separated from the sapphire substrate 21. That is, in this manufacturing process example, first, SiO aqueous solution is used with SiO aqueous solution. 2 The mask 23 is removed by etching to form a void 25 so that the AlN etching solution can easily penetrate (FIG. 3D). Thereafter, the AlN layer 22 can be etched with a 80 ° C. aqueous KOH solution to separate the GaN single crystal layer 24 from the sapphire substrate 21 (FIG. 3E). Thus, specifically, for example, an n-GaN single crystal 24 having a diameter of 2 inches and a thickness of 200 μm is obtained.
[0032]
As described above, in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3, the nucleation layer 22 for selective growth is laminated on the surface of the single crystal substrate 21, and the nucleation layer 22 for selective growth is formed on the nucleation layer 22. A mask 23 is stacked, and a GaN-based compound semiconductor layer 24 is selectively grown through the mask pattern of the selective growth mask. At this time, the nucleation layer 22 for selective growth is composed of an AlN layer, and the AlN layer is formed. The GaN-based compound semiconductor layer 24 is separated and formed by selective etching, and AlN has the same crystal structure as that of the GaN-based compound semiconductor and has a lattice constant almost similar. The crystallinity of the selectively grown GaN-based compound semiconductor 24 is higher than that obtained when the GaN-based compound semiconductor is grown on a different substrate. Therefore, the crystallinity of the GaN-based compound semiconductor substrate 24 manufactured separately from the substrate becomes high quality.
[0033]
Furthermore, the AlN layer 22 has a high etching rate with an alkaline solution and a high selectivity with a GaN-based compound semiconductor. Therefore, the GaN-based compound semiconductor layer 24 can be easily separated with an alkaline solution. Therefore, it is possible to produce a high-quality GaN-based compound semiconductor substrate that does not cause mechanical damage as compared with a method in which the substrate crystal is scraped off by a method such as polishing. In addition, by using a substrate material insoluble in an alkaline solution (for example, a substrate material such as sapphire) as the substrate 21, there is an advantage that the substrate 21 can be reused. Therefore, the GaN-based compound semiconductor substrate 24 manufactured in this way is inexpensive.
[0034]
Furthermore, even when a thick GaN compound semiconductor is grown on the GaN compound semiconductor single crystal substrate 24, a crack that is generated due to thermal strain due to a difference in thermal expansion coefficient does not occur, and a substrate capable of high quality crystal growth is obtained. Furthermore, the substrate can be cleaved.
[0035]
FIG. 4 is a perspective view showing a second embodiment of the semiconductor substrate according to the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. FIGS. 6A to 6F are diagrams showing examples of manufacturing steps of the semiconductor substrate of FIGS. As shown in FIGS. 6A to 6F, the semiconductor substrate of the second embodiment (semiconductor substrate of FIGS. 4 and 5) has a selective growth mask 42 on the surface of the single crystal substrate 41. The GaN-based compound semiconductor layer is selectively grown through the mask pattern of the selective growth mask 42. At this time, the GaN-based compound semiconductor layer to be selectively grown has a crystal defect higher than other regions in the GaN-based compound semiconductor layer. A structure having at least one high-density region exists, and the region having a high crystal defect density is selectively removed by etching, whereby the GaN-based compound semiconductor layer is separated and manufactured.
[0036]
The greatest feature of this semiconductor substrate manufacturing method is that the GaN-based compound semiconductor layer that is selectively grown has a structure in which at least one region having a crystal defect density higher than other regions in the GaN-based compound semiconductor layer exists. It is. In the example of FIGS. 6A to 6F, the other region in the GaN-based compound semiconductor layer is indicated by reference numeral 45, and the region having a high crystal defect density is indicated by reference numeral 44.
[0037]
The etching rate by the alkaline solution is greatly affected by the crystallinity of the GaN-based compound semiconductor layer. That is, the etching rate of the region 44 with a high crystal defect density is high, and the region 45 with a low crystal defect density and good crystallinity has a low etching rate and is hardly etched. Therefore, the portion 45 of the GaN-based compound semiconductor layer having good crystallinity can be easily separated by selectively etching away the region 44 having a high crystal defect density. Therefore, a high-quality GaN-based compound semiconductor substrate free from mechanical damage is produced as compared with a method of scraping off the substrate crystal by a method such as polishing. Further, by using a substrate material insoluble in an alkaline solution (for example, a substrate material such as sapphire) as the substrate 41, the substrate 41 can be reused.
[0038]
As the GaN compound semiconductors 44 and 45, for example, the general formula is In. x Al y Ga (1-xy) A group III nitride represented by N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1) is used.
[0039]
Next, an example of a manufacturing process of the semiconductor substrate of FIGS. 4 and 5 will be described in more detail with reference to FIGS. In this manufacturing process example, a selective growth mask 42 is deposited on the (0001) plane of a φ2 inch sapphire substrate 41, and then the selective growth mask 42 is patterned. The surface of is exposed (FIG. 6A). In this manufacturing process example, the material of the selective growth mask 42 is SiO. 2 As a selective growth mask pattern, a stripe pattern having a pitch of 7 μm and a width of 3 μm was patterned along the <11-20> direction of the sapphire substrate 41 by photolithography.
[0040]
Next, a GaN layer 43 was selectively grown on the surface of the sapphire substrate 41 exposed in the stripe pattern portion by a MOCVD method at a temperature of 500 ° C. to a thickness of 0.05 μm. That is, the GaN layer 43 was grown in the stripe pattern (FIG. 6B).
[0041]
Further, GaN 44 having a high crystal defect density at 900 ° C. was selectively grown by MOCVD until the {1-101} plane appeared (FIG. 6C).
[0042]
Then, SiClCl is used by HVPE method. Four Was used as an n-type doping gas to grow a crystal of n-GaN 45 having a low crystal defect density to a film thickness of 200 μm (FIG. 6D).
[0043]
In this way, after the GaN layers 44 and 45 are formed, the GaN single crystal layer 45 is separated from the sapphire substrate 41. That is, in this manufacturing process example, first, SiO aqueous solution is used with SiO aqueous solution. 2 The mask 42 is removed by etching to form a void 46 so that the GaN etchant can easily penetrate (FIG. 6E). Thereafter, the GaN single crystal layer 45 can be separated from the sapphire substrate 41 by etching the high crystal defect density region, that is, the GaN 44 with an aqueous KOH solution (FIG. 6 (f)).
[0044]
As described above, in the second embodiment shown in FIGS. 4 to 6, when forming the GaN layers 44 and 45, the defect density can be controlled only by changing the growth conditions. In addition, contamination of the reaction tube can be prevented. That is, the produced GaN-based compound semiconductor substrate can be produced without reducing its purity. In addition, the GaN-based compound semiconductor layer 45 with good crystallinity can be easily separated by selectively removing the region 44 with a high crystal defect density. Therefore, it is possible to produce a high-quality GaN-based compound semiconductor substrate that does not cause mechanical damage as compared with a method in which the substrate crystal is scraped off by a method such as polishing. Moreover, there is an advantage that the substrate 41 can be reused by using a substrate material insoluble in an alkaline solution (for example, a substrate material such as sapphire) as the substrate 41. Therefore, the GaN-based compound semiconductor substrate 45 manufactured in this way is inexpensive.
[0045]
Furthermore, even when a thick GaN-based compound semiconductor is grown on the GaN-based compound semiconductor single crystal substrate 45, a crack that is generated due to thermal strain due to a difference in thermal expansion coefficient does not occur, and the substrate can be grown with good quality. Furthermore, the substrate can be cleaved.
[0046]
6A to 6F, the selective growth mask 42 is directly deposited on the single crystal substrate 41, and then the selective growth mask 42 is patterned. The GaN layer 43 is grown on the surface of the sapphire substrate 41 exposed at the stripe pattern portion, and the nucleation layer (eg, AlN) for selective growth is grown on the single crystal substrate 41. Layer), a selective growth mask 42 is deposited on the nucleation layer, and then the selective growth mask 42 is patterned, and the surface of the nucleation layer is exposed at a portion of the patterning pattern to form a stripe pattern. It is also possible to grow the GaN layer 43 on the surface of the nucleation layer exposed in this part.
[0047]
In each of the above-described examples (examples of FIGS. 1 to 3 and examples of FIGS. 4 to 6), impurities of a predetermined conductivity type (n-type or p-type impurities) are added to the GaN-based compound semiconductor crystals 24 and 45. Doping is also possible, and by doping the GaN-based compound semiconductor crystals 24 and 45 with impurities of a predetermined conductivity type, the conductivity type, that is, the electrical characteristics can be controlled, and GaN having desired electrical characteristics It can be set as a system compound semiconductor crystal.
[0048]
That is, since the GaN-based compound semiconductor is a semiconductor, it is possible to control the electrical characteristics such as its conductivity type and electrical resistance by doping control of impurities, and the GaN-based compound semiconductor crystals 24 and 45 have a predetermined conductivity. A substrate having desired electrical characteristics can be formed by doping a type impurity.
[0049]
In each of the above-described examples (examples of FIGS. 1 to 3 and examples of FIGS. 4 to 6), the GaN-based compound semiconductor crystals 24 and 45 are stacked on the entire surface of the substrate during the manufacturing process. GaN compound semiconductor crystals 24 and 45 may be stacked.
[0050]
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration example of a semiconductor light emitting device according to the present invention. 7 includes, for example, a GaN-based compound semiconductor multilayer structure including at least one pn junction formed on the semiconductor substrate 24 of FIGS. 1 and 2 or the semiconductor substrate 45 of FIGS. The light emitting device is made of
[0051]
More specifically, the semiconductor light emitting device includes an n-GaN layer 52, an n-AlGaN cladding layer 53, an AlGaN / InGaN quantum well structure active layer 54, and a p-AlGaN cladding on an n-GaN single crystal substrate 24 or 45. The layer 55 and the p-GaN cap layer 56 are sequentially stacked. On the p-GaN cap layer 56 having this stacked structure, SiO 2 is stacked. 2 An insulating layer 57 is formed, and the insulating layer 57 has a structure in which a stripe-shaped hole having a width of 5 μm reaching the surface of the p-GaN cap layer 56 is formed.
[0052]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 7, a p-side ohmic electrode 58 is deposited on the insulating layer 57, and the p-side ohmic electrode 58 is in contact with the exposed p-GaN cap layer 56, so that the ohmic electrode is used. Forming. An n-side ohmic electrode 59 is formed on the back surface of the n-GaN single crystal substrate 24 or 45.
[0053]
Further, the light emitting end faces 500 and 501 of this semiconductor light emitting element are formed perpendicular to the substrate 24 or 45 by cleavage, and the light emitting end faces 500 and 501 are formed in parallel to each other.
[0054]
In the semiconductor light emitting device of FIG. 7, the n-GaN layer 52, the n-AlGaN cladding layer 53, the AlGaN / InGaN quantum well structure active layer 54, the p-AlGaN cladding layer 55, and the p-GaN cap layer 56 are formed by MOCVD. Crystal growth is possible.
[0055]
The p-side ohmic electrode 58 can be formed by vacuum-depositing Au / Ni and heat treatment. The n-side ohmic electrode 59 can be formed by vacuum deposition of Al / Ti and heat treatment.
[0056]
In the semiconductor light emitting device having such a configuration, current is applied to electrodes corresponding to the p-type and n-type layers of the light-emitting device, and current is injected into the pn junction, whereby carriers are recombined. It emits light.
[0057]
That is, in this semiconductor light emitting device, when a current is applied to the p-side ohmic electrode 58 and the n-side ohmic electrode 59, a current is injected into the AlGaN / InGaN MQW active layer 54, and light is emitted by recombination of carriers in the active layer 54. Reflection amplification is repeated by the resonator formed by the light emitting end surfaces 500 and 501, and the laser light is output to the outside as the laser beams 5000 and 5001.
[0058]
Note that the GaN-based compound semiconductor multilayer structure that constitutes the light emitting element has at least one pn junction, and a current is injected into the pn junction and light is emitted by recombination of carriers. A homojunction, a single heterojunction, a double heterojunction, a quantum well structure, a multiple quantum well structure, or any other structure may be used.
[0059]
In this semiconductor light-emitting device, the main surface of the substrate comprising a GaN-based compound semiconductor laminated structure formed on the GaN-based compound semiconductor substrate of FIGS. 1 and 2 or the GaN-based compound semiconductor substrate of FIGS. Is a light emitting element having a cleavage plane perpendicular to the light emitting end face, and since the light emitting element part is formed on the same type of substrate having better crystal quality than the conventional, the crystallinity of the laminated structure constituting the light emitting element is Defects due to lattice mismatch between the substrate material and the GaN-based compound semiconductor multilayer structure, defects such as thermal distortion and cracks due to differences in thermal expansion coefficient, that is, defects that adversely affect the light emission characteristics and lifetime, are reduced in quality, Therefore, a light-emitting element with favorable light emission characteristics and a long lifetime can be provided.
[0060]
In addition, since the light exit surface is perpendicular to the main surface of the substrate and is a cleaved surface that is smooth in the atomic order, there is no unevenness like the light exit end surface formed by conventional dry etching, so the scattering loss at the light exit end surface No light emission characteristics are obtained. In the case of a laser element, the light emitting surfaces are parallel to each other and are smooth resonant mirror end faces. Therefore, compared with a laser element having a light emitting end face formed by conventional dry etching as a resonator mirror end face. It is possible to produce a laser device having a good performance with a low threshold current density and a high external differential efficiency.
[0061]
Furthermore, since a GaN-based compound semiconductor single crystal substrate is used as the substrate, it is possible to make the substrate n-type or p-type conductive. In this case, an electrode can be formed on the back surface of the substrate. In addition to mounting by conventional die bonding, the chip area can be reduced by the amount of electrode space.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the invention, the nucleation layer for selective growth is laminated on the surface of the single crystal substrate, and the selective growth mask is laminated on the nucleation layer. In the semiconductor substrate formed by selectively growing a GaN-based compound semiconductor layer through the mask pattern of the selective growth mask, a nucleation layer for selective growth is composed of an AlN layer, and this AlN layer is selectively etched. The semiconductor substrate is manufactured by separating the GaN-based compound semiconductor layer by removing the AlN, and since the crystal structure is the same as that of the GaN-based compound semiconductor and the lattice constant is almost similar, AlN is selectively grown. The crystallinity of the GaN-based compound semiconductor is higher than that when the GaN-based compound semiconductor is grown on a different substrate. Therefore, the crystallinity of the GaN-based compound semiconductor substrate manufactured separately from the substrate can be made high quality.
[0063]
Furthermore, since the AlN layer has a high etching rate with an alkaline solution and a large selection ratio with the GaN-based compound semiconductor, the GaN-based compound semiconductor layer can be easily separated with an alkaline solution. Compared with the method of scraping off the substrate crystal, it is possible to produce a high-quality GaN-based compound semiconductor substrate that does not cause mechanical damage.
[0064]
Furthermore, even if a thick GaN-based compound semiconductor is grown on this GaN-based compound semiconductor single crystal substrate, cracks caused by thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient do not occur, and the substrate can be grown with good quality crystal. Furthermore, the substrate can be cleaved.
[0065]
According to the invention of claim 2, the selective growth mask is laminated on the surface of the single crystal substrate or on the crystal layer that is a nucleation layer of selective growth laminated on the surface of the single crystal substrate, In a semiconductor substrate formed by selectively growing a GaN-based compound semiconductor layer through the mask pattern of the selective growth mask, the GaN-based compound semiconductor layer to be selectively grown has a crystal defect density higher than other regions in the GaN-based compound semiconductor layer. The structure is such that there is at least one high region, and the region having a high crystal defect density is selectively removed by etching to separate the GaN-based compound semiconductor layer to produce a semiconductor substrate. Since the defect density can be controlled only by changing the growth conditions, it is possible to prevent contamination of the reaction tube without the need to grow different materials. That is, the produced GaN-based compound semiconductor substrate can be produced without reducing its purity. In addition, by selectively etching away a region having a high crystal defect density, a GaN-based compound semiconductor layer with good crystallinity can be easily separated. Therefore, a method of scraping a substrate crystal by a method such as polishing. Compared to the above, it is possible to manufacture a high-quality GaN-based compound semiconductor substrate that does not cause mechanical damage.
[0066]
Furthermore, even if a thick GaN-based compound semiconductor is grown on this GaN-based compound semiconductor single crystal substrate, cracks caused by thermal strain due to the difference in thermal expansion coefficient do not occur, and the substrate can be grown with good quality crystal. Furthermore, the substrate can be cleaved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a semiconductor substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the substrate of FIGS. 1 and 2;
FIG. 4 is a plan view showing a second embodiment of a semiconductor substrate according to the present invention.
5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
6 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the substrate of FIGS. 4 and 5. FIG.
FIG. 7 is a perspective view showing a configuration example of a semiconductor light emitting element according to the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional LED using a GaN-based compound semiconductor.
FIG. 9 is a perspective view of a conventional edge-emitting laser diode.
FIG. 10 is a diagram showing a mask pattern for selective growth.
11 is a diagram for explaining a method for producing the mask pattern of FIG. 10;
FIG. 12 is a perspective view of a conventional semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
21, 41 Single crystal substrate (sapphire substrate)
22 Nucleation layer
23, 42 Mask for selective growth
24 GaN compound semiconductor layer (GaN single crystal layer)
44 GaN with high crystal defect density
45 GaN with low crystal defect density
52 n-GaN layer
53 n-AlGaN cladding layer
54 AlGaN / InGaN quantum well structure active layer
55 p-AlGaN cladding layer
56 p-GaN cap layer
58 p-side ohmic electrode
59 n-side ohmic electrode

Claims (2)

単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長のための核発生層をAlN層で構成し、このAlN層を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることを特徴とする半導体基板の製造方法。  A nucleation layer for selective growth is laminated on the surface of the single crystal substrate, a selective growth mask is laminated on the nucleation layer, and a GaN-based compound semiconductor layer is formed through the mask pattern of the selective growth mask. At this time, a nucleation layer for selective growth is composed of an AlN layer, and this AlN layer is selectively etched away to separate the GaN-based compound semiconductor layer and separate it from the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor substrate, comprising: 単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、GaN系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長するGaN系化合物半導体層をGaN系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも1層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってGaN系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることを特徴とする半導体基板の製造方法。  A selective growth mask is stacked on the surface of the single crystal substrate or a crystal layer that is a nucleation layer for selective growth stacked on the surface of the single crystal substrate, and through the mask pattern of the selective growth mask, GaN-based The compound semiconductor layer is formed by selective growth. At this time, the GaN-based compound semiconductor layer to be selectively grown has a structure in which at least one region having a crystal defect density higher than other regions in the GaN-based compound semiconductor layer exists. A method of manufacturing a semiconductor substrate, wherein the GaN-based compound semiconductor layer is separated into a semiconductor substrate by selectively etching away a region having a high crystal defect density.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180144933A1 (en) * 2015-05-15 2018-05-24 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for Producing a Nitride Compound Semiconductor Device

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3587081B2 (en) 1999-05-10 2004-11-10 豊田合成株式会社 Method of manufacturing group III nitride semiconductor and group III nitride semiconductor light emitting device
JP3555500B2 (en) 1999-05-21 2004-08-18 豊田合成株式会社 Group III nitride semiconductor and method of manufacturing the same
US6580098B1 (en) 1999-07-27 2003-06-17 Toyoda Gosei Co., Ltd. Method for manufacturing gallium nitride compound semiconductor
JP4432180B2 (en) 1999-12-24 2010-03-17 豊田合成株式会社 Group III nitride compound semiconductor manufacturing method, group III nitride compound semiconductor device, and group III nitride compound semiconductor
JP2001185493A (en) 1999-12-24 2001-07-06 Toyoda Gosei Co Ltd Method of manufacturing group iii nitride-based compound semiconductor, and group iii nitride based compound semiconductor device
US6355497B1 (en) * 2000-01-18 2002-03-12 Xerox Corporation Removable large area, low defect density films for led and laser diode growth
JP2001267242A (en) 2000-03-14 2001-09-28 Toyoda Gosei Co Ltd Group iii nitride-based compound semiconductor and method of manufacturing the same
EP1265273A4 (en) 2000-03-14 2009-05-06 Toyoda Gosei Kk Production method of iii nitride compound semiconductor and iii nitride compound semiconductor element
TW518767B (en) 2000-03-31 2003-01-21 Toyoda Gosei Kk Production method of III nitride compound semiconductor and III nitride compound semiconductor element
JP2001313259A (en) 2000-04-28 2001-11-09 Toyoda Gosei Co Ltd Method for producing iii nitride based compound semiconductor substrate and semiconductor element
US7619261B2 (en) 2000-08-07 2009-11-17 Toyoda Gosei Co., Ltd. Method for manufacturing gallium nitride compound semiconductor
TW546850B (en) * 2000-08-18 2003-08-11 Showa Denko Kk Manufacturing method for crystallization of group III nitride semiconductor, manufacturing method for gallium nitride compound semiconductor, gallium nitride compound semiconductor, gallium nitride compound semiconductor light emitting elements and light
KR20030074824A (en) 2001-02-14 2003-09-19 도요다 고세이 가부시키가이샤 Production method for semiconductor crystal and semiconductor luminous element
JP2002280314A (en) 2001-03-22 2002-09-27 Toyoda Gosei Co Ltd Manufacturing method of iii nitride compound semiconductor group, and the iii nitride compound semiconductor element based thereon
JP3690326B2 (en) 2001-10-12 2005-08-31 豊田合成株式会社 Method for producing group III nitride compound semiconductor
JP4932121B2 (en) 2002-03-26 2012-05-16 日本電気株式会社 Method for manufacturing group III-V nitride semiconductor substrate
TWI416615B (en) * 2007-10-16 2013-11-21 Epistar Corp A method of separating two material systems

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180144933A1 (en) * 2015-05-15 2018-05-24 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for Producing a Nitride Compound Semiconductor Device
US10354865B2 (en) * 2015-05-15 2019-07-16 Osram Opto Semiconductors Gmbh Method for producing a nitride compound semiconductor device

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