JP4451846B2 - 窒化物半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザや半導体発光装置などの半導体素子の製造方法に関する。
窒化物半導体は、そのバンドギャップの大きさから短波長発光素子の材料として有望視されており、光情報処理分野などへの応用が期待されている。なかでも、窒化ガリウム系化合物半導体(例えば、GaN、AlGaN、GaInN、AlGaInNなどのGaN系半導体)は研究が盛んに行われ、青色発光ダイオード(LED)や緑色LEDが実用化されている。また、光ディスク装置の大容量化のために、400nm帯に発振波長を有する半導体レーザが必要とされており、GaN系半導体を材料とする半導体レーザが注目され、現在では実用レベルに達しつつある。
窒化物半導体結晶を成長させる基板としては、窒化物半導体のバルク基板を用いることが好ましいが、高価で入手が困難であることから、一般にはサファイア基板やSiC基板等が用いられている。ところが、これらの基板は、窒化物半導体結晶と格子整合しないため、例えば、サファイア基板上に形成したGaN層には、約1×10cm−2の転位密度で転位が存在する。この転位は、製造した半導体素子の信頼性低下の原因となるため、従来から転位密度の低減が検討されている。具体的には、基板と窒化物半導体層との間に空隙部が形成されるように結晶成長させることで、転位密度を低減する方法が知られている。
例えば、特開2001―274093号公報には、基板の結晶成長面に凹凸を設け、GaN系化合物半導体などの結晶を凸部の上方部から横方向に結晶成長させることにより、半導体層で覆われた凹部が空隙部となる半導体基板の製造方法が開示されている。
また、特開2001−168042号公報には、結晶成長面に凹凸を有する基板の凹面にSiOなどからなるマスクを設け、凸部の上方部を起点として横方向に結晶成長させることにより、半導体層で覆われた凹部が空隙部となる半導体基板の製造方法が開示されている。
また、特開2002−9004号公報には、基板上に形成したGaN層に凸部をストライプ状に形成し、凹部の底面及び側壁にマスクを形成した後、凸部の上面から横方向に結晶成長させることにより、半導体層で覆われた凹部が空隙部となる半導体基板の製造方法が開示されている。
具体的には、図10に示すように、まず、サファイア基板1001上に500℃でTMGとNH3とを供給してGaNバッファ層(図示せず)を堆積した後、基板温度を1020℃まで昇温させ、TMGとNH3とを供給し、GaN層1002を堆積する。ついで、図11に示すように、フォトリソグラフィー技術によってGaN層1002の表面にストライプ状のレジスト1003を形成し、このレジスト1003をマスクとしたドライエッチングによって、GaN層1002の表面をリセス状(凹状)に加工する。次に、図12に示すように、ECRスパッタ法を用いて、シリコン窒化膜からなる誘電体1004を表面全体に堆積する。そして、図13に示すように、リフトオフによって、レジスト1003及びその上方の誘電体1004を除去する。この後、MOVPE法を用いて、GaN層1002における凸部上面の露出部分を種結晶としてGaNの選択横方向成長を行うと、横方向成長してきた隣接するGaN同士が合体し、図14に示すように、基板表面に平坦な連続膜であるGaN層1005が形成される。この結果、GaN層1005の下方には、空隙部1006が形成される。
上記各公報に開示された半導体基板の製造方法は、いずれも基板上の凸部上面近傍を起点として窒化物半導体結晶を成長させることにより、凹部を空隙部とするものであるが、特開2001―274093号公報に開示されているように基板表面にマスクを設けない場合や、特開2001−168042号公報に開示されているように基板の凹部底面にのみマスクを設ける場合には、半導体層の下方に空隙部が形成されないおそれがあるという問題があった。
また、特開2002−9004号公報に開示された半導体基板の製造方法は、基板凹部の底面及び側面にマスクを形成するものであり、上記従来の半導体基板の製造方法と比較した場合には、空隙部の形成が容易である。ところが、マスクの形成がスパッタ法により行われるので、凹凸の段差被覆性が良好でなく、基板凹部側面の被覆性が不十分になり易い。このため、基板と半導体層との間に空隙部を確実に形成する点で、更に改良の余地があった。また、凸部上面のレジストパターン及び窒化シリコン膜の除去をリフトオフ法により行うため、凸部上面のレジストパターンを均一に除去することが困難であり、凸部上面に残留した一部のレジストパターンが結晶成長の妨げになるおそれがあった。
(先行文献の一覧)
特開2001―274093号公報
特開2001−168042号公報
特開2002−9004号公報(欧州特許公開第1104031号公報と内容同一)
特開2001−176813号公報
特開2001−342100号公報(の段落番号0022)
国際公開第01/84608号パンフレット(欧州特許公開第1278233号公報と内容同一)
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、基板と窒化物半導体層との間に空隙部を確実に形成することで、信頼性の高い窒化物半導体素子の製造方法の提供を目的とする。
本発明の前記目的は、空隙からなる凹部およびIII族窒化物からなる凸部が表面に形成されている基板上に、前記凸部の上面を種結晶としてIII族窒化物の結晶を横方向成長させることにより窒化物半導体層を形成する横方向成長工程、および前記窒化物半導体層の表面に、活性層を有する窒化物半導体積層体を形成する積層体形成工程を順に有し、前記基板の格子定数は、前記III族窒化物の格子定数とは異なり、前記基板は誘電体からなるマスクを有しており、前記III族窒化物の結晶を900℃以上の温度で横方向成長させ、前記マスクは、前記凸部の側面にのみ形成され、前記凸部の上面は露出しており、かつ前記凹部には基板が露出しており、前記マスクの高さL1は、50nm以上5000nm以下であり、前記凹部の幅L2は、5000nm以上50000nm以下であり、前記凹部のアスペクト比L1/L2は、0.001以上1.0以下である、窒化物半導体素子の製造方法により達成される。
上記した構成の窒化物半導体素子の製造方法において、前記横方向成長工程は、III族窒化物からなるシード層を前記基板上に成長させるシード層形成工程と、前記シード層の表面に凸部形成用マスク層を堆積するマスク層堆積工程と、前記凸部形成用マスク層をパターニングするマスク層パターニング工程と、パターニングされた前記凸部形成用マスク層をマスクとして前記シード層をエッチングするシード層エッチング工程と、前記凸部形成用マスク層を除去することにより、前記シード層からなる凸部及び前記基板が露出する凹部を形成するマスク層除去工程と、前記凸部を含む前記基板の表面に、層状の誘電体を形成する誘電体形成工程と、前記誘電体に対して異方性エッチングを行い、前記凸部の上面の誘電体及び前記凹部の底面の誘電体を除去することにより、前記凸部の側面にのみ前記誘電体からなるマスクを残存させるマスク形成工程とを有する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1〜図8は、本発明の一実施形態に係る窒化物半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。
まず、図1に示すように、基板101上に500℃でTMGとNH3とを供給して、GaNからなるバッファ層(図示せず)を堆積した後、1020℃まで昇温させ、TMGとNH3とを供給し、GaNに代表されるIII族窒化物からなるシード層102を堆積する。ついで、図2に示すように、プラズマCVD法によりSiO2からなる凸部形成用マスク層103を堆積する。シード層102の材料として、本実施形態ではGaNとしているが、InやAlを含むGaN系材料であってもよく、更に、他のIII族窒化物であってもよい。また、本実施形態においては、基板101としてサファイア基板を用いているが、SiC基板などIII族窒化物と格子定数が異なる材料の他の基板であってもよい。
次に、フォトリソグラフィーにより、ストライプ状のレジストパターン(図示せず)を凸部形成用マスク層103の表面に形成する。レジストパターンの寸法は、例えば、幅3ミクロン、パターンの繰り返し周期は15ミクロンである。そして、上記レジストパターンをマスクにして、フッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、図3に示すように、凸部形成用マスク層103をパターニングする。
さらに、レジスト除去後、パターニングされた凸部形成用マスク層103をマスクにして、塩素系ガスを用いた反応性イオンエッチングにより、図4に示すように、シード層102をパターニングし、基板101の一部を露出させる。
ついで、バッファードフッ酸によるウェットエッチングを行って、凸部形成用マスク層103を除去する。この結果、図5に示すように、基板101の表面にシード層102からなる複数の凸部102aが形成され、各凸部102a間に、基板101が露出する凹部102bが形成される。この凹部102bは空隙を構成している。凸部102aの側面は、後述するマスクの形成を容易にするために、基板101の表面に対して略垂直であることが好ましい。このためには、凸部形成用マスク層103の材料として、シード層102(本実施形態ではGaN)に対して比較的大きなエッチング選択比を確保できる材料(本実施形態ではSiO2)を使用することが好ましい。
次に、図6に示すように、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法によって、凸部102a及び凹部102bを含む基板表面全体を被覆するように、例えば厚さ約300nmのシリコン窒化膜からなる誘電体104を堆積する。誘電体104の形成は、コンフォーマルな凹凸の被覆特性が得られる方法で行うことが好ましく、上述したLPCVD法の他に、プラズマCVD法、常圧CVD法、光CVD法などを例示することができる。また、誘電体104は、シリコン窒化膜の他に、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、アルミニウム酸化膜、アルミニウム酸窒化膜、チタン酸化膜、ジルコニウム酸化膜、ニオブ酸化膜などを用いることもでき、あるいは、これら2以上の積層体であってもよい。基板表面全体を被覆する誘電体104の厚みは、凸部102aの高さ等にもよるが、10nm以上5000nm以下であることが好ましく、50nm以上500nm以下であることがより好ましい。
ついで、基板表面に対して、フッ素系ガスを用いた反応性イオンエッチングを行う。この反応性イオンエッチングにおいては、凸部102aの上面及び凹部102bの底面を被覆する誘電体104が除去される一方、凸部102aの側面に形成された誘電体104は残存するように、プラズマ発光強度のモニタリング等によりエッチング膜厚を制御する。エッチング条件の一例を挙げると、導入ガスがCF(20sccm)、エッチング時間が300秒、反応室圧力が6.7Pa、電力が80wである。
このような異方性エッチングにより、図7に示すように、凹部102bの底面には基板101が露出し、凸部102aには、誘電体104からなるマスク104aが側面のみに形成され、凸部102aの上面は露出した状態になる。
次に、MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、基板表面に半導体層を形成する。半導体層の材料としては、シード層102と同様にIII族窒化物とすることができ、特にGaN系材料が好適である。本実施形態においては、III族原料をTMG(トリメチルガリウム)、V族原料をNH(アンモニア)としている。V族元素とIII族元素との原料流量比(V/III比)は3000〜5000が好ましく、圧力は1.3×10〜4.0×10Paが好ましく、温度は900〜1100℃が好ましい。
このような選択成長条件の下で、露出する凸部102aを種結晶として横方向に結晶成長すると、隣接する凸部102a間で成長した結晶がつながり、図8に示すように、凹部102bが空隙部の状態でGaNからなる半導体層106が形成される。
半導体層106を形成するための結晶成長条件のうち、温度条件は特に重要である。結晶成長温度が低すぎると、凹部102bの底部に結晶が生成されて空隙部が消滅するおそれがある一方、温度が高すぎると、横方向成長中の結晶側面の平滑性が損なわれるおそれがあることから、上述したように、900℃以上であることが必要であり、1100℃以下の温度範囲であることが好ましく、950℃以上1080℃以下がより好ましい。また、後述する理由からも、900℃以上であることが必要である。
本実施形態の窒化物半導体素子の製造方法によれば、凹凸を有する基板表面全体にCVD法により誘電体104を形成し、この誘電体層に対して異方性エッチングを施すことにより、誘電体104からなるマスク104aを凸部102aの側面に確実に残存させることができる。この結果、凸部102aの直上から横方向に結晶成長する際に、半導体層106により凹部102bが埋められることが防止され、半導体層106の下方に空隙部を確実に形成することができる。
GaNからなる凸部102aは、サファイアからなる基板101上に形成されているため、格子不整合により結晶欠陥を有している。この結晶欠陥は、半導体層106の成長時において直上方向に成長する結果、半導体層106における凸部102aの近傍は、転位密度が約1×10cm−2の高転位密度領域となっている。これに対し、半導体層106における凹部102bの直上領域は、凸部102aを種結晶として横方向に結晶成長した領域であるため、転位密度が約1×10cm−2の低転位密度領域となっている。したがって、高転位密度領域に対して低転位密度領域が相対的に大きい窒化物半導体基板を得るためには、凹部102bの幅をできる限り大きくすることが好ましい。但し、凹部102bの幅が大きくなりすぎると、マスク104aの高さによっては、基板101と半導体層106との間に空隙部を維持し難くなる。
すなわち、図7において、マスク104aの高さL1は、大きすぎるとシード層102の厚みが大きくなりすぎて必要なエッチング量が過剰となる一方、小さすぎると空隙部の形成が困難になることから、50nm以上5000nm以下であることが必要であり、500nm以上2000nm以下がより好ましく、800nm以上1200nm以下が好ましい。
また、凹部102bの幅(隣接する凸部102aの側面の間)L2は、大きすぎると空隙部の形成が困難になる一方、小さすぎると十分な低転位密度領域が得られなくなるため、5000nm以上50000nm以下である必要があり、8000nm以上20000nm以下であることが好ましく、10000nm以上15000nm以下であることがより好ましい。
更に、凹部102bのアスペクト比(L1/L2)は、大きすぎると凸部102aの形成のためのエッチング工程が過剰となる一方、小さすぎると空隙部の形成が困難になるため、0.001以上1.0以下であることが必要であり、0.01以上0.5以下が好ましく、0.05以上0.15以下がより好ましい。
L1及びL2を変えることにより種々のアスペクト比に対する半導体基板の評価を行った結果を表1に示す。表1に示すように、アスペクト比(L1/L2)は、0.001以上1.0以下が良好であることを実験により確認した。
Figure 0004451846
本実施形態においては、L1を1000nm、L2を12000nmとしており、アスペクト比(L1/L2)は、約0.08である。
また、図7において、マスク104aの幅L3は、大きすぎると必要な誘電体104の膜厚が過剰となる一方、小さすぎると誘電体104の異方性エッチング工程のプロセスマージンが狭くなることから、10nm以上1000nm以下が好ましく、50nm以上500nm以下がより好ましく、100nm以上300nm以下が更に好ましい。但し、L3<L2/2である。本実施形態においては、L3を200nmとしている。
また、凸部102aの幅L4は、大きすぎると半導体層106の低転位密度領域が相対的に小さくなる一方、小さすぎると種結晶が形成されにくくなることから、500nm以上10000nm以下が好ましく、1000nm以上5000nm以下がより好ましく、2000nm以上4000nm以下が更に好ましい。本実施形態においては、L4を3000nmとしている。
ここで、サファイヤ基板101上に結晶が成長しない理由は、おおよそ以下のようなものであると考えられている。
一般的にサファイヤ基板にTMGやNHなどの原料ガスを供給すると、サファイヤ基板上にGaNからなる結晶が成長する。
しかし、900℃以上の高温の雰囲気下では、サファイヤ基板101の表面に到達したGaおよびNを主体とする原料は、GaNの結晶格子と比較して約14%も格子間距離がずれているサファイヤとは結合せず、サファイヤ基板101の表面上で反発してしまう。SiC基板など、GaN基板以外の基板(すなわち、GaNの結晶格子と比較して格子間距離がずれている基板)についても同様である。
一方、本発明においては、マスク104aの高さL1は、50nm以上5000nm以下であり、凹部102bの幅L2は、5000nm以上50000nm以下であり、凹部102bのアスペクト比L1/L2は、0.001以上1.0以下であるため、サファイヤ基板101の表面の近くには、GaNに代表されるIII族窒化物からなる凸部102が存在する。この凸部102の上面に到達したGaおよびNを主体とする原料は、凸部102の格子が有する格子間距離がほぼ同じであるため、凸部102を種結晶として結晶として成長すると考えられている。
このようにして図8に示すような半導体層106を形成し、この半導体層106と基板101とからなる板状III族窒化物体を得た後、図9に示すように、公知の方法により、n型窒化物半導体層、多重量子井戸構造からなる活性層、およびp型窒化物半導体層を順次積層することにより、窒化物半導体素子が得られる。なお、これらのn型窒化物半導体層、活性層、およびp型窒化物半導体層をまとめて窒化物半導体積層体という。
具体的には、窒化物半導体基板100の表面層をn―GaN層106aとした後、n-Al0.07Ga0.93Nクラッド層107、n−GaN光ガイド層108、多重量子井戸(MQW)活性層109、p−GaN光ガイド層110、p−Al0.07Ga0.93Nクラッド層111、及びp−GaN層112を順次堆積する。そして、p−GaN層112およびp−Al0.07Ga0.93Nクラッド層111を、幅2ミクロン程度のリッジストライプ形状に加工し、リッジ部Rの両脇を絶縁膜113で覆い、電流注入領域を形成する。リッジ部Rは、空隙部である凹部112b直上の低転位密度領域に形成する。また、p−GaN層112を含む絶縁膜113の表面の一部にp電極114を設けると共に、エッチングによって一部を露出させたn-GaN層106に、n電極115を設ける。
こうして得られた半導体レーザは、p電極114とn電極115との間に電圧を印加することにより、p電極114から正孔が、n電極115から電子が、それぞれMQW活性層109に向けて注入され、MQW活性層109で利得を生じることによりレーザ発振(波長404nm)を起こす。この半導体レーザによれば、本実施形態に係る窒化物半導体基板の表面に、活性層を含む半導体積層体が形成されるので、素子としての信頼性を高めることができ、歩留まりを向上させることができる。
半導体層106を形成した後、窒化物半導体基板を得るためには、半導体層106の種結晶となっている凸部102aに、基板101の裏面側より紫外線レーザ光UL(Nd:YAGレーザ第3高調波(波長355nm))を照射する。これにより、凸部102aのGaNが光化学的に劣化し、基板101と半導体層106とが分離される。こうして、GaNからなる半導体層106を有する窒化物半導体基板を製造することができる。
基板101に照射する紫外線レーザ光の波長は、150nm〜400nmの範囲であることが好ましい。また、照射するレーザビームのフォーカス位置を凸部102aに設定し、ビームウエストが凸部102aの幅以下であることが好ましい。
レーザビームの走査方法としては主に、(1)ガルバノミラーとf−θレンズとの組み合わせ、(2)ポリゴンミラーとf−θレンズとの組み合わせ、(3)x−yステージによる移動の3つの方法が考えられる。ビームのフォーカス位置を正確に保持するためには、(3)のx−yステージを移動する方法で走査することが好ましい。ここで、走査する方向はストライプの方向、すなわちGaNの<1−100>方向であることが好ましい。
また、基板101と半導体層106との分離をより効果的に行うため、紫外線レーザ光の照射前に、半導体層106形成後の基板に対して、窒素雰囲気下に代表される不活性雰囲気下にて約1000℃で6時間程度の熱アニールを施すようにしてもよい。この場合、凸部102aのGaNから窒素原子抜け等のダメージを受けないように、アニール温度は1200℃以下に維持することが好ましい。
また、凸部102aがInGaNからなる場合、GaNに比べて基板101との格子不整合度が大きく、相分離によってInGaNの結晶性が低下して欠陥及びボイドが多数発生する。相分離を起こしたInGaNは、熱エネルギーや光エネルギーにより劣化されやすくなり、熱アニールおよびレーザ光照射によりInGaNのみが選択的に除去されるため、基体101とGaN系半導体層106とを容易に分離することができる。
以上のように、本発明によれば、基板と窒化物半導体層との間に空隙部を確実に形成することで、信頼性の高い窒化物半導体素子の製造方法を提供することができる。
第1図は、III族窒化物からなるシード層102を基板101上に成長させるシード層形成工程を示している。 第2図は、シード層102の表面に凸部形成用マスク層103を堆積するマスク層堆積工程を示している。 第3図は、凸部形成用マスク層103をパターニングするマスク層パターニング工程を示している。 第4図は、パターニングされた凸部形成用マスク層103をマスクとしてシード層102をエッチングするシード層エッチング工程を示している。 第5図は、凸部形成用マスク層103を除去することにより、シード層102からなる凸部102a及び基板101が露出する凹部102bを形成するマスク層除去工程を示している。 第6図は、凸部102aを含む基板101の表面に、層状の誘電体104を形成する誘電体形成工程を示している。 第7図は、誘電体104に対して異方性エッチングを行い、凸部102aの上面の誘電体104及び凹部102bの底面の誘電体104を除去することにより、凸部102aの側面にのみ誘電体104からなるマスク104aを残存させるマスク形成工程を示している。 第8図は、空隙からなる凹部102bおよびIII族窒化物からなる凸部102aが表面に形成されている基板101上に、凸部102aの上面を種結晶としてIII族窒化物の結晶を横方向成長させることにより窒化物半導体層106を形成する横方向成長工程を示している。 第9図は、窒化物半導体層106の表面に、活性層を有する窒化物半導体積層体を形成する積層体形成工程を示しており、上記窒化物半導体基板の製造方法により得られた窒化物半導体基板を用いて製造された、本発明の一実施形態に係る半導体素子の断面図でもある。 第10図は、従来の窒化物半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。 第11図は、従来の窒化物半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。 第12図は、従来の窒化物半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。 第13図は、従来の窒化物半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。 第14図は、従来の窒化物半導体基板の製造方法を説明するための工程断面図である。

Claims (8)

  1. 空隙からなる凹部およびIII族窒化物からなる凸部が表面に形成されている基板上に、前記凸部の上面を種結晶としてIII族窒化物の結晶を横方向成長させることにより窒化物半導体層を形成する横方向成長工程、および、前記窒化物半導体層の表面に、活性層を有する窒化物半導体積層体を形成する積層体形成工程を順に有し、
    前記基板の格子定数は、前記III族窒化物の格子定数とは異なり、
    前記基板は誘電体からなるマスクを有しており、
    前記III族窒化物の結晶を900℃以上の温度で横方向成長させ、
    前記マスクは、前記凸部の側面にのみ形成され、前記凸部の上面は露出しており、かつ、前記凹部には基板が露出しており、
    前記マスクの高さL1は、50nm以上5000nm以下であり、
    前記凹部の幅L2は、5000nm以上50000nm以下であり、
    前記凹部のアスペクト比L1/L2は、0.001以上1.0以下である窒化物半導体素子の製造方法であって、
    前記横方向成長工程は、
    III族窒化物からなるシード層を前記基板上に成長させるシード層形成工程と、
    前記シード層の表面に凸部形成用マスク層を堆積するマスク層堆積工程と、
    前記凸部形成用マスク層をパターニングするマスク層パターニング工程と、
    パターニングされた前記凸部形成用マスク層をマスクとして前記シード層をエッチングするシード層エッチング工程と、
    前記凸部形成用マスク層を除去することにより、前記シード層からなる凸部及び前記基板が露出する凹部を形成するマスク層除去工程と、
    前記凸部を含む前記基板の表面に、層状の誘電体を形成する誘電体形成工程と、
    前記誘電体に対して異方性エッチングを行い、前記凸部の上面の誘電体及び前記凹部の底面の誘電体を除去することにより、前記凸部の側面にのみ前記誘電体からなるマスクを残存させるマスク形成工程とを有する窒化物半導体素子の製造方法。
  2. 前記窒化物半導体層は、1100℃以下で結晶成長させることにより形成される請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
  3. 前記III族窒化物は、GaN系材料である請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
  4. 前記基板は、サファイア基板である請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
  5. 前記マスクの幅L3は、10nm以上1000nm以下である請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
  6. 前記凸部の幅L4は、500nm以上10000nm以下である請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
  7. 前記半導体層は、圧力が1.3×104Pa以上4.0×104Pa以下で結晶成長させることにより形成される請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
  8. 前記半導体層は、V族元素とIII族元素との原料流量比(V/III比)が3000以上5000以下で結晶成長させることにより形成される請求項1に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
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Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6265289B1 (en) * 1998-06-10 2001-07-24 North Carolina State University Methods of fabricating gallium nitride semiconductor layers by lateral growth from sidewalls into trenches, and gallium nitride semiconductor structures fabricated thereby
JP2004273661A (ja) * 2003-03-07 2004-09-30 Sumitomo Chem Co Ltd 窒化ガリウム単結晶基板の製造方法
KR100506739B1 (ko) * 2003-12-23 2005-08-08 삼성전기주식회사 알루미늄(Al)을 함유한 질화물 반도체 결정 성장방법
WO2006062084A1 (ja) * 2004-12-08 2006-06-15 Sumitomo Electric Industries, Ltd. 半導体レーザ素子およびその製造方法
US7527742B2 (en) * 2005-06-27 2009-05-05 Momentive Performance Materials Inc. Etchant, method of etching, laminate formed thereby, and device
DE102005010821B4 (de) * 2005-03-07 2007-01-25 Technische Universität Berlin Verfahren zum Herstellen eines Bauelements
JP4656410B2 (ja) * 2005-09-05 2011-03-23 住友電気工業株式会社 窒化物半導体デバイスの製造方法
GB2436398B (en) * 2006-03-23 2011-08-24 Univ Bath Growth method using nanostructure compliant layers and HVPE for producing high quality compound semiconductor materials
US8188573B2 (en) * 2006-08-31 2012-05-29 Industrial Technology Research Institute Nitride semiconductor structure
TWI393174B (zh) * 2009-03-23 2013-04-11 Ind Tech Res Inst 氮化物半導體基板及其製造方法
TWI319893B (en) * 2006-08-31 2010-01-21 Nitride semiconductor substrate, method for forming a nitride semiconductor layer and method for separating the nitride semiconductor layer from the substrate
JP5076746B2 (ja) * 2006-09-04 2012-11-21 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法
GB0701069D0 (en) * 2007-01-19 2007-02-28 Univ Bath Nanostructure template and production of semiconductors using the template
JP2009049044A (ja) 2007-08-13 2009-03-05 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザを作製する方法
US8652947B2 (en) * 2007-09-26 2014-02-18 Wang Nang Wang Non-polar III-V nitride semiconductor and growth method
US8118934B2 (en) * 2007-09-26 2012-02-21 Wang Nang Wang Non-polar III-V nitride material and production method
TWI411125B (zh) * 2008-03-05 2013-10-01 Advanced Optoelectronic Tech 三族氮化合物半導體發光元件之製造方法及其結構
GB2460898B (en) 2008-06-19 2012-10-10 Wang Nang Wang Production of semiconductor material and devices using oblique angle etched templates
KR101142082B1 (ko) * 2009-03-12 2012-05-03 주식회사 엘지실트론 질화물 반도체 기판 및 그 제조 방법과 이를 이용한 질화물반도체 소자
US8178427B2 (en) * 2009-03-31 2012-05-15 Commissariat A. L'energie Atomique Epitaxial methods for reducing surface dislocation density in semiconductor materials
JP4647020B2 (ja) * 2009-07-30 2011-03-09 キヤノン株式会社 窒化物半導体の微細構造の製造方法
JP2011216578A (ja) * 2010-03-31 2011-10-27 Advanced Power Device Research Association 窒化物半導体及び窒化物半導体素子
KR101781438B1 (ko) * 2011-06-14 2017-09-25 삼성전자주식회사 반도체 발광소자의 제조방법
US9574135B2 (en) * 2013-08-22 2017-02-21 Nanoco Technologies Ltd. Gas phase enhancement of emission color quality in solid state LEDs
KR20160008382A (ko) 2014-07-14 2016-01-22 서울대학교산학협력단 반도체 적층 구조, 이를 이용한 질화물 반도체층 분리방법 및 장치

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5281283A (en) * 1987-03-26 1994-01-25 Canon Kabushiki Kaisha Group III-V compound crystal article using selective epitaxial growth
CA1321121C (en) * 1987-03-27 1993-08-10 Hiroyuki Tokunaga Process for producing compound semiconductor and semiconductor device using compound semiconductor obtained by same
ATE550461T1 (de) * 1997-04-11 2012-04-15 Nichia Corp Wachstumsmethode für einen nitrid-halbleiter
US6363515B1 (en) * 1997-12-30 2002-03-26 Intel Corporation Early power estimation tool for high performance electronic system design
TW417315B (en) * 1998-06-18 2001-01-01 Sumitomo Electric Industries GaN single crystal substrate and its manufacture method of the same
JP4005701B2 (ja) * 1998-06-24 2007-11-14 シャープ株式会社 窒素化合物半導体膜の形成方法および窒素化合物半導体素子
JP3471685B2 (ja) 1999-03-17 2003-12-02 三菱電線工業株式会社 半導体基材及びその製造方法
JP3441415B2 (ja) 1999-12-13 2003-09-02 三菱電線工業株式会社 半導体結晶の製造方法
US6940098B1 (en) * 1999-03-17 2005-09-06 Mitsubishi Cable Industries, Ltd. Semiconductor base and its manufacturing method, and semiconductor crystal manufacturing method
EP1104031B1 (en) * 1999-11-15 2012-04-11 Panasonic Corporation Nitride semiconductor laser diode and method of fabricating the same
JP3571641B2 (ja) 1999-11-15 2004-09-29 松下電器産業株式会社 窒化物半導体素子
JP3518455B2 (ja) * 1999-12-15 2004-04-12 日亜化学工業株式会社 窒化物半導体基板の作製方法
JP2001196697A (ja) * 2000-01-13 2001-07-19 Fuji Photo Film Co Ltd 半導体素子用基板およびその製造方法およびその半導体素子用基板を用いた半導体素子
JP2001217503A (ja) * 2000-02-03 2001-08-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd GaN系半導体発光素子およびその製造方法
JP4665286B2 (ja) 2000-03-24 2011-04-06 三菱化学株式会社 半導体基材及びその製造方法
JP3946427B2 (ja) 2000-03-29 2007-07-18 株式会社東芝 エピタキシャル成長用基板の製造方法及びこのエピタキシャル成長用基板を用いた半導体装置の製造方法
JP2001313259A (ja) 2000-04-28 2001-11-09 Toyoda Gosei Co Ltd Iii族窒化物系化合物半導体基板の製造方法及び半導体素子
JP4356208B2 (ja) * 2000-08-01 2009-11-04 ソニー株式会社 窒化物半導体の気相成長方法
JP4206629B2 (ja) * 2000-10-04 2009-01-14 パナソニック株式会社 半導体装置の製造方法および半導体装置ならびに半導体基板の製造方法
US6599362B2 (en) * 2001-01-03 2003-07-29 Sandia Corporation Cantilever epitaxial process

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