JP5015480B2 - Manufacturing method of semiconductor single crystal substrate - Google Patents
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Description
本発明は、高品質な半導体単結晶基板の製造方法、半導体単結晶基板、及び半導体デバイスに関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a high-quality semiconductor single crystal substrate, a semiconductor single crystal substrate, and a semiconductor device.
各種半導体デバイスに広く用いられている半導体単結晶は、融液からの引き上げ法あるいは徐冷法といったバルク成長法により製造されている。一方、エピタキシャル成長法は、このように製造されたバルク基板上にさらに結晶性の高い結晶薄膜あるいは高度に不純物・組成の制御された多層薄膜構造を形成するために用いられているほか、大気圧あるいは通常の機械設備技術で工業的に対応できる程度の圧力下において融点を持たない昇華性または分解性物質に属する結晶類を製造するためにも広く用いられている。特に後者の場合、例えば融液成長等により工業的に入手可能な単結晶基板を利用し、該単結晶基板上に所望の結晶をエピタキシャル成長させる、いわゆるヘテロエピタキシャル成長法が広く用いられている。 Semiconductor single crystals widely used in various semiconductor devices are manufactured by a bulk growth method such as a pulling method from a melt or a slow cooling method. On the other hand, the epitaxial growth method is used to form a crystalline thin film with higher crystallinity or a multilayer thin film structure with a highly controlled impurity and composition on the bulk substrate manufactured in this way. It is also widely used to produce crystals belonging to sublimable or decomposable substances that do not have a melting point under pressure that can be industrially handled by ordinary mechanical equipment technology. In particular, in the latter case, a so-called heteroepitaxial growth method is widely used, in which a single crystal substrate that is industrially available, for example, by melt growth is used, and a desired crystal is epitaxially grown on the single crystal substrate.
具体的に述べると、近年、発光ダイオードあるいは半導体レーザーとしての用途に広く実用化されている窒化ガリウム系化合物半導体の製造の場合には、一般式Alx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1)で表される窒化物材料であって、その組成(x、y、z)及び添加不純物濃度の異なる多層エピタキシャル基板が用いられている。しかしながら、GaNを含むAlx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1)結晶を成長基板とした場合には、その窒素乖離圧が高く、バルク成長がきわめて困難である。このため、従来においては、サファイア、スピネル、SiCあるいはGaAsなどの異種結晶基板を下地基板として用い、エピタキシャル成長としては、それらの異種結晶基板上にエピタキシャル結晶を成長させるヘテロエピタキシャル成長法に頼っているのが実情である。 To be specific, in recent years, in the case of a light-emitting diode or applications widely practically used in which a gallium nitride-based compound semiconductor fabrication as a semiconductor laser is represented by the general formula Al x In y Ga z N (However, 0 ≦ x , Y, z ≦ 1, and a nitride material represented by x + y + z = 1), which has a different composition (x, y, z) and different impurity concentration, is used. However, Al x In y Ga z N containing GaN (However, 0 ≦ x, y, with z ≦ 1, x + y + z = 1) in the case of the growth substrate crystal is high the nitrogen dissociation pressure, bulk growth It is extremely difficult. For this reason, conventionally, different crystal substrates such as sapphire, spinel, SiC or GaAs are used as the base substrate, and the epitaxial growth relies on a heteroepitaxial growth method in which an epitaxial crystal is grown on these different crystal substrates. It is a fact.
ところが、一般には、このような工業的に入手容易な結晶基板を下地基板として用いた場合には、窒化ガリウム系化合物半導体との格子定数差などの問題から、良好な窒化ガリウム系化合物半導体のエピタキシャル成長が困難であった。このような問題を解決する方法として、エピタキシャルラテラルオーバグロウス(以下、ELOGと記す)により異種基板上に下地層を導入する方法が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3および非特許文献1)。
However, in general, when such an industrially available crystal substrate is used as a base substrate, a good epitaxial growth of a gallium nitride compound semiconductor is possible due to problems such as a difference in lattice constant from the gallium nitride compound semiconductor. It was difficult. As a method for solving such a problem, there has been proposed a method of introducing a base layer on a heterogeneous substrate by epitaxial lateral overgrowth (hereinafter referred to as ELOG) (for example,
このELOGによる下地層の形成は、異種基板上又は異種基板上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体上にSiO2 などのマスクパターンを形成するか、又は該半導体の表面に段差を所定のパターン状に設け、所要の半導体結晶を選択的に横方向にエピタキシャル成長させて形成するものである。 The formation of the underlying layer by ELOG is performed by forming a mask pattern such as SiO 2 on a heterogeneous substrate or a gallium nitride compound semiconductor grown on a heterogeneous substrate, or forming a step on the surface of the semiconductor in a predetermined pattern shape. And a desired semiconductor crystal is selectively epitaxially grown in the lateral direction.
一般に、格子定数の異なる基板上へのヘテロエピタキシャル成長の場合、格子不整合によるミスフィット転位をはじめとする各種欠陥が多量に発生し、この欠陥がエピタキシャル成長方向に伝播する。このような欠陥のある基板を用いて半導体デバイスを製造すると、得られた半導体はデバイスの動作特性に悪影響を与える要因となる。しかし、ELOG法においては、下地基板との界面付近で発生した転位等の欠陥がマスク上での横方向成長部には伝播しないか、もしくは欠陥伝播が横方向に曲げられるといった機構により、エピタキシャル層上部への欠陥伝播が大幅に抑制されるため、良質な結晶性を有する半導体単結晶基板が得られることが特徴である。そして、このようなELOGによる下地層を素子構造の形成前に導入することで、結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体の成長が可能となり、各種半導体デバイスの特性の向上に大きく寄与するものとなった。 In general, in the case of heteroepitaxial growth on substrates having different lattice constants, a large amount of various defects such as misfit dislocations due to lattice mismatching occur, and these defects propagate in the epitaxial growth direction. When a semiconductor device is manufactured using such a defective substrate, the obtained semiconductor becomes a factor that adversely affects the operation characteristics of the device. However, in the ELOG method, a defect such as a dislocation generated near the interface with the base substrate does not propagate to the laterally grown portion on the mask, or the defect propagation is bent in the lateral direction. Since the propagation of defects to the upper part is greatly suppressed, a semiconductor single crystal substrate having good crystallinity can be obtained. By introducing such an ELOG base layer before the formation of the element structure, it becomes possible to grow a gallium nitride compound semiconductor with good crystallinity, which greatly contributes to the improvement of characteristics of various semiconductor devices. became.
しかしながら、このELOGによる窒化ガリウム系化合物半導体の形成は、例えば、異種基板上に成長させた窒化ガリウム系化合物半導体層の表面に、窒化ガリウム系化合物半導体の成長が困難若しくは不可能な性質を有するマスクを所要のパターン(例えばストライプ状)に形成し、実質的に非マスク領域からのみ窒化ガリウム系化合物半導体を縦方向(基板の主面に垂直な方向)にある程度の膜厚で成長した後、この縦方向の成長に優先してマスク上方に向かう横方向の成長がなされ、成膜するものであるから、複雑なプロセスを必要とするので、製造コストが増大する上に、複数の工程を経るので歩留まり向上を困難なものとしていた。 However, the formation of a gallium nitride compound semiconductor by this ELOG is, for example, a mask having a property that makes it difficult or impossible to grow a gallium nitride compound semiconductor on the surface of a gallium nitride compound semiconductor layer grown on a different substrate. After forming a gallium nitride compound semiconductor in a vertical direction (a direction perpendicular to the main surface of the substrate) with a certain film thickness substantially only from a non-mask region, Since the growth in the horizontal direction toward the upper side of the mask is performed in preference to the growth in the vertical direction, and a film is formed, a complicated process is required, so that the manufacturing cost increases and a plurality of steps are required. Yield improvement was difficult.
このように、ELOGによると、マスクの形成工程、パターンの形成工程を必要とし、またそれらはそれぞれ窒化ガリウム系化合物半導体の成長装置とは異なる装置で行われるため、煩雑な工程を必要とするのである。また、異種基板上にELOG成長の下地層となる窒化ガリウム系化合物半導体層を形成した後、これを反応容器から取り出してマスクを設けた後、さらに反応容器に戻してELOG成長させることになるので、異種基板上に素子構造を形成するための基板となる窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することが、反応容器内で連続して行えない。 As described above, according to ELOG, a mask formation process and a pattern formation process are required, and these are performed by apparatuses different from the gallium nitride compound semiconductor growth apparatus. is there. In addition, after forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer as an underlayer for ELOG growth on a different substrate, this is taken out of the reaction vessel and provided with a mask, and then returned to the reaction vessel for ELOG growth. It is not possible to continuously form a gallium nitride compound semiconductor layer serving as a substrate for forming an element structure on a heterogeneous substrate in a reaction vessel.
また、別の方法として、異種基板上に形成した窒化ガリウム系化合物半導体の表面に凹凸を所定のパターン(例えばストライプ状)に設けて、凹部側面から上述の窒化ガリウム系化合物半導体の横方向の成長を発生させる方法があるが、この場合でも、窒化ガリウム系化合物半導体を成長後に凹凸を設ける加工を施さなければならず、上述の方法と同様な問題が発生する。 As another method, unevenness is provided in a predetermined pattern (for example, stripes) on the surface of a gallium nitride compound semiconductor formed on a heterogeneous substrate, and lateral growth of the gallium nitride compound semiconductor is performed from the side surface of the recess. However, even in this case, it is necessary to carry out a process of providing unevenness after the growth of the gallium nitride compound semiconductor, and the same problem as the above-described method occurs.
このように、従来の横方向の成長を伴う窒化ガリウム系化合物半導体の成長方法は、一度、異種基板上に下地となる窒化ガリウム系化合物半導体層を成長させた後、上述のようなマスクを形成したり、凹凸を形成するなどのために、窒化ガリウム系化合物半導体を成長させる反応容器から一旦ウエハを取り出さなければならず、このとき窒化ガリウム系化合物半導体が汚染しないように注意をしなければならないので手間を必要とする。 As described above, in the conventional method for growing a gallium nitride compound semiconductor with lateral growth, a mask as described above is formed after a gallium nitride compound semiconductor layer as a base is once grown on a different substrate. In order to prevent the contamination of the gallium nitride compound semiconductor, it is necessary to remove the wafer from the reaction vessel for growing the gallium nitride compound semiconductor. So it takes time and effort.
このような問題点を解決するため、下記のような方法が特許文献3に開示されている。すなわち、窒化ガリウム系化合物半導体とは異なる材料よりなる異種基板の表面にマスク領域と非マスク領域とを設けた後、該非マスク領域から窒化ガリウム系化合物半導体を選択的に成長させ、該マスク領域の上部を覆うように成膜してなる第1の窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することにより実質的にELOGを可能とならしめ、良好なエピタキシャル結晶を形成する方法である。
In order to solve such a problem, the following method is disclosed in
異種基板の表面にマスク領域と非マスク領域とを設ける具体的な方法として、異種基板表面に部分的に溝を設けた後、異種基板上に、異種基板に比べて窒化ガリウム系化合物半導体の成長が困難な材料からなる埋込膜を前記溝の深さ以上の厚みで設けた後、前記溝を設けていない異種基板表面が露出する深さまでエッチングして、埋込膜を除去平坦化し、異種基板表面が露出した非マスク領域と該埋込膜が露出したマスク領域とを形成する方法が用いられている。この方法によれば、上述の窒化ガリウム系化合物半導体の選択的な成長を実現するための異種基板の形成を、複雑な工程を必要とせずに実現することができる。すなわち、マスク領域となる異種基板に設けた溝への埋込膜の形成が、溝を設けた異種基板に埋込膜を形成してエッチバックするだけという極めて簡単な加工で済むからである。 As a specific method of providing a mask region and a non-mask region on the surface of a heterogeneous substrate, a groove is partially provided on the surface of the heterogeneous substrate, and then a gallium nitride compound semiconductor is grown on the heterogeneous substrate as compared with the heterogeneous substrate. After providing a buried film made of a material difficult to etch with a thickness equal to or greater than the depth of the groove, the buried film is removed and planarized by etching to a depth at which the surface of the heterogeneous substrate not provided with the groove is exposed. A method is used in which a non-mask region where the substrate surface is exposed and a mask region where the buried film is exposed are formed. According to this method, the formation of the heterogeneous substrate for realizing the selective growth of the above-described gallium nitride-based compound semiconductor can be realized without requiring a complicated process. That is, the formation of the buried film in the groove provided in the different substrate serving as the mask region is an extremely simple process of forming the buried film on the different substrate provided with the groove and performing etch back.
また、上記従来技術の他、さらに簡便な手法として、マスク領域となる成長抑止材料を真空蒸着法により島状に形成し、該島部分をマスクとしてELOGを実施することで良好なエピタキシャル結晶を得られるようにした方法が開示されている(特許文献4)。
しかしながら、発光デバイスをはじめとする高性能半導体デバイスを提供するには、現状のELOGプロセスにより製造されるエピタキシャル結晶基板の結晶性はまだ充分ではないという問題があり、またこれを安価に工業的に提供するという観点から見た場合、特にマスクの形成方法が依然煩雑であることから、高コストであるという問題があった。 However, in order to provide a high-performance semiconductor device such as a light-emitting device, there is a problem that the crystallinity of an epitaxial crystal substrate manufactured by the current ELOG process is not yet sufficient. From the viewpoint of providing, there is a problem that the method for forming the mask is particularly complicated, and thus the cost is high.
本発明の目的は、結晶性のより改善された半導体単結晶基板を得ることができる半導体単結晶基板の製造方法、高品質の半導体単結晶基板、及びこれを用いた高性能な半導体デバイスを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor single crystal substrate manufacturing method capable of obtaining a semiconductor single crystal substrate with improved crystallinity, a high quality semiconductor single crystal substrate, and a high-performance semiconductor device using the same. There is to do.
本発明の他の目的は、低コストで高品質の半導体単結晶基板を得ることができる半導体単結晶基板の製造方法、安価で高品質の半導体単結晶基板、及びこれを用いた安価で高性能な半導体デバイスを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor single crystal substrate manufacturing method capable of obtaining a low-cost and high-quality semiconductor single crystal substrate, an inexpensive and high-quality semiconductor single crystal substrate, and an inexpensive and high-performance using the same. Is to provide a simple semiconductor device.
請求項1の発明によれば、サファイア基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させて半導体単結晶基板を製造する方法において、前記サファイア基板上に開口部を有するマスク材を設置し、該開口部内から外に向けて前記半導体結晶のエピタキシャル成長を開始し、該マスク材の形状に沿って前記半導体結晶を前記サファイア基板上にエピタキシャル成長することにより、前記半導体結晶を、前記半導体結晶の前記サファイア基板の表面に平行な断面の面積が前記サファイア基板の表面から成長する過程で一旦徐々に縮小され次に徐々に拡大されるように、エピタキシャル成長させ、これにより前記半導体結晶の成長途中で成長領域を一旦徐々に絞るようにすると共に、該エピタキシャル成長を少なくとも前記半導体結晶の表面の面積が該エピタキシャル成長に用いられた前記サファイア基板の表面の面積と等しくなるまで行い、前記マスク材として、水分散液のコロイダルシリカに含まれるシリカ粒子を用いることを特徴とする半導体単結晶基板の製造方法が提案される。
According to the invention of
請求項2の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記マスク材料の前記サファイア下地基板の表面に平行な断面が円形である半導体単結晶基板の製造方法が提案される。 According to a second aspect of the present invention, there is proposed a method for manufacturing a semiconductor single crystal substrate according to the first aspect of the present invention, wherein the mask material has a circular cross section parallel to the surface of the sapphire base substrate .
請求項3の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記マスク材料が球形である半導体単結晶基板の製造方法が提案される。 According to a third aspect of the present invention, there is proposed a method for manufacturing a semiconductor single crystal substrate according to the first aspect, wherein the mask material is spherical .
請求項4の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記サファイア基板上に成長するエピタキシャル結晶が、大気圧において融点を持たない昇華性または分解性物質で3−5族化合物半導体に属する結晶である半導体単結晶基板の製造方法が提案される。
According to the invention of claim 4, in the invention of
請求項5の発明によれば、請求項1〜4のいずれかに記載の発明において、エピタキシャル結晶が3−5族窒化物半導体であることを特徴とする半導体単結晶基板の製造方法が提案される。
According to the invention of
本発明によれば、結晶性に優れた半導体単結晶基板をより工業的に安価に得ることができるほか、このようにして得られた半導体単結晶基板を用いることでより高性能な半導体デバイスを製造することができる。 According to the present invention, a semiconductor single crystal substrate having excellent crystallinity can be obtained more industrially at a lower cost, and a higher performance semiconductor device can be obtained by using the semiconductor single crystal substrate thus obtained. Can be manufactured.
以下、本発明を、その最良の実施形態のひとつである、窒化ガリウム系半導体結晶のエピタキシャル成長による半導体単結晶基板及びその製造方法、該半導体単結晶基板を用いて製造された半導体発光デバイスを例にとって説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない Hereinafter, the present invention will be described by taking as an example a semiconductor single crystal substrate by epitaxial growth of a gallium nitride based semiconductor crystal and a method for manufacturing the same, and a semiconductor light emitting device manufactured using the semiconductor single crystal substrate. Although described, the present invention is not limited to these embodiments.
本発明は、異種基板上に窒化物半導体をエピタキシャル成長する、いわゆるヘテロエピタキシャル成長工程において最良の効果を示すが、工業的に容易に入手可能な単結晶基板を用い同系統の結晶層をエピタキシャル成長させる通常のエピタキシャル成長工程においても、結晶性改善効果が期待できる。またデバイス応用においても本発明において開示される技術概念は半導体発光デバイス以外にも幅広く各種の半導体デバイスにも適用されうる。 The present invention shows the best effect in a so-called heteroepitaxial growth process in which a nitride semiconductor is epitaxially grown on a heterogeneous substrate. However, a normal crystal layer of the same type is epitaxially grown using a single crystal substrate that can be easily obtained industrially. Even in the epitaxial growth process, an effect of improving crystallinity can be expected. Also in the device application, the technical concept disclosed in the present invention can be applied to a wide variety of semiconductor devices in addition to the semiconductor light emitting device.
図1は、本発明による半導体単結晶基板の製造方法の一実施形態を説明するための工程図であり、図1を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。なお、以下に説明するようにして製造される半導体単結晶基板は、特に、発光ダイオード素子の製造に用いるのに好適である。 FIG. 1 is a process diagram for explaining an embodiment of a method for producing a semiconductor single crystal substrate according to the present invention, and an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The semiconductor single crystal substrate manufactured as described below is particularly suitable for use in manufacturing a light emitting diode element.
先ず、図1の(A)に示されるように下地基板(成長用基板)1を用意する。下地基板1としては、サファイア、SiC、Si、MgAl2 O4 、LiTaO3 、ZrB2 、CrB2 、窒化ガリウムからなる基板、およびこれらの化合物からなる基板上に窒化物半導体を成長させた複合体を用いることができる。本発明の趣旨から、いずれも工業的に入手容易であることが肝要である。
First, as shown in FIG. 1A, a base substrate (growth substrate) 1 is prepared. As the
しかる後、下地基板1の表面1Aを清掃し、清浄な表面1A上にエピタキシャル成長マスクを形成する。ここでは、下地基板1の表面1A上に、エピタキシャル成長マスク(以下、単にマスクと称することがある)として働く無機粒子2を配置する(図1の(B))。
Thereafter, the
本発明による半導体単結晶基板の製造方法は、下地基板1上へのヘテロエピタキシャル成長法において、下地基板1上に成長するエピタキシャル成長結晶における該下地基板表面に平行な断面の面積が、下地基板1の表面からの距離によって後述の如く変化するように成長させることを特徴としている。また、それを可能とするエピタキシャル成長マスクが使用されること、及びそのような構造のマスクを下地基板上に形成するためのマスク製造方法にも特徴を有している。
In the method for manufacturing a semiconductor single crystal substrate according to the present invention, in the heteroepitaxial growth method on the
このエピタキシャル成長マスクの特徴は、該エピタキシャル成長マスクの下地基板の表面に平行な断面の面積が、下地基板表面からの距離の関数になっていることである。 The feature of this epitaxial growth mask is that the area of the cross section parallel to the surface of the underlying substrate of the epitaxial growth mask is a function of the distance from the surface of the underlying substrate.
無機粒子2を用いたエピタキシャル成長マスクは、下地基板1との接触面積Aが下地基板1の成長面の面積Bよりも小さく、下地基板1の成長面に平行な面での断面積Cは、下地基板1から遠ざかるに従って大きくなり、所定距離だけ遠ざかったところで最大値Dとなり、該所定距離をこえると下地基板1から遠ざかるに従って小さくなり、終端するという構造を有するものである。
In the epitaxial growth mask using the
ここで、上記各面積と最大値Dとの大小関係は、A<C<D<Bである。また、上記の各面積は、下地基板1の表面に対して垂直に立てられた法線方向に直交する平面への投影面積で定義される。すなわち、下地基板1に凹凸が存在するような場合においても、Bはその凹凸を含めた表面積ではなく、下地基板1の主面に対する法線方向への投影面積である。また、先に説明したエピタキシャル結晶層の断面積についても同様である。エピタキシャル成長方向とは、下地基板1の主面に対する法線方向と一致するものと定義する。
Here, the magnitude relationship between each area and the maximum value D is A <C <D <B. In addition, each of the above areas is defined by a projected area onto a plane perpendicular to the normal direction set up perpendicular to the surface of the
したがって、図1に示した本発明による方法により得られた半導体エピタキシャル基板は、基板成長面の面積Bからマスク断面積Cを差し引いた面積で定義され、そのエピタキシャル結晶成長層の断面積(B−C)が、エピタキシャル成長方向に沿って、(B−A)>(B−C)>(B−D)と変化し、最後にB−C=B(すなわちC=0)となるプロファイルを有していることを特徴としている。 Therefore, the semiconductor epitaxial substrate obtained by the method according to the present invention shown in FIG. 1 is defined by an area obtained by subtracting the mask cross-sectional area C from the area B of the substrate growth surface, and the cross-sectional area (B− C) has a profile in which (BA)> (BC)> (BD) changes along the epitaxial growth direction, and finally BC = B (ie, C = 0). It is characterized by having.
次に、図2及び図3を参照して、エピタキシャル成長マスクの構造についてより具体的に説明する。 Next, referring to FIGS. 2 and 3, the structure of the epitaxial growth mask will be described more specifically.
図2において、(A)は無機粒子2が配置された下地基板1の平面図、(B)はそのX−X線断面図、(C)は3−5族窒化物半導体層が形成された状態での(A)のX−X線断面図である。
2A is a plan view of the
図3は、図2の(C)に示す基板を下地基板1の表面1A(主面)に対する法線方向に直交するように断面した場合の断面図で、図3の(A)は1−1線断面図、図3の(B)は2−2線断面図、図3の(C)は3−3線断面図、図3の(D)は4−4線断面図、図3の(E)は5−5線断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the substrate shown in FIG. 2C when it is crossed so as to be orthogonal to the normal direction to the
図2の(C)と図3の各図とを対比して判るように、エピタキシャル成長マスクを形成する無機粒子2の断面積に着目すると、下地基板1とエピタキシャル成長マスク2との接触面積は、下地基板1の成長面の面積よりも小さくなっている。そして、下地基板1の成長面に平行な面での無機粒子2の断面積Cは、下地基板1から遠ざかるに従って大きくなり、所定距離だけ遠ざかったところ(3−3線断面の位置)で最大値となる(図3の(B)、(C)参照)。該3−3線断面の位置をこえると下地基板1から遠ざかるに従って小さくなり、終端する(図3の(D)、(E)参照)という構造となっている。
As can be seen by comparing (C) of FIG. 2 and each of FIGS. 3A and 3B, when attention is paid to the cross-sectional area of the
したがって、本発明の方法により得られた半導体エピタキシャル基板の下地基板1の表面に平行な断面の面積は、基板成長面の面積Bからマスク断面積Cを差し引いた面積で定義され、そのエピタキシャル結晶成長層の断面積(B−C)が、エピタキシャル成長方向に沿って、(B−A)>(B−C)>(B−D)と変化し、最後にB−C=B(すなわちC=0)となるプロファイルを有していることを特徴とする。
Therefore, the area of the cross section parallel to the surface of the
上述の如き構造を有するエピタキシャル成長マスクの形成方法は、半導体加工処理において一般的に用いられるフォトリソグラフィ工程を用いることもできる。マスクパターンとしては、ELOGに関する公知文献で知られているストライプ状構造等を含む各種の二次元的な幾何学的な周期構造でよいが、必ずしも周期構造である必要はなく、不規則な島状構造でもよい。不規則島状構造の場合には、必ずしも煩雑なリソグラフィ工程を用いずとも例えば蒸着法等の簡便な製膜方法を用してマスクを形成することもできる。一般的にこのようなマスクの断面構造は、詳しく定義されておらず、また通常のリソグラフィ工程あるいは蒸着法等製膜方法においては、平板状のマスクが、形成されることが多い。 The method for forming an epitaxial growth mask having the above-described structure can use a photolithography process generally used in semiconductor processing. The mask pattern may be any of various two-dimensional geometric periodic structures including a stripe-shaped structure known in publicly known literature on ELOG, but is not necessarily a periodic structure, and is an irregular island shape. It may be a structure. In the case of an irregular island structure, the mask can be formed using a simple film forming method such as a vapor deposition method without necessarily using a complicated lithography process. In general, the cross-sectional structure of such a mask is not defined in detail, and a flat mask is often formed in a normal lithography process or a film forming method such as a vapor deposition method.
本発明の方法に用いるエピタキシャル成長マスクは上述の如き構成を有しているので、B−Cがマスク開口部面積である。このようなマスク構造を形成するには、例えばいったんリソグラフィ工程で開口率の大きなマスクを形成し、続いて開口率の小さなマスクを重ねて形成することにより、あるいはさらにその上に開口率の大きなマスクをさらに重ねて形成することで、所望の断面積プロファイルを有するマスクを形成することができる。 Since the epitaxial growth mask used in the method of the present invention has the above-described configuration, BC is the mask opening area. In order to form such a mask structure, for example, a mask having a large aperture ratio is once formed in a lithography process, and then a mask having a small aperture ratio is formed on top of it, or a mask having a large aperture ratio is further formed thereon. By further overlapping the layers, a mask having a desired cross-sectional area profile can be formed.
さらに簡便な方法は、本実施形態で示したように、マスク材料となる物質でできた粒状物質または繊維状物質等を基板上に散布または塗布し、これによりマスクを形成する方法である。 A simpler method is a method of forming a mask by spraying or applying a granular material or a fibrous material made of a material as a mask material on a substrate, as shown in this embodiment.
このときに用いうる粒状物質または繊維状物質の形状としては、その断面形状が円、楕円が好ましい。また、複雑な規則構造または複雑な不規則構造であっても、その最表面の包絡線が円弧の集合で記述できる形態であればよく、その断面形状として、ソラマメ状、ひょうたん状、等の各種断面形状が含まれる。 As the shape of the granular material or fibrous material that can be used at this time, the cross-sectional shape is preferably a circle or an ellipse. Moreover, even if it is a complicated regular structure or a complicated irregular structure, it should just be a form in which the envelope of the outermost surface can be described by a set of arcs, and various cross-sectional shapes such as broad beans, gourds, etc. A cross-sectional shape is included.
本実施の形態では、下地基板1の表面1A上に無機粒子2を配置することにより、上述の要求を満たすエピタキシャル成長用マスクを形成している。この結果、後述するようにして下地基板1上に形成される3−5族窒化物半導体層3のエピタキシャル結晶成長は、3−5族窒化物半導体層3の下地基板1の表面に平行な断面の面積が下地基板1の表面から成長する過程で一旦徐々に縮小され次に徐々に拡大されるように行われ、これにより3−5族窒化物半導体層3の成長途中で成長領域が一旦徐々に絞られるようにすると共に、そのエピタキシャル成長を少なくとも3−5族窒化物半導体層3の表面の面積が下地基板1の表面の面積と等しくするまで行うことができる。
In the present embodiment, by arranging the
エピタキシャル成長マスクの下地基板1に対する被覆率(マスク被覆率)は、マスク材料の最大断面積Dの、基板の表面の面積Bに対する比率で定義され、特に限定されないが、好ましくは0.1%〜90%であり、より好ましくは5%〜80%である。 The coverage of the epitaxial growth mask with respect to the base substrate 1 (mask coverage) is defined by the ratio of the maximum cross-sectional area D of the mask material to the area B of the surface of the substrate, and is not particularly limited, but is preferably 0.1% to 90%. %, More preferably 5% to 80%.
被覆率が、0.1%以上であれば、得られた基板を用いて製作される半導体発光素子はより高い輝度を示す傾向があり、90%以下であれば、窒化物半導体層がエピタキシャル成長を開始する際の成長開始点が十分確保され、該窒化物半導体層がエピタキシャル成長しやすくなる傾向がある。また下地基板との親和性の高い窒化物半導体層ほど、エピタキシャル成長マスクの下地基板に対する被覆率が高くても埋め込み易い。例えばAlGaNはGaNに比べて高いマスク被覆率に対して埋め込み成長が可能であり、AlのGaに対する組成比が高いほど、高いマスク被覆率に対して埋め込み成長が可能な傾向がある。 If the coverage is 0.1% or more, a semiconductor light emitting device manufactured using the obtained substrate tends to exhibit higher luminance, and if it is 90% or less, the nitride semiconductor layer is epitaxially grown. There is a tendency that the growth start point at the start is sufficiently secured, and the nitride semiconductor layer is easily epitaxially grown. Further, a nitride semiconductor layer having a high affinity with the base substrate is easily embedded even if the coverage of the epitaxial growth mask with respect to the base substrate is high. For example, AlGaN can be embedded and grown with a higher mask coverage than GaN, and the higher the composition ratio of Al to Ga, the higher the tendency for embedded growth with respect to a higher mask coverage.
また、該エピタキシャル成長マスクを形成するための無機粒子2の配置は、ランダムであってもよく、規則的であってもよいが、ランダムな方が、粒状物質または繊維状物質の散布、塗布、というきわめて簡便な工程でエピタキシャル成長マスクを形成できるため製造も容易であるので好ましい。
Further, the arrangement of the
半導体発光デバイスの製造に用いる半導体単結晶基板の場合、エピタキシャル成長マスクとして本実施形態のように粒状物質を用いると高い発光効率が得られるため、これはより好ましい形態である。 In the case of a semiconductor single crystal substrate used for manufacturing a semiconductor light emitting device, a high emission efficiency can be obtained when a granular material is used as an epitaxial growth mask as in the present embodiment, which is a more preferable form.
エピタキシャル成長マスクの高さは、下地基板1上に形成すべきエピタキシャル成長結晶の厚さにより任意に選べるが、エピタキシャル成長においてエピタキシャル成長マスク埋め込みをより容易とするため、通常は50μm程度以下が好ましく、より好ましくは10μm以下である。エピタキシャル成長マスクを粒状物質または繊維状物質を下地基板上に塗布して形成する場合は、これらの物質が単分散状態で塗布されていることが好ましい。上述の如く、半導体発光デバイスの製造のために用いる基板形成の場合には、粒状物質または繊維状物質を用いると高い発光効率が得られるため、より好ましい形態であり、この場合、粒子状物質または繊維状物質の断面径としては、該発光デバイスに関わる光の波長の約5倍から0.2倍がより好ましい範囲である。
The height of the epitaxial growth mask can be arbitrarily selected depending on the thickness of the epitaxial growth crystal to be formed on the
エピタキシャル成長マスクの材料としては、この後のエピタキシャル結晶成長工程に耐えられる材料を用いる必要があり、エピタキシャル成長工程温度よりも高い融点または昇華温度または分解温度を有する無機物質であることが必要である。本実施形態で説明する窒化物半導体、Alx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1であり、かつx+y+z=1)に対するエピタキシャル成長マスクの形成は、概略1,200℃程度以上の耐熱性を有する無機物質が好ましい。 As a material for the epitaxial growth mask, it is necessary to use a material that can withstand the subsequent epitaxial crystal growth process, and it is necessary to be an inorganic substance having a melting point, a sublimation temperature, or a decomposition temperature higher than the epitaxial growth process temperature. Nitride semiconductor described in this embodiment, Al x In y Ga z N ( However, 0 ≦ x, y, a z ≦ 1, and x + y + z = 1) formation of an epitaxial growth mask for the schematic 1,200 ° C. approximately Inorganic substances having the above heat resistance are preferred.
具体的には、一般に知られている酸化物、窒化物、炭化物、硼化物および硫化物等の化合物が挙げられる。より具体的には、酸化物としては、シリカ、アルミナ、ジルコニア、チタニア、セリア、酸化亜鉛、酸化スズおよびイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。 Specific examples include generally known compounds such as oxides, nitrides, carbides, borides, and sulfides. More specifically, examples of the oxide include silica, alumina, zirconia, titania, ceria, zinc oxide, tin oxide, yttrium aluminum garnet (YAG), and the like, and these constituent elements are partially substituted with other elements. Is also included.
窒化物としては、窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。例えば、シリコンとアルミニウムと酸素と窒素からなるサイアロン等の化合物も用いることができる。 Examples of the nitride include silicon nitride, aluminum nitride, boron nitride, and the like, and those in which these constituent elements are partially substituted with other elements are also included. For example, a compound such as sialon composed of silicon, aluminum, oxygen, and nitrogen can also be used.
炭化物としては、SiC、炭化硼素、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン類等が挙げられ、これらの構成元素を他元素で部分置換したものも含まれる。 Examples of the carbide include SiC, boron carbide, diamond, graphite, fullerene, and the like, and those in which these constituent elements are partially substituted with other elements are also included.
下地基板1上に成長するAlx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1)には、マスク材料上には成長しないか、またはきわめて成長速度が遅くなる、いわゆる選択成長性が要求される。このような選択成長性は主としてエピタキシャル成長層と被成長材料との親和性によって決まると考えられる。上記に挙げた材料中アルミナ等、エピタキシャル成長層との親和性が高いものは、そのままではマスク材料としては使用困難であるので、Alx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1)との親和性の低い、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化タングステン、窒化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化クロム等の材料により表面処理、例えばコーティングを施して用いることができる。 Al x In y Ga z N that is grown on underlying substrate 1 (where, 0 ≦ x, y, with z ≦ 1, x + y + z = 1) , the on the mask material or not grow, or a very slow growth rate The so-called selective growth property is required. Such selective growth is considered to be determined mainly by the affinity between the epitaxial growth layer and the material to be grown. Materials such as alumina listed above, have high affinity for the epitaxial growth layer, since the intact as a mask material is difficult to use, Al x In y Ga z N ( However, 0 ≦ x, y, z ≦ 1 and low in affinity with x + y + z = 1), and can be used after being subjected to a surface treatment such as coating with a material such as silicon oxide, silicon nitride, tungsten nitride, titanium nitride, zirconium boride, or chromium boride. .
エピタキシャル成長マスクを最も簡便かつ効果的に形成する手法のひとつであるとして本実施の形態で採用されている、下地基板上に無機粒子を配置する方法としては、例えば次のような方法が挙げられる。無機粒子を水等の媒体に分散させたスラリー中へ下地基板を浸漬させるか、または該スラリーを下地基板上に塗布や噴霧した後に乾燥させることにより、下地基板上に無機粒子を容易に配置することができる。乾燥処理の際、スピナーを用いることもできる。無機粒子による下地基板の被覆率(マスクにおける開口率を100%から差し引いた値)は、このときの下地基板の前処理、スラリー媒体および粒子濃度、塗布条件を調節することにより任意に制御することができる。 As a method for arranging inorganic particles on the base substrate, which is adopted in the present embodiment as one of the most simple and effective methods for forming an epitaxial growth mask, for example, the following method can be cited. The inorganic particles are easily arranged on the base substrate by immersing the base substrate in a slurry in which the inorganic particles are dispersed in a medium such as water, or by applying the slurry to the base substrate and spraying it and then drying. be able to. A spinner can also be used during the drying process. The coverage of the base substrate with inorganic particles (the value obtained by subtracting the aperture ratio in the mask from 100%) can be arbitrarily controlled by adjusting the pretreatment of the base substrate, the slurry medium and particle concentration, and the coating conditions at this time. Can do.
以上のようにして下地基板1上に無機粒子2を配置することにより、図1の(B)に示すように、マスク被覆部とマスク開口部とが形成される。すなわち、下地基板1上に配置した無機粒子2が、次工程の3−5族窒化物半導体層の成長時においてマスクとして作用し、下地基板1の表面1Aにおいて無機粒子2の無いところが成長領域1Bとなる。
By disposing the
次に、下地基板1上に3−5族窒化物半導体を堆積させて3−5族窒化物半導体層3を形成する工程について説明する。
Next, a process of forming a group 3-5
無機粒子2が配置された下地基板1上に3−5族窒化物半導体のエピタキシャル成長方法に従い原料ガス等を供給すると、3−5族窒化物半導体は該成長領域1Bから成長し、3−5族窒化物半導体層3が、配置した無機粒子を埋め込むように下地基板1上に成長する(図1の(C))。
When a source gas or the like is supplied onto the
このように、マスク開口部に露出された下地基板表面から半導体のエピタキシャル成長を開始し、該マスク表面に沿ってそのエピタキシャル成長を進行させ、最終的にはエピタキシャル層が該マスクを全て埋め込み、且つその表面が平坦となるまでエピタキシャル成長させる。したがって、3−5族窒化物半導体層3のエピタキシャル結晶成長は、3−5族窒化物半導体層3の下地基板1の表面に平行な断面の面積が下地基板1の表面から成長する過程で一旦徐々に縮小され次に徐々に拡大されるように行われ、これにより3−5族窒化物半導体層3の成長途中で成長領域が一旦徐々に絞られ、そのエピタキシャル成長は、3−5族窒化物半導体層3の表面の面積が下地基板1の表面の面積と等しくするまで行われる。
As described above, the epitaxial growth of the semiconductor is started from the surface of the base substrate exposed at the mask opening, and the epitaxial growth proceeds along the mask surface. Finally, the epitaxial layer completely embeds the mask, and the surface thereof. Is epitaxially grown until it becomes flat. Therefore, the epitaxial crystal growth of the group 3-5
3−5族窒化物半導体層3をさらに成長させ、さらなるエピタキシャル成長により、無機粒子2が3−5族窒化物半導体層3に埋め込まれた状態となってからも、3−5族窒化物半導体層3をさらに成長する。この結果、無機粒子2が埋め込まれた状態の3−5族窒化物半導体層3を下地基板1上に形成することができる(図1の(D))。図1の(C)、(D)に示されているように、無機粒子2を配置した下地基板1上にファセット構造を形成しながら3−5族窒化物半導体を成長させ、次にファセット構造を埋め込んでその表面を平坦化した3−5族窒化物半導体層3を成長させると、高品質の結晶性が得られる。
Even when the group 3-5
図1の(C)、(D)の工程において用いられる、3−5族窒化物半導体層3の形成のためのエピタキシャル成長方法としては、MOVPE法、MBE法、HVPE法などが挙げられる。
Examples of the epitaxial growth method for forming the group 3-5
ここで、さらなる本発明の最も効果的な実施形態のひとつは、MOVPE法を用いたAlx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1)結晶のエピタキシャル成長であって、サファイア基板上に、コロイダルシリカ中のシリカ粒子を散布または塗布して形成したエピタキシャル成長マスクを用いてそのエピタキシャル成長を行う形態である。 Here, one of the most effective embodiment of the further invention, Al x using MOVPE method In y Ga z N (However, 0 ≦ x, y, with z ≦ 1, x + y + z = 1) epitaxial growth of crystals In this embodiment, epitaxial growth is performed using an epitaxial growth mask formed by dispersing or coating silica particles in colloidal silica on a sapphire substrate.
エピタキシャル成長マスクの材料については、該マスクの非被覆領域が該マスクに対して選択成長性のある材料で構成されており、またマスクを下地基板上に配置した際、該下地基板からのエピタキシャル成長方向に沿って必要な断面積プロファイルを有する形状を有するものであればよい。コロイダルシリカ中のシリカ粒子(以下、コロイダルシリカ粒子ということがある。)は、一般の無機粒子に比べ2次凝集が生じにくく、また粒径の揃った球状のシリカ粒子であるので、下地基板からのエピタキシャル成長方向に沿った断面積プロファイルが、被覆率と平均粒径とで制御可能であるため、本発明の目的を達成するのに好適である。 As for the material of the epitaxial growth mask, the uncovered region of the mask is made of a material having selective growth properties with respect to the mask, and when the mask is placed on the base substrate, the epitaxial growth mask is oriented in the epitaxial growth direction from the base substrate. Any shape having a necessary cross-sectional area profile may be used. Silica particles in colloidal silica (hereinafter sometimes referred to as colloidal silica particles) are less likely to cause secondary aggregation than general inorganic particles and are spherical silica particles having a uniform particle size. Since the cross-sectional area profile along the epitaxial growth direction can be controlled by the coverage and the average grain size, it is suitable for achieving the object of the present invention.
なお、必ずしもコロイダルシリカ粒子のような単純形状でかつ単分散状態で塗布・散布できるマスク材料である必要はない。所定の選択成長性と下地基板からのエピタキシャル成長方向に沿って必要な断面積プロファイルを再現性よく確保できる材料であれば、本発明の方法の実施に用いうることは言うまでもない。 Note that the mask material is not necessarily a simple material such as colloidal silica particles that can be applied and dispersed in a monodispersed state. Needless to say, the material of the present invention can be used for carrying out the method of the present invention as long as the material has a predetermined selective growth property and a reproducible cross-sectional area profile along the epitaxial growth direction from the underlying substrate.
MOVPE法を用いて3−5族窒化物半導体層3を下地基板1上に結晶成長させる場合、以下のような化合物を出発原料として用いることができる。
When the group 3-5
3族原料としては、例えばトリメチルガリウム[(CH3 )3 Ga、以下TMGと記すことがある]、トリエチルガリウム[(C2 H5 )3 Ga、以下TEGと記すことがある]等の一般式R1 R2 R3 Ga(ここで、R1 、R2 、R3 は、低級アルキル基を示す)で表されるトリアルキルガリウム;トリメチルアルミニウム[(CH3 )3 Al、以下TMAと記すことがある]、トリエチルアルミニウム[(C2 H5 )3 Al、以下TEAと記すことがある]、トリイソブチルアルミニウム[(i−C4 H9 )3 Al]等の一般式R1 R2 R3 Al(ここで、R1 、R2 、R3 は、低級アルキル基を示す)で表されるトリアルキルアルミニウム;トリメチルアミンアラン[(CH3 )3 N:AlH3 ];トリメチルインジウム[(CH3 )3 In、以下TMIと記すことがある]、トリエチルインジウム[(C2 H5 )3 In]等の一般式R1 R2 R3 In(ここで、R1 、R2 、R3 は、低級アルキル基を示す)で表されるトリアルキルインジウム、ジエチルインジウムクロライド[(C2 H5 )2 InCl]などのトリアルキルインジウムから1ないし2つのアルキル基をハロゲン原子に置換したもの、インジウムクロライド[InCl]など一般式InX(Xはハロゲン原子)で表されるハロゲン化インジウム等が挙げられる。これらは、単独で用いても混合して用いてもよい。
Examples of
5族原料としては、例えばアンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、1,1−ジメチルヒドラジン、1,2−ジメチルヒドラジン、t−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独でまたは任意の組み合わせで混合して用いることができる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは、分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適である。
Examples of the
MOVPE法においては、成長時雰囲気ガスおよび有機金属原料のキャリアガスとしては、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなどの気体を単独あるいは混合して用いることができ、水素、窒素、ヘリウムが好ましい。 In the MOVPE method, gases such as nitrogen, hydrogen, argon, and helium can be used alone or as a mixture, and hydrogen, nitrogen, and helium are preferable as the growth atmosphere gas and the carrier gas for the organometallic raw material.
以上の原料ガスを反応炉に導入し、下地基板1の成長領域1B上に3−5族窒化物半導体層3を成長させる。反応炉は、原料供給装置から原料ガスを反応炉に供給する原料供給ラインを備え、反応炉内には下地基板1を加熱するためのサセプタが設けられている。サセプタは、3−5族窒化物半導体層3を均一に成長させるために、通常は回転装置によって回転できる構造となっている。サセプタの内部には、サセプタを加熱するための赤外線ランプ等の加熱装置が備えられている。この加熱により、原料供給ラインを通じて反応炉に供給される原料ガスが下地基板1上で熱分解し、下地基板1上に所望の化合物を気相成長させることができるようになっている。
The above source gases are introduced into the reaction furnace, and the group 3-5
結晶成長に際してはあらかじめ所定の温度に加熱された下地基板1の上に、Alx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1)で表されるエピタキシャル結晶の所望の組成、添加不純物に応じた原料ガスを順次送り込み熱分解反応により下地基板1の表面に3−5族窒化物半導体のエピタキシャル成長を生じせしめる。なお、エピタキシャル層構造の設計に応じて原料ガス、温度、キャリアガス等を適宜切り替えながら結晶成長を行うことにより所望の構造を有するエピタキシャル基板を得ることもできる。反応炉に供給された原料ガスのうち未反応の原料ガスは、排気ラインより反応炉の外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。
On the
Alx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1である)系結晶の場合、通常は、まず比較的低温でAlx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1である)のアモルファス状または多結晶状の薄いバッファー層を形成した後、900℃〜1,300℃付近で、所望のエピタキシャル成長を行う。この場合、結晶層はGaN、AlGaN、InGaN等各種結晶、あるいはより一般的にAlx Iny Gaz N(ただし、0≦x、y、z≦1で、x+y+z=1)で表わされる結晶層または組成・膜厚の異なる多層成長を行うことができるが、ここでは最も一般的なGaN結晶成長を実施した場合について説明した。 Al x In y Ga z N (where 0 ≦ x, y, with z ≦ 1, x + y + z = 1 and is) the case of system crystal, usually, first, relatively low temperature Al x In y Ga z N (where After forming an amorphous or polycrystalline thin buffer layer (0 ≦ x, y, z ≦ 1 and x + y + z = 1), desired epitaxial growth is performed at around 900 ° C. to 1,300 ° C. In this case, the crystal layer is GaN, AlGaN, InGaN and various crystal, or more generally Al x In y Ga z N (However, 0 ≦ x, y, with z ≦ 1, x + y + z = 1) crystal layer which is represented by Alternatively, multi-layer growth with different compositions and film thicknesses can be performed, but here, the case of performing the most general GaN crystal growth has been described.
酸化ケイ素上には通常GaNは成長しないため、結晶成長は、下地基板1上に塗布されたコロイダルシリカ粒子の如き無機粒子2同士の隙間、すなわちエピタキシャル成長マスクの開口部から開始される。さらに、このようなマスクを形成しない、すなわち無機粒子2を塗布しない平坦な下地基板1上に成長した場合のGaN膜厚が、マスク厚さすなわちここでは無機粒子2の直径に比べ十分に厚くなる時と同程度の結晶成長条件・時間でエピタキシャル成長を行うことにより、マスクすなわち無機粒子2を完全に埋め込んだ平坦な表面を有するエピタキシャル結晶が得られる(図1の(D)参照)。
Since GaN does not normally grow on silicon oxide, crystal growth starts from the gap between the
このときに成長されたエピタキシャル成長GaN結晶をX線回折法により測定して得られた(004)および(302)面反射による反射ピークの半値幅は、コロイダルシリカマスクを用いず同条件下でエピタキシャル成長されたGaNの場合の半値幅に比べ、小さな値が得られ、コロイダルシリカによるマスクを用いる場合の方が得られる結晶が良好であることが確認された。 The half width of the reflection peak due to (004) and (302) plane reflection obtained by measuring the epitaxially grown GaN crystal grown at this time by X-ray diffraction is epitaxially grown under the same conditions without using a colloidal silica mask. Compared to the half-value width in the case of GaN, a small value was obtained, and it was confirmed that the obtained crystal was better when a mask made of colloidal silica was used.
以上説明した実施の形態において、下地基板としてサファイア基板11を用い、サファイア基板11の上にコロイダルシリカ粒子12を配置してエピタキシャル成長マスクを形成して3−5族窒化物半導体を成長し、これにより得られたエピタキシャル成長GaN結晶13の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により仔細に観察し、次のような事実が得られた。
In the embodiment described above, the
すなわち、サファイア基板上に塗布されたコロイダルシリカ粒子は、そのままの形状でGaNエピタキシャル結晶内に埋め込まれていることが認められる。コロイダルシリカ粒子はほぼ真球状の形状を有しており、サファイア基板上にはほぼ点状の接触点を介して載置されているが、GaN結晶は、該コロイダルシリカ粒子の下部にも回りこんでおりコロイダルシリカ粒子とサファイア基板との点状接触部を除き、サファイア基板上のほぼ全面から成長している。 That is, it is recognized that the colloidal silica particles applied on the sapphire substrate are embedded in the GaN epitaxial crystal as it is. The colloidal silica particles have a substantially spherical shape, and are placed on the sapphire substrate through substantially point-like contact points. However, the GaN crystal does not reach the lower part of the colloidal silica particles. However, it grows from almost the entire surface of the sapphire substrate except for the point-like contact portion between the colloidal silica particles and the sapphire substrate.
また、コロイダルシリカ粒子の表面は、ほぼ隙間なくGaNで覆われ、コロイダルシリカ粒子頂上部ではわずかに隙間の存在する部分が認められるが、さらにGaNエピタキシャル成長が進行した部分では、その隙間も消滅し、最表面部では隙間のない平坦な結晶面が形成される。 In addition, the surface of the colloidal silica particles is covered with GaN with almost no gap, and there is a slight gap at the top of the colloidal silica particles, but the gap disappears in the part where the GaN epitaxial growth has progressed, A flat crystal face without a gap is formed on the outermost surface portion.
このとき観察されたTEM画像の様子を模式的に示したのが図4である。サファイア基板11との界面付近ではGaNとサファイアとの格子不整合に起因すると考えられる転位が数多く認められるが、それらの転位の多くはコロイダルシリカ粒子12の基板側下半分界面に到達したところで終端される(図4の転位14)。また、コロイダルシリカ粒子12の表面側上半分界面より上では、ほぼ転位の無い良好な結晶が成長しているが、コロイダルシリカ粒子12の頂上部では隙間もしくは大きな一本の転位が認められる(図4の転位16)。
FIG. 4 schematically shows the state of the TEM image observed at this time. In the vicinity of the interface with the
さらに、コロイダルシリカ粒子12の投影面積外の領域では、サファイア基板11の表面付近から発生した転位は結晶成長と共に合従連衡を繰り返しながらもコロイダルシリカ粒子12のように転位のブロック体が無いため、エピタキシャル成長方向に上昇している(図4の転位15)が、興味深いことに、コロイダルシリカ粒子12の間隙部であってコロイダルシリカ粒子12の頂上部と同程度のレベル乃至はさらに上方のレベルで水平に屈曲して水平方向に伸び、コロイダルシリカ粒子13の頂上部より伸びる空隙ないし転位部分に終端される部分が認められる(図4の転位17)。結果的に、エピタキシャル結晶最表面部における転位密度は、コロイダルシリカ粒子によるマスクを用いない場合に比較して、大幅に低減される。なお、転位の低減効果のメカニズムについては、縦方向・横方向が不明確なため詳細は不明である。
Further, in a region outside the projected area of the
ELOGメカニズムとは別に、通常の融液からのバルク結晶成長を想起することもできる。チョクラルスキー法に代表されるバルク結晶成長においては種結晶を融液に浸して結晶成長を開始した後、いったん結晶直径を細く絞るネッキング工程を用いることが多い。ネッキング工程の後、徐々に結晶直径を増大させ最終的に所望の直径を有する円筒形単結晶を引き上げ、ネッキング工程の導入により結晶成長初期に発生した転位が合体ないし表面への解放により終端され低転位結晶が実現するわけである。本発明による場合、結晶断面プロファイルは、このようなネッキング工程に類似しているとみることもできる。すなわち、サファイア表面から種結晶成長が始まるとすると、成長の進行後にコロイダルシリカの最大直径に相当するところで、基板表面に平行なエピタキシャル層の断面積は最小化してネッキング部となり、その後徐々に拡大されて所望の直径(ここでは基板表面の面積とほぼ同面積を有するエピタキシャル結晶層断面積に相当)に至っているのである。 Apart from the ELOG mechanism, bulk crystal growth from a normal melt can also be recalled. In bulk crystal growth typified by the Czochralski method, a necking process is often used in which a seed crystal is immersed in a melt to start crystal growth and then the crystal diameter is once narrowed. After the necking step, the crystal diameter is gradually increased and finally the cylindrical single crystal having the desired diameter is pulled up, and dislocations generated at the initial stage of crystal growth due to the introduction of the necking step are terminated by coalescence or release to the surface and reduced. Dislocation crystals are realized. In the case of the present invention, the crystal cross-sectional profile can be considered to be similar to such a necking process. That is, if seed crystal growth starts from the sapphire surface, the cross-sectional area of the epitaxial layer parallel to the substrate surface is minimized to become a necking portion where it corresponds to the maximum diameter of colloidal silica after the progress of growth, and then gradually expands. Thus, the desired diameter (here, equivalent to the cross-sectional area of the epitaxial crystal layer having the same area as the area of the substrate surface) is reached.
いずれにせよその詳細なメカニズムは不明ながら、本発明者らはさらに鋭意検討の結果、マスク形状がコロイダルシリカ粒子に代表される断面積プロファイルを有する場合、良好なエピタキシャル結晶が得られることを見出したのである。すなわち、マスク断面積は基板との接触面積Aが基板の成長面の面積Bよりも小さく、基板から遠ざかった部位で、基板の成長面に平行な面での断面積Cが最大Dになり、その後、基板から遠ざかるにつれて、該断面積Cが減少して終端する構造を有しており、かつ該マスク材料がシリカ同様に目的とする半導体材料に対して選択成長を可能とする特性を備えている場合、基板成長面の面積Bからマスク断面積Cを差し引いた面積で定義される該エピタキシャル層の断面積(B−C)がエピタキシャル成長方向に沿って、(B−A)>(B−C)>(B−D)と変化し、最後にB−C=B(すわわちC=0)となるプロファイルを有しているようなエピタキシャル成長が可能となり、結晶性に優れたエピタキシャル基板を提供しうるのである。 In any case, although the detailed mechanism is unknown, the present inventors have further intensively studied and found that when the mask shape has a cross-sectional area profile represented by colloidal silica particles, a good epitaxial crystal can be obtained. It is. That is, the mask cross-sectional area is such that the contact area A with the substrate is smaller than the area B of the growth surface of the substrate and the cross-sectional area C in the plane parallel to the growth surface of the substrate is D at the maximum distance D. Thereafter, as the distance from the substrate increases, the cross-sectional area C decreases and terminates, and the mask material has characteristics that enable selective growth with respect to the target semiconductor material, similar to silica. The cross-sectional area (BC) of the epitaxial layer defined by the area obtained by subtracting the mask cross-sectional area C from the area B of the substrate growth surface is (BA)> (BC) along the epitaxial growth direction. )> (BD), and finally epitaxial growth having a profile of BC = B (that is, C = 0) is possible, and an epitaxial substrate having excellent crystallinity is provided. Can
以上の説明においては、このようなエピタキシャル結晶を製造するのに最も現実的なエピタキシャル成長マスク形成方法である球状マスク利用法について述べた。しかし、その他にも下地基板に適当な凹凸加工を施す、あるいはその他工夫されたマスク構造とエピタキシャル結晶成長モードの制御によりエピタキシャル成長結晶に適当な空隙を形成するといった手段によっても該エピタキシャル層断面積が、最初広く、次に狭く、最後に拡がるプロファイルを与えることができれば、同様な効果が期待できるのである。 In the above description, the spherical mask using method, which is the most realistic epitaxial growth mask forming method for manufacturing such an epitaxial crystal, has been described. However, the cross-sectional area of the epitaxial layer can also be obtained by other means such as forming an appropriate concavo-convex process on the underlying substrate, or forming an appropriate void in the epitaxially grown crystal by controlling the mask structure and the epitaxial crystal growth mode. A similar effect can be expected if a profile that is initially wide, then narrow, and last is widened.
したがって、下地基板1上に形成される3−5族窒化物半導体層3のエピタキシャル結晶成長を、3−5族窒化物半導体層3の下地基板1の表面に平行な断面の面積が下地基板1の表面から成長する過程で一旦縮小され次に拡大されるように行い、これにより3−5族窒化物半導体層3の成長途中で成長領域が一旦絞られるようにする構成でもよい。3−5族窒化物半導体層3のエピタキシャル結晶成長は、必ずしも、3−5族窒化物半導体層3の下地基板1の表面に平行な断面の面積が下地基板1の表面から成長する過程で一旦徐々に縮小され次に徐々に拡大されるように行い、これにより3−5族窒化物半導体層3の成長途中で成長領域が一旦徐々に絞られるようにする必要はない。
Therefore, the epitaxial crystal growth of the group 3-5
こうして製造された、転位密度が小さく良好な結晶特性を有するGaN単結晶エピタキシャル基板上に、連続して、あるいはいったん炉外に取り出した後、再び炉内に該基板を設置して、さらに所望の目的に応じた各種半導体デバイスに必要なエピタキシャル結晶層を一つ又は複数成長することができる。 On the GaN single crystal epitaxial substrate manufactured in this way, having a low dislocation density and good crystal characteristics, continuously or once taken out of the furnace, the substrate is placed in the furnace again, and further desired. One or a plurality of epitaxial crystal layers necessary for various semiconductor devices according to the purpose can be grown.
このような半導体デバイス、例えば発光ダイオード、に用いる窒化物半導体層(窒化物半導体発光素子の動作に必要な多層膜である)としては、n型の導電性を有する層、p型の導電性を有する層、これらの間に挟まれた発光層を有する窒化物半導体層が好ましく、いずれの層も、Inx Gay Alz N(ただし、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1、x+y+z=1)で示される窒化物半導体からなる層を成長することができる。 A nitride semiconductor layer (a multilayer film necessary for the operation of the nitride semiconductor light-emitting element) used in such a semiconductor device, for example, a light-emitting diode, includes an n-type conductive layer and a p-type conductive layer. And a nitride semiconductor layer having a light-emitting layer sandwiched between them is preferable. In any layer, In x Ga y Al z N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ A layer made of a nitride semiconductor represented by z ≦ 1, x + y + z = 1) can be grown.
前記Inx Gay Alz Nで示される窒化物半導体からなる窒化物半導体層には、n型の導電性を有する層、p型の導電性を有する層、これらの間に挟まれた発光層に加えて、これらの層を高品質の結晶にするために必要な単層あるいは多層の層(厚膜層、超格子薄膜層である場合を含む。)をも含まれる場合があり、バッファ層(基板とクラッド層の間にあり、クラッド層を単結晶の層として成長させるための層)が含まれる場合もある。このn型伝導層は、n型コンタクト層やn型クラッド層などの複数の層から構成されることがあり、同様にp型伝導層もp型コンタクト層やp型クラッド層などの複数の層から構成されることがある。 The nitride semiconductor layer made of a nitride semiconductor represented by In x Ga y Al z N includes an n-type conductive layer, a p-type conductive layer, and a light emitting layer sandwiched therebetween. In addition, a single layer or multiple layers (including a case of a thick film layer or a superlattice thin film layer) necessary for making these layers into high-quality crystals may be included, and a buffer layer may be included. (A layer for growing the clad layer as a single crystal layer between the substrate and the clad layer) may be included. The n-type conductive layer may be composed of a plurality of layers such as an n-type contact layer and an n-type cladding layer. Similarly, the p-type conductive layer is also a plurality of layers such as a p-type contact layer and a p-type cladding layer. May consist of:
そして、より好ましい窒化物半導体層の構成としては、GaN、AlN等からなるバッファ層、n−GaN、n−AlGaN等からなるn型の導電性を有する層(クラッド層)、InGaN、GaN等からなる発光層、アンドープGaN、p−GaN等からなるp型の導電性を有する層(クラッド層)、MgドープAlGaN、MgドープGaNからなるキャップ層が順次積層されてなるものが挙げられる(例えば、特開平6−260682号公報、特開平7−15041号公報、特開平9−64419号公報、特開平9−36430号公報を参照)。 As a more preferable configuration of the nitride semiconductor layer, a buffer layer made of GaN, AlN or the like, an n-type conductive layer (clad layer) made of n-GaN, n-AlGaN, or the like, InGaN, GaN, or the like. A light-emitting layer, a p-type conductive layer (cladding layer) made of undoped GaN, p-GaN, etc., a Mg-doped AlGaN, a cap layer made of Mg-doped GaN are sequentially laminated (for example, JP-A-6-260682, JP-A-7-15041, JP-A-9-64419, JP-A-9-36430).
本発明の窒化物半導体発光デバイスにおいて、無機粒子等を利用して形成されるエピタキシャル成長マスク材料を含有する層は、上記いずれの層中でもよいが、発光層と下地基板との間の窒化物半導体層中に含まれる場合、あるいは下地基板と窒化物半導体層との界面が好ましい。またエピタキシャル成長マスク層が窒化物半導体層中に完全に包含される場合は、予めサファイア基板上等に成長されたエピタキシャルGaN結晶層をいったん成長炉から取り出したものにエピタキシャル成長マスク形成したものを用いることもできる。 In the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, the layer containing the epitaxial growth mask material formed using inorganic particles or the like may be any of the above layers, but the nitride semiconductor layer between the light emitting layer and the base substrate In the case where it is contained, an interface between the base substrate and the nitride semiconductor layer is preferable. In addition, when the epitaxial growth mask layer is completely included in the nitride semiconductor layer, it is also possible to use an epitaxial growth mask formed on an epitaxial GaN crystal layer previously grown on a sapphire substrate or the like once taken out of the growth furnace. it can.
さらに、本発明の窒化物半導体積層基板に加工を加え、発光層に電流を供給するための電極を備えれば、本発明を構成する窒化物半導体発光素子となる。本発明の窒化物半導体発光素子を構成する電極としては、通常用いられているAu、Pt、Pd等の金属からなる電極を用いることができる。 Furthermore, if the nitride semiconductor multilayer substrate of the present invention is processed and an electrode for supplying a current to the light emitting layer is provided, a nitride semiconductor light emitting device constituting the present invention is obtained. As an electrode constituting the nitride semiconductor light emitting device of the present invention, a commonly used electrode made of a metal such as Au, Pt, Pd or the like can be used.
以上、詳細に説明したコロイダルシリカ粒子により形成されたエピタキシャル成長マスクを用いて成長されたエピタキシャル基板は、当然ながら、その基板を含む結晶層内部にコロイダルシリカ粒子によるエピタキシャル成長マスク層を包含する。エピタキシャル基板をデバイス利用するに際しては、基板はそのままとしエピタキシャル層上部を加工してデバイスを形成するのが一般的であるが、基板あるいは基板とエピタキシャル層下部を除去あるいは加工する場合もある。本発明においてはエピタキシャル結晶に利用したコロイダルシリカによるエピタキシャル成長マスクを包含する形でダイオードを形成することにより発光特性にきわめて優れた発光ダイオードを得ることができる。 As described above, the epitaxial substrate grown using the epitaxial growth mask formed of the colloidal silica particles described in detail above naturally includes the epitaxial growth mask layer of the colloidal silica particles inside the crystal layer including the substrate. When using an epitaxial substrate as a device, it is common to form the device by processing the upper part of the epitaxial layer while leaving the substrate as it is. However, the substrate or the substrate and the lower part of the epitaxial layer may be removed or processed. In the present invention, a light emitting diode having excellent light emission characteristics can be obtained by forming a diode including an epitaxial growth mask made of colloidal silica used for epitaxial crystals.
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものである。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, these embodiment is an illustration to the last, Comprising: The scope of the present invention is not limited to these embodiment. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and further includes meanings equivalent to the description of the claims and all modifications within the scope.
次に、本発明をさらに実施例により具体的に説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to the Example described below.
実施例1
下地基板として、サファイアのC面を鏡面研磨したサファイア基板を用いた。エピタキシャル成長マスクとして働く無機粒子としては、コロイダルシリカ(扶桑化学工業(株)製、PL−20(商品名)、1次粒径370nm、粒子濃度24重量%)に含まれているコロイダルシリカ粒子を用いた。
Example 1
As the base substrate, a sapphire substrate obtained by mirror polishing the C surface of sapphire was used. Colloidal silica particles contained in colloidal silica (manufactured by Fuso Chemical Industry Co., Ltd., PL-20 (trade name), primary particle size 370 nm, particle concentration 24% by weight) are used as inorganic particles that serve as an epitaxial growth mask. It was.
スピナーにサファイア基板をセットし、その上に10重量%に希釈したコロイダルシリカを塗布し、スピン乾燥を行った。SEMで観察したところ、コロイダルシリカ粒子による成長基板表面の被覆率は約40%であった。 A sapphire substrate was set on a spinner, and colloidal silica diluted to 10% by weight was applied thereon, followed by spin drying. When observed by SEM, the coverage of the growth substrate surface by colloidal silica particles was about 40%.
このようにして、サファイア基板上にコロイダルシリカ粒子によるエピタキシャル成長マスクを形成した後、その上に続いて、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させ、コロイダルシリカ粒子を窒化物半導体層に埋没させた。 Thus, after forming the epitaxial growth mask by colloidal silica particles on a sapphire substrate, the nitride semiconductor layer was epitaxially grown on the sapphire substrate, and the colloidal silica particles were embedded in the nitride semiconductor layer.
エピタキシャル成長には常圧MOVPE法を用いた。1気圧で、サセプタの温度を485℃、キャリアガスを水素とし、キャリアガス、アンモニアおよびTMGを供給して、厚みが約500ÅのGaNバッファ層を成長した。次に、サセプタの温度を900℃にしたのち、キャリアガス、アンモニア、TMGを供給して、アンドープGaN層を形成した。次に、サセプタ温度1040℃にして炉圧力を1/4気圧に落とし、キャリアガス、アンモニアおよびTMGを供給して厚さ約5μmのアンドープGaN層を形成した。以上のようにして、GaN結晶中にコロイダルシリカ粒子が層状に含有されている窒化物半導体中間基板を得た。 The atmospheric pressure MOVPE method was used for the epitaxial growth. A GaN buffer layer having a thickness of about 500 mm was grown at 1 atm by supplying susceptor temperature of 485 ° C., carrier gas as hydrogen, and supplying carrier gas, ammonia and TMG. Next, after the temperature of the susceptor was set to 900 ° C., carrier gas, ammonia, and TMG were supplied to form an undoped GaN layer. Next, the furnace pressure was lowered to ¼ atm with a susceptor temperature of 1040 ° C., and carrier gas, ammonia and TMG were supplied to form an undoped GaN layer having a thickness of about 5 μm. As described above, a nitride semiconductor intermediate substrate in which colloidal silica particles are contained in layers in the GaN crystal was obtained.
得られた窒化物半導体中間基板の断面透過型電子顕微鏡(TEM)観察したところ、コロイダルシリカ粒子はGaNエピタキシャル結晶により隙間無く埋め込まれており、またエピタキシャル結晶層最表面は基板面と平行な平坦面となっていることが確認された。 Observation of the obtained nitride semiconductor intermediate substrate with a cross-sectional transmission electron microscope (TEM) shows that the colloidal silica particles are embedded with GaN epitaxial crystals without any gaps, and the outermost surface of the epitaxial crystal layer is a flat surface parallel to the substrate surface. It was confirmed that
すなわち、該基板の表面に平行なエピタキシャル結晶断面積が、該基板の表面に近接した位置ではコロイダルシリカ粒子が基板に点状に接触している部分を除いた該基板表面の面積に等しい状態から、エピタキシャル成長が進行する方向にいったん縮小され、基板上に並んだコロイダルシリカ粒子の中心を横断する面付近で最小となることによりネッキング部が形成され、次に拡大されて、エピタキシャル成長が完了した時点における該エピタキシャル結晶の表面の面積が該エピタキシャル成長に用いられた基板の表面の面積と等しくなるまで拡大されていることが確認された。 That is, from the state where the epitaxial crystal cross-sectional area parallel to the surface of the substrate is equal to the area of the substrate surface excluding the portion where the colloidal silica particles are in contact with the substrate in the form of dots at positions close to the surface of the substrate. Once the epitaxial growth is completed, it is reduced in the direction in which the epitaxial growth proceeds and is minimized near the plane crossing the center of the colloidal silica particles aligned on the substrate to form a necking portion, which is then expanded. It was confirmed that the surface area of the epitaxial crystal was expanded until it became equal to the surface area of the substrate used for the epitaxial growth.
またこの中間基板のX線半値幅を計測したところ(004)反射の半値幅が178秒、(302)反射の半値幅が364秒と良好な値を得た。 Further, when the X-ray half width of this intermediate substrate was measured, a good value was obtained, with a half width of (004) reflection being 178 seconds and a half width of (302) reflection being 364 seconds.
続いて、n型半導体層、InGaN発光層(MQW構造)、p型半導体層を順に形成し、発光波長440nmの青色LED用窒化物半導体積層基板とし、さらに、n型コンタクト層を表出させるためのエッチング加工、電極形成、素子分離を行い、窒化物半導体からなる窒化物半導体発光素子を得た。p型電極層としてはAuNiを成分とする半透明電極を形成し、InGaN発層からの光をp型電極側から取り出す構造とした。 Subsequently, an n-type semiconductor layer, an InGaN light-emitting layer (MQW structure), and a p-type semiconductor layer are sequentially formed to form a blue LED nitride semiconductor multilayer substrate with an emission wavelength of 440 nm, and to expose the n-type contact layer. Etching, electrode formation, and element isolation were performed to obtain a nitride semiconductor light emitting element made of a nitride semiconductor. A semi-transparent electrode containing AuNi as a component was formed as the p-type electrode layer, and light from the InGaN emitting layer was extracted from the p-type electrode side.
次に、この窒化物半導体発光素子を一辺約300μm角のチップとして切り出し、焼結窒化アルミセラミック製サブマウントの上にサファイア基板側を接着し、チップ上部のp型電極およびn型電極からワイヤボンディングにより電極線を引き出し、外部端子に接続した。このようにして得られた青色LEDの通電20mAでの光出力を測定したところ9.8mWであった。 Next, this nitride semiconductor light emitting device is cut out as a chip having a side of about 300 μm, the sapphire substrate side is bonded onto a sintered aluminum nitride ceramic submount, and wire bonding is performed from the p-type electrode and the n-type electrode on the top of the chip. The electrode wire was pulled out and connected to an external terminal. The light output of the blue LED thus obtained at a current of 20 mA was measured and found to be 9.8 mW.
実施例2
無機粒子としてコロイダルシリカ((株)日本触媒製、シーホスターKE−W50(商品名)、1次粒径550nm)(粒子濃度20重量%を10重量%に希釈して使用)に含まれているコロイダルシリカ粒子を用いた他は実施例1と同様にして、サファイア基板上に該コロイダルシリカ粒子による無機粒子の配置を行い、エピタキシャル成長マスクを形成した。SEMで観察したところ、コロイダルシリカ粒子によるサファイア基板表面の被覆率は約36%であった。このようにコロイダルシリカ粒子が配置されたサファイア基板上に実施例1と同様にして3−5族窒化物半導体をエピタキシャル成長させた。TEMで観察したところ、コロイダルシリカ粒子はGaNエピタキシャル結晶により隙間無く埋め込まれており、またエピタキシャル結晶層最表面は基板面と平行な平坦面となっていることが確認された。
Example 2
Colloidal contained in colloidal silica (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd., Seahoster KE-W50 (trade name), primary particle size 550 nm) (particle concentration 20% by weight diluted to 10% by weight) as inorganic particles Except that the silica particles were used, the inorganic particles were placed on the sapphire substrate in the same manner as in Example 1 to form an epitaxial growth mask. When observed by SEM, the coverage of the sapphire substrate surface with colloidal silica particles was about 36%. A group 3-5 nitride semiconductor was epitaxially grown in the same manner as in Example 1 on the sapphire substrate on which the colloidal silica particles were thus arranged. When observed by TEM, it was confirmed that the colloidal silica particles were embedded with GaN epitaxial crystals without gaps, and that the outermost surface of the epitaxial crystal layer was a flat surface parallel to the substrate surface.
すなわち、サファイア基板の表面に平行なエピタキシャル結晶断面積が、サファイア基板の表面に近接した位置ではコロイダルシリカ粒子がサファイア基板に点状に接触している部分を除いたサファイア基板表面の面積に等しい状態から、エピタキシャル成長が進行する方向にいったん縮小され、サファイア基板上に並んだコロイダルシリカ粒子の中心を横断する面付近で最小となることによりネッキング部が形成され、次に拡大されて、エピタキシャル成長が完了した時点における該エピタキシャル結晶の表面の面積が該エピタキシャル成長に用いられたサファイア基板の表面の面積と等しくなるまで拡大されていることが確認された。 That is, the state in which the cross-sectional area of the epitaxial crystal parallel to the surface of the sapphire substrate is equal to the area of the surface of the sapphire substrate excluding the portion where the colloidal silica particles are in contact with the sapphire substrate in a point-like manner at a position close to the surface of the sapphire substrate From this, it is once reduced in the direction in which the epitaxial growth proceeds, and the necking portion is formed by being minimized near the plane crossing the center of the colloidal silica particles arranged on the sapphire substrate, and then enlarged to complete the epitaxial growth. It was confirmed that the area of the surface of the epitaxial crystal at the time was expanded until it became equal to the area of the surface of the sapphire substrate used for the epitaxial growth.
また、このようにして得られた中間基板のX線半値幅を計測したところ(004)反射の半値幅が192秒、(302)反射の半値幅が380秒と良好な値を得、結晶性に優れた中間基板が得られたことがわかった。 Further, when the X-ray half width of the intermediate substrate thus obtained was measured, (004) the half width of the reflection was 192 seconds and (302) the half width of the reflection was 380 seconds. It was found that an excellent intermediate substrate was obtained.
このようにして得られた窒化物半導体基板を用いて、実施例1と同様にして窒化物半導体発光素子を作製した。得られた青色LEDの通電20mAでの光出力を測定したところ、17.0mWであった。 Using the nitride semiconductor substrate thus obtained, a nitride semiconductor light emitting device was produced in the same manner as in Example 1. It was 17.0 mW when the optical output of the obtained blue LED at an electric current of 20 mA was measured.
実施例3
サファイアのC面を鏡面研磨したサファイア基板上にGaN層を成長させたものを用いた他は実施例1と同様にして、コロイダルシリカ粒子によるエピタキシャル成長マスクを形成した。SEMで観察したところ、コロイダルシリカ粒子による成長基板表面の被覆率は約32%であった。続く窒化物半導体層の成長、窒化物半導体積層基板の作製、窒化物半導体発光素子の作製は実施例1と同様にして行った。このとき、中間基板のX線半値幅を計測したところ(004)反射の半値幅が163秒、(302)反射の半値幅が392秒と良好な値を得た。得られた青色LEDの通電20mAでの光出力を測定したところ、12.5mWであった。
Example 3
An epitaxial growth mask made of colloidal silica particles was formed in the same manner as in Example 1 except that a GaN layer grown on a sapphire substrate having a mirror-polished C surface of sapphire was used. When observed by SEM, the coverage of the growth substrate surface by colloidal silica particles was about 32%. The subsequent growth of the nitride semiconductor layer, the production of the nitride semiconductor multilayer substrate, and the production of the nitride semiconductor light emitting device were carried out in the same manner as in Example 1. At this time, when the X-ray half width of the intermediate substrate was measured, the (004) reflection half width was 163 seconds and the (302) reflection half width was 392 seconds. When the light output of the obtained blue LED at an electric current of 20 mA was measured, it was 12.5 mW.
実施例4
基板としてサファイアのC面を鏡面研磨したものの上にAlGaN層を成長させたものを用い、またコロイダルシリカ粒子による成長基板表面の被覆率を約70%とした他は実施例1と同様である。窒化物半導体層の成長、窒化物半導体積層基板の作製、窒化物半導体発光素子の作製は実施例1と同様にして行った。またこの時の中間基板のX線半値幅を計測したところ(004)反射の半値幅が188秒、(302)反射の半値幅が373秒と良好な値を得た。また最終的に得られた青色LEDの通電20mAでの光出力を測定したところ、10.5mWであった。
Example 4
The substrate is the same as in Example 1 except that a substrate obtained by growing an AlGaN layer on a mirror-polished C-plane of sapphire is used, and the coverage of the growth substrate surface by colloidal silica particles is about 70%. The growth of the nitride semiconductor layer, the production of the nitride semiconductor multilayer substrate, and the production of the nitride semiconductor light emitting device were carried out in the same manner as in Example 1. Further, when the X-ray half width of the intermediate substrate at this time was measured, a good value was obtained, with the half width of (004) reflection being 188 seconds and the half width of (302) reflection being 373 seconds. Further, when the light output of the finally obtained blue LED at an electric current of 20 mA was measured, it was 10.5 mW.
比較例1
無機粒子を使用しなかったこと以外、すなわち、無機粒子によるエピタキシャル成長マスクをサファイア基板上に形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして、厚さ約5μmのGaN窒化物半導体中間基板を得た。そのX線回折半値幅を計測したところ、(004)反射で268秒、(302)反射で566秒であった。続いて該中間基板上に実施例1と同様にして窒化物半導体積層基板を形成し、これを用いて、発光デバイスを製作した。得られた青色LEDの通電20mAでの光出力を測定したところ、3.0mWであった。
Comparative Example 1
A GaN nitride semiconductor intermediate substrate having a thickness of about 5 μm was obtained in the same manner as in Example 1 except that inorganic particles were not used, that is, an epitaxial growth mask made of inorganic particles was not formed on the sapphire substrate. It was. The X-ray diffraction half width was measured and found to be 268 seconds for (004) reflection and 566 seconds for (302) reflection. Subsequently, a nitride semiconductor multilayer substrate was formed on the intermediate substrate in the same manner as in Example 1, and a light emitting device was manufactured using the nitride semiconductor multilayer substrate. When the light output of the obtained blue LED at an electric current of 20 mA was measured, it was 3.0 mW.
比較例2
選択成長マスクとして、マスク幅5μmで開口率50%、厚さ500nmのストライプ状酸化ケイ素マスクをサファイア基板上に形成し、ELOG成長を実施した。厚さ約5μmの中間基板を得てそのX線回折半値幅を計測したところ、(004)反射で272秒、(302)反射で387秒であった。続いて該中間基板上に実施例1、比較例1と同様にして窒化物半導体積層基板を形成し、これを用いて、発光デバイスを製作した。得られた青色LEDの通電20mAでの光出力を測定したところ、4.0mWであった。
Comparative Example 2
As a selective growth mask, a stripe-shaped silicon oxide mask having a mask width of 5 μm, an aperture ratio of 50% and a thickness of 500 nm was formed on a sapphire substrate, and ELOG growth was performed. When an intermediate substrate having a thickness of about 5 μm was obtained and its X-ray diffraction half width was measured, it was 272 seconds for (004) reflection and 387 seconds for (302) reflection. Subsequently, a nitride semiconductor multilayer substrate was formed on the intermediate substrate in the same manner as in Example 1 and Comparative Example 1, and a light-emitting device was manufactured using this. When the light output of the obtained blue LED at a current of 20 mA was measured, it was 4.0 mW.
1 下地基板
1B 成長領域
2 無機粒子
3 3−5族窒化物半導体層
11 サファイア基板
12、13 コロイダルシリカ粒子
14、15、16、17 転位
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記サファイア基板上に開口部を有するマスク材を設置し、該開口部内から外に向けて前記半導体結晶のエピタキシャル成長を開始し、該マスク材の形状に沿って前記半導体結晶を前記サファイア基板上にエピタキシャル成長することにより、
前記半導体結晶を、前記半導体結晶の前記サファイア基板の表面に平行な断面の面積が前記サファイア基板の表面から成長する過程で一旦徐々に縮小され次に徐々に拡大されるように、エピタキシャル成長させ、これにより前記半導体結晶の成長途中で成長領域を一旦徐々に絞るようにすると共に、該エピタキシャル成長を少なくとも前記半導体結晶の表面の面積が該エピタキシャル成長に用いられた前記サファイア基板の表面の面積と等しくなるまで行い、
前記マスク材として、水分散液のコロイダルシリカに含まれるシリカ粒子を用いる
ことを特徴とする半導体単結晶基板の製造方法。 In a method of manufacturing a semiconductor single crystal substrate by epitaxially growing a semiconductor crystal on a sapphire substrate,
A mask material having an opening is placed on the sapphire substrate, epitaxial growth of the semiconductor crystal is started from the inside of the opening toward the outside, and the semiconductor crystal is epitaxially grown on the sapphire substrate along the shape of the mask material. By doing
The semiconductor crystal is epitaxially grown so that an area of a cross section parallel to the surface of the sapphire substrate of the semiconductor crystal is gradually reduced and then gradually enlarged in the process of growing from the surface of the sapphire substrate. Thus, the growth region is temporarily narrowed down during the growth of the semiconductor crystal, and the epitaxial growth is performed until at least the surface area of the semiconductor crystal is equal to the surface area of the sapphire substrate used for the epitaxial growth. ,
As the mask material, silica particles contained in colloidal silica of an aqueous dispersion are used.
A method for manufacturing a semiconductor single crystal substrate.
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