JP5330040B2 - Semiconductor device, semiconductor device, semiconductor wafer, and semiconductor crystal growth method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element, a semiconductor device, a semiconductor wafer, and a method of growing semiconductor crystal such that warpage of a substrate is suppressed and an influence of interface reflection is reduced to achieve high light extraction efficiency and high internal light emission efficiency. <P>SOLUTION: The semiconductor element includes a sapphire substrate 105 which has a principal surface 106 comprising a (c) plane, and also has a recessed portion 110a formed on the principal surface, a first buffer layer 110 which is provided on the principal surface of the sapphire substrate and made of crystalline AlN, and a semiconductor layer 190 which is provided on the first buffer layer and made of a nitride semiconductor. The first buffer layer has a cavity 110a provided over the recessed portion of the sapphire substrate, and the first buffer layer has a first region 110e and a second region 110f provided between the first region and the sapphire substrate and having higher carbon concentration than the first region. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor element, a semiconductor device, a semiconductor wafer, and a semiconductor crystal growth method.

窒化物半導体は、半導体発光素子やHEMT(High Electron Mobility Transistor)素子等の各種の半導体素子に用いられている。このような窒化物半導体において、例えば用いられるサファイア基板とその上に形成される窒化物半導体との間の熱膨張係数などの差によってウェーハの反りやウェーハの割れが発生するという問題がある。   Nitride semiconductors are used in various semiconductor elements such as semiconductor light emitting elements and HEMT (High Electron Mobility Transistor) elements. In such a nitride semiconductor, for example, there is a problem that the wafer is warped or cracked due to a difference in thermal expansion coefficient between the sapphire substrate used and the nitride semiconductor formed thereon.

そして、窒化物半導体を用いた半導体発光素子である近紫外LED(Light Emitting Diode)素子(例えば発光波長が例えば400nm未満)は、白色LED等の蛍光体励起用光源として期待されているが、効率が低いことが問題となっている。   A near-ultraviolet LED (Light Emitting Diode) element (for example, an emission wavelength of less than 400 nm, for example), which is a semiconductor light-emitting element using a nitride semiconductor, is expected as a phosphor excitation light source such as a white LED. Is a problem.

効率が低いことの原因の1つは、サファイア基板とGaN結晶との間の格子不整合による高密度の貫通転移である。これに対し、本発明者は、従来の低温成長のAlNまたはGaN等に代わりに、基板界面側に炭素または水素を高濃度で含む高温成長の厚膜の単結晶AlN(Al組成のAlGaNを含む)をバッファ層として用いることにより、その上に成長するGaN層の結晶品質を大幅に改善でき、高効率の発光素子が作製できることを見いだしている(例えば、特許文献1参照)。この方法を用いて作製した素子において、可視LEDに匹敵する70%を超える内部発光効率を実現している。   One of the reasons for the low efficiency is a high density threading transition due to lattice mismatch between the sapphire substrate and the GaN crystal. On the other hand, the present inventor, instead of conventional low-temperature grown AlN or GaN, etc., includes a high-temperature-grown single-crystal AlN (including AlGaN having an Al composition) containing carbon or hydrogen at a high concentration on the substrate interface side. ) As a buffer layer, it has been found that the crystal quality of the GaN layer grown thereon can be greatly improved, and a highly efficient light-emitting device can be produced (for example, see Patent Document 1). In an element manufactured using this method, an internal luminous efficiency exceeding 70%, which is comparable to a visible LED, is realized.

しかし、この場合でも、サファイアとGaN系混晶とで屈折率が異なるため、界面に斜めに入射する発光が反射され、結果として効率が半分近くに低下する。   However, even in this case, since the refractive index is different between sapphire and the GaN-based mixed crystal, light emitted obliquely to the interface is reflected, and as a result, the efficiency is reduced to nearly half.

一方、青色LED等の可視LEDにおいては、表面に二次元的に配置された凹凸を形成したサファイア基板の上に、低温成長の薄膜のAlN、GaNまたはAlGaN等の低温成長のバッファ層を介してGaN層を成長して、平坦化した表面上に素子部を形成することにより、界面反射の影響を低減し、高効率化が図られている(例えば、特許文献2参照)。   On the other hand, in a visible LED such as a blue LED, on a sapphire substrate formed with unevenness arranged two-dimensionally on the surface, a low-temperature growth thin film such as AlN, GaN or AlGaN is provided via a low-temperature growth buffer layer. By growing a GaN layer and forming an element portion on a flattened surface, the influence of interface reflection is reduced and high efficiency is achieved (for example, see Patent Document 2).

しかし、この薄膜の低温成長のバッファ層を用いた手法を厚膜の高温成長単結晶バッファ層に適用することは困難である。すなわち、AlNやAlGaNは成長の方向の選択性が低いため、異なる方向の面を有する凹凸の結晶面に異なる方位の結晶が成長する結果、成長した結晶が多結晶となるためである。   However, it is difficult to apply this technique using a low-temperature growth buffer layer to a thick high-temperature growth single crystal buffer layer. That is, AlN and AlGaN have low selectivity in the growth direction, and as a result, crystals grown in different orientations grow on an uneven crystal plane having surfaces in different directions, so that the grown crystal becomes polycrystalline.

このように、表面に二次元的に配置された凹凸が形成されたサファイア基板上に、高温成長の厚膜の単結晶性のAlN(高Al組成のAlGaNを含む)の層を形成する技術は知られておらず、界面反射の影響を低減して光取り出し効率が高めつつ、内部発光効率の高い半導体装置を実現することができなかった。   As described above, a technique for forming a high-temperature thick single-crystalline AlN layer (including AlGaN having a high Al composition) on a sapphire substrate on which unevenness arranged two-dimensionally on the surface is formed is as follows. It is not known, and it has not been possible to realize a semiconductor device with high internal light emission efficiency while reducing the influence of interface reflection and increasing light extraction efficiency.

特許第3648386号公報Japanese Patent No. 3648386 米国特許第6870191B2号明細書US Pat. No. 6,870,191B2

本発明は、基板の反りを抑制し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法を提供する。   The present invention provides a semiconductor element, a semiconductor device, a semiconductor wafer, and a semiconductor crystal growth method capable of suppressing the warpage of a substrate and reducing the influence of interface reflection to realize high light extraction efficiency and high internal light emission efficiency.

本発明の一態様によれば、c面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、記主面の上に設けられ、結晶性のAlNからなる第1バッファ層と、前記第1バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、を備え、前記第1バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、前記第1バッファ層は、第1領域と、前記第1領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第1領域よりも炭素濃度が高い第2領域と、を有し、前記空洞は、第1バッファ層中で塞がれ、前記第1バッファ層の前記半導体層に対向する面は、平坦であることを特徴とする半導体素子が提供される。 According to one aspect of the present invention has a main surface formed of the c-plane, and the sapphire substrate recess in said main surface is provided, is provided on the front Symbol major surface, the first consisting of crystalline AlN 1 A buffer layer; and a semiconductor layer made of a nitride semiconductor and provided on the first buffer layer, the first buffer layer having a cavity provided on the recess of the sapphire substrate. The first buffer layer includes a first region, and a second region that is provided between the first region and the sapphire substrate and has a carbon concentration higher than that of the first region. A semiconductor element is provided in which the surface of the first buffer layer that is blocked and faces the semiconductor layer of the first buffer layer is flat.

また、本発明の他の一態様によれば、前記半導体層は、前記第1バッファ層の上に設けられ、GaNまたはAlGaNからなる第2バッファ層と、前記第2バッファ層の上に設けられたn型半導体層と、前記n型半導体層の上に設けられた発光層と、前記発光層の上に設けられたp型半導体層と、を有する上記の半導体素子と、前記半導体素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換層と、を備えたことを特徴とする半導体装置が提供される。 According to another aspect of the invention, the semiconductor layer is provided on the first buffer layer, and is provided on the second buffer layer made of GaN or AlGaN, and on the second buffer layer. A semiconductor device comprising: an n-type semiconductor layer; a light-emitting layer provided on the n-type semiconductor layer; and a p-type semiconductor layer provided on the light-emitting layer, and emitting from the semiconductor device There is provided a semiconductor device comprising: a wavelength conversion layer that absorbs the emitted light and emits light having a wavelength different from that of the light.

また、本発明の他の一態様によれば、c面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、前記主面の上に設けられ、結晶性のAlNからなる第1バッファ層と、前記第1バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、を備えた半導体ウェーハであって、前記第1バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、前記第1バッファ層は、第1領域と、前記第1領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第1領域よりも炭素濃度が高い第2領域と、を有し、
前記空洞は、第1バッファ層中で塞がれ、前記第1バッファ層の前記半導体層に対向する面は、平坦であることを特徴とする半導体ウェーハが提供される。
Further, according to another aspect of the present invention has a main surface formed of the c-plane, and the sapphire substrate with a recess provided in the main surface, provided on the main surface, of a crystalline AlN A semiconductor wafer provided with a first buffer layer and a semiconductor layer formed on the first buffer layer and made of a nitride semiconductor , wherein the first buffer layer is formed on the concave portion of the sapphire substrate. The first buffer layer includes a first region and a second region having a higher carbon concentration than the first region, the first region being provided between the first region and the sapphire substrate; Have
The cavity is closed in the first buffer layer, and a surface of the first buffer layer facing the semiconductor layer is flat. Thus, a semiconductor wafer is provided.

また、本発明の他の一態様によれば、c面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板の前記主面の上に、1150℃〜1200℃の第1の温度と、0.7〜50の第1のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第1層をエピタキシャル成長し、前記第1層の上に、1270℃〜1330℃の第2の温度と、250〜10000の第2のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第2層をエピタキシャル成長し、前記第2層の上に、前記第2の温度よりも10℃〜30℃高い第3の温度と、50〜250の第3のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第3層をエピタキシャル成長して、前記凹部の上に空洞を形成し、前記空洞を前記第3層で覆うことを特徴とする半導体結晶の成長方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a first surface of 1150 ° C. to 1200 ° C. is provided on the main surface of the sapphire substrate having a main surface composed of a c-plane and having a recess formed on the main surface. A first layer made of AlN is epitaxially grown by metalorganic vapor phase epitaxy using a temperature of 1 and a first group V / group III ratio of 0.7 to 50, and 1270 ° C. to A second layer made of AlN is epitaxially grown by metal organic vapor phase epitaxy using a second temperature of 1330 ° C. and a second group V / III ratio of 250 to 10,000, and on the second layer, Epitaxially growing a third layer made of AlN by metal organic vapor phase epitaxy using a third temperature that is 10 ° C. to 30 ° C. higher than the second temperature and a third group V / III ratio of 50 to 250 Forming a cavity above the recess, and Method for growing a semiconductor crystal, characterized in that the covering of three layers is provided.

本発明によれば、基板の反りを抑制し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the growth method of the semiconductor element which can suppress the curvature of a board | substrate, can reduce the influence of interface reflection, and can implement | achieve high light extraction efficiency and high internal light emission efficiency is provided. The

本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a semiconductor element according to a first embodiment of the invention. 本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の要部の構成を例示する顕微鏡写真図である。FIG. 3 is a micrograph illustrating the configuration of a main part of the semiconductor element according to the first embodiment of the invention. 第1の比較例のAlN層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。It is a microscope picture figure which illustrates the surface state of the AlN layer of a 1st comparative example. 第2の比較例のAlN層とGaN層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。It is a microscope picture figure which illustrates the surface state of the AlN layer of a 2nd comparative example, and a GaN layer. 第3の比較例のAlN層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。It is a microscope picture figure which illustrates the surface state of the AlN layer of the 3rd comparative example. 本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の動作を例示する模式図である。FIG. 6 is a schematic view illustrating the operation of the semiconductor element according to the first embodiment of the invention. 本発明の第1の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of another semiconductor element according to the first embodiment of the invention. 本発明の第1の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of another semiconductor element according to the first embodiment of the invention. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a semiconductor device according to a second embodiment of the invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a semiconductor wafer according to a third embodiment of the invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。It is a flowchart figure which illustrates the growth method of the semiconductor crystal which concerns on the 4th Embodiment of this invention.

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
Note that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio coefficient of the size between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratio coefficient may be represented differently depending on the drawing.
Further, in the present specification and each drawing, the same reference numerals are given to the same elements as those described above with reference to the previous drawings, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

(第1の実施の形態)
以下では、本発明の第1の実施形態を半導体発光素子に適用した場合について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子11は、サファイア基板105と、サファイア基板105の主面106の上に設けられた第1バッファ層110と、第1バッファ層110の上に設けられた窒化物半導体からなる半導体層190と、を備える。
(First embodiment)
Below, the case where the 1st Embodiment of this invention is applied to a semiconductor light-emitting device is demonstrated.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a semiconductor element according to the first embodiment of the invention.
As shown in FIG. 1, the semiconductor element 11 according to the first embodiment of the present invention includes a sapphire substrate 105, a first buffer layer 110 provided on the main surface 106 of the sapphire substrate 105, and a first And a semiconductor layer 190 made of a nitride semiconductor provided on the buffer layer 110.

本具体例では、半導体層190は、第1バッファ層110の上に設けられた第2バッファ層120と、第2バッファ層120の上に設けられたn型半導体層140と、n型半導体層140の上に設けられた発光層150と、発光層150の上に設けられたp型半導体層160と、を有する。   In this specific example, the semiconductor layer 190 includes a second buffer layer 120 provided on the first buffer layer 110, an n-type semiconductor layer 140 provided on the second buffer layer 120, and an n-type semiconductor layer. The light emitting layer 150 provided on the light emitting layer 150 and the p-type semiconductor layer 160 provided on the light emitting layer 150 are included.

そして、半導体素子11は、n型半導体層140に電気的に接続された第1電極(n側電極140e)と、p型半導体層160に電気的に接続された第2電極(p側電極160e)と、をさらに備えている。   The semiconductor element 11 includes a first electrode (n-side electrode 140e) electrically connected to the n-type semiconductor layer 140 and a second electrode (p-side electrode 160e) electrically connected to the p-type semiconductor layer 160. ) And.

サファイア基板105の主面106は、サファイアのc面とされる。すなわち、主面106は、サファイアのc面に対して実質的に平行である。   The main surface 106 of the sapphire substrate 105 is a c-plane of sapphire. That is, the main surface 106 is substantially parallel to the c-plane of sapphire.

ここで、本願明細書において、「平行」及び「垂直」は、それぞれ厳密な平行及び垂直を含む他、例えば製造工程におけるのばらつきを含み、実質的に平行である状態及び実質的に垂直である状態を含む。   Here, in the present specification, “parallel” and “vertical” include strictly parallel and vertical, respectively, and include, for example, variations in the manufacturing process, and are substantially parallel and substantially vertical. Includes state.

サファイア基板105の主面106の法線と、サファイアのc面の法線と、の角度に関して望ましい条件に関しては後述する。   Desirable conditions regarding the angle between the normal line of the main surface 106 of the sapphire substrate 105 and the normal line of the c-plane of sapphire will be described later.

そして、サファイア基板105は、主面106に設けられた凹部105aを有する。凹部105aは、主面106において二次元的に配置されている。   The sapphire substrate 105 has a recess 105 a provided in the main surface 106. The recess 105 a is two-dimensionally arranged on the main surface 106.

第1バッファ層110は、結晶性のAlNからなる。ただし、AlNに例えばGaNがドーピングされたものを用いても良い。すなわち、第1バッファ層110には、高Al組成のAlGaNを含む結晶性のAlNが用いられる。後述するように、第1バッファ層110はバッファ層として機能する。   The first buffer layer 110 is made of crystalline AlN. However, AlN doped with, for example, GaN may be used. That is, for the first buffer layer 110, crystalline AlN containing AlGaN with a high Al composition is used. As will be described later, the first buffer layer 110 functions as a buffer layer.

第1バッファ層110は、空洞110aを有する。空洞110aは、サファイア基板105の凹部105aに対応した位置に設けられている。すなわち、空洞110aは、凹部105aの上に設けられている。   The first buffer layer 110 has a cavity 110a. The cavity 110 a is provided at a position corresponding to the recess 105 a of the sapphire substrate 105. That is, the cavity 110a is provided on the recess 105a.

第1バッファ層110の上面(主面106とは反対側の面)は、実質的に平坦である。すなわち、第1バッファ層110の下面(主面106の側の面)においては空洞110aが設けられ、第1バッファ層110の下面は凹凸を有するが、第1バッファ層110の上面は、第1バッファ層110の下面の側に空洞110aがあることの影響を受けず、平坦な面となっている。例えば、第1バッファ層110の上面は、原子レベルで平坦化されている。   The upper surface of the first buffer layer 110 (the surface opposite to the main surface 106) is substantially flat. That is, the cavity 110a is provided on the lower surface of the first buffer layer 110 (the surface on the main surface 106 side), and the lower surface of the first buffer layer 110 has irregularities, but the upper surface of the first buffer layer 110 is The buffer layer 110 is flat without being affected by the presence of the cavity 110a on the lower surface side. For example, the upper surface of the first buffer layer 110 is planarized at the atomic level.

すなわち、空洞110aは、第1バッファ層110の上面で塞がれている。第1バッファ層110の上面において、空洞110aは実質的に開口しておらず、また、例えば、第1バッファ層110の上面には、空洞110aに起因した凹凸が実質的に無い。   That is, the cavity 110 a is closed by the upper surface of the first buffer layer 110. On the upper surface of the first buffer layer 110, the cavity 110a is not substantially open, and for example, the upper surface of the first buffer layer 110 is substantially free of irregularities due to the cavity 110a.

そして、第1バッファ層110のサファイア基板105の側の炭素濃度は、第1バッファ層110のサファイア基板105とは反対側の濃度よりも高い。   The carbon concentration of the first buffer layer 110 on the sapphire substrate 105 side is higher than the concentration of the first buffer layer 110 on the side opposite to the sapphire substrate 105.

すなわち、第1バッファ層110は、第1領域110eと、第1領域110eとサファイア基板105との間に設けられ第1領域110eよりも炭素濃度が高い第2領域110fと、を有する。本具体例では、第1領域110eは、図1に例示した第2層112及び第3層113であり、第2領域110fは、図1に例示した第1層111である。   That is, the first buffer layer 110 includes a first region 110e and a second region 110f provided between the first region 110e and the sapphire substrate 105 and having a higher carbon concentration than the first region 110e. In this specific example, the first region 110e is the second layer 112 and the third layer 113 illustrated in FIG. 1, and the second region 110f is the first layer 111 illustrated in FIG.

第2バッファ層120は、GaNまたはAlGaNからなる。第2バッファ層120は、第1バッファ層110とn型半導体層140との間の格子歪みを緩和させる。   The second buffer layer 120 is made of GaN or AlGaN. The second buffer layer 120 relaxes lattice distortion between the first buffer layer 110 and the n-type semiconductor layer 140.

以下、半導体素子11の具体例を説明する。
サファイア基板105としては、c面を主面106とするサファイア基板が用いられる。c面の法線とサファイア基板105の法線との角度の差は、例えば0.05度以下とすることが望ましい。サファイア基板105の主面106には、例えば、径が2.0μm(マイクロメートル)で深さが1μmの凹部105aが、例えば1.5μmの間隔で設けられている。
Hereinafter, a specific example of the semiconductor element 11 will be described.
As the sapphire substrate 105, a sapphire substrate having a c-plane as the main surface 106 is used. The difference in angle between the normal of the c-plane and the normal of the sapphire substrate 105 is preferably 0.05 degrees or less, for example. On the main surface 106 of the sapphire substrate 105, for example, recesses 105a having a diameter of 2.0 μm (micrometer) and a depth of 1 μm are provided at an interval of 1.5 μm, for example.

このサファイア基板105の主面106の上に第1バッファ層110が設けられている。
第1バッファ層110は、例えば、第1層111と、第1層111の上に設けられた第2層112と、第2層112の上に設けられた第3層113と、を有する。
A first buffer layer 110 is provided on the main surface 106 of the sapphire substrate 105.
The first buffer layer 110 includes, for example, a first layer 111, a second layer 112 provided on the first layer 111, and a third layer 113 provided on the second layer 112.

第1層111は、高炭素濃度の第1AlNバッファ層である。第1層111における炭素濃度は、例えば1×1019cm−3〜5×1020cm−3とされ、第1層111の厚さは、例えば3nm(ナノメートル)〜20nmとされる。 The first layer 111 is a first AlN buffer layer having a high carbon concentration. The carbon concentration in the first layer 111 is, for example, 1 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3, and the thickness of the first layer 111 is, for example, 3 nm (nanometer) to 20 nm.

第2層112は、高純度第1AlNバッファ層である。第2層112における炭素濃度は、例えば1×1016cm−3〜1×1019cm−3とされ、第2層112の厚さは、例えば0.2μm〜0.5μmとされる。 The second layer 112 is a high purity first AlN buffer layer. The carbon concentration in the second layer 112 is, for example, 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3, and the thickness of the second layer 112 is, for example, 0.2 μm to 0.5 μm.

第3層113は、高純度第2AlNバッファ層である。第3層113における炭素濃度は、例えば1×1016cm−3〜1×1019cm−3とされ、第3層113の厚さは、例えば1.5μm〜3.0μmとされる。 The third layer 113 is a high purity second AlN buffer layer. The carbon concentration in the third layer 113 is, for example, 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3, and the thickness of the third layer 113 is, for example, 1.5 μm to 3.0 μm.

第1バッファ層110の上に第2バッファ層120が設けられる。第2バッファ層120は、ノンドープGaNバッファ層である。第2バッファ層120の厚さは、例えば2μmである。   A second buffer layer 120 is provided on the first buffer layer 110. The second buffer layer 120 is a non-doped GaN buffer layer. The thickness of the second buffer layer 120 is 2 μm, for example.

第2バッファ層120の上にn型半導体層140が設けられる。n型半導体層140は、第2バッファ層120の上に設けられたSiドープn型GaNコンタクト層141と、Siドープn型GaNコンタクト層141の上に設けられたSiドープn型Al0.13Ga0.87Nクラッド層142と、を有する。 An n-type semiconductor layer 140 is provided on the second buffer layer 120. The n-type semiconductor layer 140 includes a Si-doped n-type GaN contact layer 141 provided on the second buffer layer 120 and a Si-doped n-type Al 0.13 provided on the Si-doped n-type GaN contact layer 141. A Ga 0.87 N cladding layer 142.

Siドープn型GaNコンタクト層141におけるSi濃度は、例えば1×1019cm−3〜2×1019cm−3とされ、Siドープn型GaNコンタクト層141の厚さは、例えば4μmとされる。 The Si concentration in the Si-doped n-type GaN contact layer 141 is, for example, 1 × 10 19 cm −3 to 2 × 10 19 cm −3, and the thickness of the Si-doped n-type GaN contact layer 141 is, for example, 4 μm. .

Siドープn型Al0.13Ga0.87Nクラッド層142におけるSi濃度は、例えば2×1018cm−3とされ、Siドープn型Al0.13Ga0.87Nクラッド層142の厚さは、例えば0.02μmとされる。 The Si concentration in the Si-doped n-type Al 0.13 Ga 0.87 N cladding layer 142 is, for example, 2 × 10 18 cm −3, and the thickness of the Si-doped n-type Al 0.13 Ga 0.87 N cladding layer 142 is For example, the thickness is 0.02 μm.

なお、Siドープn型GaNコンタクト層141の一部の面が露出し、後述するn側電極140eが設けられる。   A part of the surface of the Si-doped n-type GaN contact layer 141 is exposed, and an n-side electrode 140e described later is provided.

Siドープn型Al0.13Ga0.87Nクラッド層142の上に、発光層150が設けられる。発光層150は、Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層152とGaInN井戸層151とが交互に8周期積層されてなる多重量子井戸構造を有している。 The light emitting layer 150 is provided on the Si-doped n-type Al 0.13 Ga 0.87 N cladding layer 142. The light emitting layer 150 has a multiple quantum well structure in which Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layers 152 and GaInN well layers 151 are alternately stacked for eight periods.

Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層152におけるSi濃度は、例えば1.2×1019cm−3〜2.1×1019cm−3とされ、Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層152の厚さは、例えば9.0nmとされる。 The Si concentration in the Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 152 is, for example, 1.2 × 10 19 cm −3 to 2.1 × 10 19 cm −3. The thickness of the n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 152 is, for example, 9.0 nm.

GaInN井戸層151における発光波長のピーク波長は、例えば383nmであり、GaInN井戸層151の厚さは、例えば4.5nmとされる。   The peak wavelength of the emission wavelength in the GaInN well layer 151 is 383 nm, for example, and the thickness of the GaInN well layer 151 is 4.5 nm, for example.

発光層150のサファイア基板105とは反対の側の最終のバリア層としては、Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層153が設けられる。
Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層153におけるSi濃度は、例えば1.2×1019cm−3〜2.1×1019cm−3とされ、Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層153の厚さは、例えば4.5nmとされる。
As the final barrier layer on the side opposite to the sapphire substrate 105 of the light emitting layer 150, a Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 153 is provided.
The Si concentration in the Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 153 is, for example, 1.2 × 10 19 cm −3 to 2.1 × 10 19 cm −3. The thickness of the n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 153 is, for example, 4.5 nm.

このような発光層150の発光波長のピーク波長は、370nm以上400nm未満である。   The peak wavelength of the emission wavelength of the light emitting layer 150 is 370 nm or more and less than 400 nm.

本具体例においては、発光層150の上に、低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155が設けられる。低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155におけるSi濃度は、例えば1×1015cm−3〜3×1018cm−3とされ、低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155の厚さは、例えば4.5nmとされる。 In this specific example, a low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155 is provided on the light emitting layer 150. The Si concentration in the low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155 is, for example, 1 × 10 15 cm −3 to 3 × 10 18 cm −3, and the low Si concentration Al 0.08. The thickness of the Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155 is, for example, 4.5 nm.

低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155の上にp型半導体層160が設けられる。p型半導体層160は、低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155の上に設けられたMgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161と、Mgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161の上に設けられたMgドープp型GaNコンタクト層162と、を有する。 A p-type semiconductor layer 160 is provided on the low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155. The p-type semiconductor layer 160 includes an Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N cladding layer 161 provided on the low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155, and an Mg-doped layer. and an Mg-doped p-type GaN contact layer 162 provided on the p-type Al 0.26 Ga 074 N clad layer 161.

Mgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161の下側(サファイア基板105の側、すなわち、発光層150の側)におけるMg濃度は、例えば2×1019cm−3であり、上側(サファイア基板105とは反対の側、すなわち、Mgドープp型GaNコンタクト層162の側)におけるMg濃度は、1×1019cm−3とされる。Mgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161の厚さは、例えば24nmとされる。 The Mg concentration on the lower side of the Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N cladding layer 161 (the sapphire substrate 105 side, that is, the light emitting layer 150 side) is, for example, 2 × 10 19 cm −3 , and the upper side ( The Mg concentration on the side opposite to the sapphire substrate 105, that is, on the side of the Mg-doped p-type GaN contact layer 162) is 1 × 10 19 cm −3 . The thickness of the Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N clad layer 161 is, for example, 24 nm.

Mgドープp型GaNコンタクト層162の下側(サファイア基板105の側)におけるMg濃度は、例えば5×1018cm−3であり、上側(サファイア基板105とは反対の側)におけるMg濃度は、5×1019cm−3〜9×1019cm−3とされる。Mgドープp型GaNコンタクト層162の厚さは、例えば0.3μmとされる。 The Mg concentration on the lower side (side of the sapphire substrate 105) of the Mg-doped p-type GaN contact layer 162 is, for example, 5 × 10 18 cm −3 , and the Mg concentration on the upper side (side opposite to the sapphire substrate 105) is are 5 × 10 19 cm -3 ~9 × 10 19 cm -3. The thickness of the Mg-doped p-type GaN contact layer 162 is, for example, 0.3 μm.

これらの各層は、サファイア基板105の上に、例えば有機金属気相成長法を用いて順次積層される。   Each of these layers is sequentially stacked on the sapphire substrate 105 using, for example, a metal organic chemical vapor deposition method.

なお、第1バッファ層110(第1〜第3層111〜113)は、サファイア基板105との結晶型の差異を緩和する働きをし、特に螺旋転位を低減する。すなわち、サファイア基板105の凹部105aを含めて、表面を原子レベルで平坦化し、第1バッファ層110の上に成長する第2バッファ層120(GaN格子歪緩和層)における欠陥低減と歪緩和の効果を最大にする。
このために、第1バッファ層110の厚さは、1.0μm以上が望ましく、2.0μよりも厚くすることがさらに望ましい。
The first buffer layer 110 (first to third layers 111 to 113) serves to alleviate the difference in crystal type from the sapphire substrate 105, and particularly reduces screw dislocations. That is, the surface of the sapphire substrate 105 including the recess 105a is planarized at the atomic level, and the defect reduction and strain relaxation effects in the second buffer layer 120 (GaN lattice strain relaxation layer) grown on the first buffer layer 110 are obtained. To maximize.
Therefore, the thickness of the first buffer layer 110 is desirably 1.0 μm or more, and more desirably greater than 2.0 μm.

一方、サファイア基板105と第1バッファ層110との歪みによるそりを防止するためには、第1バッファ層110の厚さは6μm以下が望ましい。   On the other hand, in order to prevent warping due to distortion between the sapphire substrate 105 and the first buffer layer 110, the thickness of the first buffer layer 110 is desirably 6 μm or less.

図1に例示したように、第1バッファ層110の下面には、サファイア基板105の凹部105aに起因した空洞110aが形成されている。この空洞110aは、サファイア基板105の側に向かって拡開している。すなわち、空洞110aの側面110sは、逆テーパ状の形状を有する。   As illustrated in FIG. 1, a cavity 110 a caused by the recess 105 a of the sapphire substrate 105 is formed on the lower surface of the first buffer layer 110. The cavity 110a is expanded toward the sapphire substrate 105 side. That is, the side surface 110s of the cavity 110a has an inversely tapered shape.

そして、空洞110aの径は、上側に行くほど狭くなっている。すなわち、空洞110aを主面106に対して平行な平面で切断したときの空洞110aの幅は、サファイア基板105とは反対の側の方がサファイア基板105の側よりも狭い。すなわち、空洞110aは、砲弾の形状を有し、その砲弾の形状は、砲弾の先がサファイア基板105とは反対の側を向いた形状である。   The diameter of the cavity 110a becomes narrower toward the upper side. That is, the width of the cavity 110 a when the cavity 110 a is cut in a plane parallel to the main surface 106 is narrower on the side opposite to the sapphire substrate 105 than on the sapphire substrate 105 side. That is, the cavity 110 a has a shell shape, and the shape of the shell is a shape in which the tip of the shell faces the side opposite to the sapphire substrate 105.

空洞110aのサファイア基板105の側の径は、例えば、サファイア基板105に設けられる凹部105aの径以下となる。すなわち、例えば、凹部105aの径が2.0μmである場合は、空洞110aのサファイア基板105の側の径は、例えば、1.3μmである。そして、空洞110aの長さ(サファイア基板105の主面106に対して垂直な方向の長さ)は、例えば、1.5〜4.5μmである。   The diameter of the cavity 110a on the sapphire substrate 105 side is, for example, equal to or smaller than the diameter of the recess 105a provided in the sapphire substrate 105. That is, for example, when the diameter of the recess 105a is 2.0 μm, the diameter of the cavity 110a on the sapphire substrate 105 side is 1.3 μm, for example. The length of the cavity 110a (the length in the direction perpendicular to the main surface 106 of the sapphire substrate 105) is, for example, 1.5 to 4.5 μm.

そして、空洞110aの上側(サファイア基板105とは反対の側)の面における曲率は、発光層150の発光波長のピーク波長以下である。   The curvature of the surface on the upper side of the cavity 110a (the side opposite to the sapphire substrate 105) is not more than the peak wavelength of the emission wavelength of the light emitting layer 150.

図2は、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の要部の構成を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図は、半導体素子11において、サファイア基板105の上に第1バッファ層110を形成した後の第1バッファ層110の走査電子顕微鏡写真図である。同図(a)は、サファイア基板105及び第1バッファ層110を斜め方向から撮影した写真であり、同図(b)は、サファイア基板105及び第1バッファ層110の断面を、断面に対してほぼ垂直な方向から撮影した写真である。
FIG. 2 is a photomicrograph illustrating the configuration of the main part of the semiconductor element according to the first embodiment of the invention.
That is, this figure is a scanning electron micrograph of the first buffer layer 110 after the first buffer layer 110 is formed on the sapphire substrate 105 in the semiconductor element 11. FIG. 4A is a photograph of the sapphire substrate 105 and the first buffer layer 110 taken from an oblique direction, and FIG. 4B shows a cross section of the sapphire substrate 105 and the first buffer layer 110 with respect to the cross section. It is a photograph taken from a nearly vertical direction.

図2(a)及び(b)に表したように、サファイア基板105の表面に凹部105aが形成されている。そして、サファイア基板105の上に第1バッファ層110が形成されている。そして、凹部105aの上に、砲弾の形状の空洞110aが形成されている。そして、第1バッファ層110の上面は平坦である。   As shown in FIGS. 2A and 2B, a recess 105 a is formed on the surface of the sapphire substrate 105. A first buffer layer 110 is formed on the sapphire substrate 105. A bullet-shaped cavity 110a is formed on the recess 105a. The upper surface of the first buffer layer 110 is flat.

そして、空洞110aは第1バッファ層110の上面において露出していない。すなわち、空洞110aは、第1バッファ層110のサファイア基板105とは反対の側の面で塞がれている。   The cavity 110 a is not exposed on the upper surface of the first buffer layer 110. That is, the cavity 110 a is closed by the surface of the first buffer layer 110 on the side opposite to the sapphire substrate 105.

このように、第1バッファ層110において、サファイア基板105の上に設けられた凹部105aに対応して配置され、上面が第1バッファ層110によって塞がれた空洞110aが設けられている、このような空洞110aは、例えば、以下のようにして形成することができる。   As described above, the first buffer layer 110 is provided with the cavity 110a that is disposed corresponding to the recess 105a provided on the sapphire substrate 105 and whose upper surface is closed by the first buffer layer 110. Such a cavity 110a can be formed as follows, for example.

すなわち、第1のV族/III族比と第1の温度によって第1層111をエピタキシャル成長し、その上に、第1の温度よりも高い第2の温度と第1のV族/III族比よりも高い第2のV族/III族比とによって第2層112をエピタキシャル成長し、その上に、第2の温度よりもさらに高い第3の温度と、第1のV族/III族比と第2のV族/III族比との間の第3のV族/III族比と、によって第3層113をエピタキシャル成長する。これにより、サファイア基板105の凹部105aの上に空洞110aを形成し、そして、空洞110aを第1〜第3層111〜113で覆う。なお、上記のV族/III族比は、例えば、結晶成長させるときの原料ガスのアンモニア供給量/Al原料供給量の比である。   That is, the first layer 111 is epitaxially grown according to the first group V / group III ratio and the first temperature, and the second temperature higher than the first temperature and the first group V / III ratio are further grown thereon. Epitaxially growing the second layer 112 with a higher second group V / III ratio, on which a third temperature higher than the second temperature, and a first group V / III ratio The third layer 113 is epitaxially grown according to a third group V / group III ratio between the second group V / group III ratio. Thereby, the cavity 110a is formed on the concave portion 105a of the sapphire substrate 105, and the cavity 110a is covered with the first to third layers 111 to 113. In addition, said V group / III group ratio is ratio of ammonia supply amount / Al raw material supply amount of source gas at the time of crystal growth, for example.

すなわち、第3層113の形成の際のV族/III族比を、第1層111及び第2層112のときの間に下げると供に、温度を、第1層111及び第2層112よりもさらに高温にすることによって、Al原子の移動度が高まるため、横方向(主面に対して平行な方向)の成長が加速される。これにより、空洞110aの径が、AlN層を成長していくと供に小さくなり、空洞110aが塞がれ、第1バッファ層110の上面が平坦化される。   That is, the V / III ratio at the time of forming the third layer 113 is lowered between the time of the first layer 111 and the second layer 112, and the temperature is changed to the first layer 111 and the second layer 112. By further increasing the temperature, the mobility of Al atoms is increased, so that the growth in the lateral direction (direction parallel to the main surface) is accelerated. As a result, the diameter of the cavity 110a becomes smaller as the AlN layer grows, the cavity 110a is closed, and the upper surface of the first buffer layer 110 is flattened.

なお、高いV族/III族比の第2層112(高純度第1AlNバッファ層)によって、AlNの結晶品質が高まっているため、第3層113を成長させる際の高温下でもサファイア基板105の変性は抑制される。   In addition, since the crystal quality of AlN is enhanced by the second layer 112 (high purity first AlN buffer layer) having a high group V / group III ratio, the sapphire substrate 105 of the sapphire substrate 105 is grown even at a high temperature when the third layer 113 is grown. Denaturation is suppressed.

このように、本実施形態に係る半導体素子11における第1バッファ層110は、サファイア基板105の主面106の上に、第1の温度と、1.5から15の第1のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第1層111と、第1層111の上に、第1の温度よりも高い第2の温度と、第1のV族/III族比よりも高い第2のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第2層112と、第2層112の上に、第2の温度よりも高い第3の温度と、第1のV族/III族比と第2のV族/III族比との間の第3のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長された第3層113と、を有する。   As described above, the first buffer layer 110 in the semiconductor element 11 according to the present embodiment has the first temperature and the first group V / III of 1.5 to 15 on the main surface 106 of the sapphire substrate 105. A first layer 111 epitaxially grown by metalorganic vapor phase epitaxy based on the group ratio, a second temperature higher than the first temperature on the first layer 111, and a first group V / group III A second layer 112 epitaxially grown by metalorganic vapor phase epitaxy with a second V / III ratio higher than the ratio, and a third higher than the second temperature on the second layer 112 A third layer epitaxially grown by metalorganic vapor phase epitaxy with a temperature and a third group V / III ratio between the first group V / III ratio and the second group V / III ratio; Layer 113.

これにより、第1バッファ層110によって上部が塞がれ、砲弾の形状の空洞110aを有し、上面が平坦化された第1バッファ層110を形成することができる。   As a result, the first buffer layer 110 can be formed in which the upper portion is closed by the first buffer layer 110, the shell 110 has a hollow 110a, and the upper surface is flattened.

本発明者は、深さが0.5μ〜2μmの凹凸加工を施したサファイア基板上に、高温にて単結晶AlNを形成し、さらにこの上にGaNを成長する実験を行った。この実験結果を、比較例として説明する。   The inventor conducted an experiment in which single-crystal AlN was formed at a high temperature on a sapphire substrate having a depth of 0.5 μm to 2 μm, and GaN was grown thereon. This experimental result will be described as a comparative example.

(第1の比較例)
第1の比較例では、低温成長バッファを用いた青色LEDなどで採用される台形の凸部を形成したサファイア基板上に単結晶AlN層を形成した。
図3は、第1の比較例のAlN層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
図3に表したように、第1の比較例においては、サファイア基板105の上の台形の凸部105bの側面に、基準となるc軸とは異なる方位のAlN微結晶110pが放射状に形成された。そして、AlN層110xの下部には、複雑な形状の空洞110yが形成された。また、凸部105bを起点にして広がるc軸方位の結晶間にも隙間が広く形成され、合体することはなく、AlN層110xは全体として多結晶状態となった。
(First comparative example)
In the first comparative example, a single crystal AlN layer was formed on a sapphire substrate on which a trapezoidal convex portion employed in a blue LED or the like using a low temperature growth buffer was formed.
FIG. 3 is a photomicrograph illustrating the surface state of the AlN layer of the first comparative example.
As shown in FIG. 3, in the first comparative example, AlN microcrystals 110 p having a different orientation from the reference c-axis are radially formed on the side surface of the trapezoidal convex portion 105 b on the sapphire substrate 105. It was. A complex-shaped cavity 110y was formed below the AlN layer 110x. Further, a wide gap was also formed between the crystals in the c-axis direction that spread from the protrusion 105b as a starting point, and the AlN layer 110x was in a polycrystalline state as a whole.

(第2の比較例)
第2の比較例では、凹部105aを形成したサファイア基板の上に単結晶AlN層を形成した。この時、AlN層の成膜条件が本実施形態の場合と異なり、第3層113の形成の際に、V族/III族比が、第1層111及び第2層112のときと同様に高く、そして、成長温度は、第2層112と同じ温度であり、比較的低い温度である。
(Second comparative example)
In the second comparative example, the single crystal AlN layer was formed on the sapphire substrate on which the recess 105a was formed. At this time, the film formation conditions of the AlN layer are different from those in the present embodiment, and when the third layer 113 is formed, the group V / group III ratio is the same as in the first layer 111 and the second layer 112. The growth temperature is the same as that of the second layer 112 and a relatively low temperature.

図4は、第2の比較例のAlN層とGaN層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図(a)及び(b)は、それぞれ、AlN層の上面及びAlN層の断面を例示している。同図(c)及び(d)は、それぞれ、AlN層の上に形成されたGaN層の上面及び断面を例示している。なお、この場合のAlN層の厚さは2μmである。
FIG. 4 is a photomicrograph illustrating the surface states of the AlN layer and the GaN layer of the second comparative example.
That is, FIGS. 4A and 4B illustrate the upper surface of the AlN layer and the cross section of the AlN layer, respectively. FIGS. 3C and 3D illustrate the upper surface and cross section of the GaN layer formed on the AlN layer, respectively. In this case, the thickness of the AlN layer is 2 μm.

図4(a)及び(b)に表したように、第2の比較例の場合には、サファイア基板105の凹部105aの上において、単結晶のAlN層110xに凹部110zが形成されている。すなわち、サファイア基板105の凹部105aの側壁を基点として単結晶のAlN層110xが成長している。そして、さまざまな配向のAlN微結晶110pは、凹部105aの底部から成長したc軸配向の結晶と、サファイア基板105の凹部105a以外の表面から横方向に成長したc軸配向の結晶の間の狭い範囲に閉じ込められている。ただし、単結晶のAlN層110xの上面において、凹部110zは塞がれることなく、凹部110zは開口している。   As shown in FIGS. 4A and 4B, in the case of the second comparative example, the recess 110z is formed in the single crystal AlN layer 110x on the recess 105a of the sapphire substrate 105. That is, the single crystal AlN layer 110x grows from the side wall of the recess 105a of the sapphire substrate 105 as a base point. The variously oriented AlN microcrystals 110p are narrow between the c-axis oriented crystal grown from the bottom of the recess 105a and the c-axis oriented crystal grown laterally from the surface other than the recess 105a of the sapphire substrate 105. Trapped in range. However, the recess 110z is opened on the upper surface of the single crystal AlN layer 110x without being blocked.

このような構造の単結晶のAlN層110xの上に成長させたGaN層の結晶は、方位の異なるAlN微結晶110pの影響をあまり受けることなく、比較的高品質の結晶を成長できる。   The crystal of the GaN layer grown on the single crystal AlN layer 110x having such a structure can grow a relatively high quality crystal without being affected by the AlN microcrystal 110p having different orientations.

しかしながら、図4(c)及び(d)に表したように、GaN層120xには、AlN層110xの凹部110zに対応した空洞120yが形成されている。そして、GaN層120xの表面には、高密度のピット120z(穴)が認められた。このようなGaN層120xの上に、n型半導体層140、発光層150、p型半導体層160、n側電極140e及びp側電極160eを形成して発光素子を作製した場合には、このピット120zにおいて例えば電極材料が拡散し、短絡等の不良や信頼性劣化の要因となる。   However, as shown in FIGS. 4C and 4D, the GaN layer 120x has a cavity 120y corresponding to the recess 110z of the AlN layer 110x. High-density pits 120z (holes) were observed on the surface of the GaN layer 120x. When the n-type semiconductor layer 140, the light emitting layer 150, the p-type semiconductor layer 160, the n-side electrode 140e, and the p-side electrode 160e are formed on the GaN layer 120x, the pits are formed. At 120z, for example, the electrode material diffuses, causing defects such as a short circuit and deterioration of reliability.

このGaN層120xの表面のピット120zは、サファイア基板105の上にAlN層110xを成長させるときのAlN層110xの凹部110zの側面の形状に大きく依存する。すなわち、特に、AlN層110xの上面付近において、凹部110zの径が層厚方向の中央部よりも狭いとき、すなわち、AlN層110xの凹部110zの側面が逆テーパ状の側面のときにピット120zの大きさと数が抑制されることがわかった。   The pits 120z on the surface of the GaN layer 120x largely depend on the shape of the side surface of the recess 110z of the AlN layer 110x when the AlN layer 110x is grown on the sapphire substrate 105. That is, particularly in the vicinity of the upper surface of the AlN layer 110x, when the diameter of the recess 110z is narrower than the central portion in the layer thickness direction, that is, when the side surface of the recess 110z of the AlN layer 110x is an inversely tapered side surface, It was found that size and number were suppressed.

これは、AlN層110xの凹部110zの側面から成長するGaN結晶の成長方向が下方の成分を含むため、凹部110zの開口を縮小するようにGaN層110xが成長し、これにより、AlN層110xの凹部110zの上部に与える影響を抑制するためであると考えられる。   This is because the growth direction of the GaN crystal grown from the side surface of the recess 110z of the AlN layer 110x includes a lower component, so that the GaN layer 110x grows so as to reduce the opening of the recess 110z. This is considered to suppress the influence on the upper part of the recess 110z.

そして、AlN層110xの凹部110zの側面を逆テーパ状にすることで、ピット120zの生成が抑制され、その上に形成された発光素子は正常に動作した。   Then, by forming the side surface of the recess 110z of the AlN layer 110x in a reverse taper shape, the generation of the pit 120z was suppressed, and the light emitting element formed thereon operated normally.

しかしながら、その発光素子の発光効率は、通常の発光素子に対して数%程度改善されるものの、大きくは改善しなかった。この構成の場合には、GaN層120xを成長させたウェーハは全体的に褐色に着色しており、この着色が発光効率の改善を妨げていると考えられた。このウェーハの着色は、AlN層110xに形成される凹部110zの部分に形成された低品質のGaN結晶が光吸収源になることに起因している。この吸収は、波長が400nm未満の近紫外域では特に問題となる。   However, although the light emission efficiency of the light emitting element is improved by about several percent with respect to a normal light emitting element, it is not greatly improved. In the case of this configuration, the wafer on which the GaN layer 120x was grown was colored brown as a whole, and this coloring was considered to hinder the improvement of the light emission efficiency. This coloring of the wafer is caused by the fact that a low-quality GaN crystal formed in the recess 110z formed in the AlN layer 110x serves as a light absorption source. This absorption is particularly problematic in the near ultraviolet region where the wavelength is less than 400 nm.

このため、AlN層110xに形成される凹部110zを、AlN層110xの表面に開口させないことが重要であると考えられた。   For this reason, it was considered important that the recess 110z formed in the AlN layer 110x is not opened on the surface of the AlN layer 110x.

(第3の比較例)
第3の比較例では、AlN層110xの層厚を6μmと、第2の比較例に対して3倍に厚くして、AlN層110xの凹部110zをAlN層110xで覆うことを試みたものである。
図5は、第3の比較例のAlN層の表面状態を例示する顕微鏡写真図である。
すなわち、同図(a)及び(b)は、それぞれ、AlN層の上面及びAlN層の断面を例示している。
(Third comparative example)
In the third comparative example, the layer thickness of the AlN layer 110x is 6 μm, which is three times as thick as that of the second comparative example, and an attempt is made to cover the recess 110z of the AlN layer 110x with the AlN layer 110x. is there.
FIG. 5 is a photomicrograph illustrating the surface state of the AlN layer of the third comparative example.
That is, FIGS. 4A and 4B illustrate the upper surface of the AlN layer and the cross section of the AlN layer, respectively.

図5(a)及び(b)に表したように、AlN層110xの層厚を厚くしても、凹部110zは、AlN層110xの上面に開口したままであり、凹部110zの開口の解消は困難であった。   As shown in FIGS. 5A and 5B, even when the thickness of the AlN layer 110x is increased, the recess 110z remains open on the upper surface of the AlN layer 110x, and the opening of the recess 110z is eliminated. It was difficult.

AlN層110xの成長の際に、螺旋転位などの貫通転位は成長方向に伝播するため、横方向成長により表面開口部に集まる。このため、表面開口部付近に強い歪が集中する結果、開口部が形成されていると考えられる。この効果は、本実施形態に係る半導体素子11における円状(すなわち主面106に対して垂直な平面で切断した時の形状が円状)の凹部110aの様に、開口部の形状の対称性が高いときに特に強いと考えられる。   During the growth of the AlN layer 110x, threading dislocations such as screw dislocations propagate in the growth direction, and therefore gather at the surface opening by lateral growth. For this reason, it is considered that an opening is formed as a result of strong strain concentration near the surface opening. This effect is due to the symmetry of the shape of the opening as in the concave portion 110a of the semiconductor element 11 according to the present embodiment having a circular shape (that is, a circular shape when cut in a plane perpendicular to the main surface 106). It is considered particularly strong when the is high.

図5(a)に例示したように、凹部110zの開口部の形状は必ずしも円ではない。特に、サファイア基板105の結晶方位がc面からずれた場合には、凹部110zの開口部の形状は複雑な形状となり、凹部110zが残留し易いことがわかった。これは、AlN層110xの結晶中の歪が不均一になり、歪が局所的に集中するためと考えられる。   As illustrated in FIG. 5A, the shape of the opening of the recess 110z is not necessarily a circle. In particular, it was found that when the crystal orientation of the sapphire substrate 105 deviates from the c-plane, the shape of the opening of the recess 110z is complicated and the recess 110z tends to remain. This is presumably because the strain in the crystal of the AlN layer 110x becomes non-uniform and the strain concentrates locally.

これに対して、図2に例示したように、本実施形態に係る半導体素子11における第1バッファ層110(AlN層)においては、サファイア基板105の凹部105aに対応した空洞110aが形成され、すなわち、上記の凹部110zが第1バッファ層110に覆われており、第1バッファ層110の表面に開口していない。これにより、第1バッファ層110の上に形成されるGaN結晶(第2バッファ層120)の品質が向上し、ウェーハの着色が解消でき、高い発光効率を達成できる。   On the other hand, as illustrated in FIG. 2, in the first buffer layer 110 (AlN layer) in the semiconductor element 11 according to the present embodiment, a cavity 110 a corresponding to the recess 105 a of the sapphire substrate 105 is formed, that is, The recess 110z is covered with the first buffer layer 110 and does not open on the surface of the first buffer layer 110. Thereby, the quality of the GaN crystal (second buffer layer 120) formed on the first buffer layer 110 is improved, coloring of the wafer can be eliminated, and high luminous efficiency can be achieved.

すなわち、上記の第2及び第3の比較例におけるAlN層110xの凹部110zのAlN層110xの表面における開口部の残留状況は、サファイア基板105の凹部105aの径にも依存するが、AlN層110xの凹部110zの側面の形状に大きく依存する。AlN層110xの下側(サファイア基板105の側)から層厚方向の中央部にかけての凹部110z(空洞110a)の径がほぼ一定であり、中央部から上側(サファイア基板105とは反対の側)にかけての径が急速に縮小する場合に、凹部110zの開口部が形成され難いことが分かった。すなわち、凹部110z(空洞110a)の壁面が逆テーパ状で、凹部110z(空洞110a)が砲弾の形状を有している場合に、開口部が形成され難い。   That is, the residual state of the opening in the surface of the AlN layer 110x of the recess 110z of the AlN layer 110x in the second and third comparative examples described above depends on the diameter of the recess 105a of the sapphire substrate 105, but the AlN layer 110x. This greatly depends on the shape of the side surface of the recess 110z. The diameter of the recess 110z (cavity 110a) from the lower side of the AlN layer 110x (side of the sapphire substrate 105) to the central portion in the layer thickness direction is substantially constant, and the upper side from the central portion (the side opposite to the sapphire substrate 105). It has been found that the opening of the recess 110z is difficult to form when the diameter of the recess 110z rapidly decreases. In other words, when the wall surface of the recess 110z (cavity 110a) is reversely tapered and the recess 110z (cavity 110a) has a shell shape, it is difficult to form an opening.

このような側面形状は、例えば、AlN層の成長初期にV族/III族比を極端に低下させて第1層111(高炭素濃度層)を成長した後に、成長温度を高温化しつつV族/III族比を一旦高くして第2層112を成長し、その後、さらに成長温度を高めると供にV族/III族比を低くして第3層113を成長することにより形成できる。   Such a side surface shape is obtained, for example, after the first layer 111 (high carbon concentration layer) is grown by extremely reducing the V group / III group ratio in the early stage of the growth of the AlN layer, and then the growth temperature is increased. The second layer 112 can be grown by increasing the / III ratio once, and then the third layer 113 can be grown by lowering the V / III ratio while further increasing the growth temperature.

すなわち高いV族/III族比においては、AlN結晶は垂直方向に成長する。このため、垂直方向に伸びる螺旋転位間の反応が促進され結晶品質が急速に高まる。また、AlN結晶の側面は、主面106に対して垂直に近く、応力集中が抑止される。   That is, at a high group V / group III ratio, the AlN crystal grows in the vertical direction. For this reason, the reaction between the screw dislocations extending in the vertical direction is promoted, and the crystal quality rapidly increases. Further, the side surface of the AlN crystal is nearly perpendicular to the main surface 106, and stress concentration is suppressed.

低いV族/III族比では、AlN結晶は水平方向に成長し易く、高品質化されたAlN結晶の表面付近が優先的に横方向に成長する。そして、凹部105aの上端の会合部の結晶品質が高いことと、会合部が上下に薄いために歪が逃げ易く集中しないため、開口の発生が抑制される。さらに、サファイア基板105の熱損傷が問題とならない間に成長温度をさらに高めることにより、AlN結晶の横方向の成長がより促進され、結晶品質が高まる。   At a low group V / group III ratio, the AlN crystal tends to grow in the horizontal direction, and the vicinity of the surface of the improved AlN crystal grows preferentially in the horizontal direction. And since the crystal quality of the meeting part of the upper end of the recessed part 105a is high, and the meeting part is thin up and down, since distortion is easy to escape and does not concentrate, generation | occurrence | production of an opening is suppressed. Further, by further increasing the growth temperature while thermal damage of the sapphire substrate 105 does not become a problem, the lateral growth of the AlN crystal is further promoted, and the crystal quality is enhanced.

これにより、本実施形態に係る半導体素子11においては、第1バッファ層110中の空洞110aが第1バッファ層110の上面で塞がれ、第1バッファ層110の上面は平坦化され、この上に成長させる例えばGaN結晶を高品質にすることができる。半導体素子11によれば、凹凸を有するサファイア基板上に高温成長の単結晶性AlNバッファ層を形成し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が提供できる。   As a result, in the semiconductor element 11 according to the present embodiment, the cavity 110a in the first buffer layer 110 is blocked by the upper surface of the first buffer layer 110, and the upper surface of the first buffer layer 110 is planarized. For example, a GaN crystal grown to a high quality can be made. According to the semiconductor element 11, there is provided a semiconductor element in which a single crystal AlN buffer layer grown at a high temperature is formed on an uneven sapphire substrate, and the influence of interface reflection is reduced to achieve high light extraction efficiency and high internal light emission efficiency. Can be provided.

本実施形態に係る半導体素子11において、用いられるサファイア基板105における結晶方位ずれは、少なくとも0.3度以内が必要であり、第1バッファ層110のより均一な平坦化のためには、0.15度以内が望ましい。すなわち、サファイア基板105における結晶方位は、第1バッファ層110の成長の途中で形成される凹部110zの上部の歪分布に影響すると考えられる。サファイア基板105における結晶方位ずれを上記のように制御することで、凹部110zの上部の歪分布を均一化でき、凹部110zの開口の径を効率的に縮小することができる。   In the semiconductor element 11 according to the present embodiment, the crystal orientation shift in the sapphire substrate 105 to be used needs to be at least 0.3 degrees or less, and in order to make the first buffer layer 110 more uniform, 0. Within 15 degrees is desirable. That is, it is considered that the crystal orientation in the sapphire substrate 105 affects the strain distribution above the concave portion 110z formed during the growth of the first buffer layer 110. By controlling the crystal orientation shift in the sapphire substrate 105 as described above, the strain distribution above the recess 110z can be made uniform, and the diameter of the opening of the recess 110z can be efficiently reduced.

第1バッファ層110を形成する際のAlN結晶の成長初期で、高炭素濃度の第1層111を形成することは、凹部110zを形成する基となる螺旋転位の低減のために、必須である。   It is indispensable to form the first layer 111 having a high carbon concentration at the initial stage of growth of the AlN crystal when forming the first buffer layer 110 in order to reduce the screw dislocation that forms the recess 110z. .

なお、第1バッファ層110の厚さは、結晶品質的には1μm以上あれば十分であるが、凹部110zを消滅させ第1バッファ層110の上面を平坦化するためには、2μm以上とすることが望ましい。   The thickness of the first buffer layer 110 is sufficient if it is 1 μm or more in terms of crystal quality, but is 2 μm or more in order to eliminate the recess 110z and flatten the upper surface of the first buffer layer 110. It is desirable.

本実施形態に係る半導体素子11において、第1バッファ層110中の空洞110aは、ウェーハの反り及びウェーハの割れを抑制することに大きな効果がある。。特に、空洞110aは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。。特に、空洞110aは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。   In the semiconductor element 11 according to this embodiment, the cavity 110a in the first buffer layer 110 has a great effect in suppressing wafer warpage and wafer cracking. . In particular, since the cavities 110a are two-dimensionally distributed, non-uniform distortion remains less likely to occur. . In particular, since the cavities 110a are two-dimensionally distributed, non-uniform distortion remains less likely to occur.

すなわち、半導体素子11を形成する際に、サファイア基板105上にAlNからなる第1バッファ層110を形成する際に、空洞が無い場合には、サファイア基板105と第1バッファ層110との間の熱膨張係数の差などに起因する応力により、ウェーハ(サファイア基板105と第1バッファ層110との積層体)に反りが発生し、また、割れが発生することがある。この時、第1バッファ層110に空洞110aを設けることで、この応力が抑制され、ウェーハの反り及びウェーハの割れの発生を大幅に抑制できる。このような効果は、例えば、第1バッファ層110の上にGaN結晶を成長させ、それを用いた例えばHEMT素子などを作製する際にも大きな効果を発揮し、高い歩留まりの半導体素子及びその製造方法を提供できる。   That is, when forming the first buffer layer 110 made of AlN on the sapphire substrate 105 when forming the semiconductor element 11, if there is no cavity, the gap between the sapphire substrate 105 and the first buffer layer 110 is Due to the stress caused by the difference in thermal expansion coefficient, the wafer (laminated body of the sapphire substrate 105 and the first buffer layer 110) may be warped or cracked. At this time, by providing the cavity 110a in the first buffer layer 110, this stress is suppressed, and the occurrence of wafer warpage and wafer cracking can be significantly suppressed. Such an effect is also effective when, for example, a GaN crystal is grown on the first buffer layer 110 and a HEMT device or the like using the GaN crystal is produced, and a semiconductor device having a high yield and its manufacture are produced. Can provide a method.

このようなウェーハの反り及び割れの抑制の観点からは、第1バッファ層110中の空洞110aによる歪緩和効果を考慮すると、第1バッファ層110の厚さは、5μm以下が望ましく、3μm以下とすることがさらに望ましい。   From the viewpoint of suppressing warpage and cracking of the wafer, the thickness of the first buffer layer 110 is preferably 5 μm or less, considering the strain relaxation effect due to the cavity 110a in the first buffer layer 110, and 3 μm or less. It is more desirable to do.

このためには、サファイア基板105の凹部105aの径を6μm以下とすることが望ましい。凹部105aの形成の際の加工の容易さを考慮すると、凹部105aの径は、0.5μm〜6μmに設定すれば良い。凹部105aの上に形成されるAlN層110xの凹部110zにおけるAlN結晶の横方向の成長速度は、縦方向の半分程度のためである。   For this purpose, it is desirable that the diameter of the concave portion 105a of the sapphire substrate 105 be 6 μm or less. Considering the ease of processing when forming the recess 105a, the diameter of the recess 105a may be set to 0.5 μm to 6 μm. This is because the lateral growth rate of the AlN crystal in the recess 110z of the AlN layer 110x formed on the recess 105a is about half of the vertical direction.

サファイア基板105に設けられる凹部105aの密度は、半導体素子11における光散乱効果のためには高い方が望ましい。この観点から、凹部105aどうしの間隔は、凹部105aの径の1.5倍以下が望ましい。   The density of the recesses 105 a provided in the sapphire substrate 105 is desirably higher for the light scattering effect in the semiconductor element 11. From this viewpoint, the interval between the recesses 105a is desirably 1.5 times or less the diameter of the recess 105a.

サファイア基板105上のAlN成長機構において、AlN結晶の成長初期に形成された微結晶が合体して低欠陥化し、AlNにおいて最終的に約0.5μmの周期の構造が形成される。この低欠陥化過程を阻害しないためには、凹部105aどうしの間隔は、0.5μm以上にすることが望ましい。   In the AlN growth mechanism on the sapphire substrate 105, the microcrystals formed at the initial growth stage of the AlN crystal are united to reduce defects, and finally a structure with a period of about 0.5 μm is formed in the AlN. In order not to hinder the process of reducing defects, the interval between the recesses 105a is preferably 0.5 μm or more.

以上から、面方位ずれが0.15度以内のc面を主面106とするサファイア基板105上に、径が1.5μm〜5.0μm程度で、相互の間隔が0.5μm〜4.0μm程度の凹部105aを形成することが望ましい。   From the above, on the sapphire substrate 105 having the c-plane of which the plane orientation deviation is within 0.15 degrees as the main surface 106, the diameter is about 1.5 μm to 5.0 μm and the mutual distance is 0.5 μm to 4.0 μm. It is desirable to form a concave portion 105a having a degree.

図6は、本発明の第1の実施形態に係る半導体素子の動作を例示する模式図である。
すなわち、同図は、本実施形態に係る半導体素子11における光の特性を例示している。
図6に表したように、第1バッファ層110中に砲弾の形状の空洞110aを設けることで、発光層150から発光した光は、第1バッファ層110とサファイア基板105との界面において効率的に反射され、サファイア基板105の下方(主面106とは反対の側の方向)に効率的に取り出される。
FIG. 6 is a schematic view illustrating the operation of the semiconductor element according to the first embodiment of the invention.
That is, this figure illustrates the light characteristics of the semiconductor element 11 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 6, by providing a shell-shaped cavity 110 a in the first buffer layer 110, the light emitted from the light emitting layer 150 is efficient at the interface between the first buffer layer 110 and the sapphire substrate 105. And is efficiently taken out below the sapphire substrate 105 (in the direction opposite to the main surface 106).

例えば、主面106に対して比較的垂直な方向で進行する光L1は、空洞110aを透過し、サファイア基板105を通過して、半導体素子11の外部に取り出される。   For example, the light L1 traveling in a direction relatively perpendicular to the main surface 106 passes through the cavity 110a, passes through the sapphire substrate 105, and is extracted outside the semiconductor element 11.

そして、主面に対して比較的浅い角度で進行する光L2は、例えば、第1バッファ層110の下面(すなわち、第1層111とサファイア基板105との界面)及び空洞110aの表面で反射され、上方向に進行し、例えば、図示しないn側電極140eまたはp側電極160eで反射して、サファイア基板105に向けて再度進行して、外に取り出される。   The light L2 traveling at a relatively shallow angle with respect to the main surface is reflected by, for example, the lower surface of the first buffer layer 110 (that is, the interface between the first layer 111 and the sapphire substrate 105) and the surface of the cavity 110a. , Proceeding upward, for example, reflected by an n-side electrode 140e or p-side electrode 160e (not shown), proceeding again toward the sapphire substrate 105, and taken out.

そして、主面に対してさらに比較的浅い角度で進行する光L3は、例えば、空洞110aで屈折して、上方向に進行し、n側電極140eまたはp側電極160eで反射して、サファイア基板105に向けて再度進行して、外に取り出される。   Then, the light L3 traveling at a relatively shallow angle with respect to the main surface is refracted in the cavity 110a, travels upward, and is reflected by the n-side electrode 140e or the p-side electrode 160e, for example, to be a sapphire substrate. The process proceeds again toward 105 and is taken out.

すなわち、半導体素子11においては、第1バッファ層110中の空洞110aが、上側の先端部がとがった形状であり、中央部及び下側が緩やかな曲面の形状であり、これにより、発光層150から放射する光(光L1〜L3)を、主面106の法線に沿った方向に、効果的に反射または屈折させる。   That is, in the semiconductor element 11, the cavity 110 a in the first buffer layer 110 has a shape in which the upper end portion is sharp and the center portion and the lower side have a gently curved shape. The emitted light (lights L <b> 1 to L <b> 3) is effectively reflected or refracted in the direction along the normal line of the main surface 106.

この時、空洞110aの内部には、結晶方位の異なる低品位のAlN結晶が存在するが、AlNは十分バンドギャップが広いため光吸収損失は無視でき、光散乱効果を発揮する。そして、第1バッファ層110の上面は平坦化しているため、この上に設けられる第2バッファ層120であるGaN層の結晶品位は高く、着色されておらず、実質的に光を吸収しない。   At this time, low-quality AlN crystals having different crystal orientations exist inside the cavity 110a. However, since AlN has a sufficiently wide band gap, the light absorption loss can be ignored and the light scattering effect is exhibited. Since the upper surface of the first buffer layer 110 is flattened, the crystal quality of the GaN layer that is the second buffer layer 120 provided thereon is high, is not colored, and does not substantially absorb light.

上記のように、第1バッファ層110の空洞110aにおけるAlN層110xの側面の形状を逆テーパ状にし、発光層150からの斜め入射光を垂直な方向へと反射または屈折させる。この空洞110aの形状は、第1バッファ層110の結晶成長時のV族/III族比の制御によって形成される。第1バッファ層110の空洞110aは、サファイア基板105と反対側の先端が発光波長以下の曲率の形状を有しており、屈折率が等価的に徐々に変化するため、反射を防ぐ働きがあり、発光層150で発光した光を効率的に取り出すことができる。   As described above, the shape of the side surface of the AlN layer 110x in the cavity 110a of the first buffer layer 110 is inversely tapered, and the oblique incident light from the light emitting layer 150 is reflected or refracted in the vertical direction. The shape of the cavity 110 a is formed by controlling the group V / group III ratio during crystal growth of the first buffer layer 110. The cavity 110a of the first buffer layer 110 has a shape with a curvature that is less than or equal to the emission wavelength at the tip opposite to the sapphire substrate 105, and has a function of preventing reflection because the refractive index gradually changes equivalently. The light emitted from the light emitting layer 150 can be extracted efficiently.

これにより、半導体素子11においては、高い発光効率を達成できる。すなわち、半導体素子11においては、電流値が20mAの時に21mWが得られ、これは、平坦なサファイア基板上に形成した半導体素子に比較して、1.2倍の発光効率である。   Thereby, high luminous efficiency can be achieved in the semiconductor element 11. That is, in the semiconductor element 11, 21 mW is obtained when the current value is 20 mA, which is 1.2 times the luminous efficiency as compared with the semiconductor element formed on the flat sapphire substrate.

この方法を用いて作製した素子ウェーハを用いることにより、特別な後工程を用いることなく、例えば400nmよりも短波長の高性能紫外域発光素子を、高歩留まりかつ低コストで生産できる。   By using an element wafer manufactured using this method, a high-performance ultraviolet light emitting element having a wavelength shorter than 400 nm, for example, can be produced at a high yield and at a low cost without using a special post-process.

なお、後述するように、このような半導体素子11を蛍光体と組みあわせて例えば白色光を発光する半導体装置を作製することができる。この時、半導体素子11のサファイア基板105の下側(主面106とは反対の側)から、蛍光体で波長変換されて生成された光がサファイア基板105に入射する。この時、サファイア基板105の凹部105aの底面を実施的に平面にすることで、蛍光体で生成された光が凹部105aの底面で反射し、サファイア基板105よりも第1バッファ層110の側に進行して第1バッファ層110の側の種々の層によって吸収されることを抑制する。これにより、半導体素子11を蛍光体と組みあわせた半導体装置において高い発光効率を実現することができる。   As will be described later, a semiconductor device that emits white light, for example, can be manufactured by combining such a semiconductor element 11 with a phosphor. At this time, light generated by wavelength conversion with the phosphor enters the sapphire substrate 105 from the lower side of the sapphire substrate 105 of the semiconductor element 11 (the side opposite to the main surface 106). At this time, by making the bottom surface of the recess 105a of the sapphire substrate 105 practically flat, the light generated by the phosphor is reflected by the bottom surface of the recess 105a and is closer to the first buffer layer 110 than the sapphire substrate 105. Advancing and suppressing absorption by various layers on the first buffer layer 110 side. Thereby, high luminous efficiency can be realized in a semiconductor device in which the semiconductor element 11 is combined with a phosphor.

なお、第1バッファ層110の上に設けられる第2バッファ層120(GaN格子歪緩和層)は、第1バッファ層110の上における3次元島状成長により、欠陥低減と歪緩和の役割を果たす。第2バッファ層120の成長表面の平坦化には、第2バッファ層120の平均の厚さは、1μm以上とすることが望ましい。第2バッファ層120における結晶品質の再現性と、そりの低減の観点からは、第2バッファ層120の平均的な厚さは、1〜3μmが適切である。   The second buffer layer 120 (GaN lattice strain relaxation layer) provided on the first buffer layer 110 plays a role of defect reduction and strain relaxation by three-dimensional island growth on the first buffer layer 110. . In order to flatten the growth surface of the second buffer layer 120, the average thickness of the second buffer layer 120 is desirably 1 μm or more. From the viewpoint of reproducibility of crystal quality in the second buffer layer 120 and reduction of warpage, the average thickness of the second buffer layer 120 is suitably 1 to 3 μm.

上記のような第1バッファ層110及び第2バッファ層120を採用することで、従来の低温成長バッファ層と比較して、転位密度は1/10以下となる。   By employing the first buffer layer 110 and the second buffer layer 120 as described above, the dislocation density is 1/10 or less as compared with the conventional low-temperature growth buffer layer.

このため、第2バッファ層120の上に設けられる各種の半導体層の成長において、通常は異常成長のために採用困難な高い成長温度と高いV族/III族比を用いた結晶成長が可能となる。このため、素子構造部における点欠陥の発生が抑制され、高Al組成のAlGaNやバリア層に対して高濃度ドーピングが可能となる。   For this reason, in the growth of various semiconductor layers provided on the second buffer layer 120, it is possible to perform crystal growth using a high growth temperature and a high V / III ratio that are usually difficult to employ due to abnormal growth. Become. For this reason, generation of point defects in the element structure portion is suppressed, and high concentration doping can be performed on AlGaN having a high Al composition and a barrier layer.

以下、本実施形態に係る半導体素子11の製造方法に一例について説明する。
先ず、例えば、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより凹部105aが形成されたサファイア基板105を、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor deposition)装置のヒーターを兼ねたサセプタ上に載置する。
Hereinafter, an example of the method for manufacturing the semiconductor element 11 according to the present embodiment will be described.
First, for example, the sapphire substrate 105 in which the recess 105a is formed by photolithography and reactive ion etching is placed on a susceptor that also serves as a heater of a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor deposition) apparatus.

MOCVD装置のガス導入管から、高純度水素(H)を主体としたガスを、毎分3×10−2−3の流量で導入し、チャンバ内の大気を置換した後に、内部の圧力を10〜30kPaの範囲に設定する。 After introducing a gas mainly composed of high-purity hydrogen (H 2 ) from the gas introduction pipe of the MOCVD apparatus at a flow rate of 3 × 10 −2 m −3 per minute to replace the atmosphere in the chamber, the internal pressure Is set in the range of 10-30 kPa.

次いで、サファイア基板105を水素(H)ガス中で加熱し、サファイア基板105の表面を清浄化する。 そして、基板温度を1150℃〜1200℃に設定し、アンモニア(NH)ガスとトリメチルアルミニウム(Al(CH)とをチャンバ内に導入して、第1層111(高炭素濃度第1AlNバッファ層)を3nm〜20nmの厚さで成長させる。 Next, the sapphire substrate 105 is heated in hydrogen (H 2 ) gas to clean the surface of the sapphire substrate 105. Then, the substrate temperature is set to 1150 ° C. to 1200 ° C., ammonia (NH 3 ) gas and trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) are introduced into the chamber, and the first layer 111 (high carbon concentration first AlN) is introduced. The buffer layer is grown to a thickness of 3 nm to 20 nm.

ここで、第1層111の結晶方位の乱れを少なくするために、V族原料とIII族原料の反応管への供給比(V族/III族比)が適切に制御される。すなわち、第1層111の形成においては、高品質膜の成長のために、V族/III族比は0.7〜50の範囲に制御されることが望ましく、さらに、高品質膜を再現性良く得るにはV族/III族比が1.5〜15の範囲に制御されることがさらに望ましい。   Here, in order to reduce the disorder of the crystal orientation of the first layer 111, the supply ratio (group V / group III ratio) of the group V raw material and the group III raw material to the reaction tube is appropriately controlled. That is, in the formation of the first layer 111, it is desirable that the V group / III group ratio is controlled in the range of 0.7 to 50 for the growth of the high quality film. In order to obtain well, it is more desirable that the V group / III group ratio is controlled in the range of 1.5 to 15.

そして、基板温度を1270℃〜1330℃に昇温し、第2層112及び第3層となるAlNを、1μm〜5μmの厚さで成長させ、AlNの表面を平坦化する。   Then, the substrate temperature is raised to 1270 ° C. to 1330 ° C., AlN to be the second layer 112 and the third layer is grown to a thickness of 1 μm to 5 μm, and the surface of AlN is flattened.

このとき、第2層112の形成においては、V族/III族比を250〜10000程度にする。すなわち、第2層112である厚さが0.2μ〜0.5μmのAlNの成長においては、V族/III族比を250〜10000程度の高いV族/III族比とすることで、結晶品質を高める。これにより、サファイア基板105の凹部105aに上に形成されるAlN層110xの凹部110zの側面は、サファイア基板105の主面106に対して実質的に垂直、または、上方に向けて径が拡大した形状となる。   At this time, in the formation of the second layer 112, the V group / III group ratio is set to about 250 to 10,000. That is, in the growth of AlN having a thickness of 0.2 μm to 0.5 μm as the second layer 112, the V group / III ratio is set to a high V group / III ratio of about 250 to 10,000, Increase quality. Thereby, the side surface of the recess 110z of the AlN layer 110x formed on the recess 105a of the sapphire substrate 105 has a diameter that is substantially perpendicular to the main surface 106 of the sapphire substrate 105 or upward. It becomes a shape.

なお、この第2層112の形成におけるV族/III族比は、1000〜5000に設定することがさらに望ましい。これにより、AlN層110xの凹部110zの側面の形状が安定し、再現性が高まる。   It is more desirable that the V group / III group ratio in the formation of the second layer 112 is set to 1000 to 5000. Thereby, the shape of the side surface of the recess 110z of the AlN layer 110x is stabilized, and the reproducibility is improved.

そして、第3層113の形成においては、基板温度をさらに10℃〜30℃上昇させと供に、V族/III族比を、第1層111と第2層112との間である50〜250に低下させ、AlNを2〜3μmの厚さで成長させる。この条件によって、第3層113の成長においては、AlNの横方向(サファイア基板105の主面106に対して平行な方向)への成長が促進され、AlN層110xの凹部110zの上部の開口部が急速に縮小する。そして、AlN層110xの凹部110zの上部がAlN層110xによって塞がれ、AlN層110xの上面が平坦化され、第1バッファ層110の内部に断面が砲弾の形状の空洞110aが形成される。   In the formation of the third layer 113, the substrate temperature is further increased by 10 ° C. to 30 ° C., and the group V / III ratio is set to 50 to 50 between the first layer 111 and the second layer 112. The AlN is grown to a thickness of 2 to 3 μm. Under this condition, in the growth of the third layer 113, the growth of AlN in the lateral direction (the direction parallel to the main surface 106 of the sapphire substrate 105) is promoted, and the opening above the recess 110z of the AlN layer 110x. Shrinks rapidly. Then, the upper portion of the recess 110z of the AlN layer 110x is closed by the AlN layer 110x, the upper surface of the AlN layer 110x is flattened, and a cavity 110a having a cross-sectional shape of a shell is formed inside the first buffer layer 110.

そして、基板温度を1150℃〜1250℃の、従来のGaNの成長温度より高温に設定し、第2バッファ層120(ノンドープGaNバッファ層)を成長する。   Then, the substrate temperature is set to 1150 ° C. to 1250 ° C. higher than the conventional growth temperature of GaN, and the second buffer layer 120 (non-doped GaN buffer layer) is grown.

その後、基板温度を1100℃〜1200℃に低下させ、モノシランガスを添加して、Siドープn型GaNコンタクト層141を成長させる。   Thereafter, the substrate temperature is lowered to 1100 ° C. to 1200 ° C., monosilane gas is added, and the Si-doped n-type GaN contact layer 141 is grown.

第1バッファ層110の上に成長させる第2バッファ層120及びSiドープn型GaNコンタクト層141の成長においては、V族/III族比を10000以上と高い比率にすることが望ましい。   In the growth of the second buffer layer 120 and the Si-doped n-type GaN contact layer 141 grown on the first buffer layer 110, it is desirable that the V group / III ratio be a high ratio of 10,000 or more.

そして、基板温度を1000℃〜1050℃に設定した後、半導体素子11の素子構造部を成長する。   And after setting board | substrate temperature to 1000 to 1050 degreeC, the element structure part of the semiconductor element 11 is grown.

III族原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム(Al(CH)、トリメチルガリウム(Ga(CH)及びトリメチルインジウム(In(CH)を用いることができる。 As the group III material, for example, trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ), trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ), and trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ) can be used.

V族原料としては、例えば、アンモニア(NH)ガスを用いることができる。 As the group V raw material, for example, ammonia (NH 3 ) gas can be used.

n型ドーピング用原料としては、例えばモノシラン(SiH)ガスを用いることができる。 As a raw material for n-type doping, for example, monosilane (SiH 4 ) gas can be used.

p型ドーピング用原料としては、ビスシクロペンタディエニールマグネシウム(CpMg)及びビスメチルシクロペンタディエニールマグネシウム(MCpMg)を用いることができる。 Biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) and bismethylcyclopentadienyl magnesium (M 2 Cp 2 Mg) can be used as the p-type doping raw material.

次に、n側電極140eを形成するために、p型半導体層160、発光層150及びn型半導体層140の一部をドライエッチングにより取り除き、n型半導体層140のSiドープn型GaNコンタクト層141の一部を露出させる。   Next, in order to form the n-side electrode 140e, the p-type semiconductor layer 160, the light emitting layer 150, and a part of the n-type semiconductor layer 140 are removed by dry etching, and the Si-doped n-type GaN contact layer of the n-type semiconductor layer 140 is removed. A part of 141 is exposed.

露出部の一部にn側電極140eの一部となる例えばAl合金を蒸着し、650℃の窒素雰囲気でシンター処理を行い、n側オーミック電極部140oを形成する。残りの部分には、反射率を高めるための誘電体多層膜180であるSiO/TiO積層膜を介して、金からなるパッド領域140pを形成する。n側オーミック電極部140o及びパッド領域140pが、n側電極140eとなる。この構造により、フリップチップ構造で特に問題となる電極部での光吸収損失を低減できる。なお、n側電極140eとして、Ag/Pdの積層膜を用いても良く、これにより、構造が簡略化できる。 For example, an Al alloy that becomes a part of the n-side electrode 140e is deposited on a part of the exposed part, and a sintering process is performed in a nitrogen atmosphere at 650 ° C. to form the n-side ohmic electrode part 140o. In the remaining portion, a pad region 140p made of gold is formed through a SiO 2 / TiO 2 laminated film, which is a dielectric multilayer film 180 for increasing the reflectance. The n-side ohmic electrode portion 140o and the pad region 140p become the n-side electrode 140e. With this structure, it is possible to reduce the light absorption loss at the electrode portion, which is a particular problem in the flip chip structure. Note that a laminated film of Ag / Pd may be used as the n-side electrode 140e, whereby the structure can be simplified.

次いでp側電極160eを形成するために、n型半導体層140及びp型半導体層160の表面全体に、例えば熱CVD装置を用いて、SiO膜を400nmの厚さで形成する。そして、レジストリフトオフ用のパターニングされたレジストを、n型半導体層140及びp型半導体層160の上に形成し、Mgドープp型GaNコンタクト層162の上のSiO膜をフッ化アンモン処理で取り除く。そして、SiO膜が取り除かれた領域に、例えば真空蒸着装置を用いて、反射性のAgを200nmの厚さで形成し、350℃の酸素雰囲気で1分間シンター処理を行う。 Next, in order to form the p-side electrode 160e, a SiO 2 film having a thickness of 400 nm is formed on the entire surface of the n-type semiconductor layer 140 and the p-type semiconductor layer 160 using, for example, a thermal CVD apparatus. Then, a patterned resist for the registry shift-off is formed on the n-type semiconductor layer 140 and the p-type semiconductor layer 160, and the SiO 2 film on the Mg-doped p-type GaN contact layer 162 is removed by an ammonium fluoride treatment. . Then, in a region where the SiO 2 film has been removed, reflective Ag is formed to a thickness of 200 nm using, for example, a vacuum deposition apparatus, and a sintering process is performed in an oxygen atmosphere at 350 ° C. for 1 minute.

このようにして、銀を主体とするp側電極160eが形成できる。そして、p側電極160eの周囲に、保護膜を兼ねた絶縁膜(SiO膜)が形成される。そして、p側電極160eの上を、金を主体としたパッド層にて表面を覆う。その後、劈開またはダイヤモンドブレード等により切断し個別のLED素子を形成する。 In this way, the p-side electrode 160e mainly composed of silver can be formed. Then, an insulating film (SiO 2 film) that also serves as a protective film is formed around the p-side electrode 160e. Then, the surface of the p-side electrode 160e is covered with a pad layer mainly composed of gold. Thereafter, the individual LED elements are formed by cleaving or cutting with a diamond blade or the like.

これにより、図1に例示した半導体素子11が製造できる。
この製造方法によれば、例えば、サファイア基板105の上に形成したバッファ層(例えばAlN層及びGaN層)の上に、素子部(n型半導体層140、発光層150及びp型半導体層160)を形成した後に、サファイア基板とバッファ層とを削除して、素子部の下面に凹凸を形成して光取り出し効率を高める従来の特殊な後工程を用いることを必要とせず、高効率の紫外発光ダイオードを高歩留まりで安価に生産できる。
Thereby, the semiconductor element 11 illustrated in FIG. 1 can be manufactured.
According to this manufacturing method, for example, on the buffer layer (for example, the AlN layer and the GaN layer) formed on the sapphire substrate 105, the element portion (the n-type semiconductor layer 140, the light emitting layer 150, and the p-type semiconductor layer 160). After forming the sapphire substrate, the sapphire substrate and the buffer layer are deleted, and it is not necessary to use the conventional special post-process that increases the light extraction efficiency by forming irregularities on the lower surface of the element part, and highly efficient ultraviolet light emission Diodes can be produced at high yield and low cost.

なお、本実施形態に係る半導体素子11においては、空洞110aを有し上面が平坦化された第1バッファ層110の上に、低欠陥結晶の第2バッファ層120を形成できることの利点を生かして、紫外域での高効率発光を得るために、発光層150自体の高効率化と、発光層150からの電子のあふれを防ぐための高Al組成で膜厚が厚いMgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161の採用と、を可能にする各種の工夫がなされている。 Note that, in the semiconductor element 11 according to the present embodiment, taking advantage of the fact that the second buffer layer 120 of low defect crystal can be formed on the first buffer layer 110 having the cavity 110a and the upper surface being planarized. In order to obtain high-efficiency light emission in the ultraviolet region, the Mg-doped p-type Al having a high Al composition and a large film thickness for preventing the overflow of electrons from the light-emitting layer 150 and increasing the efficiency of the light-emitting layer 150 itself . Various contrivances have been made to enable the adoption of the 26 Ga 074 N clad layer 161.

すなわち、発光層150のバリア層(Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層152及びSiドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層153)に、高濃度のSiをドープし、井戸層(GanInN井戸層151)における電子濃度を高めることにより、発光再結合寿命が短くなり、発光層150自体の効率が向上する。 That is, the barrier layers of the light emitting layer 150 (Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 152 and Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 153 ) Is doped with a high concentration of Si to increase the electron concentration in the well layer (GanInN well layer 151), thereby shortening the luminescence recombination lifetime and improving the efficiency of the luminescent layer 150 itself.

なお、バリア層におけるSi濃度が1.2×1019cm−3よりも低いと、発光再結合寿命を短くする効果が不十分であり、バリア層中におけるSi濃度が2.1×1019cm−3よりも高いと結晶品質が低下する。 When the Si concentration in the barrier layer is lower than 1.2 × 10 19 cm −3 , the effect of shortening the light emission recombination lifetime is insufficient, and the Si concentration in the barrier layer is 2.1 × 10 19 cm. If it is higher than -3 , the crystal quality is lowered.

また、低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155は、n型半導体層140のSi濃度が高いことに起因してビルトインポテンシャルによる電界がMgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161に集中し、Mg原子が発光層150へドリフトすることよるMg原子の異常拡散を防止する働きがある。 Further, the low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155 has a Mg-doped p-type Al 0. It concentrates on the 26 Ga 074 N clad layer 161 and functions to prevent abnormal diffusion of Mg atoms due to Mg atoms drifting to the light emitting layer 150.

これにより、信頼性と効率を低下させることなく、高Al組成であるMgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161の低抵抗化が可能となる。 As a result, the resistance of the Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N cladding layer 161 having a high Al composition can be reduced without reducing reliability and efficiency.

また、低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155によって、低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層155とMgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161との界面付近の電子濃度が低下するため、Mgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161への電子オーバーフローを抑制できる。 Further, the low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155 causes the low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 155 and the Mg-doped p-type Al 0. Since the electron concentration in the vicinity of the interface with the 26 Ga 074 N cladding layer 161 is lowered, the electron overflow to the Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N cladding layer 161 can be suppressed.

なお、上記の界面付近のホール濃度が上昇するため、界面での非発光再結合も増大するが、転位密度が低いこととバリア層にAlGaNInN四元混晶(In組成が0.3%〜2.0%)を用いていることから、この損失は低くできる。   Since the hole concentration in the vicinity of the interface increases, non-radiative recombination at the interface also increases, but the dislocation density is low and the barrier layer has an AlGaNInN quaternary mixed crystal (In composition of 0.3% to 2%). 0.0%), this loss can be reduced.

Mgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161におけるMg濃度は、発光層150の側が高く、Mgドープp型GaNコンタクト層162の側が低くなっている。これにより、正孔の注入を阻害するMgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層161中のピエゾ電界を打ち消し、動作電圧の低減とともにキャリア閉じ込め効果を改善する。 The Mg concentration in the Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N cladding layer 161 is high on the light emitting layer 150 side and low on the Mg-doped p-type GaN contact layer 162 side. This cancels the piezoelectric field in the Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N cladding layer 161 that inhibits hole injection, reduces the operating voltage, and improves the carrier confinement effect.

なお、Mgドープp型GaNコンタクト層162の上側(サファイア基板105とは反対の側)におけるMg濃度が1×1020cm−3よりも高い場合は、発光層150へのMgの拡散が生じ、効率と信頼性が劣化し易くなる。また、Mgドープp型GaNコンタクト層162におけるMg濃度が5×1018cm−3よりも低い場合は、動作電圧が上昇する。 When the Mg concentration on the upper side of the Mg-doped p-type GaN contact layer 162 (the side opposite to the sapphire substrate 105) is higher than 1 × 10 20 cm −3 , Mg diffuses into the light emitting layer 150, Efficiency and reliability are likely to deteriorate. When the Mg concentration in the Mg-doped p-type GaN contact layer 162 is lower than 5 × 10 18 cm −3 , the operating voltage increases.

図7は、本発明の第1の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図7に表したように、本実施形態に係る半導体素子12においては、n型半導体層140が、Siドープn型AlGaNコンタクト層141aとSiドープn型Al0.13Ga0.87Nクラッド層142とを有し、発光層150が、Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層152とAlGaInN井戸層151aとの積層構造を有している。これ以外は、図1に例示した半導体素子11と同様なので説明を省略する。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of another semiconductor element according to the first embodiment of the invention.
As shown in FIG. 7, in the semiconductor element 12 according to the present embodiment, the n-type semiconductor layer 140 includes the Si-doped n-type AlGaN contact layer 141 a and the Si-doped n-type Al 0.13 Ga 0.87 N clad layer. 142, and the light emitting layer 150 has a stacked structure of a Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 152 and an AlGaInN well layer 151a. The rest is the same as the semiconductor element 11 illustrated in FIG.

すなわち、図1に例示した半導体素子11におけるGaNの禁制体幅よりも短波長の発光素子である半導体素子12において、上記のバッファ構造が適用されている。そして、発光層150の量子井戸の井戸層にAlが添加されていることと、下地層としてGaNの代わりに発光波長エネルギーよりも広いバンドギャップのAlGaNを用いている。   That is, the above buffer structure is applied to the semiconductor element 12 which is a light emitting element having a wavelength shorter than the forbidden width of GaN in the semiconductor element 11 illustrated in FIG. Then, Al is added to the well layer of the quantum well of the light emitting layer 150, and AlGaN having a band gap wider than the emission wavelength energy is used instead of GaN as the underlayer.

発光波長が280nmよりも短波長域では、発光層150には高Al組成のAlGaNが用いられる。このような素子においては、水平方向(主面106に対して平行な方向)への光の放射が増大するため、上記の空洞110aを有する第1バッファ層110を用いることが、高効率化に特に有効になる。   When the emission wavelength is shorter than 280 nm, AlGaN having a high Al composition is used for the light emitting layer 150. In such an element, since light emission in the horizontal direction (direction parallel to the main surface 106) increases, the use of the first buffer layer 110 having the cavities 110a increases the efficiency. Especially effective.

図8は、本発明の第1の実施形態に係る別の半導体素子の構成を例示する模式的断面図である。
図8に表したように、本実施形態に係る別の半導体素子30は、HEMT半導体素子である。すなわち、半導体素子30も、c面からなる主面106を有し、主面106に凹部110aが設けられたサファイア基板105と、サファイア基板105の主面106の上に設けられ、空洞110aを有する第1バッファ層110と、第1バッファ層110の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層390と、を備える。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of another semiconductor element according to the first embodiment of the invention.
As shown in FIG. 8, another semiconductor element 30 according to this embodiment is a HEMT semiconductor element. That is, the semiconductor element 30 also has a main surface 106 made of a c-plane, a sapphire substrate 105 provided with a recess 110a on the main surface 106, and provided on the main surface 106 of the sapphire substrate 105, and has a cavity 110a. A first buffer layer 110; and a semiconductor layer 390 provided on the first buffer layer 110 and made of a nitride semiconductor.

半導体層390は、第1バッファ層110の上に設けられ、GaNまたはAlGaNからなる第2バッファ層120と、第2バッファ層120の上に設けられたGaN層303と、GaN層303の上に設けられたAlGaN層304と、を有する。   The semiconductor layer 390 is provided on the first buffer layer 110, and is formed on the second buffer layer 120 made of GaN or AlGaN, the GaN layer 303 provided on the second buffer layer 120, and the GaN layer 303. And an AlGaN layer 304 provided.

そして、AlGaN層304の上にはソース電極305及びドレイン電極306が設けられ、ソース電極305とドレイン電極306との間にはゲート電極307が設けられている。なお、本具体例では、ゲート電極307は、絶縁膜308を介してAlGaN層304の上に設けられているが、絶縁膜308は省略することができる。   A source electrode 305 and a drain electrode 306 are provided on the AlGaN layer 304, and a gate electrode 307 is provided between the source electrode 305 and the drain electrode 306. In this specific example, the gate electrode 307 is provided on the AlGaN layer 304 with the insulating film 308 interposed therebetween, but the insulating film 308 can be omitted.

このように半導体素子30は、AlGaN/GaNヘテロ界面を有するHEMTである。半導体素子30においては、サファイア基板105の上に空洞110aを有する第1バッファ層110を設けることで、サファイア基板105の反りを抑制し、割れを防止することができる。   Thus, the semiconductor element 30 is a HEMT having an AlGaN / GaN hetero interface. In the semiconductor element 30, by providing the first buffer layer 110 having the cavity 110 a on the sapphire substrate 105, warpage of the sapphire substrate 105 can be suppressed and cracking can be prevented.

そして、第1バッファ層110は空洞110aを有しつつ、その上面が実質的に平坦とされているので、その上に形成される半導体層190の結晶品質を高めることができる。   Since the first buffer layer 110 has the cavity 110a and the upper surface thereof is substantially flat, the crystal quality of the semiconductor layer 190 formed thereon can be improved.

このように、本実施形態は、半導体発光素子の他、HEMTを含む、窒化物半導体を用いた種々の半導体素子に適用できる。   Thus, this embodiment can be applied to various semiconductor elements using nitride semiconductors including HEMTs, in addition to semiconductor light emitting elements.

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、InAlGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,x+y≦1)なる化学式において組成比x、y及びzをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、N(窒素)以外のV族元素もさらに含むものや、導電型などを制御するために添加される各種のドーパントのいずれかをさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。 In this specification, “nitride semiconductor” refers to a composition ratio x, y in a chemical formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1). And semiconductors of all compositions in which z is changed within the respective ranges. Furthermore, in the above chemical formula, those further including a group V element other than N (nitrogen) and those further including any of various dopants added for controlling the conductivity type are also referred to as “nitride semiconductors”. Shall be included.

(第2の実施の形態)
図9は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構成を例示する模式的断面図である。
図9に表したように、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置201は、第1の実施形態に係る半導体素子11と蛍光体とを組み合わせた白色LEDである。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the invention.
As shown in FIG. 9, the semiconductor device 201 according to the second embodiment of the present invention is a white LED in which the semiconductor element 11 according to the first embodiment and a phosphor are combined.

すなわち、本実施形態に係る半導体装置201は、本発明の実施形態に係る半導体素子11と、半導体素子11から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換部(蛍光体)と、を備える。
なお、半導体装置201においては、本発明の実施形態のいずれかに係る半導体素子及びその変形の半導体素子を用いることができるが、以下では、上記の半導体素子11を用いる場合として説明する。
That is, the semiconductor device 201 according to this embodiment includes the semiconductor element 11 according to the embodiment of the present invention and a wavelength conversion unit that absorbs light emitted from the semiconductor element 11 and emits light having a wavelength different from that of the light. (Phosphor).
In the semiconductor device 201, the semiconductor element according to any of the embodiments of the present invention and a modified semiconductor element thereof can be used. However, the following description will be made assuming that the semiconductor element 11 is used.

半導体装置201においては、セラミック等からなる容器22の内面に反射膜23が設けられており、反射膜23は容器22の内側面と底面に分離して設けられている。反射膜23は、例えばアルミニウム等からなるものである。このうち容器22の底部に設けられた反射膜23の上に、半導体素子11がサブマウント24を介して設置されている。   In the semiconductor device 201, the reflective film 23 is provided on the inner surface of the container 22 made of ceramic or the like, and the reflective film 23 is provided separately on the inner side surface and the bottom surface of the container 22. The reflective film 23 is made of, for example, aluminum. Among these, the semiconductor element 11 is installed via the submount 24 on the reflective film 23 provided on the bottom of the container 22.

半導体素子11にはボールボンダによって金バンプ25が形成され、サブマウント24に固定されている。金バンプ25を用いずに、直接サブマウント24へ固定しても良い。   Gold bumps 25 are formed on the semiconductor element 11 by a ball bonder and fixed to the submount 24. You may fix to the submount 24 directly, without using the gold bump 25. FIG.

これら半導体素子11、サブマウント24、反射膜23の固定には、接着剤による接着や半田等を用いることが可能である。   For fixing the semiconductor element 11, the submount 24, and the reflective film 23, it is possible to use adhesion with an adhesive, solder, or the like.

サブマウント24の半導体素子11の側の表面には、半導体素子11のp側電極160eとn側電極140eが絶縁されるようにパターニングされた電極が形成されており、それぞれ容器22側に設けられた図示しない電極に対してボンディングワイヤ26により接続されている。この接続は、内側面の反射膜23と底面の反射膜23との間の部分において行われている。   On the surface of the submount 24 on the semiconductor element 11 side, electrodes patterned so as to insulate the p-side electrode 160e and the n-side electrode 140e of the semiconductor element 11 are formed, and are respectively provided on the container 22 side. It is connected to an electrode (not shown) by a bonding wire 26. This connection is made at a portion between the reflective film 23 on the inner surface and the reflective film 23 on the bottom surface.

また、半導体素子11やボンディングワイヤ26を覆うように赤色蛍光体を含む第1蛍光体層211が設けられており、この第1蛍光体層211の上には青色、緑色または黄色の蛍光体を含む第2蛍光体層212が形成されている。この蛍光体層上にはシリコン樹脂からなる蓋部27が設けられている。   A first phosphor layer 211 containing a red phosphor is provided so as to cover the semiconductor element 11 and the bonding wire 26, and a blue, green or yellow phosphor is placed on the first phosphor layer 211. The 2nd fluorescent substance layer 212 containing is formed. A lid portion 27 made of silicon resin is provided on the phosphor layer.

第1蛍光体層211は、樹脂及びこの樹脂中に分散された赤色蛍光体を含む。
赤色蛍光体としては、例えばY23、YVO4、Y2(P,V)O4等を母材として用いることができ、これに3価のEu(Eu3+)を付活物質として含ませる。すなわち、Y23:Eu3+、YVO4:Eu3+等を赤色蛍光体として用いることができる。Eu3+の濃度はモル濃度で1%〜10%とすることができる。赤色蛍光体の母材としてはY23、YVO4の他にLaOSやY2(P, V)O4等を用いることができる。また、Eu3+の他にMn4+等を利用することも可能である。特に、YVO4母体に3価のEuと共に少量のBiを添加することにより380nmの吸収が増大するので、さらに発光効率を高くすることができる。また、樹脂としては、シリコン樹脂等を用いることができる。
The first phosphor layer 211 includes a resin and a red phosphor dispersed in the resin.
As the red phosphor, for example, Y 2 O 3 , YVO 4 , Y 2 (P, V) O 4 can be used as a base material, and trivalent Eu (Eu 3+ ) is used as an activator. Include. That is, Y 2 O 3 : Eu 3+ , YVO 4 : Eu 3+, etc. can be used as the red phosphor. The concentration of Eu 3+ can be 1% to 10% in terms of molar concentration. As a base material of the red phosphor, LaOS, Y 2 (P, V) O 4 or the like can be used in addition to Y 2 O 3 and YVO 4 . In addition to Eu 3+ , Mn 4+ or the like can be used. In particular, by adding a small amount of Bi together with trivalent Eu to the YVO 4 matrix, absorption at 380 nm is increased, so that the luminous efficiency can be further increased. Further, as the resin, silicon resin or the like can be used.

また、第2蛍光体層212は、樹脂、並びに、この樹脂中に分散された青色、緑色及び黄色の少なくともいずれかの蛍光体を含む。例えば、青色蛍光体と緑色蛍光体とを組み合わせて用いても良く、また、青色蛍光体と黄色蛍光体とを組み合わせ蛍光体を用いても良く、青色蛍光体、緑色蛍光体及び黄色蛍光体を組み合わせた蛍光体を用いても良い。   The second phosphor layer 212 includes a resin and at least one of blue, green, and yellow phosphors dispersed in the resin. For example, a blue phosphor and a green phosphor may be used in combination, or a blue phosphor and a yellow phosphor may be used in combination, and a blue phosphor, a green phosphor and a yellow phosphor may be used. A combined phosphor may be used.

青色蛍光体としては、例えば(Sr, Ca)10(PO46Cl2:Eu2+やBaMg2Al1627:Eu2+等を用いることができる。
緑色蛍光体としては、例えば3価のTbを発光中心とするY2SiO5:Ce3+, Tb3+を用いることができる。この場合、CeイオンからTbイオンへエネルギーが伝達されることにより励起効率が向上する。また、緑色蛍光体として、例えば、Sr4Al1425:Eu2+等を用いることができる。
黄色蛍光体としては、例えばY3Al5:Ce3+等を用いることができる。
また、樹脂として、シリコン樹脂等を用いることができる。
特に、3価のTbは視感度が最大となる550nm付近に鋭い発光を示すので、3価のEuの鋭い赤色発光と組み合わせると発光効率が著しく向上する。
As the blue phosphor, for example, (Sr, Ca) 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu 2+ , BaMg 2 Al 16 O 27 : Eu 2+, or the like can be used.
As the green phosphor, for example, Y 2 SiO 5 : Ce 3+ , Tb 3+ having trivalent Tb as the emission center can be used. In this case, energy is transferred from Ce ions to Tb ions, so that the excitation efficiency is improved. As the green phosphor, for example, Sr 4 Al 14 O 25 : Eu 2+ can be used.
For example, Y 3 Al 5 : Ce 3+ can be used as the yellow phosphor.
Moreover, silicon resin etc. can be used as resin.
In particular, trivalent Tb exhibits sharp light emission at around 550 nm where the visibility is maximum, so that when combined with the trivalent Eu sharp red light emission, the light emission efficiency is significantly improved.

本実施形態に係る半導体装置201によれば、半導体素子11から発生した例えば380nmの紫外光は、半導体素子11のサファイア基板105の側に放出され、反射膜23における反射をも利用することにより、各蛍光体層に含まれる上記蛍光体を効率良く励起することができる。   According to the semiconductor device 201 according to the present embodiment, ultraviolet light having a wavelength of, for example, 380 nm generated from the semiconductor element 11 is emitted to the sapphire substrate 105 side of the semiconductor element 11, and the reflection on the reflective film 23 is also used. The phosphors included in each phosphor layer can be excited efficiently.

例えば、第1蛍光体層211に含まれる3価のEu等を発光中心とする上記蛍光体は、620nm付近の波長分布の狭い光に変換され、赤色可視光を効率良く得ることが可能である。
また、第2蛍光体層212に含まれる青色、緑色、黄色の蛍光体が効率良く励起され、青色、緑色、黄色の可視光を効率良く得ることができる。
これらの混色として白色光やその他様々な色の光を高効率でかつ演色性良く得ることが可能である。
For example, the phosphor having the emission center of trivalent Eu contained in the first phosphor layer 211 is converted into light having a narrow wavelength distribution around 620 nm, and red visible light can be obtained efficiently. .
In addition, the blue, green, and yellow phosphors included in the second phosphor layer 212 are efficiently excited, and blue, green, and yellow visible light can be efficiently obtained.
As these mixed colors, it is possible to obtain white light and various other colors with high efficiency and good color rendering.

このような半導体装置201においては、凹凸を有するサファイア基板上に高温成長の単結晶性AlNバッファ層を形成し、界面反射の影響を低減して高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体装置が提供できる。   In such a semiconductor device 201, a semiconductor capable of realizing a high light extraction efficiency and a high internal light emission efficiency by forming a high-temperature grown single crystal AlN buffer layer on an uneven sapphire substrate and reducing the influence of interface reflection. A device can be provided.

そして、半導体装置201においては、半導体素子11のサファイア基板105の主面106とは反対の側から、蛍光体で波長変換されて生成された光がサファイア基板105に入射する。この時、サファイア基板105の凹部105aの底面を実施的に平面にすることで、蛍光体で生成された光が凹部105aの底面で反射し、サファイア基板105よりも第1バッファ層110の側に進行して第1バッファ層110の側の種々の層によって吸収されることを抑制する。これにより、半導体装置201においては、さらに高い発光効率を実現することができる。   In the semiconductor device 201, light generated by wavelength conversion by the phosphor enters the sapphire substrate 105 from the side opposite to the main surface 106 of the sapphire substrate 105 of the semiconductor element 11. At this time, by making the bottom surface of the recess 105a of the sapphire substrate 105 practically flat, the light generated by the phosphor is reflected by the bottom surface of the recess 105a and is closer to the first buffer layer 110 than the sapphire substrate 105. Advancing and suppressing absorption by various layers on the first buffer layer 110 side. Thereby, in the semiconductor device 201, higher luminous efficiency can be realized.

このように、蛍光体の発光を利用する半導体装置では、蛍光体の発光が素子部にて再吸収されないことが重要である。本具体例の半導体装置201では、空洞110aのサファイア基板105側の平坦部が発光を反射するために高効率白色発光を得易い。   As described above, in the semiconductor device using the light emission of the phosphor, it is important that the light emission of the phosphor is not reabsorbed by the element portion. In the semiconductor device 201 of this specific example, since the flat portion of the cavity 110a on the sapphire substrate 105 side reflects light emission, it is easy to obtain high-efficiency white light emission.

(第3の実施の形態)
図10は、本発明の第3の実施形態に係る半導体ウェーハの構成を例示する模式的断面図である。
本発明の第3の実施形態に係る半導体ウェーハ21は、c面からなる主面106を有し、主面106に凹部110aが設けられたサファイア基板105と、サファイア基板105の主面106の上に設けられ、結晶性のAlNからなる第1バッファ層110と、を備える。凹部110aは、主面106において二次元的に配置されている。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a semiconductor wafer according to the third embodiment of the invention.
The semiconductor wafer 21 according to the third embodiment of the present invention includes a sapphire substrate 105 having a main surface 106 formed of a c-plane and having a recess 110 a provided on the main surface 106, and the main surface 106 of the sapphire substrate 105. And a first buffer layer 110 made of crystalline AlN. The recess 110 a is two-dimensionally arranged on the main surface 106.

そして、第1バッファ層110は、サファイア基板105の凹部105aの上に設けられた空洞110aを有する。空洞110aは、第1バッファ層110のサファイア基板105とは反対の側の面で覆われている。第1バッファ層110は、第1領域110eと、第1領域110eとサファイア基板105との間に設けられ第1領域110eよりも炭素濃度が高い第2領域110fと、を有する。   The first buffer layer 110 has a cavity 110 a provided on the recess 105 a of the sapphire substrate 105. The cavity 110a is covered with the surface of the first buffer layer 110 on the side opposite to the sapphire substrate 105. The first buffer layer 110 includes a first region 110e and a second region 110f provided between the first region 110e and the sapphire substrate 105 and having a higher carbon concentration than the first region 110e.

サファイア基板105、凹部105a、第1バッファ層110、空洞110a、第1領域110e及び第2領域110fには、第1の実施形態に関して説明した材料及び構成を適用することができる。   The materials and configurations described in regard to the first embodiment can be applied to the sapphire substrate 105, the recess 105a, the first buffer layer 110, the cavity 110a, the first region 110e, and the second region 110f.

このような半導体ウェーハ21においては、第1バッファ層110中の空洞110aは、半導体ウェーハの反り及び半導体ウェーハの割れを抑制することに大きな効果がある。特に、空洞110aは二次元的に分布しているために、不均一な歪の残留が生じにくい。また、AlN結晶層中の転位等の結晶欠陥もウェーハ面内での向きによらず均一に低減できる。   In such a semiconductor wafer 21, the cavity 110 a in the first buffer layer 110 has a great effect in suppressing the warpage of the semiconductor wafer and the cracking of the semiconductor wafer. In particular, since the cavities 110a are two-dimensionally distributed, non-uniform distortion remains less likely to occur. Also, crystal defects such as dislocations in the AlN crystal layer can be reduced uniformly regardless of the orientation in the wafer plane.

このような効果は、半導体ウェーハ21の上に、LED等の発光素子やHEMT等のスイッチング素子などの任意の半導体素子を作製する際に大きな効果を発揮し、高い歩留まりの半導体素子の製造を可能とする半導体ウェーハを提供できる。   Such an effect exerts a great effect on manufacturing any semiconductor element such as a light emitting element such as an LED or a switching element such as HEMT on the semiconductor wafer 21, and it is possible to manufacture a high yield semiconductor element. A semiconductor wafer can be provided.

そして、第1バッファ層110の上に、第2バッファ層120、n型半導体層140、発光層150及びp型半導体層160を形成することで、第1バッファ層110の空洞110aによって高効率で光を反射させ、または屈折させ、高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が製造できる。   Then, by forming the second buffer layer 120, the n-type semiconductor layer 140, the light emitting layer 150, and the p-type semiconductor layer 160 on the first buffer layer 110, the cavity 110a of the first buffer layer 110 is highly efficient. A semiconductor device that can reflect or refract light and realize high light extraction efficiency and high internal light emission efficiency can be manufactured.

なお、本実施形態に係る半導体ウェーハ21は、第1バッファ層110の上に設けられ、GaNまたはAlGaNからなる第2バッファ層120をさらに備えることができる。AlNからなる第1バッファ層110の表面は比較的酸化され易いため、第1バッファ層110の上に比較的酸化されにくいGaNまたはAlGaNからなる第2バッファ層120を形成することで、半導体ウェーハ21の保管や輸送における管理がし易くなり、使い易い半導体ウェーハが提供できる。   The semiconductor wafer 21 according to the present embodiment can further include a second buffer layer 120 provided on the first buffer layer 110 and made of GaN or AlGaN. Since the surface of the first buffer layer 110 made of AlN is relatively easy to oxidize, by forming the second buffer layer 120 made of GaN or AlGaN that is relatively hard to oxidize on the first buffer layer 110, the semiconductor wafer 21. It is easy to manage the storage and transportation of the semiconductor wafer, and an easy-to-use semiconductor wafer can be provided.

(第4の実施の形態)
図11は、本発明の第4の実施形態に係る半導体結晶の成長方法を例示するフローチャート図である。
図11に表したように、本実施形態に係る半導体結晶の成長方法においては、c面からなる主面106を有し、主面106に凹部110aが設けられたサファイア基板105の上に、第1の温度と、1.5から15の第1のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第1層111をエピタキシャル成長する(ステップS110)。凹部110aは、主面106において二次元的に配置されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a flowchart illustrating the semiconductor crystal growth method according to the fourth embodiment of the invention.
As shown in FIG. 11, in the method for growing a semiconductor crystal according to the present embodiment, on the sapphire substrate 105 having the main surface 106 made of the c-plane and having the recess 110 a on the main surface 106. The first layer 111 made of AlN is epitaxially grown by metal organic vapor phase epitaxy using a temperature of 1 and a first group V / group III ratio of 1.5 to 15 (step S110). The recess 110 a is two-dimensionally arranged on the main surface 106.

そして、第1層111の上に、第1の温度よりも高い第2の温度と、第1のV族/III族比よりも高い第2のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第2層112をエピタキシャル成長する(ステップS120)。   An organometallic gas is formed on the first layer 111 by a second temperature higher than the first temperature and a second group V / group III ratio higher than the first group V / group III ratio. The second layer 112 made of AlN is epitaxially grown by the phase growth method (step S120).

そして、第2層112の上に、第2の温度よりも高い第3の温度と、第1のV族/III族比と第2のV族/III族比との間の第3のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第3層をエピタキシャル成長する(ステップS130)。   Then, on the second layer 112, a third temperature higher than the second temperature and a third V between the first group V / group III ratio and the second group V / group III ratio. A third layer made of AlN is epitaxially grown by metalorganic vapor phase epitaxy based on the group / group III ratio (step S130).

そして、凹部105aの上に空洞110aを形成し、空洞110aを第1層111、第2層112及び第3層113の少なくともいずれかで覆う。   Then, a cavity 110a is formed on the recess 105a, and the cavity 110a is covered with at least one of the first layer 111, the second layer 112, and the third layer 113.

上記のサファイア基板105、第1バッファ層110、第1層111、第2層112及び第3層113には、第1の実施形態に関して説明した材料及び構成が適用でき、上記の各層の形成には、第1の実施形態に関して説明した条件が適用できる。そして、空洞110aには、第1の実施形態に関して説明した構成が適用できる。   The materials and configurations described with respect to the first embodiment can be applied to the sapphire substrate 105, the first buffer layer 110, the first layer 111, the second layer 112, and the third layer 113. The conditions described in regard to the first embodiment can be applied. And the structure demonstrated regarding 1st Embodiment is applicable to the cavity 110a.

本実施形態に係る半導体結晶の成長方法によれば、第1バッファ層110に空洞110aを形成しつつ、第1バッファ層110の上面を平坦化できる。この空洞110aは、半導体ウェーハの反り及び半導体ウェーハの割れを抑制することに大きな効果があり、LED等の発光素子やHEMT等のスイッチング素子などの各種の半導体素子を作製する際の歩留まりを向上させることができる。そして、第1バッファ層110の上に、第2バッファ層120、n型半導体層140、発光層150及びp型半導体層160を形成することで、第1バッファ層110の空洞110aによって高効率で光を反射させ、または屈折させ、高光取り出し効率と高内部発光効率とを実現できる半導体素子が製造できる。   According to the semiconductor crystal growth method of the present embodiment, the upper surface of the first buffer layer 110 can be planarized while forming the cavity 110a in the first buffer layer 110. This cavity 110a has a great effect in suppressing warpage of the semiconductor wafer and cracking of the semiconductor wafer, and improves the yield when manufacturing various semiconductor elements such as light emitting elements such as LEDs and switching elements such as HEMT. be able to. Then, by forming the second buffer layer 120, the n-type semiconductor layer 140, the light emitting layer 150, and the p-type semiconductor layer 160 on the first buffer layer 110, the cavity 110a of the first buffer layer 110 is highly efficient. A semiconductor device that can reflect or refract light and realize high light extraction efficiency and high internal light emission efficiency can be manufactured.

上記の本発明の実施形態に係る半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ及び半導体結晶の成長方法では、発光ピーク波長が370〜400nmの近紫外域の発光素子に適用する場合について主に述べたが、AlNを透過する200nmよりも長波長であれば、370〜400nmよりも短波長の場合にも、本発明の実施形態の構成を適用できる。   In the semiconductor element, the semiconductor device, the semiconductor wafer and the semiconductor crystal growth method according to the embodiment of the present invention described above, the case where the light emission peak wavelength is applied to a light emitting element in the near ultraviolet region having a wavelength of 370 to 400 nm is mainly described. If the wavelength is longer than 200 nm that transmits AlN, the configuration of the embodiment of the present invention can be applied even when the wavelength is shorter than 370 to 400 nm.

また、n型ドーパントとしてSiの他に、Sn及びGeを用いることができる。特に、Snをドーピングすれば、高濃度、厚膜のn型コンタクト層を形成することが可能であり、直列抵抗の低減により、低動作電圧の素子が作製できる。また、電極材料としてGeを1%程度含む銀合金を用いても良い。   In addition to Si, Sn and Ge can be used as the n-type dopant. In particular, if Sn is doped, a high-concentration and thick n-type contact layer can be formed, and a device having a low operating voltage can be manufactured by reducing the series resistance. A silver alloy containing about 1% Ge may be used as the electrode material.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハを構成する、サファイア基板、第1バッファ層、第2バッファ層、第1〜第3層、格子歪み緩和層、半導体層、コンタクト層、クラッド層、スペーサ層、井戸層、バリア層、n型半導体層、発光層、p型半導体層、n側電極、p側電極等の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, a sapphire substrate, a first buffer layer, a second buffer layer, a first to a third layer, a lattice strain relaxation layer, a semiconductor layer, a contact layer, a cladding layer, a spacer layer, which constitute a semiconductor element, a semiconductor device, and a semiconductor wafer The specific configuration of each element such as a well layer, a barrier layer, an n-type semiconductor layer, a light emitting layer, a p-type semiconductor layer, an n-side electrode, and a p-side electrode should be appropriately selected by those skilled in the art from a known range. As long as the present invention can be carried out in the same manner and the same effect can be obtained, it is included in the scope of the present invention.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ、半導体結晶の成長方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての半導体素子、半導体装置、半導体ウェーハ、半導体結晶の成長方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, all semiconductor elements, semiconductor devices, and semiconductors that can be appropriately designed and implemented by those skilled in the art based on the semiconductor element, semiconductor device, semiconductor wafer, and semiconductor crystal growth methods described above as embodiments of the present invention. Wafer and semiconductor crystal growth methods also fall within the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

11、12、30 半導体素子
21 半導体ウェーハ
22 容器
23 反射膜
24 サブマウント
25 金バンプ
26 ボンディングワイヤ
27 蓋部
105、305 サファイア基板
105a、305a 凹部
105b 凸部
106、306 主面
110 第1バッファ層
110a 空洞
110e 第1領域
110f 第2領域
110p 微結晶
110s 側面
110x AlN層
110y 空洞
110z 凹部
111 第1層
112 第2層
113 第3層
120 第2バッファ層
120x GaN層
120y 空洞
120z ピット
140 n型半導体層
140e 第1電極(n側電極)
140o n側オーミック電極部
140p パッド領域
141 Siドープn型GaNコンタクト層
141a Siドープn型AlGaNコンタクト層
142 Siドープn型Al0.13Ga0.87Nクラッド層
150 発光層
151 GaInN井戸層
151a AlGaInN井戸層
152 Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層
153 Siドープn型Al0.08Ga0.91In0.01Nバリア層
155 低Si濃度Al0.08Ga0.91In0.01Nスペーサ層
160 p型半導体層
160e 第2電極(p側電極)
161 Mgドープp型Al0.26Ga074Nクラッド層
162 Mgドープp型GaNコンタクト層
180 誘電体多層膜
190 半導体層
201 半導体装置
211 第1蛍光体層(波長変換層)
212 第2蛍光体層(波長変換層)
303 GaN層
304 AlGaN層
305 ソース電極
306 ドレイン電極
307 ゲート電極
308 絶縁層
390 半導体層
L1〜L3 光
11, 12, 30 Semiconductor element 21 Semiconductor wafer 22 Container 23 Reflective film 24 Submount 25 Gold bump 26 Bonding wire 27 Lid 105, 305 Sapphire substrate 105a, 305a Recess 105b Protrusion 106, 306 Main surface 110 First buffer layer 110a Cavity 110e First region 110f Second region 110p Microcrystal 110s Side surface 110x AlN layer 110y Cavity 110z Recess 111 First layer 112 Second layer 113 Third layer 120 Second buffer layer 120x GaN layer 120y Cavity 120z Pit 140 N-type semiconductor layer 140e First electrode (n-side electrode)
140on side ohmic electrode part 140p pad region 141 Si-doped n-type GaN contact layer 141a Si-doped n-type AlGaN contact layer 142 Si-doped n-type Al 0.13 Ga 0.87 N cladding layer 150 Light emitting layer 151 GaInN well layer 151a AlGaInN Well layer 152 Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 153 Si-doped n-type Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N barrier layer 155 Low Si concentration Al 0.08 Ga 0.91 In 0.01 N spacer layer 160 p-type semiconductor layer 160e Second electrode (p-side electrode)
161 Mg-doped p-type Al 0.26 Ga 074 N clad layer 162 Mg-doped p-type GaN contact layer 180 Dielectric multilayer 190 Semiconductor layer 201 Semiconductor device 211 First phosphor layer (wavelength conversion layer)
212 Second phosphor layer (wavelength conversion layer)
303 GaN layer 304 AlGaN layer 305 Source electrode 306 Drain electrode 307 Gate electrode 308 Insulating layer 390 Semiconductor layer L1-L3 Light

Claims (12)

c面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、
記主面の上に設けられ、結晶性のAlNからなる第1バッファ層と、
前記第1バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、
を備え、
前記第1バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、
前記第1バッファ層は、第1領域と、前記第1領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第1領域よりも炭素濃度が高い第2領域と、を有し、
前記空洞は、第1バッファ層中で塞がれ、前記第1バッファ層の前記半導体層に対向する面は、平坦であることを特徴とする半導体素子。
a sapphire substrate having a main surface consisting of a c-plane and having a recess formed in the main surface;
Is provided on the front Symbol major surface, a first buffer layer made of crystalline AlN,
A semiconductor layer provided on the first buffer layer and made of a nitride semiconductor;
With
The first buffer layer has a cavity provided on the concave portion of the sapphire substrate,
The first buffer layer includes a first region, and a second region provided between the first region and the sapphire substrate and having a higher carbon concentration than the first region,
The cavity is closed in a first buffer layer, and a surface of the first buffer layer facing the semiconductor layer is flat.
前記第2領域における炭素濃度は、3×1018cm−3以上、5×1020cm−3以下であり、前記第2領域の厚さは、3ナノメートル以上、20ナノメートル以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体素子。 The carbon concentration in the second region is 3 × 10 18 cm −3 or more and 5 × 10 20 cm −3 or less, and the thickness of the second region is 3 nanometers or more and 20 nanometers or less. claim 1 Symbol mounting semiconductor element and said. 前記空洞は、前記サファイア基板の側に向かって拡開していることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子。 The cavity semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that it is widened toward the side of the sapphire substrate. 前記第1バッファ層は、
前記サファイア基板の前記主面の上に、第1の温度と、0.7〜50の第1のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長され前記第2領域の第1層と、
前記第1層の上に、前記1の温度よりも高い第2の温度と、前記第1のV族/III族比よりも高い第2のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長され前記第1領域の一部の第2層と、
前記第2層の上に、前記第2の温度よりも高い第3の温度と、前記第1のV族/III族比と前記第2のV族/III族比との間の第3のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長され前記第1領域の他部の第3層と、
を有し、
前記空洞は、前記第1層及び前記第2層を貫通し、前記空洞は、前記第3層中で塞がれることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載の半導体素子。
The first buffer layer includes:
On the main surface of the sapphire substrate, epitaxial growth is performed by metal organic vapor phase epitaxy using a first temperature and a first group V / group III ratio of 0.7 to 50. One layer,
On the first layer, an organometallic vapor phase with a second temperature higher than the first temperature and a second group V / group III ratio higher than the first group V / group III ratio. A second layer that is epitaxially grown by a growth method and is part of the first region;
On the second layer, a third temperature higher than the second temperature and a third temperature between the first group V / III ratio and the second group V / III ratio. A third layer of the other part of the first region that is epitaxially grown by metalorganic vapor phase epitaxy according to the group V / group III ratio;
Have
Said cavity, said first layer and through said second layer, said cavity semiconductor device according to any one of claims 1-3, characterized in that it is closed in the third layer .
前記第1の温度は、1150℃〜1200℃であり、
前記第2の温度は、1270℃〜1330℃であり、
前記第3の温度は、前記第2の温度よりも10℃〜30℃高く、
前記第2のV族/III族比は、250〜10000であり、
前記第3のV族/III族比は、50〜250であることを特徴とする請求項記載の半導体素子。
The first temperature is 1150 ° C. to 1200 ° C.,
The second temperature is 1270 ° C to 1330 ° C,
The third temperature is 10 ° C. to 30 ° C. higher than the second temperature,
The second group V / group III ratio is 250-10000,
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the third group V / group III ratio is 50 to 250.
前記半導体層は、
前記第1バッファ層の上に設けられ、GaNまたはAlGaNからなる第2バッファ層と、
前記第2バッファ層の上に設けられたn型半導体層と、
前記n型半導体層の上に設けられた発光層と、
前記発光層の上に設けられたp型半導体層と、
を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体素子。
The semiconductor layer is
A second buffer layer provided on the first buffer layer and made of GaN or AlGaN;
An n-type semiconductor layer provided on the second buffer layer;
A light emitting layer provided on the n-type semiconductor layer;
A p-type semiconductor layer provided on the light emitting layer;
The semiconductor device according to any one of claims 1-5, characterized in that it comprises a.
前期空洞の前記サファイア基板とは反対の側の面の曲率は、前記発光層の発光波長のピーク波長以下であり、前記空洞を前記主面に対して平行な平面で切断したときの前記空洞の幅は、前記サファイア基板とは反対の側の方が前記サファイア基板の側よりも小さいことを特徴とする請求項記載の半導体素子。 The curvature of the surface of the cavity opposite to the sapphire substrate is equal to or less than the peak wavelength of the emission wavelength of the light emitting layer, and the cavity is cut when the cavity is cut in a plane parallel to the main surface. width, the semiconductor device according to claim 6 wherein the sapphire substrate, wherein the direction of the opposite side is smaller than the side of the sapphire substrate. 前記発光層の発光波長のピーク波長は、370ナノメートル以上400ナノメートル未満であることを特徴とする請求項6または7に記載の半導体素子。 The semiconductor element according to claim 6 or 7, wherein a peak wavelength of an emission wavelength of the light emitting layer is 370 nanometers or more and less than 400 nanometers. 請求項のいずれか1つに記載の半導体素子と、
前記半導体素子から放出された光を吸収し、前記光とは異なる波長の光を放出する波長変換層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor element according to any one of claims 6 to 8 ,
A wavelength conversion layer that absorbs light emitted from the semiconductor element and emits light having a wavelength different from that of the light;
A semiconductor device comprising:
c面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板と、
前記主面の上に設けられ、結晶性のAlNからなる第1バッファ層と、
前記第1バッファ層の上に設けられ、窒化物半導体からなる半導体層と、
を備えた半導体ウェーハであって、
前記第1バッファ層は、前記サファイア基板の前記凹部の上に設けられた空洞を有し、
前記第1バッファ層は、第1領域と、前記第1領域と前記サファイア基板との間に設けられ前記第1領域よりも炭素濃度が高い第2領域と、を有し、
前記空洞は、第1バッファ層中で塞がれ、前記第1バッファ層の前記半導体層に対向する面は、平坦であることを特徴とする半導体ウェーハ。
a sapphire substrate having a main surface consisting of a c-plane and having a recess formed in the main surface;
A first buffer layer provided on the main surface and made of crystalline AlN;
A semiconductor layer provided on the first buffer layer and made of a nitride semiconductor;
A semiconductor wafer comprising:
The first buffer layer has a cavity provided on the concave portion of the sapphire substrate,
The first buffer layer includes a first region, and a second region provided between the first region and the sapphire substrate and having a higher carbon concentration than the first region,
The cavity is closed in a first buffer layer, and a surface of the first buffer layer facing the semiconductor layer is flat.
c面からなる主面を有し、前記主面に凹部が設けられたサファイア基板の前記主面の上に、
1150℃〜1200℃の第1の温度と、0.7〜50の第1のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第1層をエピタキシャル成長し、
前記第1層の上に、1270℃〜1330℃の第2の温度と、250〜10000の第2のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第2層をエピタキシャル成長し、
前記第2層の上に、前記第2の温度よりも10℃〜30℃高い第3の温度と、50〜250の第3のV族/III族比と、による有機金属気相成長法によってAlNからなる第3層をエピタキシャル成長して、前記凹部の上に空洞を形成し、前記空洞を前記第3層で覆うことを特徴とする半導体結晶の成長方法。
On the main surface of the sapphire substrate having a main surface consisting of c-plane and having a recess formed in the main surface,
Epitaxially growing a first layer of AlN by metal organic vapor phase epitaxy using a first temperature of 1150 ° C. to 1200 ° C. and a first group V / group III ratio of 0.7 to 50;
A second layer made of AlN is formed on the first layer by metal organic vapor phase epitaxy using a second temperature of 1270 ° C. to 1330 ° C. and a second group V / III ratio of 250 to 10,000. Epitaxially grown,
On the second layer, by a metal organic vapor phase epitaxy method using a third temperature higher by 10 ° C. to 30 ° C. than the second temperature and a third group V / III ratio of 50 to 250. A method for growing a semiconductor crystal, comprising: epitaxially growing a third layer made of AlN to form a cavity on the recess, and covering the cavity with the third layer.
前記第1のV族/III族比は、1.5〜15であり、
前記第2のV族/III族比は、1000〜5000であることを特徴とする請求項11記載の半導体結晶の成長方法。
The first group V / group III ratio is 1.5 to 15,
12. The method for growing a semiconductor crystal according to claim 11, wherein the second group V / group III ratio is 1000 to 5000.
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