JPH11195813A - 窒化ガリウム系半導体素子 - Google Patents
窒化ガリウム系半導体素子Info
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- JPH11195813A JPH11195813A JP36142097A JP36142097A JPH11195813A JP H11195813 A JPH11195813 A JP H11195813A JP 36142097 A JP36142097 A JP 36142097A JP 36142097 A JP36142097 A JP 36142097A JP H11195813 A JPH11195813 A JP H11195813A
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Abstract
て素子の収率を向上させること及び素子自体の残留応力
を解消して素子の信頼性を向上させること。 【解決手段】 サファイア基板上に、複数の十字溝を、
それぞれの先端を互いに向かい合わせるように配置し、
且つそれぞれの中心点が四角形の頂点に位置するように
配置している。このようなサファイア基板上に3−5族
化合物半導体層の結晶成長を行うと、前記十字溝の溝に
沿って結晶成長が進む。この際、溝を形成する斜面で囲
まれた部分は実効的に成長速度が速く、成長面は略平坦
に形成されていくため、この溝の部分には特に応力が集
中しやすく、前記四角形の辺に沿ってクラックが発生
し、その代わり、前記四角形内部の素子領域にはクラッ
クが生じない。これにより、素子自体にはクラックが発
生しないため、素子の収率を向上させるだけでなく、素
子自体の残留応力を解消して素子の信頼性が向上する。
Description
合物半導体成長層を有する窒化ガリウム系半導体素子に
関する。
得られる3−5族化合物半導体材料として、GaN、I
nGaN、AlGaN、InAlN、AlN等が知られ
ている。図14はこれらを用いて製造された発光機能を
有する従来の窒化ガリウム系半導体素子で、活性層にI
nGaN層を用いたダブルヘテロ構造の発光ダイオード
の構造例を示した断面図である。単結晶のサファイア基
板11上には、GaNバッファー層12、n型のGaN
層13、n型のAlGaNクラッド層14、InGaN
活性層15、p型のAlGaNクラッド層16、p+型
のGaN(コンタクト)層17を成長させて素子を形成
する。
晶成長方法としては、MO−CVD法を用い、キャリア
ガスとしてH2、N2のどちらか一方、或いは両者の混
合ガスを用いている。原料ガスとして3族にはTMG
(トリメチルガリウム)、TMI(トリメチルインディ
ウム)、TMA(トリメチルアルミニウム)のバブリン
グガスを、5族にはNH3(アンモニア)を用いる。こ
の他に、ドーピングガスとしてn型不純物にはSiをS
iH4(モノシラン)のバブリングガスとして、p型不
純物にはMgをCp2Mg(ビスシクロペンタジエニル
マグネシウム)のバブリングガスとして供給する。
1のn型GaN層13のn層表面をエッチングによって
露出した後、n電極22を形成し、p+型のGaNコン
タクト層17にp電極21を形成して、図15に示すよ
うな素子構造を得る。このp電極21とn電極22間
に、電圧を印加することにより、InGaN活性層15
を発光させる。
3−5族化合物半導体成長層を有する半導体素子では、
例えばAlGaNクラッド層14を高Al組成にした
り、膜厚を厚く形成すると、各層の格子不整合や、熱膨
張係数差に起因する応力で成長層にクラックが生じると
いう問題があった。これは、AlGaN又はGaN系成
長層が適当層の強度限界が破断圧縮強度よりも引張り強
度限界のほうが低いため、引張り歪みを持つAlGaN
クラッド層14、若しくは隣接する層に、比較的容易に
クラックが発生するためである。
チップの表面にあると、チップが不良となる。また、ク
ラックが入らなかった場合、チップは不良にはならない
が、素子内に残留応力が内在しており信頼性の観点から
望ましくない。このため、AlGaNクラッド層14な
どのAl組成や膜厚には、クラックが入らない臨界値が
発生し、この臨界値が実際のデバイスを設計する際の自
由度を下げることになる。またAl組成や膜厚の臨界値
以下でも、残留応力が成長層に内在しているため、この
残留応力に起因する欠陥が成長する可能性があり、この
場合でも素子の信頼性が低くなるという問題があった。
るためになされたもので、その目的は、ウェハー上の素
子領域の周辺にクラックを発生させることにより、素子
自体にはクラックが発生しないようにして素子の収率を
向上させることができる共に、素子自体の残留応力を解
消して信頼性を向上させることができる窒化ガリウム系
化合物半導体素子を提供することである。
に、第1の発明の特徴は、基板上に少なくとも1層以上
の3−5族化合物半導体の成長層を積層した窒化ガリウ
ム系半導体素子において、前記基板の主面に、所定間隔
離して規則的に配置され且つ所定形状を有する複数の凹
部を形成することにある。
数の凹部に沿って、この上に積層された窒化ガリウム半
導体層にクラックが入り、このクラックで囲まれた素子
領域にはクラックか入らないだけでなく、残留応力も解
放される。これにより、素子層内部に残留する応力に起
因して成長する欠陥が著しく減少する。
1層以上の3−5族化合物半導体の成長層を積層した窒
化ガリウム系半導体素子において、前記基板の主面に、
所定間隔離して規則的に配置され且つ所定形状を有する
複数の凸部を形成することにある。
数の凸部に沿って、この上に積層された窒化ガリウム半
導体層にクラックが入り、このクラックで囲まれた素子
領域にはクラックか入らないだけでなく、残留応力も解
放される。これにより、素子層内部に残留する応力に起
因して成長する欠陥が著しく減少する。
1層以上の3−5族化合物半導体の成長層を積層した窒
化ガリウム系半導体素子において、前記基板の主面に、
規則的に配列された複数の帯状の溝を形成することにあ
る。
状の溝に沿って、この上に積層された窒化ガリウム半導
体層にクラックが入り、このクラックで囲まれた素子領
域にはクラックか入らないだけでなく、残留応力も解放
される。これにより、素子層内部に残留する応力に起因
して成長する欠陥が著しく減少する。
1層以上の3−5族化合物半導体の成長層を積層した窒
化ガリウム系半導体素子において、前記基板の主面に、
規則的に配列された複数の帯状の突起を形成することに
ある。
状の突起に沿って、この上に積層された窒化ガリウム半
導体層にクラックが入り、このクラックで囲まれた素子
領域にはクラックか入らないだけでなく、残留応力も解
放される。これにより、素子層内部に残留する応力に起
因して成長する欠陥が著しく減少する。
1層以上の3−5族化合物半導体の成長層を積層した窒
化ガリウム系半導体素子において、前記基板の主面に、
規則的に配列された帯状の輻射熱吸収領域を形成するこ
とにある。
状の輻射熱吸収領域に沿って、この上に積層された窒化
ガリウム半導体層にクラックが入り、このクラックで囲
まれた素子領域にはクラックか入らないだけでなく、残
留応力も解放される。これにより、素子層内部に残留す
る応力に起因して成長する欠陥が著しく減少する。
1層以上の3−5族化合物半導体の成長層を積層した窒
化ガリウム系半導体素子において、前記基板の背面に、
規則的に配列された帯状の輻射熱吸収領域を形成するこ
とにある。
帯状の輻射熱吸収領域に対応した前記基板主面の帯状領
域も輻射熱の吸収が高くなるため、この上に積層された
窒化ガリウム半導体層の前記帯状領域に沿った部分に前
記クラックが入り、このクラックで囲まれた素子領域に
はクラックか入らないだけでなく、残留応力も解放され
る。これにより、素子層内部に残留する応力に起因して
成長する欠陥が著しく減少する。
は残りの基板面に対して前記領域面の細かい凹凸を付け
ることにより形成することにある。
けられた面、例えば鏡面仕上げをしていない面などは、
鏡面仕上げをした回りの面に比べて輻射熱をよく吸収す
る。
は、AlN層であることにある。
い引張り応力、熱歪みが得られるため、容易に破断強度
限界以上の引っ張り応力が得られ、上記クラックが容易
に入る。
に基づいて説明する。図1は本発明の窒化ガリウム系半
導体素子の第1の実施の形態を示した平面図である。サ
ファイア基板11の主面上に複数の十字状の溝31を形
成し、且つこの十字溝31を形成する2つの溝は互いに
直交するように配置して、十字溝31を形成している。
また、これら複数の十字溝31はそれぞれの先端部分を
互いに向かい合わせるように配置し、且つそれぞれの中
心点が四角形の頂点に位置するように配置されている。
イア基板11の断面図である。十字溝31は断面がV字
状となっている。
ァイア基板11主面上に、エピタキシャル法により、図
示しない、n型のGaN層、n型のAlGaN層などの
3−5族化合物半導体層が順次積層されて、LEDやレ
ーザーなどの窒化ガリウム系半導体素子が形成される。
尚、各十字溝31の向かい合う先端を結んだ破線で囲ま
れた四角形の内部32が1チップ分で、1個の窒化ガリ
ウム系半導体素子が形成される素子領域である。
長させた時のクラックの発生の仕方について説明する。
上記のような十字溝31付きサファイア基板11にn型
のGaN層、n型のAlGaN層などの3−5族化合物
半導体層の結晶成長を行うと、十字溝31の形状に沿っ
て成長が進む。この際、溝を形成する斜面で囲まれた部
分は実効的に成長速度が速く、成長面は略平坦に形成さ
れていく。このため、この十字溝31の部分には特に応
力が集中しやすくなる。
の従来例と同様にGaNバッフアー層、n−GaN層、
n−AlGaNクラッド層、InGaN活性層、p−A
lGaNクラッド層、p−GaNコンタクト層を順次エ
ピタキシヤル成長で形成する。図3はこれら成長層の最
下層から3層の断面図である。
引っ張られる方向44に歪みが生じるが、この歪みに加
わり、昇温/降温時の熱膨張係数差による歪みが加わる
ことで、AlGaN層41自身、或いはこのAlGaN
層41に隣接する層、例えばGaN層42又はInGa
N層43にクラック33が発生する。このクラツク33
は、AlGaN層41のAl組成が高ければ高いほど、
頻度及び数量共に大きくなる。
板11には十字溝31が形成してあり、この十字溝31
の部分、或いは十字溝31の上部に形成される層には応
力が集中しやすいため、優先的に、この部分にクラック
33が発生する。また、面内方向では更に先鋭な部分に
クラックが発生しやすいため、この十字溝31の各先端
部分より破線で示したように図1に示すようにクラック
33が発生する。このクラック33は、最も近い場所に
設定された対向する十字溝31の先端部分に終結する。
よって、十字溝31に囲まれた四角形の素子領域32に
はクラックは発生しないことになる。
れた内側32が1チップの窒化ガリウム系半導体素子と
なるわけであるから、ウェハー領域内にはクラック33
は存在するものの、発光素子として機能する素子領域3
2にはクラックが存在しないウェハーが得られる。その
後、ウェハーは図1に示したクラック33に沿って裁断
され、個々の窒化ガリウム系化合物半導体が取り出され
る。
1上に複数の十字溝31を互いの先端部が対抗するよう
に且つその中心が四角形の頂点に一致するように配置
し、その上に、GaNバッフアー層43、n型のGaN
層41、n型のAlGaNクラッド層42等を結晶成長
させて素子を製造することにより、個々の半導体素子を
形成する素子領域32の境界部分にクラック33が入
り、一方、素子領域32内にはクラックが生じないよう
にすることができる。
性能に影響のない素子の周囲にクラックが発生するた
め、素子の収率を向上させることができる共に、素子の
周囲にクラックが発生しているため、素子を形成する窒
化物系3−5族化合物半導体層の残留応力を解放するこ
とができる。このために、素子層内部に残留する応力に
起因して成長する欠陥を著しく減少させることができ、
素子の信頼性を向上させることができる。又、AlGa
Nクラッド層44などのAl組成や膜厚の臨界値を無視
し得るか、なくなるため、デバイスを設計する際の自由
度を向上させることができる。
に示すように断面が三角形状の十字突起35であって
も、同様の効果がある。又、図5に示すように断面が三
角形状の帯状の凸部71をサファイア基板11の表面に
格子を形成するように配列しても同様の効果がある。こ
の場合、帯状の凸部71で囲まれた領域72に素子が形
成され、凸部71に沿って、その上に積層される成長層
にクラックが入り、同様の効果がある。又、凸部71の
配列は直行する格子でなく、斜交する格子であっても同
様の効果があり、この場合は、前記凸部71がサファイ
ア基板11の劈開方向に沿っているため、素子を切り出
し易くすることができる。更に、凸部71の代わりに、
凹分をサファイア基板11の表面に格子を形成するよう
に配列しても同様の効果がある。
の第2の実施の形態を示した平面図である。本例も、サ
ファイア基板11に複数の十字状溝51を付け、互いの
先端部が向き合うように配置してある。この十字状溝5
1は2本の溝が互いに直交せず、60度の角度で交差し
ている。従って、4個の十字状溝51の中心がひとつの
平行四辺形の頂点に位置するように配置され、このひと
つの平行四辺形でできた領域53が1個の窒化ガリウム
系半導体素子となる素子領域である。
り、通常の半導体の様に直交する方向に劈開性を有して
いない。そこで、十字状溝51の2個の溝の斜交角度を
基板11の割れる方向及び角度に合わせて設定して、上
記したように4個の十字状溝51が平行四辺形を形成す
るように配置することにより、1個の窒化ガリウム系半
導体素子を切り出す時に、切り出しやすいようにしてい
る。
上に、複数の窒化物系3−5族化合物半導体層のデバイ
ス構造を順次形成すると、図1に示した第1の実施の形
態と同様の理由により、溝部分51に沿って破線のよう
にクラック52が発生し、ここでも素子として機能する
素子領域53を囲むようにクラックが発生する。
1の劈開方向に合わせて、十字状溝51の2個の溝の斜
交角度を設定して4個の十字状溝51が平行四辺形の頂
点に位置するように配置することにより、第1の実施の
形態よりも、規則的にクラック52が発生しやすくな
り、クラックが素子領域53を囲むように入り、素子領
域53の内部には入らないようにすることができる。
化ガリウム系半導体素子の収率を第1の実施の形態より
も向上させることができると共に、窒化ガリウム系半導
体素子の各成長層内の残留応力の解放度も高いため、素
子の信頼性をより向上させることができる。又、成長層
にはサファイアの割れ易い面に沿ってクラックが入って
いる訳であるから、クラック52に沿って素子分離を行
う場合、容易に素子を分離することができ、素子形状も
比較的きれいなものを得ることができる。
り、断面が凸部の十字状突起を用いても、同様の効果が
ある。
の第3の実施の形態を示した平面図である。本例は、溝
の形状を3本の溝を放射状に配置した形状の溝形61と
し、各溝形61の先端が互いに向き合うように、且つ溝
形61の中心が六角形の各頂点に位置するように配置し
てある。
の窒化物系3−5族化合物半導体層のデバイス構造を順
次形成すると、図1に示した第1の実施の形態と同様の
理由により、前記した六角形の辺に沿ってクラックが発
生し、ここでも素子として機能する六角形の素子領域6
2を囲むようにクラックが発生し、このクラックに沿っ
て基板11であるサフアイアは割れやすく、基板11を
裏面研磨等で薄くすることにより、ブレーキング&エキ
スバンドのみで素子分離が可能となり、図6に示した第
2の実施の形態と同様の効果がある。
の第4の実施の形態を示した平面図である。本例は、サ
ファイア基板11の表面に、格子状に熱輻射吸収の高い
帯状の輻射熱吸収領域81を形成してある。この輻射熱
吸収領域81に囲まれた四角形の領域82が1個の窒化
ガリウム化合物半導体が形成される素子領域となる。こ
の輻射熱吸収領域81の部分は残りの部分に比べて、そ
の表面が図9に示すように凸凹になっていて、曇り又は
不透明になっており、熱輻射の吸収が鏡面仕上げをして
ある残りの表面部分よりも大きくなっている。
きのサファイア基板11に、窒化物系3−5族化合物半
導体層の結晶成長を行うと、輻射熱吸収領域81部分で
は実効的な成長温度が高く、従って半導体層のAl組成
が高くなる。この結果、AlGaN層は面方向で、Al
組成に図10に示すような疎密を生じることになる。図
10において、Al組成層の真ん中下部に輻射熱吸収領
域があると、この部分のAl組成密度が高くなる。
の疎密に従って、格子不整合差や熱膨張係数差が上下の
成長層との間のみならず、同一成長層の面内で発生す
る。この結果、成長層間、成長層面内での残留歪みは、
サファイア基板11に施した輻射熱吸収領域81部分の
上部で極大となる。これにより、図10の89で示すよ
うに輻射熱吸収領域に沿ってクラックが入ることにな
る。
図8に示すように輻射熱吸収領域81に沿って格子状に
入り、素子領域82の部分には入らないことになるた
め、1枚のウェハーから取れる素子の収率を向上させる
ことができると共に、クラックの発生に伴って素子内に
残留する応力の解放が行われ、素子の信頼性が向上す
る。
子の第5の実施の形態を示した平面図である。サファイ
ア基板11の表面に、格子状に熱輻射の吸収の高い輻射
熱吸収領域111を縦横に且つ斜向するように配列して
ある。これにより、本実施の形態では素子領域112に
成長されるAl組成の半導体層にクラックがサフアイア
基板11の割れ易い方向に沿って入るため、図8の第4
の実施の形態よりも素子分離を容易に行うことができる
が、他の効果は同様である。
子の第6の実施の形態を示した平面図である。サファイ
ア基板11の表面に、熱輻射吸収の高い輻射熱吸収領域
91を蜂の巣状に配列してある。これにより、本実施の
形態では、サファイア基板11上に成長する半導体層
に、クラックが6方晶形であるサファイア基板11の最
も割れ易い方向に沿って入るため、素子分離を極めて容
易に行うことができ、他の効果は図11の第5の実施の
形態と同様である。
輻射熱吸収領域81、111、91は、表面が凸凹した
領域で形成されているが、基板11の主面上に別途形成
した熱吸収効率の高い金属・セラミック・半導体層等で
あっても同様の効果が得られる。又、第4〜第6の実施
の形態で示した輻射熱吸収領域81、111、91はサ
ファイア基板11の背面に形成しても、同様の効果があ
る。
子の第7の実施の形態を示した断面図である。単結晶の
サファイア基板108上には、GaNバッファー層10
7、n型のGaN層106、n型のAlGaNクラッド
層105、InGaN活性層104、p型のAlGaN
クラッド層103、p+型のGaN(コンタクト)層1
02及び最上層にAlN層101を成長させて素子を形
成する。
は、上記した第1〜第6の実施の形態で示した十字溝と
か、輻射熱吸収領域が施されており、素子領域の周囲に
クラックが入るようにしてある。特に、強い引張り応
力、熱歪みが得られるAlN層101を最上層に積層し
てあるため、容易に破断強度限界以上の引っ張り応力が
得られ、上記クラックを入り易くすることができると共
に、この層101により素子の表面を保護することがで
きる。
発明を説明したが、本発明の範囲はこれら実施の形態に
のみ限定されるものでなく、本発明はその要旨を逸脱す
ることなく、サファイア基板上に形成された溝、凹部、
凸部。突起、輻射熱吸収領域の形状および配列において
異なる種々の形態および配列にも実施することができ
る。
化ガリウム系半導体素子によれば、ウェハー上の素子領
域の周囲にクラックを発生させることにより、素子自体
にはクラックが発生しないようにして素子の収率を向上
させることができると共に、素子自体の残留応力を解消
して信頼性を向上させることができる。
施の形態を示した平面図である。
断面図である。
に積層された成長層の一部を示した断面図である。
他の例を示した断面図である。
子状に配列された帯状の凸部を示した斜視図である。
施の形態を示した平面図である。
施の形態を示した平面図である。
施の形態を示した平面図である。
l組成の疎密を示した摸式図である。
実施の形態を示した平面図である。
実施の形態を示した平面図である。
実施の形態を示した断面図である。
示した断面図である。
示した断面図である。
域 33、52、89 クラック 35 十字突起 41 AlGaN層 42 GaN層 43 InGaN層 51 十字状溝 61 溝形 71 凸部 81、91、111 輻射熱吸収領域 101 AlN層 102 p型のGaNコンタクト層 103 p型のAlGaNクラッド層 104 InGaN活性層 105 n型のAlGaNクラッド層 106 n型のGaN層 107 GaNバッファー層
Claims (8)
- 【請求項1】 基板上に少なくとも1層以上の3−5族
化合物半導体の成長層を積層した窒化ガリウム系半導体
素子において、 前記基板の主面に、所定間隔離して規則的に配置され且
つ所定形状を有する複数の凹部を形成することを特徴と
する窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項2】 基板上に少なくとも1層以上の3−5族
化合物半導体の成長層を積層した窒化ガリウム系半導体
素子において、 前記基板の主面に、所定間隔離して規則的に配置され且
つ所定形状を有する複数の凸部を形成することを特徴と
する窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項3】 基板上に少なくとも1層以上の3−5族
化合物半導体の成長層を積層した窒化ガリウム系半導体
素子において、 前記基板の主面に、規則的に配列された複数の帯状の溝
を形成することを特徴とする窒化ガリウム系半導体素
子。 - 【請求項4】 基板上に少なくとも1層以上の3−5族
化合物半導体の成長層を積層した窒化ガリウム系半導体
素子において、 前記基板の主面に、規則的に配列された複数の帯状の突
起を形成することを特徴とする窒化ガリウム系半導体素
子。 - 【請求項5】 基板上に少なくとも1層以上の3−5族
化合物半導体の成長層を積層した窒化ガリウム系半導体
素子において、 前記基板の主面に、規則的に配列された帯状の輻射熱吸
収領域を形成することを特徴とする窒化ガリウム系半導
体素子。 - 【請求項6】 基板上に少なくとも1層以上の3−5族
化合物半導体の成長層を積層した窒化ガリウム系半導体
素子において、 前記基板の背面に、規則的に配列された帯状の輻射熱吸
収領域を形成することを特徴とする窒化ガリウム系半導
体素子。 - 【請求項7】 前記輻射熱吸収領域はこの領域面に細か
い凹凸付けることにより形成することを特徴とする請求
項5又は6記載の窒化ガリウム系半導体素子。 - 【請求項8】 前記成長層の最上層は、AlN層である
ことを特徴とする請求項1乃至7いずれか1記載の窒化
ガリウム系半導体素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP36142097A JP3805883B2 (ja) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | 窒化ガリウム系半導体ウエハおよび窒化ガリウム系半導体素子、ならびにそれらの製造方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP36142097A JP3805883B2 (ja) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | 窒化ガリウム系半導体ウエハおよび窒化ガリウム系半導体素子、ならびにそれらの製造方法 |
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JPH11195813A true JPH11195813A (ja) | 1999-07-21 |
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JP (1) | JP3805883B2 (ja) |
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