JPH114048A - Nitride semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Nitride semiconductor device and manufacture thereof

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JPH114048A
JPH114048A JP5085998A JP5085998A JPH114048A JP H114048 A JPH114048 A JP H114048A JP 5085998 A JP5085998 A JP 5085998A JP 5085998 A JP5085998 A JP 5085998A JP H114048 A JPH114048 A JP H114048A
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nitride semiconductor
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Shigeto Iwasa
成人 岩佐
Shuji Nakamura
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a laser device possessed of a nitride semiconductor substrate and its resonant plane to be formed by a method wherein the opposed edge faces of an active layer of the nitride semiconductor device are set flush with the cleavage plane of a nitride semiconductor substrate M piane (11-00). SOLUTION: A protective film formed like a stripe vertical to the A plane (112-0) of a sapphire substrate is provided onto the sapphire substrate whose main surface is a C plane (0001). Or, a protective film formed like a stripe vertical to the R plane (11 02) of a sapphire substrate is provided onto the sapphire substrate whose main surface is a A plane (112-0). A nitride semiconductor is grown on the protective film for the formation of a nitride semiconductor substrate. Furthermore, a nitride semiconductor layer which includes an active layer is formed on the nitride semiconductor substrate, the sapphire substrate is removed from the nitride semiconductor substrate, and then the cleavage plane of the M plane (11-00) of the nitride semiconductor substrate is set flush with the edge face of the active layer.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はレーザ素子、LED素子
等の発光素子、光センサー、太陽電池等の受光素子、あ
るいはトランジスタ等の電子デバイスに使用される窒化
物半導体(InXAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+
Y≦1)よりなる窒化物半導体素子と、その窒化物半導
体素子の製造方法に係り、特に窒化物半導体を基板とす
る窒化物半導体素子と製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitride semiconductor (In X Al Y Ga 1 -XY N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X +
The present invention relates to a nitride semiconductor device comprising Y ≦ 1) and a method for manufacturing the nitride semiconductor device, and more particularly to a nitride semiconductor device using a nitride semiconductor as a substrate and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化物半導体は高輝度青色LED、純緑
色高輝度LEDの材料として、本出願人により最近実用
化されたばかりである。また本出願人はこの材料を用い
て青色レーザ素子で、世界で初めて406nmの室温で
の連続発振に成功した。(日経エレクトロニクス、19
96年、12月2日号、技術速報)このレーザ素子は活
性層にInXGa1-XNの多重量子井戸構造を有し、活性
層両端の共振面はエッチングにより形成されており、2
0℃において、閾値電流密度3.6kA/cm2、閾値電
圧5.5V、1.5mW出力において、27時間の連続
発振を示す。
2. Description of the Related Art A nitride semiconductor has just recently been put into practical use by the present applicant as a material for a high-brightness blue LED and a pure green high-brightness LED. The present applicant has succeeded in continuous oscillation at room temperature of 406 nm for the first time in the world with a blue laser device using this material. (Nikkei Electronics, 19
This laser device has a multiple quantum well structure of In x Ga 1 -xN in the active layer, and the resonance surfaces at both ends of the active layer are formed by etching.
At 0 ° C., continuous oscillation for 27 hours is exhibited at a threshold current density of 3.6 kA / cm 2 , a threshold voltage of 5.5 V, and an output of 1.5 mW.

【0003】現在のLED素子、レーザ素子共に、窒化
物半導体の成長基板にはサファイアが用いられている。
周知のようにサファイアは窒化物半導体との格子不整が
13%以上もあるため、この上に成長された窒化物半導
体の結晶は格子欠陥が非常に多い。一般に結晶欠陥の多
い半導体はレーザ素子には不向きであり、実用化は難し
いとされている。また、サファイアの他に、ZnO、G
aAs、Si等の基板を用いた素子も報告されている
が、これらの基板上では結晶性の良い窒化物半導体が成
長しにくいため、LEDでさえ実現されていない。
[0003] Sapphire is used as a growth substrate for nitride semiconductors in both current LED devices and laser devices.
As is well known, since sapphire has a lattice mismatch of 13% or more with the nitride semiconductor, the crystal of the nitride semiconductor grown thereon has very many lattice defects. Generally, a semiconductor having many crystal defects is not suitable for a laser device, and it is considered that practical use is difficult. In addition to sapphire, ZnO, G
Devices using substrates such as aAs and Si have also been reported, but even such LEDs have not been realized because nitride semiconductors having good crystallinity are difficult to grow on these substrates.

【0004】また、サファイアを基板とするレーザ素子
は、その活性層の共振面を劈開により形成することが難
しいという欠点を有している。本出願人は先にサファイ
ア上部に窒化物半導体が積層されたウェーハを、サファ
イアのM面で劈開して窒化物半導体の劈開面を形成する
技術を示したが、歩留、共振面の平行性等の性能におい
て、実用化するには十分満足できるものではなかった。
[0004] Further, a laser device using sapphire as a substrate has a drawback that it is difficult to form the resonance surface of the active layer by cleavage. The present applicant has previously shown a technique of forming a nitride semiconductor cleavage plane by cleaving a wafer in which a nitride semiconductor is stacked on top of sapphire on the M-plane of sapphire. In terms of performance, etc., it was not sufficiently satisfactory for practical use.

【0005】一方、窒化物半導体と完全に格子整合する
窒化物半導体の基板を作製する試みも成されているが
(例えば、特開昭61−7621、特公昭61−263
5、特開昭51−3779、特開平7−165498、
特開平7−202265等)実際には、窒化物半導体基
板を得ることは非常に難しく、未だ実現していないのが
現状である。
On the other hand, attempts have been made to produce a nitride semiconductor substrate which is completely lattice-matched with the nitride semiconductor (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 61-7621, Japanese Patent Publication No. Sho 61-263).
5, JP-A-51-3779, JP-A-7-165498,
Actually, it is very difficult to obtain a nitride semiconductor substrate, and at present it has not been realized yet.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように、窒化物半
導体を基板とする窒化物半導体素子については、ほとん
ど知られておらず、例えば基板を如何にしてチップ状に
分割するかも知られていない。従って本発明はこのよう
な事情を鑑みて成されたものであって、窒化物半導体を
基板とする窒化物半導体素子と、その窒化物半導体素子
の新規な製造方法を提供することにあり、特に窒化物半
導体基板を有してなるレーザ素子とレーザ素子の共振面
を形成する方法を提供することにある。
As described above, a nitride semiconductor device using a nitride semiconductor as a substrate is hardly known, for example, how to divide the substrate into chips is not known. . Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a nitride semiconductor device having a nitride semiconductor as a substrate and a novel method for manufacturing the nitride semiconductor device. It is an object of the present invention to provide a laser device having a nitride semiconductor substrate and a method for forming a resonance surface of the laser device.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体素
子は、窒化物半導体を基板とし、その基板上部に活性層
を含む素子構造を有する窒化物半導体層が積層されてな
る窒化物半導体素子であって、その窒化物半導体素子の
対向する活性層端面は、前記窒化物半導体基板M面(1
1−00)の劈開面と一致していることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a nitride semiconductor device comprising a nitride semiconductor as a substrate, and a nitride semiconductor layer having an element structure including an active layer laminated on the substrate. And the end face of the opposing active layer of the nitride semiconductor device is connected to the nitride semiconductor substrate M surface (1
1-00).

【0008】特に、窒化物半導体層がレーザ素子構造と
なっている場合には、レーザ素子の活性層端面がレーザ
素子の共振面であることを特徴とする。
In particular, when the nitride semiconductor layer has a laser element structure, the end face of the active layer of the laser element is a resonance surface of the laser element.

【0009】本発明の窒化物半導体素子の製造方法は、
窒化物半導体層と異なる材料よりなる異種基板上部に、
窒化物半導体を成長させて、窒化物半導体基板を作製す
る第1の工程と、窒化物半導体基板上部に活性層を含む
素子構造となる窒化物半導体層を積層する第2の工程
と、異種基板上部に成長された窒化物半導体基板より、
異種基板を除去する第3の工程と、窒化物半導体基板の
M面(11−00)で活性層を含む窒化物半導体層を劈
開する第4の工程とを備えることを特徴とする。本発明
の製造方法において、第2の工程と、第3の工程の順序
は問わない。つまり第3の工程は、第2の工程の先に行
っても良いし、後で行うこともできる。
The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the present invention comprises:
On the heterogeneous substrate made of a material different from the nitride semiconductor layer,
A first step of growing a nitride semiconductor to produce a nitride semiconductor substrate; a second step of stacking a nitride semiconductor layer having an element structure including an active layer on the nitride semiconductor substrate; From the nitride semiconductor substrate grown on top,
The method is characterized by including a third step of removing the heterogeneous substrate and a fourth step of cleaving the nitride semiconductor layer including the active layer on the M plane (11-00) of the nitride semiconductor substrate. In the manufacturing method of the present invention, the order of the second step and the third step does not matter. That is, the third step may be performed before or after the second step.

【0010】好ましくは、前記第1の工程で異種基板上
部に部分的に保護膜を形成し、窒化物半導体をその保護
膜上部にまで成長させる。更に好ましくは前記第1の工
程で異種基板表面に成長させた窒化物半導体層の表面
に、部分的に保護膜を形成し、窒化物半導体をその保護
膜上部にまで成長させる。保護膜を形成すると、保護膜
上部に成長した窒化物半導体層の結晶欠陥が少なくな
り、更に保護膜と保護膜の間(窓部)の上部も結晶欠陥
が少なくなるので、基板とする窒化物半導体の結晶性が
非常に良くなる。さらに好ましくは保護膜をストライプ
形状とする。ストライプとすると窒化物半導体の異方性
成長の性質が利用できる。保護膜は異種基板表面に直接
接して形成することもできるし、また異種基板の上に窒
化物半導体層を数十μm以下に薄く成長させた後、その
窒化物半導体層の表面に接して形成することもでき、異
種基板の上部に形成されていればよい。異種基板上に窒
化物半導体層を成長させた後、保護膜を形成して行う
と、保護膜上部に成長させる窒化物半導体層の表面に生
じる結晶欠陥がより少なくなり好ましい。
[0010] Preferably, in the first step, a protective film is formed partially on the heterogeneous substrate, and the nitride semiconductor is grown on the protective film. More preferably, a protective film is partially formed on the surface of the nitride semiconductor layer grown on the surface of the heterogeneous substrate in the first step, and the nitride semiconductor is grown up to the upper portion of the protective film. When the protective film is formed, the crystal defects of the nitride semiconductor layer grown on the protective film are reduced, and the crystal defects between the protective films (window portions) are also reduced. The crystallinity of the semiconductor becomes very good. More preferably, the protective film has a stripe shape. When a stripe is formed, the property of anisotropic growth of the nitride semiconductor can be used. The protective film can be formed directly on the surface of the heterogeneous substrate, or after growing a nitride semiconductor layer thinly to several tens of μm or less on the heterogeneous substrate and then forming on the surface of the nitride semiconductor layer. It may be formed on the upper surface of the heterogeneous substrate. It is preferable to form a protective film after growing a nitride semiconductor layer on a heterogeneous substrate since crystal defects occurring on the surface of the nitride semiconductor layer grown on the protective film are further reduced.

【0011】また、本発明の製造方法では、第1の工程
で、C面(0001)を主面とするサファイア基板上部
にそのサファイア基板のA面(112−0)に対して垂
直なストライプ形状を有する保護膜を形成する工程、若
しくはA面(112−0)を主面とするサファイア基板
上部にそのサファイア基板のR(11−02)面に対し
て垂直なストライプ形状を有する保護膜を形成する工
程、または(111)面を主面とするスピネル基板上部
にそのスピネル基板の(110)面に対して垂直なスト
ライプ形状を有する保護膜を形成する工程の内のいずれ
か1種の工程を含み、その保護膜上部に窒化物半導体を
成長させることを特徴とする。
Further, in the manufacturing method of the present invention, in the first step, a stripe shape perpendicular to the A-plane (112-0) of the sapphire substrate is formed on the sapphire substrate having the C-plane (0001) as a main surface. Or forming a protective film having a stripe shape perpendicular to the R (11-02) plane of the sapphire substrate on the sapphire substrate having the A-plane (112-0) as a main surface. One step of forming a protective film having a stripe shape perpendicular to the (110) plane of the spinel substrate on the spinel substrate having the (111) plane as a main surface. And a nitride semiconductor is grown on the protective film.

【0012】特に保護膜を形成する場合、本発明の製造
方法では、所定の動作をする活性層はストライプ状の保
護膜上部に位置しており、前記第4の工程において、そ
のストライプに対して垂直な方向で劈開することを特徴
とする。
In particular, when a protective film is formed, according to the manufacturing method of the present invention, the active layer performing a predetermined operation is located above the stripe-shaped protective film. It is characterized by being cleaved in a vertical direction.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】図1はC軸配向した窒化物半導体
の結晶構造を示すユニットセル図である。窒化物半導体
は正確には菱面体構造であるが、この図に示すように六
方晶系で近似できる。本発明の素子では、対向する活性
層端面は窒化物半導体のM面での共振面とされている。
M面とはこの図に示すように六角柱の側面を示す面であ
り、それぞれ6種類の面方位で示すことができるが、全
て同一M面を示しているため、本明細書では(11−0
0)面が全てのM面を代表して示しているものとする。
同様に、R面とは六角柱の一底辺からC軸に対して斜め
に六角柱を切断した面方位で示す面であり、各底辺6辺
についてそれぞれ6種類の面方位で示すことができる
が、全て同一M面を示しているため、本明細書では(1
1−02)面がR面を代表して示しているものとする。
さらにA面とはこの図に示すように、六方形の近接した
2点から、C軸に対して、六角柱を垂直に切断した面を
示し、六角形各頂点についてそれぞれ6種類の面方位で
示すことができるが、全て同一A面を示しているため、
本明細書では(112−0)面がA面を代表して示して
いるものとする。
FIG. 1 is a unit cell diagram showing a crystal structure of a nitride semiconductor having a C-axis orientation. The nitride semiconductor has a rhombohedral structure to be precise, but can be approximated by a hexagonal system as shown in this figure. In the device of the present invention, the opposing end faces of the active layer are the resonance faces in the M-plane of the nitride semiconductor.
The M plane is a plane showing the side surface of the hexagonal prism as shown in this figure, and can be represented by six types of plane orientations. However, since all show the same M plane, in this specification, (11- 0
It is assumed that the 0) plane is representative of all M planes.
Similarly, the R-plane is a plane shown in a plane orientation obtained by cutting a hexagonal prism obliquely to the C-axis from one bottom side of the hexagonal column, and each of the six sides of the bottom side can be represented by six types of plane orientations. , All show the same M-plane, so that (1
It is assumed that the 1-02) plane represents the R plane.
Further, as shown in this figure, the A surface indicates a surface obtained by cutting a hexagonal prism perpendicularly to the C axis from two points adjacent to each other in a hexagon, and each vertex of the hexagon has six types of plane orientations. Can be shown, but since they all show the same A side,
In this specification, the (112-0) plane is assumed to represent the A plane.

【0014】本発明の窒化物半導体素子において、基板
とする窒化物半導体はInXAlYGa1-X-YN(0≦X、
0≦Y、X+Y≦1)であれば、どのような組成でも良い
が、好ましくはアンドープ(undope)GaNとする。ア
ンドープGaNは最も結晶性の良い窒化物半導体を基板
となるような厚膜、例えば100μm以上の厚膜で成長
させやすい。またGaNにSi、Ge、S、Se等の4
族元素よりなるn型不純物をドープすることもできる。
n型不純物は、好ましい範囲の導電性を制御して、Ga
Nの結晶性を維持するためには、1×1017/cm3〜5
×1021/cm3の範囲でドープすることが望ましい。
In the nitride semiconductor device according to the present invention, the nitride semiconductor used as the substrate is In x Al Y Ga 1 -XYN (0 ≦ X,
Any composition may be used as long as 0 ≦ Y and X + Y ≦ 1), but undoped GaN is preferable. Undoped GaN is easy to grow from a nitride semiconductor having the highest crystallinity to a thick film serving as a substrate, for example, a thick film of 100 μm or more. In addition, GaN such as Si, Ge, S, Se, etc.
An n-type impurity composed of a group element can also be doped.
The n-type impurity controls the conductivity in a preferable range, and
In order to maintain the crystallinity of N, 1 × 10 17 / cm 3 to 5
It is desirable to dope in the range of × 10 21 / cm 3 .

【0015】素子構造が積層される窒化物半導体基板主
面の面方位は特に問わないが、M面で劈開できる主面を
有する窒化物半導体基板を選択し、好ましくC面、A面
を主面とする窒化物半導体基板を用いる。また主面をC
面、A面から数度、面方位をずらした窒化物半導体基板
を用いることもできる。
Although the plane orientation of the main surface of the nitride semiconductor substrate on which the element structure is laminated is not particularly limited, a nitride semiconductor substrate having a main surface that can be cleaved at the M plane is selected. Is used. The main surface is C
It is also possible to use a nitride semiconductor substrate whose plane orientation is shifted from the plane and the plane A by several degrees.

【0016】窒化物半導体基板の上に活性層を含む素子
構造を有する窒化物半導体層を積層した窒化物半導体素
子は、その基板と格子整合するために、結晶性のよい窒
化物半導体層が成長できる。従来ではサファイア、Zn
O、Si、GaAs等の異種基板上に窒化物半導体層を
積層していたが、異種基板の上に成長された窒化物半導
体結晶は、格子定数のミスマッチ、熱膨張係数差等の要
因により、格子欠陥が非常に多く、また窒化物半導体結
晶の方位がそろいにくく、基板の劈開により、一定した
窒化物半導体素子の劈開面を得ることが難しかった。本
発明の素子では窒化物半導体基板の上に、素子構造とな
る窒化物半導体層を成長させているため、その窒化物半
導体層には結晶欠陥が非常に少なく、また面方位がそろ
った結晶が成長できる。そのため窒化物半導体基板のM
面を劈開することにより、活性層を含む窒化物半導体素
子が、同じくM面で一致して劈開されるために、方位が
そろった鏡面に近い劈開面を得ることができる。しかも
図1に示すように、M面は互いに平行な面を有している
ため、その面を共振面としたレーザ素子を作製すると、
非常に反射率の高い面を得ることができる。
In a nitride semiconductor device in which a nitride semiconductor layer having an element structure including an active layer is laminated on a nitride semiconductor substrate, a nitride semiconductor layer having good crystallinity is grown to lattice match with the substrate. it can. Conventionally, sapphire, Zn
Although a nitride semiconductor layer is laminated on a heterogeneous substrate such as O, Si, and GaAs, the nitride semiconductor crystal grown on the heterogeneous substrate has a lattice constant mismatch, a difference in thermal expansion coefficient, and the like. There are very many lattice defects, and the orientation of the nitride semiconductor crystal is difficult to be uniform, and it is difficult to obtain a uniform cleavage plane of the nitride semiconductor element by cleavage of the substrate. In the device of the present invention, since a nitride semiconductor layer having an element structure is grown on the nitride semiconductor substrate, the nitride semiconductor layer has very few crystal defects and crystals having a uniform plane orientation. Can grow. Therefore, the nitride semiconductor substrate M
By cleaving the plane, the nitride semiconductor element including the active layer is also cleaved at the same plane on the M plane, so that a cleaved plane close to a mirror plane with uniform orientation can be obtained. Moreover, as shown in FIG. 1, since the M planes have planes parallel to each other, when a laser element having the plane as a resonance plane is manufactured,
A very high reflectivity surface can be obtained.

【0017】本発明の製造方法の第1の工程において、
異種基板は窒化物半導体と異なる材料よりなる基板であ
ればどのようなものでも良く、例えば、サファイアC面
の他、R面、A面を主面とするサファイア、スピネル
(MgA124)のような絶縁性基板、SiC(6H、
4H、3Cを含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si
等の従来知られている窒化物半導体と異なる基板材料を
用いることができる。この異種基板上に窒化物半導体層
を厚膜で成長させて、窒化物半導体基板を作製する。窒
化物半導体基板を作製するには、好ましくは次に述べる
方法で作製する。
In the first step of the production method of the present invention,
The heterogeneous substrate may be any substrate as long as it is made of a material different from that of the nitride semiconductor. For example, in addition to the sapphire C surface, sapphire having an R surface and an A surface as main surfaces, and spinel (MgA1 2 O 4 ) may be used. Such an insulating substrate, SiC (6H,
4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, Si
For example, a substrate material different from a conventionally known nitride semiconductor can be used. A nitride semiconductor layer is grown as a thick film on this heterogeneous substrate to produce a nitride semiconductor substrate. In order to manufacture a nitride semiconductor substrate, it is preferably manufactured by the following method.

【0018】即ち、異種基板上部(必ずしも接してしな
くても良い)に部分的に保護膜を形成し、この保護膜上
部に窒化物半導体を成長させる。好ましくは異種基板表
面に成長させた窒化物半導体の表面に部分的に保護膜を
形成し、この保護膜上部に窒化物半導体を成長させる。
保護膜の材料としては 保護膜表面に窒化物半導体が成
長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を
好ましく選択し、例えば酸化ケイ素(SiOX)、窒化
ケイ素(SiXY)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジ
ルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、またこれ
らの多層膜の他、1200℃以上の融点を有する金属等
を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物
半導体の成長温度600℃〜1100℃の温度にも耐
え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しに
くい性質を有している。保護膜材料を窒化物半導体表面
に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、CVD等の気
相製膜技術を用いることができる。また、部分的(選択
的)に形成するためには、フォトリソグラフィー技術を
用いて、所定の形状を有するフォトマスクを作製し、そ
のフォトマスクを介して、前記材料を気相製膜すること
により、所定の形状を有する保護膜を形成できる。保護
膜の形状は特に問うものではなく、例えばドット、スト
ライプ、碁盤面状の形状で形成できるが、後に述べるよ
うに、ストライプ状の形状で特定の面方位に形成するこ
とが望ましい。
That is, a protective film is partially formed on the heterogeneous substrate (not necessarily in contact with it), and a nitride semiconductor is grown on the protective film. Preferably, a protective film is formed partially on the surface of the nitride semiconductor grown on the surface of the heterogeneous substrate, and the nitride semiconductor is grown on the protective film.
As the material of the protective film, a material having a property that the nitride semiconductor does not grow or hardly grows on the surface of the protective film is preferably selected. For example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (Si x N y ), titanium oxide Oxides such as (TiO x ) and zirconium oxide (ZrO x ), nitrides, and multi-layer films thereof, as well as metals having a melting point of 1200 ° C. or more can be used. These protective film materials have the property of withstanding the growth temperature of the nitride semiconductor of 600 ° C. to 1100 ° C. and preventing the nitride semiconductor from growing or hardly growing on the surface thereof. In order to form the protective film material on the surface of the nitride semiconductor, for example, a vapor deposition technique such as vapor deposition, sputtering, or CVD can be used. Further, in order to partially (selectively) form, a photomask having a predetermined shape is manufactured by using a photolithography technique, and the material is vapor-phase-formed through the photomask. A protective film having a predetermined shape can be formed. The shape of the protective film is not particularly limited. For example, the protective film can be formed in a dot, stripe, or checkerboard shape. However, as described later, it is preferable that the protective film be formed in a stripe shape with a specific plane orientation.

【0019】図2乃至図6は、第1の工程における窒化
物半導体ウェーハの各構造を示す模式的な断面図であ
る。以下この図面を元にして好ましい第1の工程の作用
を説明する。なお図において、1は異種基板、2は窒化
物半導体層(保護膜を形成する下地層となる層)、3は
基板となる第1の窒化物半導体層、11は第1の保護膜
を示す。
FIGS. 2 to 6 are schematic sectional views showing respective structures of the nitride semiconductor wafer in the first step. The operation of the preferred first step will be described below with reference to this drawing. In the drawings, reference numeral 1 denotes a heterogeneous substrate, 2 denotes a nitride semiconductor layer (layer serving as a base layer for forming a protective film), 3 denotes a first nitride semiconductor layer serving as a substrate, and 11 denotes a first protective film. .

【0020】第1の工程では、図2に示すように、異種
基板1上部に窒化物半導体層2を成長させた表面に、第
1の保護膜11を部分的に形成する。また、異種基板1
と窒化物半導体層2の間に、格子定数不整を緩和する低
温成長バッファ層(図示されていない)を形成しても良
い。バッファ層を形成すると、結晶欠陥を更に少なくす
ることができ好ましい。異種基板上部に成長させられる
窒化物半導体層2としては、アンドープ(不純物をドー
プしない状態、undope)のGaN、n型不純物をドープ
したGaN、又はSiをドープしたGaNを用いること
ができる。窒化物半導体層2は、高温、具体的には90
0℃〜1100℃、好ましくは1050℃で異種基板上
に成長され、膜厚は1〜20μm、好ましくは2〜10
μmである。この範囲であると本発明の効果を得るのに
好ましい。異種基板1と窒化物半導体層2との間に形成
されるバッファ層は、AlN、GaN、AlGaN、I
nGaN等が900℃以下200℃以上の温度で、膜厚
数十オングストローム〜数百オングストロームで成長さ
れる。このバッファ層は異種基板1と窒化物半導体層2
との格子定数不正を緩和するために形成されるが、窒化
物半導体の成長方法、基板の種類等によっては省略する
ことも可能である。
In the first step, as shown in FIG. 2, a first protective film 11 is partially formed on the surface of the heterogeneous substrate 1 on which the nitride semiconductor layer 2 has been grown. In addition, heterogeneous substrate 1
A low-temperature growth buffer layer (not shown) may be formed between the nitride semiconductor layer 2 and the nitride semiconductor layer 2 for alleviating lattice mismatch. Forming a buffer layer is preferable because crystal defects can be further reduced. As the nitride semiconductor layer 2 grown on the heterogeneous substrate, undoped (undoped) GaN, GaN doped with an n-type impurity, or GaN doped with Si can be used. The nitride semiconductor layer 2 has a high temperature, specifically 90
It is grown on a heterogeneous substrate at 0 ° C. to 1100 ° C., preferably 1050 ° C., and has a thickness of 1 to 20 μm, preferably 2 to 10 μm.
μm. This range is preferable for obtaining the effects of the present invention. The buffer layer formed between the heterogeneous substrate 1 and the nitride semiconductor layer 2 is made of AlN, GaN, AlGaN,
nGaN or the like is grown at a temperature of not more than 900 ° C. and not less than 200 ° C. with a film thickness of several tens angstroms to several hundred angstroms. This buffer layer is composed of a heterogeneous substrate 1 and a nitride semiconductor layer 2
Although it is formed in order to alleviate the lattice constant irregularity, it may be omitted depending on the nitride semiconductor growth method, the type of the substrate, and the like.

【0021】また、本発明において、第1の保護膜11
は、異種基板1に直接接して形成されてもよく、異種基
板1上部に例えばZnO等の半導体層を成長させその半
導体層の上に形成されてもよい。異種基板1に第1の保
護膜11を直接形成した場合、図6に示すように、第1
の保護膜11を異種基板1上に直接形成した場合、隣接
する第1の保護膜11と第1の保護膜11との間にバッ
ファ層を形成してもよい。この場合に用いられるバッフ
ァ層は、上記異種基板1と窒化物半導体層2との間に形
成されるバッファ層と同様のものが挙げられる。
In the present invention, the first protective film 11
May be formed in direct contact with the heterogeneous substrate 1, or may be formed on the heterogeneous substrate 1 by growing a semiconductor layer such as ZnO on the semiconductor layer. When the first protective film 11 is directly formed on the heterogeneous substrate 1, as shown in FIG.
When the protective film 11 is formed directly on the heterogeneous substrate 1, a buffer layer may be formed between the adjacent first protective films 11. The buffer layer used in this case is the same as the buffer layer formed between the heterogeneous substrate 1 and the nitride semiconductor layer 2.

【0022】次に、図3に示すように、窒化物半導体層
2の上部に第1の保護膜11を形成した上部に第1の窒
化物半導体3を成長させる。第1の窒化物半導体3とし
ては、好ましくはアンドープ(不純物をドープしない状
態、undope)のGaN、若しくはn型不純物をドープし
たGaNが挙げられる。このように異種基板1の上に成
長させた窒化物半導体層2上に第1の保護膜11を形成
し、その上に第1の窒化物半導体3を成長させると、第
1の保護膜11の上には窒化物半導体3が成長せず、露
出した窒化物半導体層2上に第1の窒化物半導体3が選
択成長される。さらに成長を続けると、第1の窒化物半
導体3が第1の保護膜11の上に覆いかぶさって行き、
隣接した第1の窒化物半導体3同士でつながって、図4
に示すように、あたかも第1の保護膜11の上に第1の
窒化物半導体3が成長したかのような状態となる。
Next, as shown in FIG. 3, the first nitride semiconductor 3 is grown on the first protective film 11 formed on the nitride semiconductor layer 2. Preferably, the first nitride semiconductor 3 is undoped (undoped) GaN or GaN doped with an n-type impurity. When the first protective film 11 is formed on the nitride semiconductor layer 2 thus grown on the heterogeneous substrate 1 and the first nitride semiconductor 3 is grown thereon, the first protective film 11 The first nitride semiconductor 3 is selectively grown on the exposed nitride semiconductor layer 2 without growing the nitride semiconductor 3 thereon. As the growth continues, the first nitride semiconductor 3 covers the first protective film 11 and
As shown in FIG. 4, adjacent first nitride semiconductors 3 are connected to each other.
As shown in (1), it is as if the first nitride semiconductor 3 had grown on the first protective film 11.

【0023】このように成長した第1の窒化物半導体層
3の表面に現れる結晶欠陥(貫通転位)は、従来のもの
に比べ非常に少なくなる。しかし、第1の窒化物半導体
3の成長初期における窓部の上部と保護膜の上部のそれ
ぞれの結晶欠陥の数は著しく異なる。つまり、異種基板
上部の第1の保護膜11が形成されていない部分(窓
部)に成長されている第1の窒化物半導体3の部分に
は、異種基板1と窒化物半導体層2との界面から結晶欠
陥が転位し易い傾向にあるが、第1の保護膜11の上部
に成長されている第1の窒化物半導体層3の部分には、
縦方向へ転位している結晶欠陥はほとんどない。
The crystal defects (threading dislocations) appearing on the surface of the first nitride semiconductor layer 3 grown in this manner are extremely small as compared with the conventional one. However, the number of crystal defects in the upper portion of the window and the number of crystal defects in the upper portion of the protective film in the initial stage of growth of the first nitride semiconductor 3 are significantly different. In other words, the portion of the first nitride semiconductor 3 grown on the portion (window portion) where the first protective film 11 is not formed on the heterogeneous substrate is formed between the heterogeneous substrate 1 and the nitride semiconductor layer 2. Although crystal defects tend to be easily dislocated from the interface, the portion of the first nitride semiconductor layer 3 grown on the first protective film 11 includes:
There are almost no crystal defects displaced in the vertical direction.

【0024】例えば、図4に示すように、異種基板1か
ら第1の窒化物半導体層3の表面に向かって示している
複数の細線によって結晶欠陥を模式的に示している。こ
のような結晶欠陥は、異種基板1と窒化物半導体層2と
の格子定数のミスマッチにより、異種基板1の上に成長
される窒化物半導体層2に、非常に多く発生する。そし
て、第1の保護膜11が形成されていない窓部の結晶欠
陥のほとんどは、第1の窒化物半導体3を成長中、異種
基板と窒化物半導体層2の界面から表面方向に向かって
転位をする。しかし、この窓部から発生した結晶欠陥
は、図4に示すように、第1の窒化物半導体層3の成長
初期にはほとんどが転位しているが、第1の窒化物半導
体層3の成長を続けるうちに、途中で表面方向に転位す
る結晶欠陥の数が激減する傾向にあり、第1の窒化物半
導体層3の表面まで転位する結晶欠陥が非常に少なくな
る。一方、第1の保護膜11上部に形成された第1の窒
化物半導体層3は基板から成長したものではなく、隣接
する第1の窒化物半導体層3が成長中につながったもの
であるため、結晶欠陥の数は基板から成長したものに比
べて、成長のはじめから非常に少なくなる。この結果、
成長終了後の第1の窒化物半導体層3の表面(保護膜上
部及び窓部上部)には、転位した結晶欠陥が非常に少な
く、あるいは透過型電子顕微鏡観察によると保護膜上部
にはほとんど見られなくなる。この結晶欠陥の非常に少
ない第1の窒化物半導体層3を、素子構造となる窒化物
半導体の成長基板に用いることにより、従来よりも結晶
性に優れた窒化物半導体素子を実現できる。
For example, as shown in FIG. 4, crystal defects are schematically shown by a plurality of fine lines extending from the heterogeneous substrate 1 to the surface of the first nitride semiconductor layer 3. Such crystal defects occur very frequently in the nitride semiconductor layer 2 grown on the heterogeneous substrate 1 due to a mismatch in lattice constant between the heterogeneous substrate 1 and the nitride semiconductor layer 2. Most of the crystal defects in the window where the first protective film 11 is not formed are dislocations from the interface between the heterogeneous substrate and the nitride semiconductor layer 2 toward the surface during the growth of the first nitride semiconductor 3. do. However, as shown in FIG. 4, most of the crystal defects generated from the windows are dislocated in the initial growth of the first nitride semiconductor layer 3, but the growth of the first nitride semiconductor layer 3 During the process, the number of crystal defects dislocations in the surface direction on the way tends to decrease drastically, and the number of crystal defects dislocations to the surface of the first nitride semiconductor layer 3 becomes very small. On the other hand, the first nitride semiconductor layer 3 formed on the first protective film 11 is not grown from the substrate, but is formed by connecting the adjacent first nitride semiconductor layers 3 during growth. In addition, the number of crystal defects is very small from the beginning of the growth as compared with that grown from the substrate. As a result,
After the completion of the growth, the surface of the first nitride semiconductor layer 3 (the upper part of the protective film and the upper part of the window) has very few dislocation crystal defects or almost no upper part of the upper part of the protective film according to transmission electron microscope observation. Can not be. By using the first nitride semiconductor layer 3 having very few crystal defects as a growth substrate for a nitride semiconductor having an element structure, a nitride semiconductor element having better crystallinity than before can be realized.

【0025】また、第1の窒化物半導体層3の表面の窓
部及び保護膜上部共に結晶欠陥が少なくなるが、成長初
期に結晶欠陥が多かった窓部の上部に成長した第1の窒
化物半導体層3の表面には、保護膜上部に成長したもの
に比べやや結晶欠陥が多くなる傾向がある。このことは
恐らく、窓部に成長する第1の窒化物半導体層3の成長
の途中で、多くの結晶欠陥の転位が止まったものの、わ
ずかに転位を続ける結晶欠陥が窓部のほぼ直上部に転位
し易い傾向があるのではないかと考えられる。
Although the number of crystal defects is reduced both in the window on the surface of the first nitride semiconductor layer 3 and in the upper portion of the protective film, the first nitride grown in the upper portion of the window in which the number of crystal defects was large in the initial stage of growth. On the surface of the semiconductor layer 3, crystal defects tend to be slightly larger than those grown on the protective film. This is probably because during the growth of the first nitride semiconductor layer 3 growing in the window portion, the dislocations of many crystal defects stopped, but the crystal defects that continued to be slightly dislocations almost immediately above the window portion. It is considered that dislocation tends to occur easily.

【0026】また、結晶欠陥の転位の傾向は、保護膜を
形成した後、第1の窒化物半導体3を成長させる際に3
族源のガスに対する窒素源のガスのモル比(V/III
比)を変えることにより調整できる。まずV/III比を
2000以下にする場合は、結晶欠陥の転位がまっすぐ
表面まで達しなく、成長の途中で転位が90°曲がり易
くなるようである。これに対し、V/III比を2000
より大きくする場合は、結晶欠陥が表面方に転位を続け
るのもが、V/III比を2000以下にする場合に比
べ、多くなりやすい。このような結晶欠陥の転位の違い
による結晶欠陥の数を表面透過型電子顕微鏡観察による
と、V/III比が2000以下の場合は、窓部上部のみ
に転位が観測され保護膜上部にはほとんど欠陥が見られ
なくなり、例えば窓部上部の結晶欠陥濃度が、ほぼ10
8個/cm2以下、好ましくは107個/cm2以下であ
り、保護膜上部では、ほぼ107個/cm2以下、好まし
くは106個/cm2以下である。また、V/III比が2
000より大きい場合は、窓部及び保護膜上部両方に渡
って転位が見られ結晶欠陥の数が例えば108個/cm2
以上となる傾向がある。V/III比の好ましい値として
は2000〜100、1500〜500であり、この範
囲であると、上記結晶欠陥の転位が表面まで転位しにく
くなり良好な結晶性を有する窒化物半導体を得られやす
い。
Further, the tendency of dislocation of crystal defects is determined when growing the first nitride semiconductor 3 after forming the protective film.
Molar ratio of nitrogen source gas to group source gas (V / III
Ratio) can be adjusted. First, when the V / III ratio is set to 2000 or less, dislocations of crystal defects do not reach straight to the surface, and the dislocations are likely to bend by 90 ° during growth. In contrast, the V / III ratio was 2000
When it is larger, the crystal defects continue to be dislocated to the surface, but the number tends to increase more than when the V / III ratio is 2000 or less. According to the surface transmission electron microscope observation of the number of crystal defects caused by the difference in the dislocations of the crystal defects, when the V / III ratio is 2000 or less, dislocations are observed only in the upper part of the window and almost no more in the upper part of the protective film. Defects are no longer seen, for example, when the crystal defect concentration at the
The number is not more than 8 / cm 2 , preferably not more than 10 7 / cm 2 , and is approximately not more than 10 7 / cm 2 , preferably not more than 10 6 / cm 2 above the protective film. When the V / III ratio is 2
If it is larger than 000, dislocations are observed both over the window and over the protective film, and the number of crystal defects is, for example, 10 8 / cm 2.
There is a tendency to be above. Preferred values of the V / III ratio are 2000 to 100 and 1500 to 500. When the ratio is in this range, the dislocation of the crystal defect does not easily reach the surface, and a nitride semiconductor having good crystallinity is easily obtained. .

【0027】また、本発明において、図5に示すよう
に、第2の保護膜12を第1の窒化物半導体層3の表面
の結晶欠陥が現れ易いと思われる部分や、表面に現れた
結晶欠陥を覆うように設けることが好ましい。このよう
に第2の保護膜12を設けると、第1の窒化物半導体層
3の表面に現れた結晶欠陥の更なる転位が防止でき、更
に素子構造を形成した後で窓部上部の転位を中断した結
晶欠陥がレーザ素子等を作動中に活性層等へ再転位する
恐れが考えられるが、これを防止でき好ましい。本発明
において、第2の保護膜12を形成する位置は特に限定
されず、第1の窒化物半導体層3の表面に部分的に、好
ましくは現れている結晶欠陥の上に形成され、更に好ま
しくは第1の窒化物半導体層3の成長初期に結晶欠陥が
存在する窓部の上部である。例えば、第2の保護膜12
の形成する位置の一実施の形態として、図5に示すよう
に、第1の窒化物半導体層3の窓部の上部に、第2の保
護膜12を形成する。つまり、基板と窒化物半導体層と
の界面から発生した格子欠陥が表面に現れ易いと考えら
れる窓部の上部の第1の窒化物半導体層3の表面に第2
の保護膜12を形成し、第1の保護膜11上部に成長さ
れている第1の窒化物半導体層3の表面を露出させるこ
とが望ましい。このように第2の保護膜12を、第1の
保護膜11の窓部に対応する第1の窒化物半導体層3の
表面に形成することにより、窓部から結晶欠陥が転位を
続けた場合、結晶欠陥の転位を第2の保護膜12で止め
ることができる。
In the present invention, as shown in FIG. 5, the second protective film 12 is formed by forming a portion of the surface of the first nitride semiconductor layer 3 where crystal defects are likely to appear or a crystal appearing on the surface. It is preferable to provide so as to cover the defect. By providing the second protective film 12 in this manner, further dislocations of crystal defects appearing on the surface of the first nitride semiconductor layer 3 can be prevented. It is conceivable that the interrupted crystal defect may relocate to the active layer or the like during operation of the laser element or the like, but this can be preferably prevented. In the present invention, the position where the second protective film 12 is formed is not particularly limited, and the second protective film 12 is formed partially on the surface of the first nitride semiconductor layer 3, preferably on a crystal defect which appears, more preferably. Is the upper part of the window where crystal defects exist in the initial growth of the first nitride semiconductor layer 3. For example, the second protective film 12
As an embodiment of the position where is formed, as shown in FIG. 5, a second protective film 12 is formed above the window of the first nitride semiconductor layer 3. In other words, the lattice defect generated from the interface between the substrate and the nitride semiconductor layer is likely to appear on the surface.
It is desirable to form the protective film 12 and expose the surface of the first nitride semiconductor layer 3 grown on the first protective film 11. By forming the second protective film 12 on the surface of the first nitride semiconductor layer 3 corresponding to the window of the first protective film 11 as described above, when the crystal defects continue to be dislocated from the window. The dislocation of crystal defects can be stopped by the second protective film 12.

【0028】なお、図5では図4で成長させた第1の窒
化物半導体層3表面の凹凸を少なくするため、研磨して
フラットな面としているが、特に研磨せず、そのまま第
1の窒化物半導体層3の表面に第2の保護膜12を形成
しても良い。好ましくは第2の保護膜12の面積を第1
の保護膜11の窓の面積よりも大きくする。具体的に
は、保護膜の形状をドット、ストライプ等で形成した場
合には、単位ドットの表面積、単位ストライプ幅を窓よ
りも大きくする。なぜなら、結晶欠陥は必ずしも基板か
ら垂直に転位するのではなく、斜めに入ったり、途中で
折れ曲がって転位する場合が多い。そのため第1の保護
膜11の直上部にある第1の窒化物半導体層3に結晶欠
陥が侵入してくる可能性が考えられるため、図5に示す
ように、第2の保護膜12の表面積を窓よりも大きくす
ることが望ましい。
In FIG. 5, a flat surface is polished to reduce irregularities on the surface of the first nitride semiconductor layer 3 grown in FIG. A second protective film 12 may be formed on the surface of the semiconductor layer 3. Preferably, the area of the second protective film 12 is the first
Is larger than the area of the window of the protective film 11. Specifically, when the shape of the protective film is formed by dots, stripes, or the like, the surface area of the unit dot and the unit stripe width are made larger than those of the window. This is because, in many cases, crystal defects do not necessarily dislocate perpendicularly from the substrate, but rather displace obliquely or bend halfway. Therefore, it is conceivable that a crystal defect may enter the first nitride semiconductor layer 3 immediately above the first protective film 11, so that the surface area of the second protective film 12 is reduced as shown in FIG. Is preferably larger than the window.

【0029】次に、第2の保護膜12が形成された第1
の窒化物半導体層3上に第2の窒化物半導体層4を成長
させると、同様に、最初は第2の保護膜12の上には第
2の窒化物半導体層4は成長せず、第1の窒化物半導体
層3の上にのみ選択成長する。第1の窒化物半導体層3
の上に成長させる第2の窒化物半導体層4は、同じ窒化
物半導体であり、しかも結晶欠陥の少ない第1の窒化物
半導体層3の上に成長させているので、格子定数のミス
マッチによる結晶欠陥が発生しにくい。第1の窒化物半
導体層3の表面に結晶欠陥が少ないため、第2の窒化物
半導体層4に転位する結晶欠陥も少なくなり、第1の窒
化物半導体層3よりもさらに結晶性の良い第2の窒化物
半導体層4が成長できる。なお本発明の第1の工程にお
いて、第1の窒化物半導体層3、第2の窒化物半導体層
4、いずれの窒化物半導体も基板として用いることがで
きる。
Next, the first protection film 12 on which the second protection film 12 is formed is formed.
Similarly, when the second nitride semiconductor layer 4 is grown on the nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 4 does not grow on the second protective film 12 first, Selective growth is performed only on one nitride semiconductor layer 3. First nitride semiconductor layer 3
The second nitride semiconductor layer 4 grown on the first nitride semiconductor layer 3 is made of the same nitride semiconductor and has few crystal defects. Defects are less likely to occur. Since there are few crystal defects on the surface of the first nitride semiconductor layer 3, the number of crystal defects dislocated to the second nitride semiconductor layer 4 is also small, and the second nitride semiconductor layer 3 has better crystallinity than the first nitride semiconductor layer 3. 2 can be grown. Note that, in the first step of the present invention, the first nitride semiconductor layer 3, the second nitride semiconductor layer 4, and any of the nitride semiconductors can be used as the substrate.

【0030】さらに好ましい態様として、保護膜の形状
をストライプとする。ストライプとすることにより、窒
化物半導体の異方性成長が利用できる。即ち、窒化物半
導体は異種基板上では、ある一定の方位に対して成長し
やすい傾向にあるため、成長しやすい方向に対して垂直
なストライプ状の保護膜を設けることにより、保護膜上
部で窒化物半導体がつながって成長しやすい傾向にあ
る。なお保護膜の面積は露出している異種基板の面積
(窓)よりも大きくする方が格子欠陥の少ない窒化物半
導体が得られやすい。
In a further preferred embodiment, the shape of the protective film is a stripe. By forming a stripe, anisotropic growth of a nitride semiconductor can be used. That is, the nitride semiconductor tends to grow in a certain direction on a heterogeneous substrate. Therefore, by providing a stripe-shaped protective film perpendicular to the direction in which the nitride semiconductor is easily grown, the nitride semiconductor is nitrided on the protective film. Product semiconductors tend to connect and grow easily. When the area of the protective film is larger than the exposed area (window) of the heterogeneous substrate, a nitride semiconductor with less lattice defects can be easily obtained.

【0031】第1の工程の特に好ましい態様として、C
面(0001)を主面とするサファイア基板上部にその
サファイア基板のA面(112−0)に対して垂直なス
トライプ形状を有する保護膜を形成する。若しくはA面
(112−0)を主面とするサファイア基板上部にその
サファイア基板のR(11−02)面に対して垂直なス
トライプ形状を有する保護膜を形成する。又は(11
1)面を主面とするスピネル基板上部にそのスピネル基
板の(110)面に対して垂直なストライプ形状を有す
る保護膜を形成する。いずれの工程を用いても良い。そ
して前記保護膜上部に窒化物半導体を成長させる。図7
は異種基板の主面側の模式的な平面図である。この図は
サファイアC面を主面とし、オリエンテーションフラッ
ト(オリフラ)面をA面としている。この図に示すよう
に保護膜のストライプをA面に対して垂直方向で、互い
に平行なストライプを形成する。図7に示すように、サ
ファイアC面上に窒化物半導体を選択成長させた場合、
窒化物半導体は面内ではA面に対して平行な方向で成長
しやすく、垂直な方向では成長しにくい傾向にある。従
ってA面に対して垂直な方向でストライプを設けると、
ストライプとストライプの間の窒化物半導体がつながっ
て成長しやすくなり、図2〜図5に示した結晶成長が容
易に可能となる。
As a particularly preferred embodiment of the first step, C
A protective film having a stripe shape perpendicular to the A surface (112-0) of the sapphire substrate is formed on the sapphire substrate having the surface (0001) as a main surface. Alternatively, a protective film having a stripe shape perpendicular to the R (11-02) plane of the sapphire substrate is formed on the sapphire substrate having the A-plane (112-0) as a main surface. Or (11
1) A protective film having a stripe shape perpendicular to the (110) plane of the spinel substrate is formed on the spinel substrate whose main surface is the surface. Either step may be used. Then, a nitride semiconductor is grown on the protective film. FIG.
FIG. 3 is a schematic plan view of a main surface side of a heterogeneous substrate. In this figure, the sapphire C plane is the main surface, and the orientation flat (orientation flat) surface is the A surface. As shown in this figure, stripes of the protective film are formed in a direction perpendicular to the A-plane and parallel to each other. As shown in FIG. 7, when a nitride semiconductor is selectively grown on a sapphire C plane,
The nitride semiconductor tends to grow in a direction parallel to the A-plane in the plane, and hardly grows in a direction perpendicular to the A-plane. Therefore, when a stripe is provided in a direction perpendicular to the A plane,
The nitride semiconductors between the stripes are connected and grow easily, and the crystal growth shown in FIGS. 2 to 5 can be easily performed.

【0032】同様に、A面を主面とするサファイア基板
を用いた場合についても、例えばオリフラ面をR面とす
ると、R面に垂直方向に対して、互いに平行なストライ
プを形成することにより、ストライプ幅方向に対して窒
化物半導体が成長しやすい傾向にあるため、結晶欠陥の
少ない窒化物半導体層を成長させることができる。
Similarly, when a sapphire substrate having the A-plane as the main surface is used, for example, when the orientation flat surface is the R-plane, stripes parallel to each other are formed in the direction perpendicular to the R-plane. Since the nitride semiconductor tends to grow in the stripe width direction, a nitride semiconductor layer with few crystal defects can be grown.

【0033】またスピネル(MgAl24)に対して
も、窒化物半導体の成長は異方性がああり、窒化物半導
体の成長面を(111)面とし、オリフラ面を(11
0)面とすると、窒化物半導体は(110)面に対して
平行方向に成長しやすい傾向があある。従って(11
0)面に対して垂直な方向にストライプを形成すると窒
化物半導体層と隣接する窒化物半導体同士が保護膜の上
部でつながって、結晶欠陥の少ない結晶を成長できる。
上記説明は図5のように第2の保護膜12を形成する場
合も同様に、第1の保護膜11と平行方向のストライプ
を第1の窒化物半導体層3表面に形成することが望まし
い。なおスピネルは立方晶であるため特に図示していな
い。
Also with respect to spinel (MgAl 2 O 4 ), the growth of the nitride semiconductor is anisotropic, and the growth surface of the nitride semiconductor is (111) and the orientation flat is (11).
When the plane is the 0) plane, the nitride semiconductor tends to grow in a direction parallel to the (110) plane. Therefore (11
When a stripe is formed in a direction perpendicular to the 0) plane, the nitride semiconductor layer and the adjacent nitride semiconductor are connected to each other at the upper portion of the protective film, and a crystal having few crystal defects can be grown.
In the above description, similarly to the case where the second protective film 12 is formed as shown in FIG. 5, it is desirable to form a stripe parallel to the first protective film 11 on the surface of the first nitride semiconductor layer 3. The spinel is cubic and is not shown.

【0034】図8は図7の一部を拡大して示す模式的な
平面図である。この図に示すように窒化物半導体はC面
を主面としA面をオリフラ面としたサファイア基板上で
は、保護膜上部に成長させる窒化物半導体基板のM面が
オリフラ面に対して平行な方向で成長する傾向にある。
そのため、活性層を有する窒化物半導体素子をその窒化
物半導体基板の上に成長させた際に、活性層部分を保護
膜上部に位置するように設計すると、結晶性の良い窒化
物半導体素子を成長させることができる。しかも、第4
の工程において、窒化物半導体基板をそのストライプ状
の保護膜に対して垂直な方向で劈開すると、窒化物半導
体素子はM面で劈開されるために、レーザ素子を作製す
る場合には、平行な共振面を容易に得ることができる。
なお、図8はC面を主面とするサファイアについて示す
ものであるが、同様にA面を主面とするサファイア、
(111)面を主面とするスピネルについても同様であ
る。
FIG. 8 is a schematic plan view showing a part of FIG. 7 in an enlarged manner. As shown in this figure, on a sapphire substrate having a C-plane as a main surface and an A-plane as an orientation flat surface, the M-plane of the nitride semiconductor substrate grown on the protective film is in a direction parallel to the orientation flat surface. Tend to grow in.
Therefore, when a nitride semiconductor device having an active layer is grown on the nitride semiconductor substrate, if the active layer portion is designed to be located above the protective film, a nitride semiconductor device having good crystallinity will be grown. Can be done. And the fourth
In the step, when the nitride semiconductor substrate is cleaved in a direction perpendicular to the stripe-shaped protective film, the nitride semiconductor device is cleaved on the M plane. A resonance surface can be easily obtained.
FIG. 8 shows sapphire having a C-plane as a main surface, but similarly, sapphire having a A-plane as a main surface,
The same applies to a spinel having a (111) plane as a main surface.

【0035】[0035]

【実施例】【Example】

[実施例1]本実施例はMOVPE(有機金属気相成長
法)について示すものであるが、本発明の方法は、MO
VPE法に限るものではなく、例えばHVPE(ハライ
ド気相成長法)、MBE(分子線気相成長法)等、窒化
物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適
用できる。
[Example 1] This example shows MOVPE (metal organic chemical vapor deposition), but the method of the present invention
The method is not limited to the VPE method, and all methods known for growing nitride semiconductors, such as HVPE (halide vapor phase epitaxy) and MBE (molecular beam vapor phase epitaxy), can be applied.

【0036】(第1の工程)2インチφ、C面を主面と
し、オリフラ面をA面とするサファイア基板上に、温度
510℃でGaNよりなるバッファ層(図示されていな
い)を150オングストロームと、温度1050℃でア
ンドープGaN層2を3μm成長させ、その上にストラ
イプ状のフォトマスクを形成し、CVD装置によりスト
ライプ幅10μm、ストライプ間隔(窓)6μmのSi
2よりなる保護膜を0.1μmの膜厚で形成する。ス
トライプ方向は図7に示すように、オリフラ面に対して
垂直な方向で形成する。
(First Step) A buffer layer (not shown) made of GaN at a temperature of 510 ° C. is formed on a sapphire substrate having a 2-inch φ, C-plane as a main surface and an orientation flat surface as an A-plane at 150 Å. The undoped GaN layer 2 is grown at a temperature of 1050 ° C. to a thickness of 3 μm, and a stripe-shaped photomask is formed thereon.
A protective film made of O 2 is formed with a thickness of 0.1 μm. The stripe direction is formed in a direction perpendicular to the orientation flat surface as shown in FIG.

【0037】保護膜形成後、基板を反応容器内にセット
し、温度を1050℃まで上昇させ、原料ガスにTM
G、アンモニア、シランガスを用い、Siを1×1018
/cm3ドープしたGaNよりなる窒化物半導体層を15
0μmの膜厚で成長させる。基板となる窒化物半導体層
の好ましい成長膜厚は、先に形成した保護膜11の膜
厚、大きさによっても異なるが、保護膜11の表面を覆
い、保護膜上部にまで成長させるために、保護膜の膜厚
に対して10倍以上、さらに好ましくは50倍以上の膜
厚で成長させることが望ましい。また、保護膜の大きさ
は特に限定しないが、例えばストライプで形成した場
合、好ましいストライプ幅は0.5〜100μm、さら
に好ましくは1μm〜50μm程度の幅で形成すること
が望ましく、ストライプピッチは、ストライプ幅よりも
狭くすることが望ましい。つまり保護膜の面積を窓より
も大きくする方が、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層が
得られる。
After forming the protective film, the substrate was set in a reaction vessel, the temperature was raised to 1050 ° C., and TM was added to the source gas.
G, ammonia, silane gas, and Si is 1 × 10 18
/ Cm 3 doped GaN nitride semiconductor layer
It is grown to a thickness of 0 μm. The preferred growth thickness of the nitride semiconductor layer serving as a substrate depends on the thickness and size of the protective film 11 formed earlier, but in order to cover the surface of the protective film 11 and grow up to the upper part of the protective film, It is desirable to grow the protective film 10 times or more, more preferably 50 times or more the thickness of the protective film. The size of the protective film is not particularly limited. For example, when the protective film is formed of a stripe, a preferable stripe width is 0.5 to 100 μm, more preferably a width of about 1 μm to 50 μm. It is desirable that the width be smaller than the stripe width. In other words, when the area of the protective film is larger than that of the window, a nitride semiconductor layer with less crystal defects can be obtained.

【0038】窒化物半導体層成長後、ウェーハを反応容
器から取り出し、窒化物半導体層の表面をラッピングし
て鏡面状とし、SiドープGaNよりなる窒化物半導体
基板を得る。
After the growth of the nitride semiconductor layer, the wafer is taken out of the reaction vessel, and the surface of the nitride semiconductor layer is wrapped to a mirror surface to obtain a nitride semiconductor substrate made of Si-doped GaN.

【0039】(第2の工程)次にSiドープGaN基板
を作製したウェーハを再度MOCVD装置の反応容器に
移送し、レーザ素子構造となる窒化物半導体層を基板上
に成長させる。図9は本発明の窒化物半導体素子の一構
造を示す模式断面図であり具体的にはレーザ素子の構造
を示している。このレーザ素子は共振面に平行な方向、
即ち窒化物半導体基板のM面に平行な方向で素子を切断
した際の図を示している。図9を元に第2の工程以下を
説明する。
(Second Step) Next, the wafer on which the Si-doped GaN substrate has been produced is transferred again to the reaction vessel of the MOCVD apparatus, and a nitride semiconductor layer for forming a laser element structure is grown on the substrate. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing one structure of the nitride semiconductor device of the present invention, and specifically shows the structure of a laser device. This laser element has a direction parallel to the resonance plane,
That is, a diagram when the element is cut in a direction parallel to the M-plane of the nitride semiconductor substrate is shown. The second and subsequent steps will be described based on FIG.

【0040】SiドープGaNを主面とするウェーハを
MOVPE装置の反応容器内にセットし、1050℃で
このGaN基板40の上にSiを1×1018/cm3ドー
プしたGaNよりなる第2のバッファ層41を2μm成
長させる。第2のバッファ層41は900℃以上の高温
で成長させる窒化物半導体単結晶層であり、従来より成
長される基板と窒化物半導体との格子不整合を緩和する
ための低温で成長させるバッファ層とは区別される。ま
た、この第2のバッファ層41は膜厚100オングスト
ローム以下、さらに好ましくは70オングストローム以
下、最も好ましくは50オングストローム以下の互いに
組成が異なる窒化物半導体を積層してなる歪超格子層と
することが好ましい。歪超格子層とすると、単一窒化物
半導体層の結晶性が良くなるため、高出力なレーザ素子
が実現できる。
A wafer having Si-doped GaN as a main surface is set in a reaction vessel of a MOVPE apparatus, and a second GaN film of GaN doped with 1 × 10 18 / cm 3 of Si on the GaN substrate 40 at 1050 ° C. The buffer layer 41 is grown by 2 μm. The second buffer layer 41 is a nitride semiconductor single crystal layer grown at a high temperature of 900 ° C. or more, and a buffer layer grown at a low temperature to reduce lattice mismatch between a conventionally grown substrate and the nitride semiconductor. Is distinguished. The second buffer layer 41 may be a strained superlattice layer formed by laminating nitride semiconductors having different thicknesses of 100 angstrom or less, more preferably 70 angstrom or less, and most preferably 50 angstrom or less. preferable. When the strained superlattice layer is used, the crystallinity of the single nitride semiconductor layer is improved, so that a high-power laser element can be realized.

【0041】(クラック防止層42)次にSiを5×1
18/cm3ドープしたIn0.1Ga0.9Nよりなるクラッ
ク防止層42を500オングストロームの膜厚で成長さ
せる。このクラック防止層42はInを含むn型の窒化
物半導体、好ましくはInGaNで成長させることによ
り、Alを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを
防止することができる。クラック防止層は100オング
ストローム以上、0.5μm以下の膜厚で成長させるこ
とが好ましい。100オングストロームよりも薄いと前
記のようにクラック防止として作用しにくく、0.5μ
mよりも厚いと、結晶自体が黒変する傾向にある。な
お、このクラック防止層42は省略することもできる。
(Crack Prevention Layer 42) Next, 5 × 1 of Si
A crack preventing layer 42 of In 18 Ga 0.9 N doped with 0 18 / cm 3 is grown to a thickness of 500 Å. The crack prevention layer 42 is made of an n-type nitride semiconductor containing In, preferably InGaN, so that cracks can be prevented from entering the nitride semiconductor layer containing Al. The crack preventing layer is preferably grown to a thickness of 100 Å or more and 0.5 μm or less. If it is thinner than 100 Å, it is difficult to act as a crack prevention as described above.
If it is thicker than m, the crystals themselves tend to turn black. The crack prevention layer 42 can be omitted.

【0042】(n側クラッド層43)次に、Siを5×
1018/cm3ドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる
第1の層、20オングストロームと、アンドープ(undo
pe)のGaNよりなる第2の層、20オングストローム
とを交互に100層積層してなる総膜厚0.4μmの超
格子構造とする。n側クラッド層43はキャリア閉じ込
め層、及び光閉じ込め層として作用し、Alを含む窒化
物半導体、好ましくはAlGaNを含む超格子層とする
ことが望ましく、超格子層全体の膜厚を100オングス
トローム以上、2μm以下、さらに好ましくは500オ
ングストローム以上、1μm以下で成長させることが望
ましい。超格子層にするとクラックのない結晶性の良い
キャリア閉じ込め層が形成できる。
(N-side cladding layer 43) Next, Si was added to 5 ×
A first layer of 10 18 / cm 3 doped n-type Al 0.2 Ga 0.8 N, 20 Å;
A superlattice structure having a total film thickness of 0.4 μm is formed by alternately laminating 100 second layers composed of GaN of pe) and 20 angstroms. The n-side cladding layer 43 functions as a carrier confinement layer and a light confinement layer, and is preferably a nitride semiconductor containing Al, preferably a superlattice layer containing AlGaN, and the total thickness of the superlattice layer is 100 Å or more. It is desirable that the growth be made at 2 μm or less, more preferably at 500 Å or more and 1 μm or less. When a superlattice layer is formed, a carrier confinement layer having good crystallinity without cracks can be formed.

【0043】(n側光ガイド層44)続いて、Siを5
×1018/cm3ドープしたn型GaNよりなるn型光ガ
イド層44を0.1μmの膜厚で成長させる。このn側
光ガイド層44は、活性層の光ガイド層として作用し、
GaN、InGaNを成長させることが望ましく、通常
100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは2
00オングストローム〜1μmの膜厚で成長させること
が望ましい。このn側光ガイド層44は通常はSi、G
e等のn型不純物をドープしてn型の導電型とするが、
特にアンドープにすることもできる。超格子とする場合
には第1の層及び第2の層の少なくとも一方にn型不純
物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
(N-side light guide layer 44)
An n-type optical guide layer 44 of n-type GaN doped with × 10 18 / cm 3 is grown to a thickness of 0.1 μm. This n-side light guide layer 44 acts as a light guide layer of the active layer,
It is desirable to grow GaN or InGaN, usually 100 Å to 5 μm, more preferably 2 Å.
It is desirable to grow with a film thickness of 00 Å to 1 μm. The n-side light guide layer 44 is usually made of Si, G
e is doped with an n-type impurity such as e to obtain an n-type conductivity type.
In particular, it can be undoped. When a superlattice is used, at least one of the first layer and the second layer may be doped with an n-type impurity or may be undoped.

【0044】(活性層45)次に、アンドープのIn0.
2Ga0.8Nよりなる井戸層、25オングストロームと、
アンドープIn0.05Ga0.95Nよりなる障壁層、50オ
ングストロームを交互に積層してなる総膜厚175オン
グストロームの多重量子井戸構造(MQW)の活性層4
5を成長させる。
(Active Layer 45) Next, undoped In0.
A well layer of 2Ga0.8N, 25 angstroms,
An active layer 4 of a multiple quantum well structure (MQW) having a total film thickness of 175 Å formed by alternately laminating barrier layers of undoped In0.05Ga0.95N and 50 Å.
Grow 5.

【0045】(p側キャップ層46)次に、バンドギャ
ップエネルギーがp側光ガイド層47よりも大きく、か
つ活性層45よりも大きい、Mgを1×1020/cm3
ープしたp型Al0.3Ga0.9Nよりなるp側キャップ層
46を300オングストロームの膜厚で成長させる。こ
のp側キャップ層46はp型としたが、膜厚が薄いた
め、n型不純物をドープしてキャリアが補償されたi
型、若しくはアンドープとしても良く、最も好ましくは
p型不純物をドープした層とする。p側キャップ層17
の膜厚は0.1μm以下、さらに好ましくは500オン
グストローム以下、最も好ましくは300オングストロ
ーム以下に調整する。0.1μmより厚い膜厚で成長さ
せると、p型キャップ層46中にクラックが入りやすく
なり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいから
である。Alの組成比が大きいAlGaN程薄く形成す
るとLD素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が0.
2以上のAlYGa1-YNであれば500オングストロー
ム以下に調整することが望ましい。p側キャップ層46
の膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストロー
ム以上の膜厚で形成することが望ましい。
[0045] (p-side cap layer 46) Next, larger than the band gap energy p-side optical guide layer 47, and larger than the active layer 45, p-type and 1 × 10 20 / cm 3 doped with Mg AlO. A p-side cap layer 46 of 3Ga0.9N is grown to a thickness of 300 Å. Although the p-side cap layer 46 is p-type, the thickness is small, so that the i-type impurity is doped with n-type impurities to compensate for the carrier.
It may be of a type or undoped, and most preferably a layer doped with a p-type impurity. p-side cap layer 17
Is adjusted to 0.1 μm or less, more preferably 500 Å or less, and most preferably 300 Å or less. This is because if the layer is grown with a thickness greater than 0.1 μm, cracks are easily formed in the p-type cap layer 46, and a nitride semiconductor layer having good crystallinity is difficult to grow. When the composition ratio of Al is larger and the thickness of AlGaN is smaller, the LD element is more likely to oscillate. For example, if the Y value is 0.
In the case of two or more Al Y Ga 1 -YN, it is desirable to adjust the thickness to 500 Å or less. p-side cap layer 46
Although the lower limit of the film thickness is not particularly limited, it is desirable to form the film with a film thickness of 10 Å or more.

【0046】(p側光ガイド層47)次に、バンドギャ
ップエネルギーがp側キャップ層46より小さい、Mg
を1×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側
光ガイド層47を0.1μmの膜厚で成長させる。この
層は、活性層の光ガイド層として作用し、n側光ガイド
層44と同じくGaN、InGaNで成長させることが
望ましい。また、この層はp側クラッド層48を成長さ
せる際のバッファ層としても作用し、100オングスト
ローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストロ
ーム〜1μmの膜厚で成長させることにより、好ましい
光ガイド層として作用する。このp側光ガイド層は通常
はMg等のp型不純物をドープしてp型の導電型とする
が、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このp
型光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層
とする場合には第1の層及び第2の層の少なくとも一方
にp型不純物をドープしてもよいし、またアンドープで
も良い。
(P-side light guide layer 47) Next, the Mg band gap energy is smaller than that of the p-side cap layer 46.
A p-side light guide layer 47 made of p-type GaN doped with 1 × 10 20 / cm 3 is grown to a thickness of 0.1 μm. This layer functions as a light guide layer of the active layer, and is preferably made of GaN or InGaN, like the n-side light guide layer 44. This layer also functions as a buffer layer when growing the p-side cladding layer 48, and functions as a preferable light guide layer by growing with a film thickness of 100 Å to 5 μm, more preferably 200 Å to 1 μm. . This p-side light guide layer is usually doped with a p-type impurity such as Mg to have a p-type conductivity type, but it is not particularly necessary to dope the impurity. Note that this p
The light guide layer may be a superlattice layer. When a superlattice layer is formed, at least one of the first layer and the second layer may be doped with a p-type impurity or may be undoped.

【0047】(p側クラッド層48)次に、Mgを1×
1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる
第1の層、20オングストロームと、Mgを1×1020
/cm3ドープしたp型GaNよりなる第2の層、20オ
ングストロームとを交互に積層してなる総膜厚0.4μ
mの超格子層よりなるp側クラッド層48を形成する。
この層はn側クラッド層43と同じくキャリア閉じ込め
層として作用し、超格子構造とすることによりp型層側
の抵抗率を低下させるための層として作用する。このp
側クラッド層48の膜厚も特に限定しないが、100オ
ングストローム以上、2μm以下、さらに好ましくは5
00オングストローム以上、1μm以下で成長させるこ
とが望ましい。
(P-side cladding layer 48) Next, Mg was added to 1 ×
10 20 / cm 3 doped with a first layer made of p-type Al0.2Ga0.8N, 20 angstroms, 1 Mg × 10 20
/ Cm 3 doped second layer of p-type GaN, 20 angstrom alternately laminated to a total film thickness of 0.4 μm
A p-side cladding layer 48 of m superlattice layers is formed.
This layer acts as a carrier confinement layer similarly to the n-side cladding layer 43, and acts as a layer for decreasing the resistivity on the p-type layer side by having a superlattice structure. This p
The thickness of the side cladding layer 48 is not particularly limited, but is not less than 100 Å and not more than 2 μm, and more preferably not more than 5 μm.
It is desirable to grow the film at a thickness of not less than 00 Å and not more than 1 μm.

【0048】量子構造の井戸層を有する活性層45を有
するダブルへテロ構造の窒化物半導体素子の場合、活性
層45に接して、活性層45よりもバンドギャップエネ
ルギーが大きい膜厚0.1μm以下のAlを含む窒化物
半導体よりなるキャップ層46を設け、そのキャップ層
46よりも活性層から離れた位置に、キャップ層46よ
りもバッドギャップエネルギーが小さいp側光ガイド層
47を設け、そのp側光ガイド層47よりも活性層から
離れた位置に、p側光ガイド層47よりもバンドギャッ
プが大きいAlを含む窒化物半導体を含む超格子層より
なるp側クラッド層48を設けることは非常に好まし
い。しかもp側キャップ層46のバンドギャップエネル
ギーが大きくしてある、n層から注入された電子がこの
キャップ層46で阻止されるため、電子が活性層をオー
バーフローしないために、素子のリーク電流が少なくな
る。
In the case of a nitride semiconductor device having a double hetero structure having an active layer 45 having a quantum well layer, a thickness 0.1 μm or less in contact with the active layer 45 and having a band gap energy larger than that of the active layer 45. A cap layer 46 made of a nitride semiconductor containing Al is provided, and a p-side light guide layer 47 having a smaller gap energy than the cap layer 46 is provided at a position farther from the active layer than the cap layer 46. It is very difficult to provide a p-side cladding layer 48 made of a superlattice layer containing a nitride semiconductor containing Al having a larger band gap than the p-side light guide layer 47 at a position farther from the active layer than the side light guide layer 47. Preferred. In addition, since the band gap energy of the p-side cap layer 46 is increased, the electrons injected from the n-layer are blocked by the cap layer 46, and the electrons do not overflow the active layer. Become.

【0049】(p側コンタクト層49)最後に、Mgを
2×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コ
ンタクト層49を150オングストロームの膜厚で成長
させる。p側コンタクト層は500オングストローム以
下、さらに好ましくは400オングストローム以下、2
0オングストローム以上に膜厚を調整する。以上のよう
にして素子構造となる窒化物半導体層を積層成長させた
ところ、窒化物半導体素子部分の面方位はGaN基板4
0の面方位と一致していた。
(P-side contact layer 49) Finally, a p-side contact layer 49 made of p-type GaN doped with Mg at 2 × 10 20 / cm 3 is grown to a thickness of 150 Å. The p-side contact layer has a thickness of 500 Å or less, more preferably 400 Å or less.
Adjust the film thickness to 0 Å or more. As described above, when the nitride semiconductor layer having the element structure was grown by lamination, the plane orientation of the nitride semiconductor element portion was changed to the GaN substrate 4
The plane orientation coincided with zero.

【0050】反応終了後、反応容器内において、ウェー
ハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p
型層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハ
を反応容器から取り出し、図9に示すように、RIE装
置により最上層のp型コンタクト層20と、p型クラッ
ド層19とをエッチングして、4μmのストライプ幅を
有するリッジ形状とし、リッジ表面の全面にNi/Au
よりなるp電極51を形成する。リッジ形成位置はGa
N基板を作成する際に、サファイア基板の上に形成した
ストライプ状の保護膜の直上部に相当する位置とし、ス
トライプ状の保護膜に平行なストライプ上のリッジを形
成する。
After completion of the reaction, the wafer is annealed in a nitrogen atmosphere at 700 ° C.
The resistance of the mold layer is further reduced. After annealing, the wafer is taken out of the reaction vessel, and as shown in FIG. 9, the uppermost p-type contact layer 20 and the p-type clad layer 19 are etched by a RIE apparatus to form a ridge shape having a stripe width of 4 μm. Ni / Au on the entire surface of the ridge
A p electrode 51 is formed. The ridge formation position is Ga
When forming an N substrate, a ridge on a stripe is formed at a position corresponding to a position directly above a stripe-shaped protective film formed on a sapphire substrate and parallel to the stripe-shaped protective film.

【0051】次に、図9に示すようにp電極51を除く
p側クラッド層48、コンタクト層49の表面にSiO
2よりなる絶縁膜50を形成し、この絶縁膜50を介し
てp電極51と電気的に接続したpパッド電極52を形
成する。
Next, as shown in FIG. 9, the surface of the p-side cladding layer 48 and the contact layer 49 excluding the p-electrode 51
An insulating film 50 made of 2 is formed, and a p pad electrode 52 electrically connected to the p electrode 51 via the insulating film 50 is formed.

【0052】(第3の工程)p電極形成後、ウェーハの
サファイア基板1、バッファ層、GaN層2、保護膜を
研磨、除去し、SiドープGaN基板40の表面を露出
させ、そのGaN基板40の表面全面に、Ti/Alよ
りなるn電極53を0.5μmの膜厚で形成し、その上
にヒートシンクとのメタライゼーション用にAu/Sn
よりなる薄膜を形成する。
(Third Step) After the formation of the p-electrode, the sapphire substrate 1, the buffer layer, the GaN layer 2, and the protective film of the wafer are polished and removed to expose the surface of the Si-doped GaN substrate 40. An n-electrode 53 made of Ti / Al is formed with a thickness of 0.5 μm on the entire surface of the substrate, and Au / Sn is formed thereon for metallization with a heat sink.
And forming a thin film.

【0053】(第4の工程)次に、n電極側53からス
トライプリッジに対して垂直な位置、即ち、GaN基板
40のM面で基板を劈開し、活性層の端面M面に共振面
を作製する。
(Fourth Step) Next, the substrate is cleaved at a position perpendicular to the stripe ridge from the n-electrode side 53, that is, at the M plane of the GaN substrate 40, and a resonance plane is formed on the end face M plane of the active layer. Make it.

【0054】最後に、共振面にSiO2とTiO2よりな
る誘電体多層膜を形成し、p電極に平行な方向で、バー
を切断してレーザチップとする。レーザチップをフェー
スアップ(GaN基板とヒートシンクとが対向した状
態)でヒートシンクに設置し、pパッド電極52をワイ
ヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みたとこ
ろ、室温において、閾値電流密度2.1kA/cm2、閾
値電圧4.2Vで、発振波長405nmの連続発振が確
認され、500時間以上の寿命を示した。
Finally, a dielectric multilayer film made of SiO 2 and TiO 2 is formed on the resonance surface, and the bar is cut in a direction parallel to the p-electrode to form a laser chip. The laser chip was placed face up (with the GaN substrate and the heat sink facing each other) on the heat sink, and the p-pad electrode 52 was wire-bonded to perform laser oscillation at room temperature. At room temperature, the threshold current density was 2.1 kA. At / cm 2 and a threshold voltage of 4.2 V, continuous oscillation of an oscillation wavelength of 405 nm was confirmed, and a life of 500 hours or more was shown.

【0055】[実施例2]異種基板にA面を主面とし、
R面をオリフラ面とするサファイアを用いる。保護膜は
Si34を用い、実施例1と同様にR面に対して垂直な
ストライプ形状とする。ストライプ幅は12μm、スト
ライプ間隔(窓)4μm、膜厚0.1μmとする、そし
てこの保護膜の上に、C軸配向した、アンドープGaN
よりなる窒化物半導体基板を120μmの膜厚で成長さ
せ、このGaN基板の上に実施例1と同様にしてC軸配
向した窒化物半導体レーザ素子構造を成長させ、同様に
してレーザ素子を作製したところ、実施例1のレーザ素
子とほぼ同等の特性を有するレーザ素子が得られた。
[Embodiment 2] The surface A is a principal surface of a heterogeneous substrate.
Sapphire having an R plane as an orientation flat surface is used. The protective film is made of Si 3 N 4 and has a stripe shape perpendicular to the R plane as in the first embodiment. The stripe width is 12 μm, the stripe interval (window) is 4 μm, and the film thickness is 0.1 μm. On this protective film, C-axis oriented undoped GaN
A nitride semiconductor substrate was grown to a thickness of 120 μm, and a C-axis-oriented nitride semiconductor laser device structure was grown on this GaN substrate in the same manner as in Example 1 to produce a laser device in the same manner. However, a laser device having substantially the same characteristics as the laser device of Example 1 was obtained.

【0056】[実施例3]HVPE(ハイドライド気相
成長)法により窒化物半導体基板を得る。まず、(11
1)面を主面とし、オリフラ面を(110)面とする、
1インチφのスピネル(MgAl24)基板を用意す
る。このスピネル基板の表面に実施例1と同様にして、
フォトマスクを形成し、SiO2よりなる保護膜11
を、オリフラ面に対して垂直なストライプ形状で形成す
る。なおストライプ幅は12μm、ストライプ間隔は6
μmとする。
Example 3 A nitride semiconductor substrate is obtained by HVPE (hydride vapor phase epitaxy). First, (11
1) The plane is the main plane, and the orientation flat is the (110) plane.
A 1 inch φ spinel (MgAl 2 O 4 ) substrate is prepared. On the surface of the spinel substrate, as in Example 1,
A photomask is formed, and a protective film 11 made of SiO 2 is formed.
Are formed in a stripe shape perpendicular to the orientation flat surface. The stripe width is 12 μm and the stripe interval is 6
μm.

【0057】HVPE装置では、石英よりなる反応容器
管の内部にGaメタルを入れた石英ボートを設置する。
さらに石英ボートから離れた位置に、斜めに傾けた前述
の基板1を設置する。なお、反応容器内のGaメタルに
接近した位置にはハロゲンガス供給管が設けられ、ハロ
ゲンガス供給間とは別に、基板に接近した位置にはN源
供給管が設けられている。ハロゲンガス管より窒素キャ
リアガスと主に、HClガスを導入する。この際Gaメ
タルのボートは900℃に加熱し、スピネル基板側は1
050℃に加熱してある。そして、HClガスとGaを
反応させてGaCl3を生成させ、スピネル基板側に接
近したN源供給管からはアンモニアガスを同じく窒素キ
ャリアガスと主に供給し、さらに、ハロゲンガスと共に
シランガスを供給し、成長速度50μm/hrで3時間成
長を行い、厚さ150μmのSiを1×1018/cm3
ープしたGaNを成長させる。
In the HVPE apparatus, a quartz boat containing Ga metal is installed inside a reaction vessel tube made of quartz.
Further, the above-mentioned substrate 1 inclined at an angle is set at a position away from the quartz boat. Note that a halogen gas supply pipe is provided at a position in the reaction vessel close to the Ga metal, and an N source supply pipe is provided at a position close to the substrate separately from the space between the supply of the halogen gas. A nitrogen carrier gas and mainly HCl gas are introduced from a halogen gas pipe. At this time, the Ga metal boat was heated to 900 ° C., and the spinel substrate side was heated to 900 ° C.
Heated to 050 ° C. Then, HCl gas and Ga are reacted to generate GaCl 3, and ammonia gas is mainly supplied similarly to the nitrogen carrier gas from the N source supply pipe close to the spinel substrate side, and further, silane gas is supplied together with the halogen gas. Then, growth is performed at a growth rate of 50 μm / hr for 3 hours to grow GaN doped with Si having a thickness of 150 μm at 1 × 10 18 / cm 3 .

【0058】後はMOVPE法を用い、実施例1と同様
にしてGaN基板の上にレーザ素子構造となる窒化物半
導体層を積層して窒化物半導体レーザ素子を得たとこ
ろ、実施例1のレーザ素子とほぼ同等の特性を有するレ
ーザ素子が得られた。
Thereafter, a nitride semiconductor layer having a laser element structure was stacked on a GaN substrate in the same manner as in Example 1 by using the MOVPE method to obtain a nitride semiconductor laser element. A laser device having substantially the same characteristics as the device was obtained.

【0059】[実施例4]実施例1において第2の工程
と、第3の工程の順序を逆にする他は同様にしてレーザ
素子を得る。つまりサファイア基板上に保護膜を介し
て、窒化物半導体基板を作製した後、サファイア基板、
保護膜を研磨して除去し、SiドープGaN基板のみと
する。このGaN基板の上に実施例1と同様にしてレー
ザ素子構造となる窒化物半導体層を成長させる。なおリ
ッジストライプを形成する位置は、サファイア基板、保
護膜が除去されているため、窒化物半導体素子成長前に
起点となる目印をGaN基板側に入れてある。このレー
ザ素子も実施例1とほぼ同等の特性を示した。
Fourth Embodiment A laser device is obtained in the same manner as in the first embodiment except that the order of the second step and the third step is reversed. In other words, after forming a nitride semiconductor substrate on a sapphire substrate via a protective film, the sapphire substrate,
The protective film is polished and removed, leaving only the Si-doped GaN substrate. On this GaN substrate, a nitride semiconductor layer having a laser element structure is grown in the same manner as in the first embodiment. Since the sapphire substrate and the protective film are removed at the position where the ridge stripe is formed, a mark serving as a starting point is put on the GaN substrate side before the nitride semiconductor element is grown. This laser element also exhibited almost the same characteristics as in the first embodiment.

【0060】[実施例5]実施例1で得られた150μ
mのSiドープGaN基板表面に、実施例1と同様にし
て、ストライプ幅10μm、ストライプ間隔6μmのS
34よりなる第2の保護膜を0.1μmの膜厚で形成
する。なお、第2の保護膜の位置は、図6に示すよう
に、先に形成した第1の保護膜11の位置とずらせて、
第1の保護膜11の6μmの窓の位置に、第2の保護膜
の10μmのストライプがくるようにマスク合わせをし
ていると共に、第1の保護膜11と平行なストライプを
形成している。
Example 5 150 μm obtained in Example 1
On the surface of a Si-doped GaN substrate having a stripe width of 10 μm and a stripe interval of 6 μm,
A second protective film made of i 3 N 4 is formed with a thickness of 0.1 μm. As shown in FIG. 6, the position of the second protective film is shifted from the position of the first protective film 11 formed earlier.
The mask is aligned so that the 10 μm stripe of the second protective film is located at the position of the 6 μm window of the first protective film 11, and a stripe parallel to the first protective film 11 is formed. .

【0061】第2の保護膜形成後、再度ウェーハを反応
容器に戻し、原料ガスにTMG、アンモニア、シランガ
スを用い、Siを1×1018/cm3ドープしたGaNよ
りなる第2の窒化物半導体層を150μmの膜厚で成長
させた後、反応容器から取り出し表面を鏡面研磨して、
今度は第2の窒化物半導体層を基板とする。
After the formation of the second protective film, the wafer is returned to the reaction vessel again, and a second nitride semiconductor made of GaN doped with 1 × 10 18 / cm 3 of Si using TMG, ammonia and silane gas as source gases. After the layer was grown to a thickness of 150 μm, it was taken out of the reaction vessel and the surface was mirror-polished.
This time, the second nitride semiconductor layer is used as a substrate.

【0062】第2の工程から後は実施例1と同様にして
レーザ素子の構造となる窒化物半導体層を積層してレー
ザ素子を作製する。但しリッジストライプを形成する
際、リッジストライプのストライプ位置は、後から形成
した第2の保護膜の直上部にあたる窒化物半導体層に形
成する。このレーザ素子は、室温において、閾値電流密
度2.0kA/cm2、閾値電圧4.0Vで、発振波長4
05nmの連続発振が確認され、1000時間以上の寿
命を示した。
After the second step, a nitride semiconductor layer having a structure of the laser device is laminated in the same manner as in the first embodiment to manufacture a laser device. However, when forming the ridge stripe, the stripe position of the ridge stripe is formed in the nitride semiconductor layer immediately above the second protective film formed later. This laser device has a threshold current density of 2.0 kA / cm 2 , a threshold voltage of 4.0 V and an oscillation wavelength of 4 at room temperature.
A continuous oscillation of 05 nm was confirmed, indicating a life of 1000 hours or more.

【0063】[0063]

【発明の効果】窒化物半導体は理想の半導体として現在
評価されているにもかかわらず、窒化物半導体基板が存
在しないために、異種基板の上に成長された格子欠陥の
多い窒化物半導体デバイスで実用化されている。そのた
めレーザ素子のような結晶欠陥が即、寿命に影響するデ
バイスを実現すると、数十時間で素子寿命がつきてい
た。ところが、本発明の成長方法によると、従来成長で
きなかった窒化物半導体基板が得られるため、この窒化
物半導体基板の上に、素子構造となる窒化物半導体層を
積層すると、格子欠陥の非常に少ない窒化物半導体デバ
イスが実現できる。しかも、窒化物半導体基板を特定の
面方位で劈開しているため、基板上に成長させた窒化物
半導体素子の劈開面が鏡面状となって、その面を共振面
とすると反射率の高い共振面が作製できる。このように
本発明の方法を用いることにより従来実現できなかった
レーザ素子をほぼ実用化レベルまでにできる。また本発
明はレーザ素子だけではなく、窒化物半導体基板を用い
たLED素子、受光素子、太陽電池、トランジスタ等の
窒化物半導体を用いたあらゆる電子デバイスに適用で
き、産業上の利用価値は多大である。
According to the present invention, despite the fact that nitride semiconductors are currently evaluated as ideal semiconductors, since nitride semiconductor substrates do not exist, nitride semiconductor devices with many lattice defects grown on heterogeneous substrates are used. Has been put to practical use. Therefore, when a device such as a laser device in which crystal defects immediately affect the life is realized, the device life is extended in several tens of hours. However, according to the growth method of the present invention, a nitride semiconductor substrate that could not be grown conventionally can be obtained. Therefore, when a nitride semiconductor layer serving as an element structure is stacked on the nitride semiconductor substrate, very large lattice defects are generated. A small number of nitride semiconductor devices can be realized. In addition, since the nitride semiconductor substrate is cleaved in a specific plane orientation, the cleavage surface of the nitride semiconductor element grown on the substrate becomes mirror-like, and if that surface is used as a resonance surface, a resonance with a high reflectivity is obtained. Surface can be made. As described above, by using the method of the present invention, a laser element which cannot be realized conventionally can be almost brought to a practical level. In addition, the present invention can be applied not only to laser devices, but also to any electronic devices using nitride semiconductors such as LED devices, light receiving devices, solar cells, transistors, etc. using a nitride semiconductor substrate, and has a great industrial value. is there.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 C軸配向した窒化物半導体の結晶構造を示す
ユニットセル図。
FIG. 1 is a unit cell diagram showing a crystal structure of a nitride semiconductor with a C-axis orientation.

【図2】 第1の工程の窒化物半導体ウェーハの各構造
を示す模式断面図。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing each structure of a nitride semiconductor wafer in a first step.

【図3】 第1の工程の窒化物半導体ウェーハの各構造
を示す模式断面図。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing each structure of a nitride semiconductor wafer in a first step.

【図4】 第1の工程の窒化物半導体ウェーハの各構造
を示す模式断面図。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing each structure of a nitride semiconductor wafer in a first step.

【図5】 第1の工程の窒化物半導体ウェーハの各構造
を示す模式断面図。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing each structure of a nitride semiconductor wafer in a first step.

【図6】 第1の工程の窒化物半導体ウェーハの各構造
を示す模式断面図。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing each structure of a nitride semiconductor wafer in a first step.

【図7】 好ましい第1の工程を説明する異種基板主面
側の模式的な平面図。
FIG. 7 is a schematic plan view illustrating a preferred first step on the main surface side of the heterogeneous substrate.

【図8】 図7の一部を拡大して示す模式的な平面図。FIG. 8 is a schematic plan view showing a part of FIG. 7 in an enlarged manner.

【図9】 本発明の窒化物半導体素子の一構造を示す模
式断面図。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing one structure of a nitride semiconductor device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・・異種基板 2・・・・バッファ層 3・・・・基板となる第1の窒化物半導体層 4・・・・基板となる第2の窒化物半導体層 11・・・・第1の保護膜 12・・・・第2の保護膜 1 ··· Different substrate 2 ··· Buffer layer 3 ··· First nitride semiconductor layer 4 serving as substrate 4 ··· Second nitride semiconductor layer 11 serving as substrate 11 ··· 1st protective film 12... 2nd protective film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩佐 成人 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化 学工業株式会社内 (72)発明者 中村 修二 徳島県阿南市上中町岡491番地100 日亜化 学工業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor: Adult Iwasa, 491-100, Kaminakacho Oka, Anan City, Tokushima Prefecture Inside Nichia Kagaku Kogyo Co., Ltd. Aka Chemical Industry Co., Ltd.

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化物半導体を基板とし、その基板上部
に活性層を含む素子構造を有する窒化物半導体層が積層
されてなる窒化物半導体素子であって、その窒化物半導
体素子の対向する活性層端面は、前記窒化物半導体基板
M面(11−00)の劈開面と一致していることを特徴
とする窒化物半導体素子。
1. A nitride semiconductor device comprising a nitride semiconductor as a substrate, and a nitride semiconductor layer having an element structure including an active layer laminated on the substrate, wherein the nitride semiconductor device has an opposing active layer. A nitride semiconductor element, wherein a layer end face is coincident with a cleavage plane of the nitride semiconductor substrate M plane (11-00).
【請求項2】 前記活性層端面がレーザ素子の共振面で
あることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体素
子。
2. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the end surface of the active layer is a resonance surface of a laser device.
【請求項3】 窒化物半導体層と異なる材料よりなる異
種基板上部に、窒化物半導体を成長させて、窒化物半導
体基板を作製する第1の工程と、窒化物半導体基板上部
に活性層を含む素子構造となる窒化物半導体層を積層す
る第2の工程と、異種基板上部に成長された窒化物半導
体基板より、異種基板を除去する第3の工程と、窒化物
半導体基板のM面(11−00)で活性層を含む窒化物
半導体層を劈開する第4の工程とを備えることを特徴と
する窒化物半導体素子の製造方法。
3. A first step of growing a nitride semiconductor on a heterogeneous substrate made of a material different from that of the nitride semiconductor layer to produce a nitride semiconductor substrate, and including an active layer on the nitride semiconductor substrate. A second step of laminating a nitride semiconductor layer having an element structure, a third step of removing the heterogeneous substrate from the nitride semiconductor substrate grown on the heterogeneous substrate, and an M surface (11) of the nitride semiconductor substrate. -00), a fourth step of cleaving the nitride semiconductor layer including the active layer in (-00).
【請求項4】 前記第1の工程で異種基板上部に部分的
に保護膜を形成し、窒化物半導体をその保護膜上部にま
で成長させることを特徴とする請求項3に記載の窒化物
半導体素子の製造方法。
4. The nitride semiconductor according to claim 3, wherein in the first step, a protective film is formed partially on the heterogeneous substrate, and the nitride semiconductor is grown up to the upper part of the protective film. Device manufacturing method.
【請求項5】 前記保護膜が、第1の工程で異種基板の
表面に成長させた窒化物半導体層の表面に部分的に形成
されていることを特徴とする請求項4に記載の窒化物半
導体素子の製造方法。
5. The nitride according to claim 4, wherein the protective film is partially formed on the surface of the nitride semiconductor layer grown on the surface of the heterogeneous substrate in the first step. A method for manufacturing a semiconductor device.
【請求項6】 前記保護膜がストライプ形状を有するこ
とを特徴とする請求項4又は5に記載の窒化物半導体素
子の製造方法。
6. The method according to claim 4, wherein the protective film has a stripe shape.
【請求項7】 前記第1の工程は、C面(0001)を
主面とするサファイア基板上部にそのサファイア基板の
A面(112−0)に対して垂直なストライプ形状を有
する保護膜を形成する工程、若しくはA面(112−
0)を主面とするサファイア基板上部にそのサファイア
基板のR(11−02)面に対して垂直なストライプ形
状を有する保護膜を形成する工程、又は(111)面を
主面とするスピネル基板上部にそのスピネル基板の(1
10)面に対して垂直なストライプ形状を有する保護膜
を形成する工程の内のいずれか1種の工程を含み、前記
保護膜上部に窒化物半導体を成長させることを特徴とす
る請求項3乃至6の内のいずれか1項に記載の窒化物半
導体素子の製造方法。
7. In the first step, a protective film having a stripe shape perpendicular to the A-plane (112-0) of the sapphire substrate is formed on the sapphire substrate having the C-plane (0001) as a main surface. Process, or A side (112-
Forming a protective film having a stripe shape perpendicular to the R (11-02) plane of the sapphire substrate above the sapphire substrate having the main surface of (0), or a spinel substrate having the (111) plane as the main surface On top of that spinel substrate (1
10. A method according to claim 3, further comprising the step of forming one of the steps of forming a protective film having a stripe shape perpendicular to the plane, wherein a nitride semiconductor is grown on the protective film. 7. The method for manufacturing a nitride semiconductor device according to any one of 6.
【請求項8】 前記活性層はストライプ状の保護膜上部
に位置しており、前記第4の工程において、そのストラ
イプに対して垂直な方向で劈開することを特徴とする請
求項6または7に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
8. The method according to claim 6, wherein the active layer is located above the stripe-shaped protective film, and is cleaved in a direction perpendicular to the stripe in the fourth step. A method for manufacturing a nitride semiconductor device according to the above.
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