WO2002080242A1 - Method for manufacturing group-iii nitride compound semiconductor, and group-iii nitride compound semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing group-iii nitride compound semiconductor, and group-iii nitride compound semiconductor device Download PDF

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group iii
compound semiconductor
iii nitride
based compound
layer
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Seiji Nagai
Masayoshi Koike
Kazuyoshi Tomita
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Toyoda Gosei Co., Ltd.
Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a group III nitride-based compound semiconductor and a semiconductor element.
  • group III nitrides based of compound semi-conductors eg if A1N, G aN, Yo I Do binary of InN, ALGai one, A 1 x I ni - x N, G a x I ternary system such as n i- (d, both 0 ⁇ ⁇ 1), quaternary AlxGayln-N (0 ⁇ X ⁇ 1,0 ⁇ y ⁇ 1,0 ⁇ x + y ⁇ 1)
  • Al ay In... -y N (0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • the type of conduction is simply p-type when simply referring to a group III nitride-based compound semiconductor. Or an n-type impurity containing a group III nitride-based compound semiconductor doped with impurities.
  • a group III nitride-based compound semiconductor When a group III nitride-based compound semiconductor is used as, for example, a light emitting element, the light emitting spectrum is directly over a wide range from ultraviolet to red. It is a transition type semiconductor and is applied to light emitting elements such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). In addition, because the band gap is wide, stable operation can be expected at higher temperatures than devices using other semiconductors. For this reason, application to transistors such as FETs has also been actively developed. Review In addition, since arsenic (As) is not the main component and the level is not high, development of various semiconductor elements from the ring ia surface is expected. In the group III nitride compound semiconductor of the above, a sapphire is used, and in addition to a device formed thereon, a silicon (S substrate) is used. There are things.
  • the silicon (Si) substrate and the group III nitride compound semiconductor can be formed.
  • the epitaxial growth is carried out in a state where stress is always applied by the misfit of the lattice constant with the body.
  • the difference in the thermal expansion rate between the silicon (Si) substrate and the group III nitride-based compound semiconductor increases the stress when the temperature falls, and This will cause a large number of cracks (fractures) in the group nitride-based compound semiconductor layer.
  • cracks (fractures) occur in the area where the light-emitting element and other elements are formed, the element becomes defective.
  • the yield was extremely bad.
  • the growth area in the atmosphere of each element form formation area (1mm 2 or less) to ward minute, Ma scan click of this the growth area other than the window frame-like
  • the power of each area becomes smaller, and the cracks (fracture) occur due to the fact that the stress from the adjacent area does not propagate. ) Is suppressed, and even if a crack is generated, the crack is generated only in the elemental region where the crack was generated. Wear .
  • the edge portion of the region is usually increased. It grows quickly and the epitaxy grows so that the center of the area becomes concave.
  • Figure 1 In FIG. 1, the substrate 91, the mask material 92, and the group III nitride-based compound semiconductor layer 93 are shown, but the group III nitride-based compound semiconductor is shown.
  • the layer 93 is not limited to a single layer.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to divide the growth territory into areas. In this case, the edge of the growth area is technological and the height of the area grows.
  • Another purpose is to suppress cracks (fractures) and pass through dislocations in the epitaxy growth of group III nitride-based compound semiconductors. And at the same time.
  • the first characteristic is that a group III nitride compound semiconductor can be obtained on a substrate by epitaxy growth.
  • Manufacturing method of group III nitride-based compound semiconductors On the surface of the substrate, a mask material on which the group III nitride-based compound semiconductor does not grow epitaxially is formed in a grid shape, and the substrate surface for element formation is formed. Separated surfaces are exposed, and the consumption area of Group III nitride-based compound semiconductors is located in the center of the mask-shaped mask belt.
  • the step of forming and the step of forming the desired group III nitride-based compound semiconductor on the surface of the substrate for element formation which has been separately exposed is characterized by including.
  • the central part of the mask-shaped mask belt is not limited to the central part formed continuously over the entire mask band. ,.
  • the consumption area can be formed at the same time as the mask material is formed in a grid shape, or after the mask material is formed in a grid shape. Les,.
  • the second feature is that the power consumption area is formed by exposing a substrate surface not used for element formation.
  • a third feature is that the power consumption area is formed by partially removing the substrate and exposing the substrate surface having a step.
  • the present invention also includes a case where the base material having a step is formed by removing the base material in advance to form a stepped base material surface and then forming the mask material in a grid shape. Included.
  • the fourth feature, the surface product of element shape Naruryo gamut, and Oh Ru this at 0. 01mm 2 or more on lmm 2 hereinafter shall be the feature.
  • the fifth feature of the surface product of element shape formation area has a Oh Ru this in 2 hereinafter 0. 01Mm 2 than on 0. 3 mm shall be the feature.
  • the sixth feature is that it is composed of a substrate force S silicon (S i) force. Also, features of the seventh, Ma scan click material as the main secondary oxidation silicic element (Si0 2) it characterized and mosquitoes ⁇ Naru Luo Ru this.
  • the eighth feature is that during the manufacturing process, the substrate and the upper group III nitride The compound-based semiconductor does not cause a chemical reaction, so that the separated and exposed element-forming substrate surface is mainly composed of a substrate. And a step of forming a reaction prevention layer made of a single crystal. It does not exclude the formation of a reaction prevention layer in the consumption area.
  • a ninth feature is that the thickness of the reaction prevention layer is not less than 100 nm and not more than ⁇ .
  • the tenth feature is that the reaction preventing layer is a group III nitride-based compound semiconductor, and the composition of the aluminum (A1) in the group III is mol. It is characterized by a ratio of 30% or more.
  • the eleventh characteristic is obtained by a method for producing a Group III nitride-based compound semiconductor, which is one of the characteristics of the first to tenth and the tenth.
  • This is a group III nitride-based compound semiconductor element characterized by being formed on the obtained group III nitride-based compound semiconductor layer.
  • the second feature is obtained by a method for producing a group III nitride-based compound semiconductor, which is one of the first features of the first to tenth features.
  • a different group III nitride-based compound semiconductor layer is formed on the obtained group III nitride-based compound semiconductor layer.
  • This is a group III nitride compound semiconductor light emitting device characterized by the following.
  • the mask In epitaxy growth in which the growth area is separated by a mask-like mask, the mask is located between the edge of the adjacent growth area and the mask.
  • the consumption zone of the Group III nitride compound semiconductor is formed in the central part of the belt, which is unnecessary for the edge of the growth zone.
  • the difference in the supply of the raw materials of Group III and Group V between the edge part and the central part of the element formation region is suppressed, and the element is reduced.
  • the edge portion of the child region becomes a convex portion, and the elimination of cracks is eliminated, and the cracks and defects in the element formation region are greatly reduced (the first feature).
  • the consumption area can be formed by simply exposing the surface of the substrate that is not used for element formation, or by removing a part of the substrate to form a step. (2nd and 3rd features).
  • the present invention is particularly effective when the substrate is a silicon (Si) substrate having a large difference in thermal expansion rate from a group III nitride-based compound semiconductor.
  • the substrate is a silicon (Si) substrate having a large difference in thermal expansion rate from a group III nitride-based compound semiconductor.
  • Yes (sixth feature).
  • it is to be between the scan-click material and child Ru doctors use a two-acid I spoon Ke I arsenide (S i 0 2) Ru Oh in easy flights (seventh feature of).
  • the thickness of the reaction prevention layer must be at least 100 nm (the ninth feature), and its composition is the composition of aluminum (A1) in group III.
  • a silicon (Si) substrate is formed.
  • the plate is not directly connected to the nitrided gallium (GaN). It is possible to prevent nitrogen atoms from migrating between them to produce silicon nitride, metal gallium, and others.
  • the light emitting element is formed by laminating the compound semiconductor layers, the generation of cracks and the suppression of threading dislocations are performed at the same time, so the yield is high. It can be used as a high quality and high quality element or light emitting element (the features of the 11th and 12th features).
  • a group III nitride compound semiconductor can be obtained on a substrate by epitaxy growth.
  • a method for producing a compound-based compound semiconductor a group III nitride-based compound semiconductor on a surface of a substrate where epitaxy does not occur.
  • the lattice shape which is the shape of the masking material here, does not have to have a rectangular window. It is good to have a polygonal window, for example, like a beehive. Also, two different temperature ranges are defined as two types of temperatures when they are formed alternately. This means that even if the temperature is not completely the same, it is good.
  • the two different temperature ranges are not less than 200 ° C and not more than 600 ° C and not more than 900 ° C. It is characterized in that it is below 1200 ° C.
  • the process of forming the strain-relaxed layer is performed at least twice in two different temperature ranges. It is a feature.
  • the surface area of the separately exposed base plate surface is less than 1 mm 2 or less.
  • the area of the separated and exposed base plate surface is less than 0.3rara 2 or less.
  • the substrate is characterized by being made of silicon (Si). Also, if Re good to the inventions of the second 0 of features, you characterized a call Ma scan click material is Lord and to diacid of silicic element (S i 0 2) Ru or Naru Luo. Also, according to the invention of the 21st feature, during the manufacturing process, the substrate and the upper layer group III nitride-based compound semiconductor do not cause a chemical reaction.
  • the feature is that it includes a process for forming a reaction prevention layer mainly composed of a single crystal on the surface of the substrate exposed separately from each other.
  • the reaction-prevention layer mainly composed of a single crystal refers to a single crystal in the vicinity of the surface of the base plate regardless of the crystal state. It means that it is formed under conditions such as the temperature at which a crystal is formed.
  • the thickness of the reaction preventing layer is not less than lOOnm and not more than 1 / zm.
  • the reaction prevention layer is a group II nitride-based compound semiconductor, and is a group III aluminum nitride. It is characterized in that the composition of the rubber (A1) is at least 30% of the molar ratio.
  • the invention of the twenty-fourth feature is based on the method for producing a group III nitride-based compound semiconductor, which is one of the features described in the first to the third or the second or the third feature.
  • the invention of the 25th feature is based on the manufacturing method of the group III nitride-based compound semiconductor of any one of the 13th to 23rd features. It is obtained by laminating a different group III nitride-based compound semiconductor layer on the obtained group III nitride-based compound semiconductor layer. It is a group III nitride compound semiconductor light emitting device characterized by the following characteristics.
  • the group III nitride-based compound semiconductor forms a mask material that does not grow into an epitaxy in a grid pattern, and the substrate surface is separated and exposed. In this way, the area where the group III nitride-based compound semiconductor is grown epitaxially is made to be an independent small area. Power. Thereafter, in two different temperature ranges, a strain-relaxed layer in which group III nitride-based compound semiconductors having the same or different compositions are alternately formed. Can reduce the stress between the substrate and the upper layer, suppress the occurrence of threading dislocations, or reduce the stress in the upper layer of the epitaxy. It is possible to eliminate threading dislocations. The desired group III nitride compound semiconductor formed thereon suppresses threading dislocations while preventing cracks. You can do what you want (the 13th feature).
  • the two different temperature ranges were 200, more than 600, less than 900, and more than 900 ° C, less than 120 ° C, and they grew at lower temperatures. It is desirable to alternately form a layer and a layer grown at high temperature in a low temperature growth layer, where the stress is relaxed in the low temperature growth layer and the high temperature growth layer is formed as a single layer. By forming a crystal layer, the stress is relaxed in the upper layer, and a layer with suppressed threading dislocation can be formed as a force S (fourteenth feature). .
  • the low-temperature growth layer is preferably thin, and the high-temperature growth layer is preferably thick.
  • the thickness should be 10 nm or more and 100 nm or less, and 200 nm or more and 1 / z ra or less. This is what you want (15th feature). Since the stress relaxation mode is reduced as the number of alternating layers in the strain relaxation layer increases, the low-temperature growth layer and the high-temperature growth layer each have two or more layers. What we want to achieve (16th feature).
  • a reaction prevention layer consisting mainly of a single crystal on the exposed substrate surface During the manufacturing process, the epitaxial growth, electrode formation, photolithography, etching, and other processes can be performed immediately.
  • the reaction between the substrate and the upper group III nitride-based compound semiconductor occurs due to the stress. This can be done in the following way (the 21st feature).
  • the thickness of the reaction prevention layer must be at least 100 nm (second feature), and its composition is the formation of aluminum (A1) in group III. It is more desirable to be a group III nitride-based compound semiconductor with an S-mol ratio of 30% or more (fifth feature).
  • a 1 G a N is formed between a silicon (S i) substrate and a nitrided gallium (G N)
  • the silicon (Si) substrate and the gallium nitride (GaN) are not directly connected to each other, the nitrogen atoms move between them, and the silicon nitride and the silicon nitride are removed. It can prevent the formation of metal gallium and others.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a group III nitride compound semiconductor according to a first concrete embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is shown to a flat plane view of the shape of the oxide Contact only that window frame shape in the first embodiment Shi Li co down (Si0 2) film.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing details of a side surface of the epitaxy growth layer in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a group III nitride-based compound semiconductor according to a second specific embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a group III nitride-based compound semiconductor light emitting device according to a third specific embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a group III nitride semiconductor light emitting device according to a fourth concrete embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a manufacturing process of a group III nitride-based compound semiconductor according to a fifth specific embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing details of a side surface of an epitaxy growth layer in the fifth embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a group III nitride semiconductor light emitting device according to a sixth specific embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor light emitting element of a group II nitride semiconductor compound according to a concrete seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state of epitaxy growth of a group II nitride-based compound semiconductor according to the conventional selective growth. Best form to carry out the invention
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration according to a specific embodiment of the present invention.
  • a silicon (Si) substrate 1 On a silicon (Si) substrate 1, a mask material 2 composed of silicon oxide (Si 0 2 ) is formed.
  • the mask material 2 is mainly formed in the shape of a window frame, and the window portion is exposed on one side of a silicon (Si) substrate.
  • one silicon (Si) substrate is exposed in the form of a band at the center of the window frame as well (Fig. 1 (a)).
  • FIGS. 2 (a) to 2 (c) show examples of the shape of the mask material 2 as a plan view.
  • the square-shaped portion indicated by D is the element-forming region
  • the band-shaped portion indicated by C is the consumption region.
  • the belt-shaped consumption area indicated as C is formed as a eno, as a whole, as a single force S, as shown in FIG. 2 (a).
  • Fig. 2 (b) even if they are separated on each side, good relays are connected, but those connected are concentrated in the consumption area, and the elements are concentrated. This is more preferable because cracks in the formation area can be further reduced.
  • the AlGaN or The reaction prevention layer 3 is formed on the exposed silicon (Si) substrate, immediately in both the element formation region D and the -consumption region C.
  • the reaction prevention layer 3 is for preventing the reaction between the silicon (Si) substrate 1 and the upper group III nitride-based compound semiconductor. And a single crystal.
  • a GaN layer 4 which is a desired group III nitride-based compound semiconductor layer, is formed on the reaction preventing layer 3 by epitaxy growth. It is.
  • the laminated portion composed of the reaction preventing layer 3 and the GaN layer 4 is formed on the adjacent exposed substrate 1 surface.
  • the laminated portion composed of the protection layer 3 ′ and the GaN layer 4 ′ is formed under conditions that are not connected during the epitaxial growth. Similarly, those stacked in the element formation area D and those stacked in the consumption area C are not connected during epitaxy growth. It is formed on condition. That is, even if the group III nitride-based compound semiconductor layer 4 is formed above the end portion of the mask material 2, it extends to the center of the mask material 2. Perform epitaxy under uncovered conditions (Fig. 1, (b)). Specifically, it is achieved by suppressing the lateral growth depending on the reaction conditions such as the growth temperature and the growth rate. If the frame width of the window frame-shaped masking material 2 is sufficiently large, the growth speed of the edge portion will become larger than that of the central portion.
  • the frame width should be 20 / zm or less, and preferably 1 to 1 ⁇ .
  • the laminated portion composed of the reaction preventing layer 3 and the GaN layer 4 has a vertical surface with respect to the substrate 1 at the upper portion of the mask material 2 as shown in FIG. 3 (a). However, even if it is a beveled surface as shown in Fig. 3 (b), both are included in the present invention. In Figures 1 and 4 and below, it is described in the form of Fig. 3 (a), but in the case of (1) and (2), the laminated layer as shown in Fig. 3 (b) is eliminated. It is not a thing.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration according to another specific embodiment of the present invention.
  • Power et formed Ru Ma scan click member 2 forces Ru is S-shaped formation.
  • the mask material 2 is mainly formed in the shape of a window frame, and the window portion is exposed on one side of a silicon (Si) substrate.
  • the silicon (Si) substrate 1 is also cut in a strip shape in the center of the window frame to expose a stepped surface (see (a) in FIG. 4). )).
  • the shape of the mask material 2 in the form of a plan view is the same as that illustrated in (a) to (c) of FIG.
  • the reaction prevention layer 3 made of AlGaN is formed.
  • the reaction preventing layer 3 is for preventing the reaction between the silicon (Si) substrate 1 and the upper layer group III nitride compound semiconductor. Mainly composed of single crystal glass.
  • a GaN layer 4 which is a desired group III nitride-based compound semiconductor layer, is formed on the reaction preventing layer 3 by epitaxy growth. It is done. In this case, the laminated portion composed of the reaction preventing layer 3 and the GaN layer 4 is formed by the reaction preventing layer 3 ′ and the GaN layer formed on the surface of the adjacent exposed substrate 1.
  • the layer part consisting of 4 'car is formed under the condition that it is not connected during epitaxy growth. Similarly, those stacked in the element formation area D and those stacked in the consumption area C 'are connected during epitaxy growth. Is formed under no conditions. That is, even if the group III nitride-based compound semiconductor layer 4 is formed above the end portion of the mask material 2, it extends to the center of the mask material 2.
  • Conduct epitaxy under uncovered conditions (Fig. 4, (b)). Specifically, it can be achieved by suppressing the lateral growth depending on the reaction conditions such as the growth temperature and the growth rate. If the frame width of the window frame-shaped masking material 2 is sufficiently large, the growth speed of the edge portion will become larger than that of the central portion. Therefore, the frame width should be less than 20 / xm, preferably l ⁇ 10xm. Alternatively, it can be easily achieved by increasing the level difference of the consumption area C.
  • the substrate is made of sapphire or silicon (Si). , Carbonization Ke I containing (S iC), sp e, channel (MgAl 2 0 4), LiGa0 2, NdGa0 3, Zn0, other non-aircraft crystal board of MgO its also re down I inhibit moth Li c arm Is a semiconductor of a II I-V compound such as gallium arsenide, or a gallium nitride (GaN) or other group III nitride compound semiconductor. You can use your body, etc.
  • the substrate on which the nitrided gallium (GaN) or other group III nitride-based compound semiconductor film is formed especially if the buffer layer is used as a buffer layer, It is good to use a substrate on which a thick film is formed.
  • an organic metal vapor phase growth method (M0CVD or M0VPE) force S is preferable.
  • Phase growth method (MBE), halide gas phase growth method (Halide VPE), liquid phase growth method (LPE), etc. may be used, and each layer may be different. It may be formed by a growth method.
  • Group III nitride compound semiconductors can be obtained by replacing part of the composition of group III elements with boron (B) and thallium (T1). Even if part of the composition of nitrogen (N) is replaced by phosphorus (P), arsenic (As;), antimony (Sb), and bismuth (Bi) Can be applied practically. In addition, even if these elements are doped to such an extent that they cannot be displayed in the composition, they are good.
  • III group do not want to have the arsenic (As) nitrides based of compound Ru Ah in Semiconductors Al x Ga 1 - x N ( 0 ⁇ x ⁇ l), an anolymium (Al), an insulator (In) or a nitrogen (N) having a larger atom radius than that of a gallium (Ga).
  • arsenic (As) with a large atomic radius, the expansion distortion of the crystal due to the removal of the nitrogen atom is compensated for by compressive distortion. The crystallinity may be improved.
  • p-type crystals can also be obtained with the azgrone because the axceptor impurities easily enter the position of the group III atom. .
  • the threading dislocation can be further lowered to about 1/100 to 1/100. You can also.
  • it is configured as a light emitting element,
  • the n-type impurities may be selected from the group IV elements such as Si, Ge, Se, Te, and C. Or you can add D to the group VI element.
  • a p-type impurity an II group element or a IV group element such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, and Ba can be added. These can be combined with the present application, in which multiple or n-type impurities and p-type impurities can be doped in the same layer. It is also possible to adopt a configuration for performing the epitaxial growth.
  • the penetration by the lateral epitaxy grows.
  • a combination of reducing the transposition may be used.
  • the growth surface is perpendicular to the base plate, but it is oblique to the base plate. It is good if it grows on the surface.
  • the bottom of the step does not have a bottom surface, and the cross section may be V-shaped.
  • the mask material that divides the element-shaped region is a polycrystalline semiconductor such as a polycrystalline silicon, a polycrystalline nitride semiconductor, or the like.
  • These deposition methods are not limited to vapor phase growth methods such as vapor deposition, sputtering, and CVD, and are optional.
  • the anti-reaction layer prevents the substrate and the overlying Group III nitride-based compound semiconductor from reacting during the manufacturing process. For example, if a silicon (Si) substrate and GaN have a layer force S between them, a force between them, or a thin layer between them, only a layer may be formed during the manufacturing process. It is known that the reaction promotes the reaction and the nitrogen atoms move from GaN to form silicon nitride (Si) substrate and silicon nitride.
  • the bond between aluminum (A1) and nitrogen is strong, and it is difficult for silicon (Si) to react with GaN.
  • the material be mainly a single crystal, not an amorphous material in a so-called buffer layer.
  • a strain relaxation layer in which an amorphous layer and a single crystal layer are laminated.
  • the amorphous layer and the single crystal layer may be formed into a plurality of cycles as one cycle, and the repetition may be performed at an arbitrary cycle. The more the number of repetitions, the better the crystallinity.
  • a group III nitride-based compound semiconductor grown at a low temperature is preferred, and the layer containing aluminum (A1) is preferably used. I like it.
  • the single crystal layer a group III nitride-based compound semiconductor grown at a high temperature is preferable, and a conductive dopant can be inserted. Considering the exclusion, binary Group III nitride-based compound semiconductors are more preferable.
  • indium (In) and other atoms having a large diameter may be doped in the single crystal layer.
  • the As responsive ion etching would like, you can use any of the etching methods.
  • RIE As responsive ion etching
  • Vertical on the board surface it is not necessary to form a bottom surface at the bottom, for example, a V-shaped cross section at the bottom according to the anisotropic etching. It is good to form.
  • a semiconductor element such as a FET or a light emitting element is formed on the upper part of a group III nitride compound semiconductor having a region in which the threading dislocation is suppressed as described above. can do .
  • the light emitting layer is composed of a multi-quantum well-doped structure (MQW), a single-molecule well-doped structure (SQW), a homo-structure, a hetero structure, Although it is conceivable that the structure has a bulge-to-terror structure, it is acceptable to form it by pin connection or pn connection.
  • the following description is based on specific embodiments of the present invention.
  • the light emitting element is used as an example, but the present invention is not limited to the following example, and can be applied to any group III element. It discloses a method for manufacturing nitride-based compound semiconductors.
  • the Group III nitride-based compound semiconductor of the present invention is produced by vapor phase growth by the organic metal compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as “M0VPE”).
  • M0VPE organic metal compound vapor phase growth method
  • the gases used were ammonia (NH 3 ), carrier gas (H 2 or N 2 ) and trimethyl gallium (Ga (CH 3 ), (Hereinafter referred to as “TMG”), trimethyl aluminum (hereinafter referred to as “TMA” below A1 (CHs)), and trimethylamine film (In (CHs), hereinafter referred to as “TMI”), and cyclopentagel magnesium (Mg (CsH 5 ) 2 , hereinafter referred to as “Cp 2 MgJ”).
  • NH 3 ammonia
  • carrier gas H 2 or N 2
  • TMG trimethyl gallium
  • TMA trimethyl aluminum
  • TMI trimethylamine film
  • Cp 2 MgJ cyclopentagel magnesium
  • the scan path jitter Li by the in g Ri oxidation Shi Li co down (Si0 2) form a film 2 to a thickness of 300nm formed did .
  • This is formed into a resist mask by photolithography, and by the setting and etching of the buffered HF. It was divided by the remaining oxide Shi Li co down (Si0 2) film window frame shape.
  • Window frame of that width 10 ⁇ ⁇ , oxidation Shi Li co down (Si0 2) dividing removed by by the re co down the film 2 (Si) of the base plate 1 (111) plane is 300 ⁇ m X 300 ⁇ m and a grid with a width of 50 // m in the center of the window frame (Fig. 2, (a)).
  • the exposed surface D of the 300 ⁇ ⁇ 30 ⁇ ra square silicon (Si) substrate 1 thus separated and the width of the central portion of the window frame are thus separated.
  • a grid-shaped exposed surface C of 50 / zm was formed (Fig. 1, (a)).
  • the window frame width (width indicated by W in (a) of FIG. 1) of the window frame-shaped silicon oxide (Si 0 2 ) film 2 is ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the ⁇ -type silicon (Si) substrate 1 was maintained at 1100 ° C.
  • the anti-reaction layer 3 composed of the n-AlGaN: Si layer layer having a thickness of 3 nm was formed.
  • the molar ratio of Al and Ga in the formed n-AlGaN: Si layer 3 was about 3: 7.
  • n-type silicon (Si) substrate 1 is raised to 1100 ° C., and TMG, SiH 4 and NH 3 are introduced, and the n-type silicon (Si) substrate 5 is formed on the reaction preventing layer 3.
  • S i layer 4 is each separation Ri by the window frame-like acid I spoon Shi Li co down (Si0 2) film 2 was 300 m X 300 ⁇ m Shi Li co down was left exposed in a square-shaped (S i) Ri Contact is formed toward substrate 1 surface, part window frame-like oxidized Li co down (Si0 2 ) film 2 E Tsu di on towards the n-GaN: Si layer four type formed by leaving exposed next to the 300 ⁇ ⁇ ⁇ 3 00 um towards shape even if the sheet re co down (S i) n-GaN: Si formed on the upper surface of the substrate and n-GaN: Si formed on the 50 ⁇ m wide exposed surface C of the Si layer 4 'and the center of the window frame It remained separated from layer 4C (Fig.
  • the n-GaN thus formed The temperature of the Si layer 4 was lowered at 20 ° C / min and returned to room temperature, but cracks did not occur. In addition, the difference in thickness between the edge portion and the central portion of the element formation region was less than 50 nm.
  • a resist mask is formed on the (111) face of the n-type silicon (Si) substrate 1 by photolithography to form a hydrofluoric acid / peroxidic acid.
  • the groove portion C ' was formed by etching a window frame having a width of 50 im and a depth of 4 / im by using a hydrogen fluoride eccentric etch.
  • the area surrounded by the window frame had a rectangular shape of 310 ⁇ ⁇ 31 ⁇ ⁇ ⁇ .
  • the shape formed in the thickness of the next to the scan Roh jitter Li down by Ri acid into a grayed Shi Li co-down (Si0 2) the film 2 300nm. This is used to form a resist mask by photolithography, and to be oxidized by the offset etching of the buffer HF.
  • N-type sheet re co down the (S i) board 1 is retained in the 1100 ° C in the following, TM A, TMG, and introduced a S iH 4 ⁇ Pi NH 3, 300 / ⁇ ⁇ ⁇ 300 /
  • the silicon (S i) substrate 1 exposed in a square shape having a thickness of ⁇ is formed on the (111) face of the n-AlGaN: S i layer layer having a thickness of 300 nra.
  • a stop layer 3 was formed.
  • the mole ratio of A1 to Ga in the formed n-AlGaN: Si layer 3 was about 3: 7.
  • n-GaN S i layer 4 with a thickness of ⁇ was formed. Chi's this, this yo cormorants the formed n-GaN: S i layer 4 was each separation Ri by the window frame-shaped oxidation Shi Li co down (S i0 2) film 2
  • n-GaN Si layer 4 months formed by Les, shea was also left exposed to the rectangular shape of 300 ⁇ ⁇ ⁇ 3 00 / m neighbors with Li Exposed surface (groove) with a width of 50 / zm and a depth of 4 ⁇ of the n-GaN: Si layer 4 ′ and the center of the window frame formed on the upper surface of the silicon (Si) substrate
  • the n-GaN: Si layer formed in C ' was kept separated from 4 C'.
  • the temperature of the n-GaN: Si layer 4 thus formed was lowered at 20 ° C / min and returned to room temperature, but cracks were generated and a strong force was generated.
  • the difference in thickness between the edge portion and the central portion of the element formation region was less than 50 nm.
  • the n-GaN: Si layer 4 on the (111) plane of the silicon (Si) substrate 1 exposed in a rectangular shape of 300 mx 300 / m is laminated.
  • a group III nitride compound semiconductor is stacked as follows to form a light emitting diode 100 shown in FIG. 5 as follows:
  • N cladding layer 105 consisting of 92 N force, emitting layer 106, and magnesium (Mg) doped Al. . 8 Ga.
  • the p-type layer 107 composed of 92 N force and the p-type layer 108 composed of manganese (Mg) -doped GaN were formed.
  • Electrode 109 made of gold (Au) is placed on the p-contact layer 108, and an aluminum (A1) electrode is placed on the back surface of the silicon substrate 1.
  • electrodes 110 were The light emitting diode (LED) 100 thus formed has a remarkable improvement in element lifetime and light emitting efficiency.
  • n-GaN Silicon (Si) doped Al o. osGa on the Si layer 5. . 92 Ru N force Naru Luo n click la head layer 2 0 5, shea Li co down (S i) n moth GaN force Ru Naru Luo of de-loop Lee de layer 2 0 6, MQW structure of the light emission layer 207, Magnesium (Mg) -doped GaN-powered p-guide layer 208, Magnesium (Mg) -doped Al. ,. 8 Ga.
  • a P-layer 210 consisting of a 2N force and a p-contact layer 210 consisting of a magnesium (Mg) -doped GaN force were formed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration according to another concrete embodiment of the present invention.
  • a silicon (S i) substrate 11 On a silicon (S i) substrate 11, a mask material 12 composed of silicon oxide (Si 0 2 ) force is formed.
  • the mask material 12 is formed in the shape of a window frame, and the silicon substrate (Si) substrate 11 of the window portion is exposed.
  • a reaction reaction consisting of AlGaN was performed by epitaxy growth.
  • a stop layer 13 is formed.
  • the reaction prevention layer 13 is for preventing the reaction between the silicon (Si) substrate 11 and the upper group III nitride compound semiconductor.
  • a strain relaxation layer 14 composed of a multilayer film is formed by epitaxy growth.
  • the strain relaxation layer 14 is formed by alternately stacking GaN layers 41 1 and 41 2 and AlGaN layers 42 1 and 42 2 formed in different temperature ranges. is there .
  • a GaN layer 15, which is a desired group III nitride-based compound semiconductor layer is formed by the growth of a silicon oxide layer.
  • the laminated portion composed of the reaction preventing layer 13, the strain relaxation layer 14, and the GaN layer 15 is formed on the adjacent exposed substrate 11.
  • the stacked structure consisting of the anti-resistive layer 13 ′, the strain relaxation layer 14, and the GaN layer 15 ′ is formed under the condition that it is not connected during epitaxy growth. Is formed. That is, even if the strained relaxation layer 14 and the group III nitride-based compound semiconductor layer 15 are formed above the end of the mask material 12, Conduct epitaxy under conditions that do not cover the center of the timber 12. Specifically, it is easily achieved by making the window frame-like mask material 12 have a sufficient frame width. As shown in FIG. 8 (a), the laminated portion composed of the reaction prevention layer 13, the strain relaxation layer 14, and the GaN layer 15 has a
  • the mode of implementation of the invention described above can be selected from among the following, respectively.
  • a group III nitride-based compound semiconductor is formed on a substrate in a sequential stack, a sapphire, silicon (Si :), carbonization Ke i containing (S i C), sp e, channel (MgAl 2 0 4), Li Ga0 2, NdGa0 3, Zn0, other non-aircraft crystal board of MgO its, Li emissions of gas Li ⁇ beam Or a group II-V compound semiconductor such as gallium arsenide or gallium nitride nitride (GaN) or other group III nitride-based compound semiconductor. You can use conductors and the like.
  • the substrate on which gallium nitride (GaN) or other group III nitride-based compound semiconductor film is formed especially a buffer layer or a further layer.
  • a substrate with a thick film formed on it especially a substrate with a thick film formed on it.
  • an organic metal vapor phase growth method M0CVD or M0VPE
  • M0CVD organic metal vapor phase growth method
  • a laser S or a molecular wire is used.
  • Phase growth method (MBE), halide gas phase growth method (Halide VPE), liquid phase growth method (LPE), etc. may be used, and each layer may be formed in a different layer. It may be formed by a rectangular method.
  • Group III nitride compound semiconductors can also be obtained by replacing part of the composition of group III elements with boron (B) or thallium (T1). Even if part of the composition of nitrogen (N) is replaced by phosphorus (P), arsenic (As;), antimony (Sb), and bismuth (Bi) Can be applied practically. It is also good to dope these elements so deeply that they cannot be displayed in the composition.
  • AlxGai-xNio x ⁇ l which is a group III nitride-based compound semiconductor that does not contain indium (In) or arsenic (As) in its composition, , Aluminum (Al), an element with a larger atomic radius than Indium (In), or an element with a larger atomic radius than nitrogen (N) Doping large arsenic (As), compensates the expansion strain of the crystal due to the removal of the nitrogen atom by compression and improves the crystallinity. It may be good. In this case, access P-type crystals can also be obtained by fuzz greens because the puta impurities easily enter the position of the group III atom.
  • the threading dislocation can be further reduced to about 100 to 100 minutes. Can be lowered by
  • the light emitting element is configured as a light emitting element, a binary system or a ternary system of a group III nitride-based compound semiconductor is originally used. I want it.
  • the n-type impurities may be selected from the group IV elements such as Si, Ge, Se, Te, and C. Or you can add a VI group element.
  • the p-type impurity it is possible to add tl element or iv element such as Zn, Mg, Be, Ca, Sr, Ba, etc. to the element tl. Even if several or these layers are doped with n-type impurities and p-type impurities in the same layer, they can be combined with the present application in the horizontal direction. It is a good configuration for epitaxy growth.
  • a structure that reduces threading dislocations by various lateral epitaxy growths is combined. May be good.
  • the growth surface be perpendicular to the base plate, and that the force bend the plate with respect to the base plate. It can be grown on the facet.
  • the bottom of the step does not have a bottom surface, and the cross section may be V-shaped.
  • the masking material that defines the exposed surface of the substrate of the present application includes polycrystalline semiconductors such as polycrystalline silicon, polycrystalline nitride semiconductors, and silicon oxide (silicon oxide). Oxides, such as silicon nitride (SiNx), silicon nitride (SiNx titanium oxide (TiOx), and zirconium oxide (ZrOx)), nitrides, titanium (TiOx). ), High melting point metals such as tungsten (W), and the use of these multi-layer films can be used to form a film. Steaming, spatter, Other than vapor phase growth methods such as CVD, etc. are optional.
  • the anti-reaction layer prevents the substrate and the overlying Group III nitride-based compound semiconductor from reacting during the manufacturing process. For example, if a silicon (Si) substrate and GaN have only a layer or force between them, or if there is only a thin layer between them, stress during the manufacturing process It is known that the reaction is promoted by the GaN, and the nitrogen atoms move from the GaN gas, forming a silicon (Si) substrate and silicon nitride.
  • a Le mini U beam (a 1) a rather multi including II I group nitrides based of compound Semiconductors Al x Ga y I ni - x - y N (eg, X ⁇ 0.3) Force '; This is because the bond between aluminum (A1) and nitrogen is strong, and it is difficult to react with silicon (Si) and GaN force.
  • the material be mainly a single crystal, not an amorphous material in a so-called buffer layer.
  • the strain relaxation layer is formed by laminating an amorphous layer and a single crystal layer.
  • the amorphous layer and the single crystal layer may be formed into a plurality of cycles as one cycle, and the repetition may be performed at an arbitrary cycle. The greater the repetition, the better the crystallinity.
  • a group III nitride compound semiconductor grown at a low temperature is preferred, and the layer containing aluminum (A1) is further added.
  • the single crystal layer a group III nitride-based compound semiconductor grown at a high temperature is preferable except that it can enter a conductive donut which is preferable. If removed, it is preferable to improve the power of binary group III nitride compound semiconductors. It is also acceptable to drop an element (In) or another element with a large diameter of the element on the single crystal layer.
  • the group III nitride-based compound semiconductor is etched. Is a reactive ion etching (RIE) force S You can use any of the etching methods.
  • the vertical side surface is not formed on the substrate surface, but the anisotropic etching may be performed, for example, without the bottom surface at the bottom, and the cross section may be V. Even if it is possible to form a letter-like thing,.
  • a semiconductor element such as a FET or a light emitting element is formed on the upper part of the group III nitride compound semiconductor having a region where the threading dislocation is suppressed as described above. can do .
  • the light emitting layer is composed of a multi-quantum well-doped structure (MQW), a single-molecule well-doped structure (SQW), a homo-structure, a hetero structure, Although it is conceivable that the structure has a bulge-to-terror structure, it is acceptable to form it with a pin junction or a pn junction.
  • a light emitting element is used.
  • the present invention is not limited to the examples described below, and can be applied to any group III element. It discloses a method for producing a nitride-based compound semiconductor.
  • the Group III nitride-based compound semiconductor of the present invention is produced by vapor phase growth by an organic metal compound vapor phase growth method (hereinafter referred to as “M0VPE”).
  • M0VPE organic metal compound vapor phase growth method
  • the gases used were ammonia (NH 3 ), carrier gas (H 2 or N 2 ) and trimethyl gallium (Ga (CH 3 ), (Hereinafter referred to as “TMG”), trimethyl aluminum (A 1 (CH 3 ), hereinafter referred to as “TMA”), and trimethyl aluminum (hereinafter referred to as “TMA”).
  • NH 3 ammonia
  • carrier gas H 2 or N 2
  • TMG trimethyl gallium
  • a 1 CH 3
  • TMA trimethyl aluminum
  • TMA trimethyl aluminum
  • TMA trimethyl aluminum
  • TMA trimethyl aluminum
  • ⁇ cyclopentagen magnesium
  • n-type sheet re co down (S i) board 1 1 (111) plane the scan path jitter Li by the in g Ri oxidation Shi Li co down (Si0 2) film 1 2 a thickness of 500nra Formed. This can be converted to a registry mask by photolithography. After removing the silicon oxide (Si0 2 ) film in the form of a window frame, remove it by etching the HF pad. did .
  • Window frame width 50 / zm, acid I arsenide Shi Li co down (Si0 2) film 1 2 removal removed by by the re co down (S i) board 1 1 (111) plane is 300 ⁇ ⁇ ⁇ It has a square shape of 30 ⁇ ⁇ ⁇ . In this way, a large number of separately exposed surfaces of a rectangular silicon (Si) substrate 11 of 300 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 300 ⁇ ⁇ were formed.
  • the n-type silicon (S i) substrate 11 is 1100.
  • a 300 nm-thick anti-reactive layer 13 consisting of an n-AlGaN: Si layer was formed on the (111) face of 1, a 300 nm-thick anti-reactive layer 13 consisting of an n-AlGaN: Si layer was formed.
  • the molar ratio of A1 to Ga in the formed n-AlGaN: Si layer 13 was about 3: 7.
  • n-GaN Si layer 41 on the reaction-preventing layer 13 composed of the n_AlGaN: Si layer. 1 was formed.
  • the temperature of the n-type silicon (Si) substrate 11 is lowered to 500 ° C, and TMA, TMG, SiH 4 and NH 3 are introduced, and the n-type silicon (Si) substrate having a thickness of 20 nm is formed.
  • -AlGaN A Si layer 4 2 1 was formed.
  • the molar ratio of A1 to Ga in the n-AlGaN: Si layer 421 was about 3: 7.
  • n-GaN Si layers 411, 412, and 50 ⁇ grown to a thickness of 50 Onm at a temperature of 1100 ° C.
  • a sum layer 14 was formed.
  • n-GaN Si layer 15 having a thickness of 5 ⁇ was formed. Chi's this was the shape formed in the Hare good this n-GaN: S i layer 1 5, a window frame-shaped oxidation Shi Li co down (Si0 2) film 1 by Ri each separation of the 2
  • the silicon (Si) substrate 11 exposed in a square shape of 300 ⁇ ⁇ is formed on the upper surface of one side, and a part of a window-shaped silicon oxide is formed.
  • n-GaN Si layer 1 5 next be form formed 300 / m of X 300 / im
  • n-GaN Si layer 15' formed on the upper surface of the silicon (Si) substrate 11 exposed in a square shape? It remained separated.
  • the temperature of the thus formed n-GaN: Si layer 15 was lowered at 20 ° C / min to room temperature, but cracks were generated and a strong force was generated. .
  • the n-GaN: Si layer 15 having the layer 4 is laminated, and then the group III nitride compound semiconductor is laminated as shown in FIG. 9 as shown in FIG. 9.
  • the optical diode 300 was formed.
  • n-GaN ⁇ 1 of silicon (Si) dopant on Si layer 15. . 16 Ga. 85 N force ⁇ cladding layer 306, light emitting layer 307, Magnesium (Mg) doped Alo. Is Gao ssN force p Cladding layer 308, composed of magnesium doped (Mg) doped GaN A p-contact layer 309 was formed. Next, an electrode 310 made of gold (Au) is placed on the p-contact layer 310 and an aluminum (A1) electrode is placed on the back of the silicon substrate 1. The resulting electrode 311 was formed.
  • the light emitting diode (LED) 300 formed in this way has remarkably improved element lifetime and light emitting efficiency.
  • the strain relief layer 1 on the (111) plane of the silicon (Si) substrate 11 exposed in a square shape of 300 ⁇ m X 300 ⁇ m was used.
  • the n-GaN: Si layer 15 having the layer 4 is laminated, and the group III nitride-based compound semiconductor is laminated as follows, as shown in FIG. — The Diode 400 has been formed.
  • n-GaN A1 with a silicon (Si) dopant on top of the Si layer 15.
  • Si silicon
  • a p-type contact layer 511 composed of an N-type p-type layer and a p-type contact layer composed of a magnesium (Mg) -doped GaN force> was formed.
  • an electrode made of gold (Au) is placed on the p-contact layer 511 and an aluminum (A1) force is placed on the back of the silicon substrate 11.
  • the resulting electrode 513 was formed.
  • the laser diode (LD) 400 thus formed has remarkably improved element lifetime and luminous efficiency.

Description

明 細 書
III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法及 び III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 素 子 技 術分 野
本 発 明 は 、 II I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 の 製 造方 法 及 び 半導 体 素 子 に 関 す る 。
尚 、 III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と は 、 例 え ば A1N、 G aN、 InN の よ う な 2 元 系 、 ALGai一 、 A 1 x I n i - x N , G a x I n i- ( レ、 ず れ も 0< χ< 1) の よ う な 3 元 系 、 AlxGayln - N ( 0 < X < 1 , 0 < y < 1 , 0 < x + y < 1 ) の 4 元 系 を 包 括 し た 一 般 式 Al ayIn…― yN ( 0≤ x≤ l, 0≤ y≤ 1 , 0≤ x + y≤ 1 ) で 表 さ れ る も の が あ る 。 な お 、 本 明 細 書 に お い て は 、 特 に 断 ら な い 限 り 、 単 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と 言 う 場合 は 、 伝 導型 を p 型 あ る い は n 型 に す る た め の 不 純 物 が ド ー プ さ れ た III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を も 含 ん だ表 現 と す る 。 背 景 技 術
I I I 族 窒化 物 系 化 合 物 半 導 体 は 、 例 え ば発 光 素 子 と し た 場 合 、 発 光 ス ぺ ク ト ル が 紫 外 カゝ ら 赤 色 の 広 範 囲 に 渡 る 直 接 遷 移 型 の 半 導 体 で あ り 、 発 光 ダ イ ォ ー ド （LED)ゃ レ 一 ザ ダ イ ォ ー ド （LD)等 の 発 光 素 子 に 応 用 さ れ て い る 。 ま た 、 そ の バ ン ド ギ ャ ッ プ が 広 い た め 、 他 の 半導 体 を 用 い た 素 子 よ り も 高 温 に お い て 安 定 し た 動 作 を 期 待 で き る こ と か ら 、 F E T 等 ト ラ ン ジ ス タ へ の 応 用 も 盛 ん に 開 発 さ れ て レヽ る 。 ま た 、 ヒ 素 (As) を 主 成 分 と し て レヽ な い こ と で 、 環 ia 面 か ら も 様 々 な 半 導 体 素 子 一 般 へ の 開 発 が 期 待 さ れ て い る の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 で は 、 サ フ ア イ ァ を と し 、 そ の 上 に 形 成 し た 素 子 の 他 、 シ リ コ ン （S 基 板 を 用 い る も の が あ る 。
シ リ ン （Si )基 板 上 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 形 成 す る と 、 シ リ コ ン （Si)基 板 と I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と の 格 子 定 数 の ミ ス フ イ ッ ト に よ り 常 に 応 力 が か か つ た 状 態 で ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 行 う こ と と な る 。 ま た 、 シ リ コ ン （Si)基 板 と I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と の 熱 膨 張 率 の 差 は 、 降 温 時 に そ の 応 力 を 増 大 さ せ 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 に 多 数 の ク ラ ッ ク （ 断 裂 ） を 生 じ さ せ る こ と と な る 。 こ れ に よ り 、 発 光 素 子 そ の 他 の 素 子 を 形 成 し た 領 域 に ク ラ ッ ク （ 断 裂 ） が 生 じ た 場 合 は そ の 素 子 は 不 良 品 と な り 、 歩 留 ま り が 極 め て 悪 い も の と な つ て い た 。
そ こ で 例 え ば 、 各 素 子 形 成 領 域 の 大 き さ （ 1mm2 以 下 ） に 成 長 領 域 を 区 分 し 、 当 該 成 長 領 域 以 外 に 窓 枠 状 の マ ス ク を 形 成 す る 技 術 が あ る 。 こ れ に よ り 各 領 域 力 小 さ く な る こ と 、 ま た 隣 接 す る 領 域 力ゝ ら の 応 力 等 が 伝 播 し な い こ と に よ り ク ラ ッ ク ( 断 裂 ） の 発 生 を 抑 制 し 、 且 つ ク ラ ッ ク が 発 生 し た と し て も 当 該 ク ラ ッ ク の 発 生 し た 素 子 領 域 の み に と ど め る こ と 力 で き る 。
と こ ろ が こ の よ う な 素 子 形 成 領 域 を 区 分 し て ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 行 う と 、 通 常 、 当 該 領 域 の エ ッ ジ 部 分 が よ り 早 く 成 長 し 、 領 域 中 央 部 が 凹 部 と な る よ う な ェ ピ タ キ シ ャ ノレ 成 長 と な つ て し ま う 。 こ れ を 図 1 1 に 示 す 。 図 1 1 で は 、 基 板 9 1 と マ ス ク 材 9 2 と I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 9 3 と で 示 し た が 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 9 3 は 単 層 に 限 ら れ な い 。 図 1 1 の よ う に な る の は 素 子 形 成 領 域 D の エ ッ ジ 部 分 E と 中 央 部 M と で I I I 族 及 び V 族 の 原 料 の 供 給 量 に 差 が あ り 、 エ ッ ジ 部 分 に よ り 多 < の I I I 族 及 び V 族 の 原 料 が 供 給 さ れ る こ と と な る か ら で あ る 。
ま た 、 こ の よ う に ク ラ ッ ク が 発 生 し な レヽ ょ う 選 択 成 長 を さ せ て も 、 実 際 に は 応 力 緩 和 が 十 分 に 行 え ず 、 特 に 貫 通 転 位 は 減 少 し な 力 つ た 。 g卩 ち 、 ク ラ ッ ク （ 断 裂 ） の 発 生 は そ れ に よ る 応 力 緩 和 を 意 味 す る の で 、 そ の ク ラ ッ ク を 抑 制 す る と 、 貫 通 転 位 に は 応 力 が 力ゝ カゝ つ た ま ま の 状 態 と な り 、 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 中 に 各 貫 通 転 位 を 消 滅 （ 上 方 へ の 伝 播 の 阻 止 ） さ せ る こ と は 却 っ て 阻 害 さ れ る こ と と な っ て い た 。 発 明 の 開 示
本 発 明 は 上 記 の 課 題 を 解 決 す る た め に な さ れ た も の で あ り 、 そ の 目 的 と す る と こ ろ は 、 成 長 領 域 を 区 分 し た ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に ぉ レ、 て 、 成 長 領 域 の エ ッ ジ 部 分 が 盛 り 上 カ ら な レ、 よ う に す る こ と で あ る 。
他 の 目 的 は 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に お い て 、 ク ラ ッ ク （ 断 裂 ） の 抑 制 と 、 貫 通 転 位 の 減 少 と を 同 時 に 成 す こ と で あ る 。
上 記 の 課 題 を 解 決 す る た め 、 第 1 の 特 徴 は 、 基 板 上 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ り 得 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法 に お い て 基 板 表 面 に 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が ェ ピ タ キ シ ャ ル成長 し な い マ ス ク 材 を 格 子 状 に 形 成 し 、 素 子 形成 用 の 基板 表 面 を 各 々 分離 し て 露 出 さ せ る と と も に 、 格 子 状 の マ ス ク の 帯 の 中 央部 に 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 消 費 領 域 を 形 成 す る 工 程 と 、 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 素 子 形 成 用 の 基板 表 面 に 、 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 形成 す る 工程 と を 含 む こ と を 特 徴 と す る 。 こ こ で 、 格 子 状 の マ ス ク の 帯 の 中 央 部 と は 、 マ ス ク の 帯 全域 に わ た つ て 連 続 し て 形 成 さ れ た 中 央 部 に 限 定 さ れ な レ、 。 例 え ば破 線状 、 点 在 す る 円 形状 そ の 他 任 意 で あ る 。 尚 、 消 費 領 域 の 形 成 は 、 マ ス ク 材 を 格 子 状 に 形成 す る の と 同 時 で も 、 ま た 、 マ ス ク 材 を 格 子 状 に 形 成 し た 後 で も 良 レ、 。
ま た 、 第 2 の 特徴 は 、 消 費 領 域 は 、 素 子 形 成 に 用 い な い 基板表 面 を 露 出 さ せ て 形成 す る こ と を 特徴 と す る 。
ま た 、 第 3 の 特 徴 は 、 消 費 領 域 は 、 基板 を も 一 部 削 除 し て 段 差 の あ る 基板 面 を 露 出 さ せ て 形成 す る こ と を 特徴 と す る 。 こ の 際 、 予 め 基 板 を 削 除 し て 段 差 の あ る 基 板 面 を 形成 し た の ち 、 マ ス ク 材 を 格 子 状 に 形 成 す る 場 合 も 本 願 発 明 に 包 含 さ れ る 。
ま た 、 第 4 の 特 徴 は 、 素 子 形 成領 域 の 面 積 が 、 0. 01mm 2 以 上 lmm 2 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 。 ま た 、 第 5 の 特 徴 は 、 素 子 形 成 領 域 の 面 積 が 、 0. 01mm2 以 上 0. 3mm2 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 。
ま た 、 第 6 の 特徴 は 、 基 板 力 S シ リ コ ン （ S i )力 ら 成 る こ と を 特徴 と す る 。 ま た 、 第 7 の 特徴 は 、 マ ス ク 材 が 主 と し て 二 酸 化 ケ イ 素 （Si02)カゝ ら 成 る こ と を 特徴 と す る 。 ま た 、 第 8 の 特 徴 は 、 製 造 工 程 中 に 基 板 と 上 層 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と が 化 学反 応 を 起 こ さ な レ、 よ う 、 各 々 分離 し て 露 出 さ れ た 素 子 形 成 用 の 基 板 表 面 に 、 主 と し て 単 結 晶 か ら 成 る 反 応 防止 層 を 形 成 す る 工程 を 含 む こ と を 特 徴 と す る 。 尚 、 消 費領 域 に 反 応 防止 層 が 形 成 さ れ る こ と を 排 除 す る も の で は な い 。 ま た 、 第 9 の 特徴 は 、 反 応 防 止 層 の 厚 さ が 、 l OOnm 以 上 Ι μ πι 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 。 ま た 、 第 1 0 の 特徴 は 、 反 応 防止 層 が 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合物 半 導 体 で あ っ て I I I 族 中 の ア ル ミ 二 ゥ ム （A1 )の 組成 が モ ル 比 30%以 上 で あ る こ と を 特徴 と す る 。
ま た 、 第 1 1 の 特 徴 は 、 第 1 乃 至 第 1 0 の い ず れ 力 1 つ の 特徴 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法 に よ り 得 ら れ た I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 層 上 に 形成 し た こ と を 特 徴 と す る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 素 子 で あ る 。 ま た 、 第 1 2 の 特 徴 は 、 第 1 乃 至 第 1 0 の い ず れ 力 1 つ の 特 徴 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法 に よ り 得 ら れ た I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体層 上 に 、 異 な る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 層 を 積 層 す る こ と に よ り 得 ら れ る こ と を 特徴 と す る I I I 族 窒化 物 系 化 合 物 半 導 体 発 光 素 子 で あ る 。
格 子 状 の マ ス ク に よ り 成長 領 域 を 区 分 し た ェ ピ タ キ シ ャ ノレ成 長 に お い て 、 隣接 す る 成長 領 域 の エ ッ ジ 部 分 と の 間 、 マ ス ク の 帯 の 中 央 部 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 消 費 領 域 が 形 成 さ れ て い る の で 、 成 長 領 域 の エ ッ ジ 部 分 に 不 必 要 に I I I 族 及 び V 族 の 原 料 が 供給 さ れ る こ と が 無 い 。 こ れ に よ り 、 素 子 形成 領 域 の エ ッ ジ 部 分 と 中 央 部 と で I I I 族 及 び V 族 の 原 料 の 供給 量 の 差 が 抑 制 さ れ 、 素 子 領 域 エ ッ ジ 部 が 凸 部 と な る こ と カ S な く な り 、 素 子 形 成 領 域 の ク ラ ッ ク ゃ 欠 陥 が 大 幅 に 低 減 さ れ る （ 第 1 の 特 徴 ） 消 費 領 域 は 単 に 素 子 形 成 に 用 い な い 基 板 表 面 を 露 出 さ せ て も 、 ま た 更 に 基 板 を も 一 部 削 除 し て 段 差 を 形 成 し て も 良 い （ 第 2 、 3 の 特 徴 ）。
素 子 形 成 領 域 の 面 積 は 、 O. O lmra2 以 上 1mm2 以 下 で あ る こ と 力 S 望 ま し く 、 更 に は 0. 01mm2 以 上 0. 3ram2 以 下 で あ る こ と 力； 望 ま し レ、 。 1mm 2 越 え る 領 域 に 形 成 さ れ る ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 層 は 数 / i m の 厚 さ に 形 成 す る と 応 力 か ら ク ラ ッ ク の 発 生 が 非 常 に 多 く な る 。 0. 3 mm 2 以 下 の 領 域 と す る と 、 各 ェ ピ タ キ シ ャ ル 形 成 領 域 は 1 素 子 単 位 程 度 と な り 、 歩 留 ま り を 更 に 上 げ る こ と 力 S で き る （ 第 4 、 5 の 特 徴 ）。 0. 01mm2 未 満 の 領 域 で は 1 個 の 素 子 領 域 と し て 充 分 で は な い 。
本 発 明 は 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と の 熱 膨 張 率 の 差 が 大 き い シ リ コ ン （ S i )基 板 で あ る 場 合 に 特 に 有 効 で あ る （ 第 6 の 特 徴 ）。 ま た 、 マ ス ク 材 と し て は ニ 酸 ィ匕 ケ ィ 素 （S i 02) を 用 い る こ と が 簡 便 で あ る （ 第 7 の 特 徴 ）。 反 応 防 止 層 を 形 成 す る こ と で 、 基 板 と 上 層 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 製 造 工 程 中 に 反 応 し な い よ う に す る こ と が で き る （ 第 8 の 特 徴 ）。 反 応 防 止 層 の 厚 さ は 少 な く と も lOOnm 必 要 で あ り （ 第 9 の 特 徴 ）、 そ の 組 成 は I I I 族 中 の ア ル ミ ニ ウ ム （A1) の 組 成 が モ ル 比 30%以 上 で あ る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 で あ る こ と 力 S よ り 望 ま し い （ 第 1 0 の 特 徴 ）。 こ れ に よ り 、 例 え ば シ リ コ ン （ S i )基 板 と 窒 化 ガ リ ゥ ム （GaN) と の 間 に AlGaN を 形 成 す る 場 合 、 シ リ コ ン (Si)基 板 と 窒 ィ匕 ガ リ ゥ ム （GaN) と が 直 接 接 し な い こ と で こ れ ら の 間 で 窒 素 原 子 が 移 動 し て 窒 化 ケ ィ 素 と 金 属 ガ リ ゥ ム そ の 他 が 生 成 す る こ と を 防 ぐ こ と が で き る 。 そ の 他 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と 条 件 に よ り 反 応 を 起 こ し 得 る 基板 と の 間 に 反 応 防止 層 を 形 成 す る こ と は 有 用 で あ る 。
上 記 の よ う に 形 成 し た 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 に 任 意 の 素 子 を 形 成 し た も の 、 或 レヽ は 、 異 な る I I I 族 窒化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 を 積層 し て 発 光 素 子 と し た も の は 、 ク ラ ッ ク の 発 生 も 貫 通 転位 の 抑 制 も 同 時 に な さ れ る の で 歩 留 ま り が 高 く 、 且 つ 高 品 質 の 素 子 又 は 発 光 素 子 と す る こ と カ で き る （ 第 1 1 、 1 2 の 特徴 ）。
ま た 、 第 1 3 の 特徴 の 発 明 に よ れ ば 、 基 板 上 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 に よ り 得 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法 に お い て 、 基板 表 面 に 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 し な い マ ス ク 材 を 格子 状 に 形 成 し 、 基 板 表 面 を 各 々 分 離 し て 露 出 さ せ る 工 程 と 、 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基 板 表 面 上 方 に 、 2 つ の 異 な る 温度 範 囲 で 、 同 一 又 は 異 な る 組成 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 交 互 に 形 成 し た 歪 み 緩 和 層 を 形 成 す る 工程 と 、 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 歪 み 緩和 層 の 上 に 形 成 す る 工 程 と を 含 み 、 基 板 表 面 上 方 に 形 成 さ れ る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 が 隣 同 士 各 々 分 離 し て 形成 さ れ る こ と を 特 徴 と す る 。 こ こ で マ ス ク 材 の 形 状 で あ る 格 子 状 と は 、 方 形 の 窓 部 を 有 す る も の で な く て も 良 い 。 例 え ば蜂 の 巣状 の よ う に 、 多 角 形 の 窓 部 を 有 す る も の で も 良 い 。 ま た 、 2 つ の 異 な る 温 度 範 囲 と は 、 交 互 に 形成 す る 際 、 2 種類 の 温度 が 各 々 完 全 に は 同 一 温 度 で な く て も 良 レヽ こ と を 意 味 す る 。
ま た 、 第 1 4 の 特徴 の 発 明 に よ れ ば 、 2 つ の 異 な る 温 度 範 囲 は 、 2 0 0 °C 以 上 6 0 0 °C 以 下 と 9 0 0 °C 以 上 1 2 0 0 °C 以 下 と で あ る こ と を 特 徴 と す る 。 ま た 、 第 1 5 の 特 徴 の 発 明 に よ れ ば 、 2 0 0 °C 以 上 6 0 0 °C 以 下 で形 成 さ れ る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 は 厚 さ 10nm以 上 lOOnm 以 下 、 9 0 0 °C 以 上 1 2 0 0 °C 以 下 で 形 成 さ れ る I II 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 は 厚 さ 200nm 以 上 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 。 ま た 、 第 1 6 の 特徴 の 発 明 に よ れ ば 、 歪 み 緩 和 層 を 形 成 す る 工 程 は 、 2 つ の 異 な る 温度 範囲 を 2 回 以 上 ず つ 行 う こ と を 特 徴 と す る 。
ま た 、 第 1 7 の 特徴 の 発 明 に よ れ ば 、 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基 板 表 面 の 面 積 が 、 1mm2 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 。 ま た 、 第 1 8 の 特 徴 の 発 明 に よ れ ば 、 各 々 分離 し て 露 出 さ れ た 基 板 表 面 の 面 積 が 、 0. 3rara2 以 下 で あ る こ と を 特徴 と す る 。
ま た 、 第 1 9 の 特 徴 の 発 明 に よ れ ば 、 基 板 が シ リ コ ン （ S i)カゝ ら 成 る こ と を 特徴 と す る 。 ま た 、 第 2 0 の 特徴 の 発 明 に よ れ ば 、 マ ス ク 材 が 主 と し て 二 酸 化 ケ イ 素 （ S i 02 )か ら 成 る こ と を 特徴 と す る 。 ま た 、 第 2 1 の 特徴 の 発 明 に よ れ ば 、 製 造 工 程 中 に 基板 と 上 層 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と が 化 学 反 応 を 起 こ さ な レ、 よ う 、 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基板 表 面 に 主 と し て 単 結 晶 か ら 成 る 反 応 防 止 層 を 形成 す る 工 程 を 含 む こ と を 特 徴 と す る 。 こ こ で 主 と . し て 単 結 晶 か ら 成 る 反 応 防 止 層 と は 、 基 板 表 面 近 傍 の 結 晶 状 態 は と も か く 、 当 該 反 応 防 止 層 が 単 結 晶 を 形 成 す る 温 度 等 の 条 件 で 形 成 さ れ る こ と を 意 味 す る 。 ま た 、 第 2 2 の 特徴 の 発 明 に よ れ ば 、 反 応 防 止 層 の 厚 さ が 、 lOOnm 以 上 1 /z m 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 。
ま た 、 第 2 3 の 特 徴 の 発 明 に よ れ ば 、 反 応 防 止 層 が 、 I II 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 で あ っ て III 族 中 の ア ル ミ 二 ゥ ム （A1)の 組成 が モ ル 比 30%以 上 で あ る こ と を 特徴 と す る 。
ま た 、 第 2 4 の 特 徴 の 発 明 は 、 第 1 3 乃 至 第 2 3 の レ、 ず れ か 1 つ の 特徴 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 の 製 造 方 法 に よ り 得 ら れ た III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体層 上 に 形 成 し た こ と を 特徴 と す る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 素 子 で あ る 。 ま た 、 第 2 5 の 特徴 の 発 明 は 、 第 1 3 乃 至 第 2 3 の い ずれ か 1 つ の 特徴 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法 に よ り 得 ら れ た III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 上 に 、 異 な る II I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体層 を 積 層 す る こ と に よ り 得 ら れ る こ と を 特徴 と す る III 族 窒化 物 系 化合物 半導 体発 光 素 子 で あ る 。
I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 し な い マ ス ク 材 を 格 子 状 に 形成 し 、 基板表 面 を 各 々 分 離 し て 露 出 さ せ る こ と で 、 III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 さ せ る 領 域 を 各 々 独 立 し た 小 さ な 領 域 と す る こ と 力 で き る 。 こ の の ち 2 つ の 異 な る 温 度 範 囲 で 、 同 一 又 は 異 な る 組成 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 交 互 に 形 成 し た 歪 み 緩 和 層 を 形 成 す る こ と で 基板 と 上 層 と の 応 力 を 緩 和 す る こ と が で き 、 貫 通 転位 の 発 生 を 抑 制 し 、 又 は ェ ピ タ キ シ ャ ル 上 層 で 貫 通 転位 を 消 滅 さ せ る こ と 力 S 可 能 と な る 。 こ の 上 に 形 成 す る 所 望 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 は 、 ク ラ ッ ク を 防 止 し つ つ 、 貫 通 転位 を 抑 制 し た も の と す る こ と 力 S で き る （ 第 1 3 の 特 徴 ）。
2 つ の 異 な る 温 度 範 囲 は 、 2 0 0 で 以 上 6 0 0 で 以 下 と 9 0 0 °C 以 上 1 2 0 0 °C 以 下 と し 、 低 温 で 成 長 し た 層 と 高 温 で 成 長 と し た 層 を 交 互 に 形 成 す る こ と が 望 ま し い 低 温 成 長 層 に お い て 応 力 が 緩 和 さ れ 、 高 温 成 長 層 が 単 結 晶 層 と な る こ と で 上 層 ほ ど 応 力 が 緩 和 さ れ 、 貫 通 転 位 の 抑 制 さ れ た 層 と す る こ と 力 S で き る （ 第 1 4 の 特 徴 ）。 低 温 成 長 層 は 薄 く 、 高 温 成 長 層 は 厚 く す る こ と が 望 ま し く 、 各 々 10nm 以 上 l OOnm 以 下 と 、 200nm 以 上 1 /z ra 以 下 と す る こ と が 望 ま し い （ 第 1 5 の 特 徴 ）。 歪 み 緩 和 層 は 交 互 に 形 成 さ れ る 層 が 多 い ほ ど 応 力 が 緩 和 さ れ る の で 、 低 温 成 長 層 と 高 温 成 長 層 は 各 々 2 層 以 上 形 成 す る こ と が 望 ま し い ( 第 1 6 の 特 徴 ）。
各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基 板 表 面 の 面 積 は 、 O. Olmra2 以 上 1mm2 以 下 で あ る こ と 力 望 ま し く 、 更 に は 0. 01mm2 以 上 0. 3 mm2 以 下 で あ る こ と 力 S 望 ま し い 。 1mm2 越 え る 露 出 面 に 形 成 さ れ る ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 層 は 数 μ πι の 厚 さ に 形 成 す る と 応 力 カゝ ら ク ラ ッ ク の 発 生 が 非 常 に 多 く な る 。 0. 3mm2 以 下 の 露 出 面 と す る と 、 各 ェ ピ タ キ シ ャ ル 形 成 領 域 は 1 素 子 単 位 程 度 と な り 、 歩 留 ま り を 更 に 上 げ る こ と 力 S で き る （ 第 1 7 、 1 8 の 特 徴 ）。 0. 01mm2 未 満 と す る と 1 素 子 に 対 し て 十 分 な 大 き さ で は な く な つ て し ま う 本 発 明 は 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と の 熱 膨 張 率 の 差 が 大 き い シ リ コ ン （Si)基 板 で あ る 場 合 に 特 に 有 効 で あ る （ 第 1 9 の 特 徴 ）。 ま た 、 マ ス ク 材 と し て は 二 酸 化 ケ ィ 素 （S i 02) を 用 レ、 る こ と が 簡 便 で あ る （ 第 2 0 の 特 徴 ）。 露 出 し た 基 板 表 面 に 主 と し て 単 結 晶 か ら 成 る 反 応 防 止 層 を 形 成 す る こ と で 、 製 造 工 程 中 、 即 ち ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 、 電 極 形 成 、 フ ォ ト リ ソ グ ラ フ 、 エ ッ チ ン グ そ の 他 の 処 理 、 昇 温 及 び 室 温 へ の 降 温 の 際 に 応 力 に よ り 、 基 板 と 上 層 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と が 化 学 反 応 を 起 こ さ な レ、 よ う に す る こ と が で き る （ 第 2 1 の 特 徴 ）。 反 応 防 止 層 の 厚 さ は 少 な く と も lOOnm 必 要 で あ り （ 第 2 2 の 特 徴 ） 、 そ の 組 成 は I I I 族 中 の ア ル ミ ニ ゥ ム （A1 ) の 組 成 力 S モ ル 比 30%以 上 で あ る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 で あ る こ と カ よ り 望 ま し い （ 第 2 3 の 特 徴 ）。 こ れ に よ り 、 例 え ば シ リ コ ン （ S i )基 板 と 窒 化 ガ リ ゥ ム （ G a N ) と の 間 に A 1 G a N を 形 成 す る 場 合 、 シ リ コ ン （S i )基 板 と 窒 化 ガ リ ゥ ム （GaN) と が 直 接 接 し な い こ と で こ れ ら の 間 で 窒 素 原 子 が 移 動 し て 窒 化 ケ ィ 素 と 金 属 ガ リ ゥ ム そ の 他 が 生 成 す る こ と を 防 ぐ こ と が で き る 。 そ の 他 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と 条 件 に よ り 反 応 を 起 こ し 得 る 基 板 と の 間 に 反 応 防 止 層 を 形 成 す る こ と は 有 用 で あ る 。
上 記 の よ う に 形 成 し た 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 に 任 意 の 素 子 を 形 成 し た も の 、 或 い は 、 異 な る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 を 積 層 し て 発 光 素 子 と し た も の は 、 ク ラ ッ ク の 発 生 も 貫 通 転 位 の 抑 制 も 同 時 に な さ れ る の で 歩 留 ま り が 高 く 、 且 つ 高 品 質 の 素 子 又 は 発 光 素 子 と す る こ と 力 S で き る （ 第 2 4 、 2 5 の 特 徴 ）。 ま た 、 成 長 領 域 を 区 切 る こ と に よ り 、 基 板 全 体 に 成 長 す る 場 合 よ り も 格 段 に 基 板 の そ り が 低 減 で き る た め 、 素 子 作 製 プ ロ セ ス で の 歩 留 ま り が 向 上 す る 。 図 面 の 簡 単 な 説 明 第 1 図 は 、 本発 明 の 具 体 的 な 第 1 の 実施 例 に 係 る III 族 窒 化 物 系 化合 物 半 導 体 の 製 造 工 程 を 示 す 断 面 図
第 2 図 は 、 第 1 実施 例 に お け る 窓 枠 状 の 酸化 シ リ コ ン (Si02)膜 の 形 状 を 示 す 平 面 図 。
第 3 図 は 、 第 1 実施 例 に お け る ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 層 の 側 面 の 詳 細 を 示 す 断 面 図 。
第 4 図 は 、 本 発 明 の 具 体 的 な 第 2 の 実施 例 に 係 る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 工 程 を 示 す 断 面 図
第 5 図 は 、 本 発 明 の 具 体 的 な 第 3 の 実施 例 に 係 る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体発 光 素 子 の 構 成 を 示 す 断 面 図 。
第 6 図 は 、 本発 明 の 具 体 的 な 第 4 の 実 施 例 に 係 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体発 光 素 子 の 構 成 を 示 す 断 面 図 。
第 7 図 は 、 本発 明 の 具 体 的 な 第 5 の 実施 例 に 係 る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 工 程 を 示 す 断面 図
第 8 図 は 、 第 5 実施 例 に お け る ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 層 の 側 面 の 詳 細 を 示 す 断 面 図 。
第 9 図 は 、 本発 明 の 具 体 的 な 第 6 の 実施 例 に 係 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体発 光 素 子 の 構 成 を 示 す 断 面 図 。
第 1 0 図 は 、 本 発 明 の 具 体 的 な 第 7 の 実 施 例 に 係 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 発 光 素 子 の 構 成 を 示 す 断 面 図 。
第 1 1 図 は 、 従 来 の 選 択成 長 に 係 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 の ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 状 況 を 示 す 断 面 図 。 発 明 を 実施 す る た め の 最 良 の 形 態
以 下 、 本発 明 を 具 体 的 な 実施 例 に 基 づ い て 説 明 す る 。 た だ し 、 本 発 明 は 以 下 に 示 す 実施 例 に 限 定 さ れ る も の で は な い 。 又 、 発 明 の 開 示 の 欄 で 記 載 し た 事 項 も 発 明 を 実 施 す る た め の 最 良 の 形 態 で も あ る 。 図 1 は 、 本発 明 の 具 体 的 な一実 施 例 に お け る 構 成 を 示 す 断 面 図 で あ る 。 シ リ コ ン （Si)基 板 1 に 、 酸 化 ケ ィ 素 （S i02)力 ら 成 る マ ス ク 材 2 力 S 形 成 さ れ る 。 マ ス ク 材 2 は 主 と し て 窓 枠 状 に 形成 さ れ 、 窓 部 は シ リ コ ン （Si)基 板 1 面 が 露 出 さ れ る 。 更 に 、 窓 枠 部 中 央 部 に も 帯 状 に シ リ コ ン （S i)基 板 1 面 が 露 出 さ れ る （ 図 1 の （ a ) )。 マ ス ク 材 2 の 形 状 を 平 面 図 と し た も の を 図 2 の （ a ) 〜 （ c ) に 例 示 す る 。 図 2 の （ a ) 〜 （ c ) の D と 示 し た 方 形 状 の 部 分 が 素 子 形成 領 域 で あ り 、 C と 示 し た 帯 状 部 分 は 消 費 領域 で あ る 。 C と 示 し た 帯 状 の 消 費領 域 は 、 図 2 の （ a ) の よ う に ウ エ ノ、 全 体 と し て つ な 力 S つ た も の と し て 形 成 さ れ て も 、 図 2 の （ b ) の よ う に 各 辺 で 分 離 し た も の と し て も 良 レヽ が 、 つ な が つ た も の は 消 費 領 域 に 応 力 が 集 中 し 、 素 子 形成領 域 の ク ラ ッ ク が 更 に 低 減 で き る た め よ り 好 ま し レ、 。 ま た 、 図 2 の （ c ) の よ う に 窓 枠 の 交 差部 （ 素 子 形 成 領 域 の 角 部 に 隣接 し た 部 分 ） に 設 け て も 良 い 。 次 に 露 出 し た シ リ コ ン （Si)基板 1 面 、 即 ち 素 子 形成領 域 D と -消 費 領 域 C の 両方 に 、 ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 に よ り AlGaN か ら 成 る 反 応 防 止 層 3 が 形 成 さ れ る 。 反 応 防 止 層 3 は 、 シ リ コ ン （Si)基板 1 と 上 層 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 の 反 応 を 防 ぐ た め の も の で あ り 、 主 と し て 単結 晶 か ら 成 る 。 次 に 、 反 応 防 止 層 3 の 上 に 、 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 で あ る GaN 層 4 が ェ ピ タ キ シ ャ ル 成長 に よ り 形 成 さ れ る 。 こ こ で 、 反 応 防止 層 3 、 GaN 層 4 力 ら 成 る 積層 部 は 、 隣 の 露 出 し た 基 板 1 面 に 形 成 さ れ た 反 応 防 止 層 3 ' 、 GaN 層 4 ' か ら 成 る 積 層 部 と は 、 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 際 に 接 続 し な い 条 件 で 形 成 さ れ る 。 同 じ く 、 素 子 形 成 領 域 D に 積 層 さ れ た も の と 消 費 領 域 C に 積 層 さ れ た も の も ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 際 に 接続 し な い 条 件 で 形成 さ れ る 。 即 ち 、 マ ス ク 材 2 の 端 部 上 方 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体層 4 が 形 成 さ れ た と し て も 、 マ ス ク 材 2 の 中 央 部 ま で 覆 わ れ な い 条 件 で ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 を 行 う （ 図 1 の （ b ) )。 具 体 的 に は 、 成 長 温 度 、 成 長 速 度 な ど の 反 応 条 件 に よ り 、 横 方 向 成 長 を 抑 え る こ と で 達成 さ れ る 。 窓 枠 状 の マ ス ク 材 2 の 、 枠 幅 を 十 分 に と る と 、 や は り エ ッ ジ 部 の 成 長 速 度 が 中 央 部 よ り 大 き く な っ て し ま う 。 し た カ つ て 、 枠 幅 は 20 /z m 以 下 、 望 ま し く は 1 ~ 1 Ο μ ιη と す る 。 尚 、 反 応 防止 層 3 、 GaN 層 4 か ら 成 る 積 層 部 は 、 図 3 ( a ) の よ う に マ ス ク 材 2 上 部 で 基 板 1 面 に 対 し 垂 直 面 有 し て い て も 、 ま た 、 図 3 ( b ) の よ う に 斜 め の 面 で あ っ て も 、 ど ち ら も 本 願発 明 に 包 含 さ れ る 。 図 1 及 び 図 4 以 下 で は 、 図 3 ( a ) の 形 式 で 記 載す る が 、 レ、 ず れ の 場 合 も 図 3 ( b ) の よ う な 積 層 を 排 除 す る も の で は な い 。
図 4 は 、 本 発 明 の 別 の 具 体 的 な 一 実施 例 に お け る 構 成 を 示 す 断 面 図 で あ る 。 シ リ コ ン （S i)基 板 1 に 、 酸化 ケ ィ 素 （S i02)力 ら 成 る マ ス ク 材 2 力 S 形 成 さ れ る 。 マ ス ク 材 2 は 主 と し て 窓 枠状 に 形 成 さ れ 、 窓 部 は シ リ コ ン （ S i )基板 1 面 が 露 出 さ れ る 。 更 に 、 窓 枠 部 中 央 部 に も 帯 状 に シ リ コ ン （S i )基 板 1 を 一 部 削 っ て 段 差 を 有 す る 面 が 露 出 さ れ る （ 図 4 の （ a ) )。 マ ス ク 材 2 の 形 状 を 平 面 図 と し た も の は 図 2 の （ a ) 〜 （ c ) に 例 示 し た も の と 同 様 で あ る 。 次 に 露 出 し た シ リ コ ン （S i)基 板 1 面 、 即 ち 素 子 形 成 領 域 D と 消 費 領 域 C ' の 両 方 に 、 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ り AlGaN か ら 成 る 反 応 防 止 層 3 が 形 成 さ れ る 。 反 応 防 止 層 3 は 、 シ リ コ ン （Si)基 板 1 と 上 層 の I I I 族 窒 ィヒ 物 系 化 合 物 半 導 体 の 反 応 を 防 ぐ た め の も の で あ り 、 主 と し て 単 結 晶 カゝ ら 成 る 。 次 に 、 反 応 防 止 層 3 の 上 に 、 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 で あ る GaN 層 4 が ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ り 形 成 さ れ る 。 こ こ で 、 反 応 防 止 層 3 、 GaN 層 4 カゝ ら 成 る 積 層 部 は 、 隣 の 露 出 し た 基 板 1 面 に 形 成 さ れ た 反 応 防 止 層 3 ' 、 GaN 層 4 ' カゝ ら 成 る 積 層 部 と は 、 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 際 に 接 続 し な い 条 件 で 形 成 さ れ る 。 同 じ く 、 素 子 形 成 領 域 D に 積 層 さ れ た も の と 消 費 領 域 C ' に 積 層 さ れ た も の も ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 際 に 接 続 し な い 条 件 で 形 成 さ れ る 。 即 ち 、 マ ス ク 材 2 の 端 部 上 方 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 4 が 形 成 さ れ た と し て も 、 マ ス ク 材 2 の 中 央 部 ま で 覆 わ れ な い 条 件 で ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 行 う （ 図 4 の （ b ) )。 具 体 的 に は 、 成 長 温 度 、 成 長 速 度 な ど の 反 応 条 件 に よ り 、 横 方 向 成 長 を 抑 え る こ と で 達 成 さ れ る 。 窓 枠 状 の マ ス ク 材 2 の 、 枠 幅 を 十 分 に と る と 、 や は り エ ッ ジ 部 の 成 長 速 度 が 中 央 部 よ り 大 き く な っ て し ま う 。 し た が っ て 、 枠 幅 は 20 /x m 以 下 、 望 ま し く は l〜 10 x m と す る 。 又 は 消 費 領 域 C ， の 段 差 を 大 き く と る こ と で 容 易 に 達 成 さ れ る 。
上 記 の 発 明 の 実 施 の 形 態 と し て は 、 次 の 中 カゝ ら そ れ ぞ れ 選 択 す る こ と 力' で き る 。
基 板 上 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 順 次 積 層 を 形 成 す る 場 合 は 、 基 板 と し て は サ フ ァ イ ア 、 シ リ コ ン （S i ) 、 炭 化 ケ ィ 素 （S iC) 、 ス ピ ネ ル （MgAl 204) 、 LiGa02、 NdGa03、 Zn0、 MgO そ の 他 の 無 機 結 晶 基 板 、 リ ン ィヒ ガ リ ウ ム 又 は 砒 化 ガ リ ゥ ム の よ う な I I I- V 族 化 合 物 半 導 体 あ る い は 窒 化 ガ リ ゥ ム （GaN)そ の 他 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 等 を 用 レ、 る こ と 力 S で き る 。 勿 論 、 窒 化 ガ リ ゥ ム （GaN)そ の 他 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 膜 を 形 成 し た 基板 、 特 に バ ッ フ ァ 層 と し て 或 レヽ は 更 に 厚膜 を 形 成 し た 基板 を 用 レヽ て も 良 レヽ 。
I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 を 形成 す る 方 法 と し て は 有 機 金 属 気 相 成 長 法 （ M0CVD 又 は M0VPE) 力 S 好 ま し い 力 、 分 子 線 気 相 成 長 法 （ MBE)、 ハ ラ イ ド 気 相 成 長 法 （ Hal i de VPE)、 液 相 成 長 法 （ LPE) 等 を 用 レ、 て も 良 く 、 各 層 を 各 々 異 な る 成 長 方 法 で 形成 し て も 良 い 。
I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 は 、 I I I 族 元 素 の 組 成 の 一 部 は 、 ボ ロ ン （B)、 タ リ ウ ム （T1 )で 置 き 換 え て も 、 ま た 、 窒 素 （N)の 組成 一 部 を リ ン （P)、 ヒ 素 （As；)、 ア ン チ モ ン （S b) 、 ビ ス マ ス （Bi) で 置 き 換 え て も 本発 明 を 実 質 的 に 適 用 で き る 。 ま た 、 こ れ ら 元 素 を 組成 に 表 示 で き な い 程 度 の ド ー プ を し た も の で も 良 レヽ 。 例 え ば組成 に ィ ン ジ ゥ ム （ I n)、 ヒ 素 （As)を 有 し な い I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 で あ る AlxGa 1-xN ( 0≤ x≤ l) に 、 ァ ノレ ミ ニ ゥ ム （Al)、 ガ リ ゥ ム （Ga) よ り も 原 子 半径 の 大 き な ィ ン ジ ゥ ム （In)、 又 は 窒 素 （N) よ り も 原 子 半径 の 大 き な ヒ 素 （As) を ド 一 プ す る こ と で 、 窒 素 原 子 の 抜 け に よ る 結 晶 の 拡 張 歪 み を 圧 縮 歪 み で 補償 し 結 晶 性 を 良 く し て も 良 い 。 こ の 場 合 は ァ ク セ プ タ 不 純 物 が I I I 族 原 子 の 位 置 に 容 易 に 入 る た め 、 p 型 結 晶 を ァ ズ グ ロ ー ン で 得 る こ と も で き る 。 こ の よ う に し て 結 晶 性 を 良 く す る こ と で 本 願 発 明 と 合 わ せ て 更 に 貫 通 転 位 を 1 0 0 乃 至 1 0 0 0 分 の 1 程 度 に ま で 下 げ る こ と も で き る 。 な お 、 発 光 素 子 と し て 構 成 す る 場 合 は 、 本 来
I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 2 元 系 、 若 し く は 3 元 系 を 用 レヽ る こ と が 望 ま し レヽ 。
n 型 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 を 形 成 す る 場 合 に は 、 n 型 不 純 物 と し て 、 S i、 Ge、 Se、 Te、 C 等 IV 族 元 素 又 は VI 族 元 素 を 添 力 D す る こ と 力 S で き る 。 ま た 、 p 型 不 純 物 と し て は 、 Zn、 Mg、 Be、 Ca、 Sr、 Ba 等 I I 族 元 素 又 は IV 族 元 素 を 添 カ卩 す る こ と が で き る 。 こ れ ら を 複 数 或 い は n 型 不 純 物 と p 型 不 純 物 を 同 一 層 に ド 一 ブ し て も 良 い 本 願 と 組 み 合 わ せ て い わ ゆ る 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 行 う 構 成 と し て も 良 い 。 即 ち 、 本 願 の 素 子 形 成 領 域 上 方 に 形 成 し た I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 上 で 、 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ り 貫 通 転 位 を 減 少 さ せ る こ と を 組 み 合 わ せ て も 良 い 。 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 と し て は 成 長 面 が 基 板 に 垂 直 と な る も の が 望 ま し い が 、 基 板 に 対 し て 斜 め の フ ァ セ ッ ト 面 の ま ま 成 長 す る も の で も 良 い 。 こ の 際 、 段 差 の 底 部 に 底 面 の 無 い 、 断 面 が V 字 状 の も の で も 良 い 。
本 願 発 明 に お け る 素 子 形 成 領 域 を 区 分 す る マ ス ク 材 は 多 結 晶 シ リ コ ン 、 多 結 晶 窒 化 物 半 導 体 等 の 多 結 晶 半 導 体 、 酸 化 珪 素 （SiOx) 、 窒 化 珪 素 （SiNx) 、 酸 化 チ タ ン （Ti Ox) 、 酸 化 ジ ル コ ニ ウ ム （ZrOx)等 の 酸 化 物 、 窒 ィヒ 物 、 チ タ ン （T i) 、 タ ン グ ス テ ン （W) の よ う な 高 融 点 金 属 、 こ れ ら の 多 層 膜 を も ち レ、 る こ と が で き る 。 こ れ ら の 成 膜 方 法 は 蒸 着 、 ス パ ッ タ 、 C V D 等 の 気 相 成 長 法 の 他 、 任 意 で あ る 。 反 応 防 止 層 は 、 基 板 と 上 層 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 製 造 工 程 中 に 反 応 し な い よ う に す る も の で あ る 。 例 え ば シ リ コ ン （S i )基 板 と GaN と は 、 間 に 層 力 S な レ、 力 、 又 は 間 に 薄 レ、 層 の み あ る 場 合 は 、 製 造 工 程 中 に 応 力 に よ り 反 応 が 促 進 さ れ 、 GaN カゝ ら 窒 素 原 子 が 移 動 し 、 シ リ コ ン （S i )基 板 と 窒 化 ケ ィ 素 を 形成 す る こ と が 知 ら れ て レヽ る そ こ で 、 単 結 晶 で 厚 い も の が 良 く 、 ア ル ミ ゥ ム （ A 1 ) を 多 く 含 む III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 AlxGaylm-x-yN ( 例 え ば x≥ 0. 3) 力 S 好 ま し レ、 。 ア ル ミ ニ ウ ム （A1) と 窒 素 の 結 合 が 強 い た め 、 シ リ コ ン （S i) と GaN カ 反 応 し 難 く な る た め で あ る 。 ま た 、 い わ ゆ る バ ッ フ ァ 層 的 な 非 晶 質 で な く 、 主 と し て 単 結 晶 で あ る こ と が 重 要 で あ る 。
非 晶 質 の 層 と 単 結 晶 の 層 と を 積 層 し た 歪 み 緩 和 層 を 設 け て も 良 い 。 非 晶 質 の 層 と 単 結 晶 の 層 を 1 周 期 と し て 複 数 周 期 形 成 し て も 良 く 、 繰 り 返 し は 任 意 周 期 で 良 い 。 繰 り 返 し は 多 レヽ ほ ど 結 晶 性 が 良 く な る 。 非 晶 質 の 層 と し て は 低 温 で 成 長 し た I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 好 ま し く 、 ア ル ミ ニ ウ ム （A1) を 含 む 層 力 更 に 好 ま し レ、 。 単 結 晶 の 層 と し て は 高 温 で 成 長 し た I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 好 ま し く 、 伝 導 性 の ド ー パ ン ト を 入 れ る こ と を 除 外 し て 考 え れ ば 2 元 系 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 更 に 好 ま し レヽ 。 ま た 、 単 結 晶 の 層 に イ ン ジ ウ ム （ I n )そ の 他 の 原 子 半 径 の 大 き な 原 子 を ド ー プ し て も 良 い 。
電 極 形 成 、 或 い は 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の た め に III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を ェ ツ チ ン グ を す る 場 合 は 、 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ （ R I E ) が 望 ま し レ、 が 、 任 意 の エ ッ チ ン グ 方 法 を 用 レヽ る こ と が で き る 。 基 板 面 に 垂 直 な 側 面 を 形 成す る の で な い も の と し て 、 異 方性 エ ツ チ ン グ に よ り 例 え ば底 部 に 底 面 の 無 い 、 断 面 が V 字 状 の も の を 形成 し て も 良 レヽ 。
上 記 の 貫 通 転位 の 抑 制 さ れ た 領 域 を 有 す る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 の 上 部 に F E T 、 発 光 素 子 等 の 半導 体 素 子 を 形 成 す る こ と が で き る 。 発 光 素 子 の 場合 は 、 発 光 層 は 多 重 量 子 井 戸 構 造 （ M Q W )、 単 一 量 子 井 戸 構 造 （ S Q W ) の 他 、 ホ モ 構 造 、 ヘ テ ロ 構 造 、 ダ ブ ルへ テ ロ 構 造 の も の が 考 え ら れ る が 、 p i n 接 合 或 い は p n 接 合 等 に よ り 形 成 し て も 良 レヽ 。
以 下 、 発 明 の 具 体 的 な 実施 例 に 基 づ い て 説 明 す る 。 実 施 例 と し て 発 光 素 子 を あ げ る が 、 本発 明 は 下 記 実 施例 に 限 定 さ れ る も の で は な く 、 任意 の 素 子 に 適 用 で き る III 族 窒 化 物 系 化合 物 半 導 体 の 製 造 方 法 を 開 示 し て い る 。
本発 明 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 は 、 有機 金 属 化 合 物 気 相 成 長 法 （ 以 下 「 M0VPE」 と 示 す ） に よ る 気 相 成 長 に よ り 製 造 さ れ た 。 用 い ら れ た ガ ス は 、 ア ン モ ニ ア （NH3) と キ ヤ リ ァ ガ ス （H2 又 は N2) と ト リ メ チ ル ガ リ ゥ ム （ Ga (C H3 ) , 以 下 「 TMG」 と 記 す ） と ト リ メ チ ル ア ル ミ ニ ウ ム （ A 1 (CHs) 以 下 「 TMA」 と 記 す ）、 ト リ メ チ ノレ イ ン ジ ゥ ム （ I n (CHs) , 以 下 「 TMI」 と 記 す ）、 シ ク ロ ペ ン タ ジ ェ エ ル マ グ ネ シ ゥ ム （ Mg (CsH5) 2、 以 下 「 Cp2MgJ と 記 す ） で あ る 。 〔 第 1 実施 例 〕
n 型 の シ リ コ ン （Si)基 板 1 の （111)面 に 、 ス パ ッ タ リ ン グ に よ り 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 2 を 300nm の 厚 さ に 形 成 し た 。 こ れ を フ ォ ト リ ソ グ ラ フ に よ り レ ジ ス ト マ ス ク を 形 成 し て バ ッ フ ァ ー ド HF の ゥ エ ツ ト エ ッ チ ン グ に よ り 、 酸化 シ リ コ ン （Si02)膜 を 窓 枠 状 に 残 し て 除 去 し た 。 そ の 窓 枠 は 幅 10 μ ηι、 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 2 の 除 去 さ れ た シ リ コ ン （Si )基 板 1 の （ 111)面 は 300 μ m X 300 μ m の 方形 状 と 、 窓 枠 中 央 部 の 幅 50 // m の 格 子 状 と な っ た （ 図 2 の ( a ) )。 こ う し て 多 数 の 各 々 分 離 さ れ た 、 300 μ πι Χ 30θ ί ra の 方 形状 の シ リ コ ン （S i)基板 1 の 露 出 面 D と 、 窓 枠 中 央 部 の 幅 50 /z m の 格 子 状 の 露 出 面 C と が 形 成 さ れ た （ 図 1 の （ a ) )。 窓 枠 状 の 酸化 シ リ コ ン （S i02)膜 2 の 窓 枠 幅 ( 図 1 の （ a ) で W と 示 し た 幅 ） は Ι Ο ΠΙ で あ る 。
次 に η 型 の シ リ コ ン （Si)基 板 1 を 1100 °C に 保 持 し 、 TM
A、 TMG S i H4 及 び NH3 を 導 入 し て 、 300 μ πι Χ 300 μ ιη の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （S i)基板 1 の （111)面 に 300nm の 厚 さ の n- AlGaN : S i 層 力ゝ ら .成 る 反 応 防止 層 3 を 形 成 し た 。 形 成 さ れ た n- AlGaN : Si 層 3 の A 1 と Ga の モ ル 比 は 約 3 ： 7 で あ っ た 。
次 に 、 n 型 の シ リ コ ン （ S i )基板 1 の 温度 を 1100 °C に 上 げ 、 TMG、 SiH4 及 び NH3 を 導 入 し て 、 反 応 防止 層 3 の 上 に 、 5 ju m の 厚 さ の n-GaN : S i 層 4 を 形 成 し た 。 こ の の ち 、 こ の よ う に 形 成 し た n-GaN : S i 層 4 は 、 窓 枠 状 の 酸 ィ匕 シ リ コ ン （Si02)膜 2 に よ り 各 々 分 離 さ れ た 300 m X 300 μ m の 方形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （ S i )基板 1 面 上 方 に 形成 さ れ て お り 、 一 部 窓 枠 状 の 酸化 シ リ コ ン （Si02)膜 2 の ェ ッ ジ 上 方 に n-GaN : Si 層 4 カ 形 成 さ れ て い て も 隣 の 300 μ πι Χ 3 00 u m の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （S i)基 板 1 面 上 方 に 形 成 さ れ た n- GaN : S i 層 4 ' や 窓 枠 中 央 部 の 幅 50 μ m の 露 出 面 C に 形 成 さ れ た n-GaN : Si 層 4 C と は 分 離 さ れ た ま ま で あ っ た （ 図 1 の （ b ) )。 こ の よ う に 形 成 し た n-GaN : S i 層 4 を 20 °C /分 で 降 温 し 室 温 に 戻 し た が 、 ク ラ ッ ク は 発 生 し て い な カゝ つ た 。 ま た 、 素 子 形 成 領 域 の エ ッ ジ 部 と 中 央 部 と の 厚 み の 差 は 50nm 以 下 で あ っ た 。
〔 第 2 実 施 例 〕
n 型 の シ リ コ ン （S i)基 板 1 の （ 111 ) 面 に 、 フ ォ ト リ ソ グ ラ フ に よ り レ ジ ス ト マ ス ク を 形 成 し て フ ッ 酸 ノ 過 酸 化 水 素 の ゥ エ ツ ト エ ッ チ に よ り 幅 50 i m、 深 さ 4 /i m の 窓 枠 状 に エ ッ チ ン グ し て 溝 部 C ' を 形 成 し た 。 窓 枠 に 囲 ま れ た 領 域 は 310 μ ιη Χ 31 θ ί ΐη の 方 形 状 と し た 。 次 に ス ノ ッ タ リ ン グ に よ り 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 2 を 300nm の 厚 さ に 形 成 し た 。 こ れ を フ ォ ト リ ソ グ ラ フ に よ り レ ジ ス ト マ ス ク を 形 成 し て ノく ッ フ ァ ー ド HF の ゥ エ ツ ト エ ッ チ ン グ に よ り 、 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 を 窓 枠 状 に 残 し て 除 去 し た 。 窓 枠 は 前 記 幅 50 μ ΐη、 深 さ 4 μ ιη の 窓 枠 状 の 溝 部 C ' を 中 央 に 有 す る 幅 60 μ πι の 形 状 と し 、 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 2 の 除 去 さ れ た シ リ コ ン （Si)基 板 1 の （ 111)面 は 300 ju m X 300 ;u ni の 方 形 状 と な っ た （ 図 2 の （ a ) )。 こ う し て 多 数 の 各 々 分 離 さ れ た 、 300 ;u m X 300 ;x m の 方 形 状 の シ リ コ ン （Si )基 板 1 の 露 出 面 D と 、 窓 枠 中 央 部 の 幅 50 m、 深 さ 4 /z m の 格 子 状 の 露 出 面 （ 溝 部 ） C ' と が 形 成 さ れ た （ 図 4 の （ a ) )。
次 に n 型 の シ リ コ ン （S i) 基 板 1 を 1100 °C に 保 持 し 、 TM A、 TMG , S iH4 及 ぴ NH3 を 導 入 し て 、 300 /ί Πΐ Χ 300 /ζ πι の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （ S i )基 板 1 の （ 111 )面 に 300 n ra の 厚 さ の n-AlGaN : S i 層 カゝ ら 成 る 反 応 防 止 層 3 を 形 成 し た 。 形 成 さ れ た n-AlGaN : Si 層 3 の A1 と Ga の モ ノレ 比 は 約 3 ： 7 で あ っ た 。 次 に 、 n 型 の シ リ コ ン （Si)基 板 1 の 温度 を 1100 に 上 げ 、 TMG、 S iH4 及 ぴ NH3 を 導 入 し て 、 反 応 防止 層 3 の 上 に 、 5 μ πι の 厚 さ の n- GaN : S i 層 4 を 形 成 し た 。 こ の の ち 、 こ の よ う に 形成 し た n-GaN : S i 層 4 は 、 窓 枠 状 の 酸 化 シ リ コ ン （S i02)膜 2 に よ り 各 々 分 離 さ れ た 300 /2 Πΐ Χ 300 μ πι の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （S i )基 板 1 面 上 方 に 形成 さ れ て お り 、 一 部 窓 枠 状 の 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 2 の エ ッ ジ 上 方 に n-GaN : Si 層 4 カ 形成 さ れ て レ、 て も 隣 の 300 μ πι Χ 3 00 / m の 方 形状 に 露 出 し た シ リ コ ン （Si )基 板 1 面 上 方 に 形 成 さ れ た n- GaN : S i 層 4 ' や 窓 枠 中 央 部 の 幅 50 /z m、 深 さ 4 μ πι の 露 出 面 （ 溝部 ） C ' に 形 成 さ れ た n- GaN : S i 層 4 C ' と は 分離 さ れ た ま ま で あ っ た 。 こ の よ う に 形 成 し た n- GaN : S i 層 4 を 20 °C /分 で 降 温 し 室 温 に 戻 し た が 、 ク ラ ッ ク は 発 生 し て レヽ な 力 つ た 。 ま た 、 素 子 形成 領 域 の ェ ッ ジ 部 と 中 央 部 と の 厚 み の 差 は 50nm 以 下 で あ っ た 。
〔 第 3 実施 例 〕
第 1 実施 例 と 同 様 に 、 300 m X 300 / m の 方 形状 に 露 出 し た シ リ コ ン （S i)基板 1 の （111)面 上 の n-GaN : Si 層 4 を 積 層 し 、 続 け て 次 の よ う に I I I 族 窒 化 物 系 化合 物 半 導 体 を 積 層 し て 図 5 に 示 す 発 光 ダ イ オ ー ド 1 0 0 を 形 成 し た n-GaN： S i 層 4 の 上 に 、 シ リ コ ン （Si ) ド ー プ の Al。. 。8Ga 。. 92N 力 ら 成 る n ク ラ ッ ド 層 1 0 5 、 発 光 層 1 0 6 、 マ グ ネ シ ゥ ム （Mg) ド 一 プ の Al。. 。8Ga。. 92N 力 ら 成 る p ク ラ ッ ド 層 1 0 7 、 マ グ ネ シ ウ ム （Mg) ド ー プ の GaN 力 ら 成 る p コ ン タ ク ト 層 1 0 8 を 形 成 し た 。 次 に p コ ン タ ク ト 層 1 0 8 上 に 金 （Au)か ら 成 る 電極 1 0 9 を 、 シ リ コ ン 基板 1 の 裏 面 に ア ル ミ ニ ウ ム （A1)カゝ ら 成 る 電極 1 1 0 を 形 成 し た 。 こ の よ う に し て 形 成 し た 発 光 ダ イ オ ー ド （ L E D ) 1 0 0 は 素 子 寿 命 及 ぴ 発 光 効 率 が 著 し く 向 上 し た 。
〔 第 4 実 施 例 〕
第 1 実 施 例 と 同 様 に 、 300 /Z m X 300 μ m の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （Si)基 板 1 の （111)面 上 の n- GaN : Si 層 4 を 積 層 し 、 続 け て 次 の よ う に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 積 層 し て 図 6 に 示 す レ ー ザ ダ イ ォ ー ド 2 0 0 を 形 成 し た 。
n-GaN： S i 層 5 の 上 に 、 シ リ コ ン （S i ) ド 一 プ の A l o. osGa 。. 92N 力 ら 成 る n ク ラ ッ ド 層 2 0 5 、 シ リ コ ン （S i ) ド ー プ の GaN 力 ら 成 る n ガ イ ド 層 2 0 6 、 M Q W 構 造 の 発 光 層 2 0 7 、 マ グ ネ シ ウ ム （Mg) ド 一 プ の GaN 力 ら 成 る p ガ イ ド 層 2 0 8 、 マ グ ネ シ ゥ ム （Mg) ド 一 プ の Al。， 。8Ga。 2N 力 ら 成 る P ク ラ ッ ド 層 2 0 9 、 マ グ ネ シ ウ ム （Mg) ド 一 プ の GaN 力 ら 成 る p コ ン タ ク ト 層 2 1 0 を 形 成 し た 。 次 に p コ ン タ ク ト 層 2 1 0 上 に 金 （Au) 力 ら 成 る 電 極 2 1 1 を シ リ コ ン 基 板 1 の 裏 面 に ア ル ミ ニ ゥ ム （A1) 力 ら 成 る 電 極 2 1 2 を 形 成 し た 。 こ の よ う に し て 形 成 し た レ ー ザ ダ イ ォ 一 ド （ L D ) 2 0 0 は 素 子 寿 命 及 び 発 光 効 率 が 著 し く 向 上 し た 。 図 7 は 、 本 発 明 の 具 体 的 な 他 の 一 実 施 例 に お け る 構 成 を 示 す 断 面 図 で あ る 。 シ リ コ ン （S i )基 板 1 1 に 、 酸 化 ケ ィ 素 （S i02) 力 ら 成 る マ ス ク 材 1 2 力 S 形 成 さ れ る 。 マ ス ク 材 1 2 は 窓 枠 状 に 形 成 さ れ 、 窓 部 は シ リ コ ン （S i )基 板 1 1 面 が 露 出 さ れ る 。 次 に 露 出 し た シ リ コ ン （Si)基 板 1 1 面 に 、 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ り AlGaN か ら 成 る 反 応 防 止 層 1 3 が 形 成 さ れ る 。 反 応 防 止 層 1 3 は 、 シ リ コ ン （S i)基板 1 1 と 上 層 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 反 応 を 防 ぐ た め の も の で あ り 、 主 と し て 単 結 晶 カゝ ら 成 る 。 次 に 、 多 層 膜 か ら 成 る 歪 み 緩和 層 1 4 が ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 に よ り 形 成 さ れ る 。 歪 み 緩 和 層 1 4 は 、 異 な る 温度 範 囲 で 形 成 さ れ る GaN 層 4 1 1 と 4 1 2 、 AlGaN 層 4 2 1 と 4 2 2 を 交 互 に 積層 し た も の で あ る 。 歪 み 緩 和 層 1 4 の 上 に 、 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 で あ る Ga N 層 1 5 力 S ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 に よ り 形成 さ れ る 。 こ こ で 、 反 応 防止 層 1 3 、 歪 み 緩 和 層 1 4 、 GaN 層 1 5 か ら 成 る 積 層 部 は 、 隣 の 露 出 し た 基 板 1 1 面 に 形 成 さ れ た 反 応 防止 層 1 3 '、 歪 み 緩 和 層 1 4 ，、 GaN 層 1 5 ' か ら 成 る 積層 部 と は 、 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 の 際 に 接続 し な い 条 件 で 形 成 さ れ る 。 即 ち 、 マ ス ク 材 1 2 の 端部 上 方 に 歪 み 緩 和 層 1 4 や I I I 族 窒化 物 系 化 合 物 半 導 体層 1 5 が 形 成 さ れ た と し て も 、 マ ス ク 材 1 2 の 中 央 部 ま で 覆 わ れ な レヽ 条 件 で ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 を 行 う 。 具 体 的 に は 、 窓 枠 状 の マ ス ク 材 1 2 の 、 枠 幅 を 十 分 に と る こ と で 容 易 に 達成 さ れ る 。 尚 、 反 応 防 止 層 1 3 、 歪 み 緩 和 層 1 4 、 GaN 層 1 5 力 ら 成 る 積 層 部 は 、 図 8 ( a ) の よ う に マ ス ク 材 1
2 上 部 で 基 板 1 1 面 に 対 し 垂 直 面 を 有 し て い て も 、 ま た 、 図 8 ( b ) の よ う に 斜 め の 面 で あ っ て も 、 ど ち ら も 本願 発 明 に 包 含 さ れ る 。 図 7 及 び 図 9 以 下 で は 、 図 8 ( a ) の 形 式 で 記 載 す る が 、 い ずれ の 場 合 も 図 8 ( b ) の よ う な 積 層 を 排 除す る も の で は な い 。
上 記 の 発 明 の 実施 の 形 態 と し て は 、 次 の 中 か ら そ れ ぞ れ 選択 す る こ と 力 S で き る 。 基板 上 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 順 次 積層 を 形 成 す る 場 合 は 、 基 板 と し て は サ フ ァ イ ア 、 シ リ コ ン （S i：) 、 炭 化 ケ ィ 素 （S i C) 、 ス ピ ネ ル （MgAl 204)、 Li Ga02、 NdGa03、 Zn0、 MgO そ の 他 の 無 機 結 晶 基 板 、 リ ン 化 ガ リ ゥ ム 又 は 砒 化 ガ リ ゥ ム の よ う な I I I- V 族 化 合 物 半 導 体 あ る い は 窒 化 ガ リ ゥ ム （GaN) そ の 他 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 等 を 用 レ、 る こ と カ で き る 。 勿 論 、 窒 化 ガ リ ゥ ム （GaN)そ の 他 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 膜 を 形 成 し た 基板 、 特 に バ ッ フ ァ 層 と し て 或 い は 更 に 厚 膜 を 形 成 し た 基 板 を 用 レ、 て も 良 い 。
I I I 族 窒化 物 系 化 合 物 半導 体 層 を 形 成 す る 方 法 と し て は 有機 金 属 気 相 成 長 法 （ M0CVD 又 は M0VPE) 力； 好 ま し レヽ カ S 、 分 子 線 気 相 成 長 法 （ MBE)、 ハ ラ イ ド 気 相 成 長 法 （ Hal i de VPE)、 液 相 成 長 法 （ LPE) 等 を 用 い て も 良 く 、 各 層 を 各 々 異 な る 成 長 方 法 で 形 成 し て も 良 い 。
I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 は 、 I I I 族 元 素 の 組 成 の 一 部 は 、 ボ ロ ン （B)、 タ リ ウ ム （T1 )で 置 き 換 え て も 、 ま た 、 窒 素 （N)の 組成 一 部 を リ ン （P)、 ヒ 素 （As；) 、 ア ン チ モ ン （S b) 、 ビ ス マ ス （Bi) で 置 き 換 え て も 本発 明 を 実 質 的 に 適 用 で き る 。 ま た 、 こ れ ら 元 素 を 組 成 に 表 示 で き な い 程 度 の ド ー プ を し た も の で も 良 レヽ。 例 え ば組成 に ィ ン ジ ゥ ム （ I n)、 ヒ 素 （As)を 有 し な い I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 で あ る AlxGai—xN i O x ^ l) に 、 ア ル ミ ニ ウ ム （Al)、 ガ リ ゥ ム （Ga) よ り も 原 子 半径 の 大 き な ィ ン ジ ゥ ム （In)、 又 は 窒 素 （N) よ り も 原 子 半径 の 大 き な ヒ 素 （As) を ド 一 プ す る こ と で 、 窒 素 原 子 の 抜 け に よ る 結 晶 の 拡 張 歪 み を 圧 縮 奎 み で 補 償 し 結 晶 性 を 良 く し て も 良 い 。 こ の 場合 は ァ ク セ プ タ 不 純 物 が I I I 族 原 子 の 位 置 に 容 易 に 入 る た め 、 P 型 結 晶 を ァ ズ グ ロ ー ン で 得 る こ と も で き る 。 こ の よ う に し て 結 晶 性 を 良 く す る こ と で 本 願 発 明 と 合 わ せ て 更 に 貫 通 転 位 を 1 0 0 乃 至 1 0 0 0 分 の 1 程 度 に ま で 下 げ る こ と も で き る 。 な お 、 発 光 素 子 と し て 構 成 す る 場 合 は 、 本 来 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 2 元 系 、 若 し く は 3 元 系 を 用 レヽ る こ と が 望 ま し レヽ 。
n 型 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 を 形 成 す る 場 合 に は 、 n 型 不 純 物 と し て 、 S i、 Ge、 Se、 Te、 C 等 IV 族 元 素 又 は VI 族 元 素 を 添 加 す る こ と 力 s で き る 。 ま た 、 p 型 不 純 物 と し て は 、 Zn、 Mg、 Be、 Ca、 Sr、 Ba 等 I I 族 元 素 又 は IV 族 元 素 を 添 力 tl す る こ と 力 S で き る 。 こ れ ら を 複 数 或 レヽ は n 型 不 純 物 と p 型 不 純 物 を 同 一 層 に ド ー プ し て も 良 レ、 本 願 と 組 み 合 わ せ て い わ ゆ る 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 行 う 構 成 と し て も 良 レヽ 。 即 ち 、 基 板 露 出 面 上 方 の 領 域 毎 に 、 種 々 の 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 に よ り 貫 通 転 位 を 減 ら す 構 成 を 組 み 合 わ せ て も 良 い 。 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 と し て は 成 長 面 が 基 板 に 垂 直 と な る も の が 望 ま し レ、 力'； 、 基 板 に 対 し て 斜 め の フ ァ セ ッ ト 面 の ま ま 成 長 す る も の で も 良 い 。 こ の 際 、 段 差 の 底 部 に 底 面 の 無 い 、 断 面 が V 字 状 の も の で も 良 い 。
本 願 の 基 板 露 出 面 を 区 画 す る マ ス ク 材 は 、 多 結 晶 シ リ コ ン 、 多 結 晶 窒 化 物 半 導 体 等 の 多 結 晶 半 導 体 、 酸 化 珪 素 （S Ϊ Ο χ ) , 窒 化 珪 素 （SiNx 酸 化 チ タ ン （T i Ox) 、 酸 化 ジ ル コ ニ ゥ ム （ZrOx )等 の 酸 化 物 、 窒 化 物 、 チ タ ン （T i) 、 タ ン ダ ス テ ン （W) の よ う な 高 融 点 金 属 、 こ れ ら の 多 層 膜 を も ち い る こ と 力 S で き る 。 こ れ ら の 成 膜 方 法 は 蒸 着 、 ス パ ッ タ 、 C V D 等 の 気 相 成 長 法 の 他 、 任 意 で あ る 。
反 応 防 止 層 は 、 基 板 と 上 層 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 製 造 工 程 中 に 反 応 し な い よ う に す る も の で あ る 。 例 え ば シ リ コ ン （S i )基 板 と GaN と は 、 間 に 層 力 な レ、 力 、 又 は 間 に 薄 い 層 の み あ る 場 合 は 、 製 造 工 程 中 に 応 力 に よ り 反 応 が 促 進 さ れ 、 GaN カゝ ら 窒 素 原 子 が 移 動 し 、 シ リ コ ン （S i )基 板 と 窒 化 ケ ィ 素 を 形 成 す る こ と が 知 ら れ て い る そ こ で 、 単 結 晶 で 厚 い も の が 良 く 、 ア ル ミ ニ ウ ム （ A 1 ) を 多 く 含 む II I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 AlxGayIn i-x-yN ( 例 え ば X ≥ 0. 3 ) 力'； 好 ま し レヽ 。 ア ル ミ ニ ウ ム （ A 1 ) と 窒 素 の 結 合 が 強 い た め 、 シ リ コ ン （ S i ) と G a N 力 S 反 応 し 難 く な る た め で あ る 。 ま た 、 い わ ゆ る バ ッ フ ァ 層 的 な 非 晶 質 で な く 、 主 と し て 単 結 晶 で あ る こ と が 重 要 で あ る 。
歪 み 緩 和 層 は 、 非 晶 質 の 層 と 単 結 晶 の 層 と を 積 層 す る 。 非 晶 質 の 層 と 単 結 晶 の 層 を 1 周 期 と し て 複 数 周 期 形 成 し て も 良 く 、 繰 り 返 し は 任 意 周 期 で 良 い 。 繰 り 返 し は 多 い ほ ど 結 晶 性 が 良 く な る 。 非 晶 質 の 層 と し て は 低 温 で 成 長 し た II I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 好 ま し く 、 ア ル ミ 二 ゥ ム （A1) を 含 む 層 が 更 に 好 ま し レヽ 。 単 結 晶 の 層 と し て は 高 温 で 成 長 し た I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が 好 ま し く 伝 導 性 の ド ー ノ ン ト を 入 れ る こ と を 除 外 し て 考 え れ ば 2 元 系 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 力 更 に 好 ま し い 。 尚 、 単 結 晶 の 層 に ィ ン ジ ゥ ム （In)そ の 他 の 原 子 半 径 の 大 き い 元 素 を ド 一 プ し て も 良 レ、 。
電 極 形 成 、 或 い は 横 方 向 ェ ピ タ キ シ ャ ル 成 長 を 用 い る 場 合 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を ェ ツ チ ン グ を す る と き は 反 応 性 イ オ ン エ ッ チ ン グ （ R I E ) 力 S 望 ま し レヽ カ 、 任 意 の エ ッ チ ン グ 方 法 を 用 い る こ と 力 S で き る 。 基板 面 に 垂 直 な 側 面 を 形 成 す る の で な い も の と し て 、 異 方性 エ ツ チ ン グ に よ り 例 え ば底 部 に 底 面 の 無 い 、 断 面 が V 字 状 の も の を 形 成 し て も 良 レ、 。
上 記 の 貫 通 転位 の 抑 制 さ れ た 領 域 を 有 す る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 上 部 に F E T 、 発 光 素 子 等 の 半 導 体 素 子 を 形 成 す る こ と が で き る 。 発 光 素 子 の 場合 は 、 発 光 層 は 多 重 量 子 井 戸 構 造 （ M Q W )、 単 一 量 子 井 戸 構 造 （ S Q W ) の 他 、 ホ モ 構 造 、 ヘ テ ロ 構 造 、 ダ ブ ルへ テ ロ 構 造 の も の が 考 え ら れ る が 、 p i n 接合 或 い は p n 接合 等 に ' よ り 形成 し て も 良 レヽ 。
以 下 、 発 明 の 具 体 的 な 実施 例 に 基 づ い て 説 明 す る 。 実 施 例 と し て 発 光 素 子 を あ げ る が 、 本発 明 は 下 記 実施 例 に 限 定 さ れ る も の で は な く 、 任 意 の 素 子 に 適 用 で き る I I I 族 窒 化物 系 化 合 物 半導 体 の 製 造方 法 を 開 示 し て い る 。
本 発 明 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 は 、 有機 金 属 化 合 物 気 相 成 長 法 （ 以 下 「 M0VPE」 と 示 す ） に よ る 気 相 成 長 に よ り 製 造 さ れ た 。 用 い ら れ た ガ ス は 、 ア ン モ ニ ア （NH3) と キ ヤ リ ァ ガ ス （H2 又 は N2) と ト リ メ チ ル ガ リ ゥ ム （ Ga (C H3) , 以 下 「 TMG」 と 記 す ） と ト リ メ チ ル ア ル ミ ニ ウ ム （ A 1 (CH3) , 以 下 「 TMA」 と 記 す ）、 ト リ メ チ ル イ ン ジ ウ ム （ I n (CH3) , 以 下 「 ΤΜΙ」 と 記 す ）、 シ ク ロ ペ ン タ ジ ェ ニ ル マ グ ネ シ ゥ ム （ Mg (C5Hs) 2、 以 下 「 Cp2Mg」 と 記 す ） で あ る 。 〔 第 5 実 施例 〕
n 型 の シ リ コ ン （S i)基 板 1 1 の （111) 面 に 、 ス パ ッ タ リ ン グ に よ り 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 1 2 を 500nra の 厚 さ に 形成 し た 。 こ れ を フ ォ ト リ ソ グ ラ フ に よ り レ ジ ス ト マ ス ク を 形 成 し て ノく ッ フ ァ ー ド HF の ゥ エ ツ ト エ ッ チ ン グ に よ り 、 酸 化 シ リ コ ン （S i02)膜 を 窓 枠 状 に 残 し て 除 去 し た 。 窓 枠 は 幅 50 /z m、 酸 ィヒ シ リ コ ン （Si02)膜 1 2 の 除 去 さ れ た シ リ コ ン （S i )基 板 1 1 の （111)面 は 300 μ πι Χ 30 θ ί ΐη の 方 形 状 と な っ た 。 こ う し て 多 数 の 各 々 分 離 さ れ た 、 300 ί ΐη Χ 300 μ ΐη の 方 形 状 の シ リ コ ン （Si )基 板 1 1 の 露 出 面 が 形 成 さ れ た 。
次 に n 型 の シ リ コ ン （S i ) 基 板 1 1 を 1100。C に 保 持 し 、 TMA、 TMG、 S iH4 及 び NH3 を 導 入 し て 、 300 // 111 300 / 111 の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （S i )基 板 1 1 の （111)面 に 300 nm の 厚 さ の n-AlGaN : Si 層 か ら 成 る 反 応 防 止 層 1 3 を 形 成 し た 。 形 成 さ れ た n-AlGaN : S i 層 1 3 の A1 と Ga の モ ル 比 は 約 3 ： 7 で あ っ た 。
次 に 、 TMG、 SiH4 及 び NH3 を 導 入 し て 、 n_AlGaN : Si 層 か ら 成 る 反 応 防 止 層 1 3 の 上 に 、 500nm の 厚 さ の n-GaN : S i 層 4 1 1 を 形 成 し た 。 次 に 、 n 型 の シ リ コ ン （Si)基 板 1 1 の 温 度 を 500 °C に 下 げ 、 TMA、 TMG、 SiH4 及 び NH3 を 導 入 し て 、 20nm の 厚 さ の n- AlGaN : Si 層 4 2 1 を 形 成 し た 。 n-AlGaN : S i 層 4 2 1 の A1 と Ga の モ ル 比 は 約 3 ： 7 と な っ た 。 次 に n 型 の シ リ コ ン （S i)基 板 1 1 の 温 度 を 11 00°C に 上 げ 、 TMG、 S iH4 及 び NH3 を 導 入 し て 、 500nm の 厚 さ の n- GaN : Si 層 4 1 2 を 形 成 し た 。 更 に n 型 の シ リ コ ン (Si )基 板 1 1 の 温 度 を 500 °C に 下 げ 、 TMA、 TMG、 S iH4 及 ぴ NH3 を 導 入 し て 、 20nm の 厚 さ の n— AlGaN : Si 層 4 2 2 を 形 成 し た 。 n- AlGaN : S i 層 4 2 2 の A1 と Ga の モ ル 比 は 約 3 ： 7 と な っ た 。 こ の よ う に し て 、 1100 °C の 髙 温 で 50 Onm の 厚 さ に 开$ 成 し た n-GaN : S i 層 4 1 1 、 4 1 2 と 、 50 0°C の 低 温 で 20nra の 厚 さ に 形 成 し た n- AlGaN : S i 層 4 2 1 4 2 2 と を 交 互 に 形 成 し て 成 る 厚 さ 約 l )u m の 歪 み 緩 和 層 1 4 を 形 成 し た 。
次 に 、 n 型 の シ リ コ ン （Si )基板 1 1 の 温 度 を 1100 °C に 上 げ 、 TMG、 S iH4 及 び NH3 を 導入 し て 、 歪 み緩 和 層 1 4 の 上 に 、 5 ηι の 厚 さ の n- GaN : Si 層 1 5 を 形 成 し た 。 こ の の ち 、 こ の よ う に 形 成 し た n- GaN : S i 層 1 5 は 、 窓 枠 状 の 酸 化 シ リ コ ン （Si02)膜 1 2 に よ り 各 々 分 離 さ れ た 300 μ ηι Χ βΟΟ μ πι の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （Si )基板 1 1 面 上 方 に 形成 さ れ て お り 、 一 部 窓 枠 状 の 酸化 シ リ コ ン （S i02)膜 1 2 の エ ッ ジ 上 方 に 歪 み緩 和 層 1 4 や n- GaN : Si 層 1 5 が 形 成 さ れ て い て も 隣 の 300 / m X 300 /i m の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （ S i )基 板 1 1 面 上 方 に 形 成 さ れ た 歪 み 緩 和 層 1 4 ' や n-GaN : S i 層 1 5 ' と は 分 離 さ れ た ま ま で あ っ た 。 こ の よ う に 形 成 し た n- GaN : S i 層 1 5 を 20 °C / 分 で 降 温 し 室 温 に 戻 し た が 、 ク ラ ッ ク は 発 生 し て レヽ な 力 つ た 。
〔 第 6 実施 例 〕
第 5 実施 例 と 同 様 に 、 300 μ πι Χ 300 ;χ ιτι の 方 形状 に 露 出 し た シ リ コ ン （Si)基板 1 1 の （111)面 上 の 歪 み 緩 和 層 1
4 を 有 す る n-GaN : S i 層 1 5 を 積 層 し 、 続 け て 次 の よ う に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 積 層 し て 図 9 に 示 す 発 光 ダ イ オ ー ド 3 0 0 を 形 成 し た 。
n-GaN : Si 層 1 5 の 上 に 、 シ リ コ ン （S i ) ド ー プ の Α1。. 1 6 Ga。. 85N 力 ら 成 る η ク ラ ッ ド 層 3 0 6 、 発 光 層 3 0 7 、 マ グ ネ シ ゥ ム （Mg) ド 一 プ の Alo. i s Ga o . s sN 力 ら 成 る p ク ラ ッ ド 層 3 0 8 、 マ グ ネ シ ウ ム （Mg) ド ー プ の GaN 力 ら 成 る p コ ン タ ク ト 層 3 0 9 を 形 成 し た 。 次 に p コ ン タ ク ト 層 3 0 9 上 に 金 （Au) か ら 成 る 電 極 3 1 0 を 、 シ リ コ ン 基 板 1 裏 面 に ア ル ミ ニ ウ ム （A1) カゝ ら 成 る 電 極 3 1 1 を 形 成 し た 。 こ の よ う に し て 形 成 し た 発 光 ダ イ オ ー ド （ L E D ) 3 0 0 は 素 子 寿 命 及 び 発 光 効 率 が 著 し く 向 上 し た 。
〔 第 7 実 施 例 〕
第 5 実 施 例 と 同 様 に 、 300 μ m X 300 μ m の 方 形 状 に 露 出 し た シ リ コ ン （Si)基 板 1 1 の （ 111)面 上 の 歪 み 緩 和 層 1 4 を 有 す る n-GaN : Si 層 1 5 を 積 層 し 、 続 け て 次 の よ う に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 積 層 し て 図 1 0 に 示 す レ — ザ ダ イ ォ 一 ド 4 0 0 を 形 成 し た 。
n-GaN : S i 層 1 5 の 上 に 、 シ リ コ ン （S i ) ド ー プ の A1。. 1 S Ga。. e sN 力 ら 成 る n ク ラ ッ ド 層 5 0 6 、 シ リ コ ン （Si ) ド ー プ の GaN カゝ ら 成 る n ガ イ ド 層 5 0 7 、 M Q W 構 造 の 発 光 層 5 0 8 、 マ グ ネ シ ウ ム （Mg) ド ー プ の GaN 力、 ら 成 る p ガ ィ ド 層 5 0 9 、 マ グ ネ シ ウ ム （Mg) ド ー プ の Al。. 15Ga。
N 力 ら 成 る p ク ラ ッ ド 層 5 1 0 、 マ グ ネ シ ウ ム （Mg) ド 一 プ の GaN 力 > ら 成 る p コ ン タ ク ト 層 5 1 1 を 形 成 し た 。 次 に p コ ン タ ク ト 層 5 1 1 上 に 金 （Au) か ら 成 る 電 極 5 1 2 を 、 シ リ コ ン 基 板 1 1 裏 面 に ア ル ミ ニ ウ ム （A1) 力 ら 成 る 電 極 5 1 3 を 形 成 し た 。 こ の よ う に し て 形 成 し た レ ー ザ ダ イ オ ー ド （ L D ) 4 0 0 は 素 子 寿 命 及 び 発 光 効 率 が 著 し く 向 上 し た 。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 基 板 上 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 に よ り 得 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法 に お い て 、
基板 表 面 に 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 が ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 し な レ、 マ ス ク 材 を 格 子 状 に 形 成 し 、 素 子 形 成 用 の 基板 表 面 を 各 々 分 離 し て 露 出 さ せ る と と も に 、 前 記 格 子 状 の マ ス ク の 帯 の 中 央 部 に 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 消 費 領 域 を 形 成 す る 工 程 と 、
前記 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 素 子 形 成 用 の 基 板表 面 上 方 に 、 所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 形 成 す る ェ 程 と を 含 む こ と を 特徴 と す る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法。
2 . 前 記 消 費 領 域 は 、 素 子 形成 に 用 い な い 基板 表 面 を 露 出 さ せ て 形 成 す る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 に 記 載 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合物 半 導 体 の 製造 方 法。
3 . 前 記 消 費 領域 は 、 前 記 基 板 を も 一 部 削 除 し て 段 差 の あ る 基 板 面 を 露 出 さ せ て 形 成 す る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 に 記 載 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法
4 . 前 記 素 子 形 成 領 域 の 面 積 が 、 0. O lmra2 以 上 lmm2 以 下 で あ る こ と
を 特 徴 と す る 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 3 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法。
5 . 前 記 素 子 形成 領 域 の 面 積 が 、 O. O lmra2 以 上 0. 3mra2 以 下 で あ る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 3 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法。
6 . 前 記基板 が シ リ コ ン （Si)カ ら 成 る こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 5 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法。
7 . 前 記 マ ス ク 材 が 主 と し て 二 酸 化 ケ イ 素 （Si02)力 ら 成 る こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 6 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の II I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法。
8 . 製 造 工 程 中 に 基板 と 上 層 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 と が 化 学 反 応 を 起 こ さ な い よ う 、 前 記 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 素 子 形成 用 の 基板 表 面 に 主 と し て 単 結 晶 か ら 成 る 反 応 防 止 層 を 形 成 す る 工程 を 含 む こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 7 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合物 半 導 体 の 製 造方 法。
9 . 前 記反 応 防 止 層 の 厚 さ が 、 lOOnm 以 上 l m 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 8 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導体 の 製 造方 法。
1 0 . 前記 反 応 防 止 層 が 、 III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 で あ っ て III 族 中 の ア ル ミ ニ ゥ ム （A1)の 組成 が モ ル 比 30%以 上 で あ る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 9 の い ず れ か 1 項 に 記載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法。
1 1 . 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 1 0 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の III 族 窒化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法 に よ り 得 ら れ た III 族 窒化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 上 に 形 成 し た こ と を 特 徴 と す る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 素 子 。
1 2 . 請 求 項 1 乃 至 請 求 項 1 0 の い ず れ か 1 項 に 記載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法 に よ り 得 ら れ た I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体層 上 に 、 異 な る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 を 積層 す る こ と に よ り 得 ら れ る こ と を 特徴 と す る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体発 光 素 子 。
1 3 . 基板 上 に I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を ェ ピ タ キ シ ャ ル成 長 に よ り 得 る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 の 製 造 方 法 に お い て 、
基 板 表 面 に 、 I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 が ェ ピ タ キ シ ャ ノレ成 長 し な い マ ス ク 材 を 格 子 状 に 形 成 し 、 基 板 表 面 を 各 々 分離 し て 露 出 さ せ る 工 程 と 、
前 記 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基 板 表 面 上 方 に 、 2 つ の 異 な る 温 度 範 囲 で 、 同 一 又 は 異 な る 組成 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 交 互 に 形 成 し た 歪 み 緩 和 層 を 形 成 す る 工程 と 、
所 望 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 を 前 記 歪 み 緩 和 層 の 上 に 形 成 す る 工程 と を 含 み 、
基 板 表 面 上 方 に 形成 さ れ る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 が 隣 同 士 各 々 分 離 し て 形 成 さ れ る こ と を 特 徴 と す る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製造 方 法。
1 4 . 前 記 2 つ の 異 な る 温 度範 囲 は 、 2 0 0 °C 以 上 6 0 0 °C 以 下 と 、 9 0 0 °C 以 上 1 2 0 0 °C 以 下 と で あ る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 3 に 記載 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導体 の 製 造方 法 。
1 5 . 前 記 2 0 0 °C 以 上 6 0 0 °C 以 下 で 形 成 さ れ る I I I族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 は 厚 さ 10nm以 上 l OOnra以 下 、 前 記 9 0 0 °C 以 上 1 2 0 0 °C 以 下 で 形 成 さ れ る I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 は 厚 さ 200nm以 上 1 /x m 以 下 で あ る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 4 に 記 載 の I I I 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法 。
1 6 . 前 記 歪 み 緩 和 層 を 形 成 す る 工 程 は 、 2 つ の 異 な る 温 度 範 囲 を 2 回 以 上 ず つ 行 う こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 1 5 の い ず れ か 1 項 に 記載 の III 族 窒 化 物 系 化 合物 半 導 体 の 製 造方 法。
1 7 . 前 記 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基板 表 面 の 面 積 が 、 O. Olmra2 以 上 lram2 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 1 6 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法。
1 8 . 前 記 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基板 表 面 の 面 積 が 、 0.01mm2 以 上 0. 3mra2 以 下 で あ る こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 1 6 の い ず れ か 1 項 に 記載 の III 族 窒化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法。
1 9 . 前 記 基板 が シ リ コ ン （Si)カゝ ら 成 る こ と を 特 徴 と す る 請 求項 1 3 乃 至 請 求 項 1 8 の い ず れ か 1 項 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法。
2 0 . 前 記 マ ス ク 材 が 主 と し て 二 酸 化 ケ イ 素 （Si02)か ら 成 る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 1 9 の い ず れ か 1 項 に 記載 の III 族 窒 化物 系 化 合 物 半 導 体 の 製造 方 法。
2 1 . 製 造 工程 中 に 基板 と 上層 の I II 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 と が 化 学 反 応 を 起 こ さ な い よ う 、 前 記 各 々 分 離 し て 露 出 さ れ た 基板 表 面 に 主 と し て 単 結 晶 か ら 成 る 反 応 防止 層 を 形成 す る 工 程 を 含 む こ と を 特 徴 と す る 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 2 0 の い ずれ か 1 項 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造 方 法。
2 2 . 前 記 反 応 防 止 層 の 厚 さ が 、 lOOnm 以 上 1 /z m 以 下 で あ る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 2 1 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法。
2 3 . .前 記 反 応 防止 層 が 、 III 族 窒 化 物 系 化 合物 半 導 体 で あ っ て III 族 中 の ア ル ミ ニ ゥ ム （A1)の 組成 が モ ル 比 30%以 上 で あ る こ と を 特徴 と す る 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 2 2 の い ず れ か 1 項 に 記載 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 の 製 造方 法。
2 4 . 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 2 3 の い ず れ カゝ 1 項 に 記 载 の III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半導 体 の 製 造方 法 に よ り 得 ら れ た III 族 窒 化 物 系 化 合物 半導 体 層 上 に 形 成 し た こ と を 特 徴 と す る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 素 子 。
2 5 . 請 求 項 1 3 乃 至 請 求 項 2 4 の い ず れ 力、 1 項 に 記 載 の III 族 窒 化 物 系 化 合物 半導 体 の 製 造方 法 に よ り 得 ら れ た III 族 窒 化 物 系 化 合物 半導 体 層 上 に 、 異 な る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体 層 を 積層 す る こ と に よ り 得 ら れ る こ と を 特 徵 と す る III 族 窒 化 物 系 化 合 物 半 導 体発 光 素 子
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