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JP3505357B2 - Gallium nitride based semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

Gallium nitride based semiconductor device and method of manufacturing the same

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JP3505357B2
JP3505357B2 JP19096897A JP19096897A JP3505357B2 JP 3505357 B2 JP3505357 B2 JP 3505357B2 JP 19096897 A JP19096897 A JP 19096897A JP 19096897 A JP19096897 A JP 19096897A JP 3505357 B2 JP3505357 B2 JP 3505357B2
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JP
Japan
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buffer layer
gallium nitride
layer
based semiconductor
silicon substrate
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JP19096897A
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木 伸 洋 鈴
原 秀 人 菅
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化ガリウム系半
導体素子およびその製造方法に関する。より詳しくは、
本発明は、シリコン基板などの各種基板上に高品質な窒
化ガリウム系化合物半導体層が形成されてなる半導体素
子およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gallium nitride based semiconductor device and a method for manufacturing the same. For more details,
The present invention relates to a semiconductor device in which a high-quality gallium nitride-based compound semiconductor layer is formed on various substrates such as a silicon substrate, and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】窒化ガリウム系半導体は、その光学遷移
が直接遷移型であるために、高効率で発光再結合を生じ
させることが可能である。また、その遷移エネルギの範
囲は、2〜6.2エレクトロンボルトと広い。したがっ
て、各種の短波長半導体レーザあるいは高輝度可視LE
Dなどの半導体素子の材料として、その開発が進められ
ている。
2. Description of the Related Art Since a gallium nitride based semiconductor has a direct transition type optical transition, it is possible to cause radiative recombination with high efficiency. Moreover, the range of the transition energy is as wide as 2 to 6.2 electron volts. Therefore, various short wavelength semiconductor lasers or high brightness visible LE
As a material for semiconductor elements such as D, its development is being advanced.

【0003】なお、本明細書において「窒化ガリウム系
半導体」とは、Inx Aly Ga1- x-y N(0≦x≦
1,0≦y≦1,x+y≦1)なる化学式において組成
比x及びyをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組
成の半導体を含むものとする。例えば、InGaN(x
=0.4、y=0)も「窒化ガリウム系化合物半導体」
に含まれるものとする。
In the present specification, the term "gallium nitride-based semiconductor" means In x Al y Ga 1- xy N (0≤x≤
In the chemical formula of 1,0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1), semiconductors having all compositions in which the composition ratios x and y are changed within the respective ranges are included. For example, InGaN (x
= 0.4, y = 0) is also a "gallium nitride-based compound semiconductor"
Shall be included in.

【0004】従来の窒化ガリウム系化合物半導体素子
は、低温で成長したバッファ層を介してサファイア(A
2 3 )基板上に形成されていた。この方法を開示す
る参考文献としては、例えば、特開平2−229476
号公報や特開平8−8217号公報を挙げることができ
る。しかし、サファイアは硬度が9と極めて硬いため
に、基板のエッチングや劈開が困難である。また、現在
の段階で容易に入手できる基板サイズは、2インチ径の
ものであり、それより大型の基板は入手が困難である。
また、その価格も高いという問題があった。これらの問
題に対する解決策として、シリコンなどの加工が容易で
大口径のウェーハが入手できる基板上に窒化ガリウム系
半導体を成長する試みがなされている。
A conventional gallium nitride-based compound semiconductor device has a sapphire (A) layer formed through a buffer layer grown at a low temperature.
L 2 O 3 ) formed on the substrate. As a reference disclosing this method, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2-229476.
And Japanese Patent Laid-Open No. 8-8217. However, since sapphire has an extremely high hardness of 9, it is difficult to etch or cleave the substrate. In addition, the substrate size that can be easily obtained at the present stage is a 2-inch diameter, and it is difficult to obtain a larger substrate.
There was also the problem that the price was high. As a solution to these problems, attempts have been made to grow a gallium nitride-based semiconductor on a substrate such as silicon that can be easily processed and a large-diameter wafer is available.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】図4は、従来のシリコ
ン基板を用いた窒化ガリウム系半導体素子の断面構造を
表す概略図である。同図は、上述した参考文献に開示さ
れているバッファ層をシリコン基板に成長した一例を表
す。すなわち、シリコン基板110の上に比較的低い成
長温度でGax Al1-x N(0≦x≦1)バッファ層1
20を成長し、その上に所定の窒化ガリウム系半導体層
130がエピタキシャル成長されている。しかし、図4
に示したような構造では、窒化ガリウム系半導体層13
0の層厚を1ミクロン以上とすると、ウェーハ全体が反
ったり、結晶層にクラックがはいり、良質の結晶層を成
長することができないという問題があった。これは、窒
化ガリウム系半導体とシリコン基板との熱膨張率の差に
起因していると考えられる。それぞれの熱膨張率をみる
と、サファイアは約7.5×10-6であるのに対して、
窒化ガリウムは約5.6×10-6、シリコンは約3.6
×10-6である。すなわち、高温で窒化ガリウムを成長
した後に室温まで冷却すると、サファイア基板上の窒化
ガリウムには、圧縮応力が負荷されるのに対して、シリ
コン基板上の窒化ガリウムでは引っ張り応力が負荷さ
れ、クラックの原因となる。
FIG. 4 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a gallium nitride-based semiconductor device using a conventional silicon substrate. This figure shows an example of growing the buffer layer disclosed in the above-mentioned reference on a silicon substrate. That is, the Ga x Al 1-x N (0 ≦ x ≦ 1) buffer layer 1 is formed on the silicon substrate 110 at a relatively low growth temperature.
20 is grown, and a predetermined gallium nitride based semiconductor layer 130 is epitaxially grown thereon. However, FIG.
In the structure as shown in FIG.
When the layer thickness of 0 is 1 micron or more, there is a problem that the whole wafer is warped or the crystal layer is cracked, so that a good quality crystal layer cannot be grown. It is considered that this is due to the difference in thermal expansion coefficient between the gallium nitride based semiconductor and the silicon substrate. Looking at each coefficient of thermal expansion, sapphire is about 7.5 × 10 -6 , while
Gallium nitride is about 5.6 × 10 -6 , silicon is about 3.6.
It is × 10 -6 . That is, when gallium nitride is grown at a high temperature and then cooled to room temperature, gallium nitride on a sapphire substrate is loaded with compressive stress, whereas gallium nitride on a silicon substrate is loaded with tensile stress and cracks are generated. Cause.

【0006】つまり、熱膨張率からみて、シリコン上に
成長する窒化ガリウム層には、引っ張り応力が負荷さ
れ、このような引っ張り応力は、窒化ガリウム膜厚が厚
くなるほど強くなるために、クラックも膜厚を厚くする
につれてより顕著に発生するようになる。
That is, in view of the coefficient of thermal expansion, a gallium nitride layer grown on silicon is loaded with a tensile stress, and such a tensile stress becomes stronger as the gallium nitride film thickness becomes thicker, so that cracks also occur in the film. It becomes more remarkable as the thickness increases.

【0007】LEDや半導体レーザなどの半導体素子
は、1ミクロン以上の半導体層を積層する必要がある場
合が多い。従って、このように膜厚が厚く良質の結晶が
得られないと半導体素子を作成することができないとい
う問題があった。
For semiconductor elements such as LEDs and semiconductor lasers, it is often necessary to stack semiconductor layers of 1 micron or more. Therefore, there is a problem that a semiconductor element cannot be produced unless a crystal of such a large thickness and good quality is obtained.

【0008】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
である。すなわち、本発明は、シリコン基板などの各種
基板上に、高品質かつ膜厚の厚い窒化ガリウム系半導体
層を積層してなる半導体素子およびその製造方法を提供
することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above points. That is, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device in which a high quality and thick film of a gallium nitride based semiconductor layer is laminated on various substrates such as a silicon substrate, and a method for manufacturing the same.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、基板と、前記基板の上に積層された少なくともイン
ジウムを含む窒化ガリウム系半導体緩衝層と、前記緩衝
層の上に積層された窒化ガリウム系半導体層と、を備
え、前記基板と前記窒化ガリウム系半導体層との熱膨張
率の差に起因する応力が前記緩衝層により緩和されるよ
うにしたものとして構成することにより、シリコンなど
の基板上に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定して
成長することができる。
That is, according to the present invention, a substrate, a gallium nitride based semiconductor buffer layer containing at least indium which is laminated on the substrate, and a nitride layer which is laminated on the buffer layer. A gallium-based semiconductor layer, and a stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the gallium nitride-based semiconductor layer is configured to be relaxed by the buffer layer, so that the stress of silicon or the like can be reduced. A high quality gallium nitride based semiconductor layer can be stably grown on a substrate.

【0010】また、前記基板と前記緩衝層との間に窒化
ガリウム系半導体バッファ層をさらに設けることによっ
て、緩衝層を安定して形成することができる。
Further, by providing a gallium nitride based semiconductor buffer layer between the substrate and the buffer layer, the buffer layer can be stably formed.

【0011】さらに、前記基板としては、シリコン、ス
ピネル、6H型SiC、GaPおよびGaAsのうちの
いずれかを用いることにより、素子化プロセスが容易と
なり種々の半導体素子を実現することができる。
Further, by using any one of silicon, spinel, 6H type SiC, GaP and GaAs as the substrate, the device forming process is facilitated and various semiconductor devices can be realized.

【0012】また、前記バッファ層は、GaNからな
り、前記緩衝層は、InGaNからなるものとすれば、
従来の成長条件を利用して、直ちに本発明を実施するこ
とができる。
Further, if the buffer layer is made of GaN and the buffer layer is made of InGaN,
The present invention can be immediately practiced using conventional growth conditions.

【0013】また、緩衝層に、ブラッグ反射鏡としての
役割も持たせることにより、高効率の発光素子を実現す
ることができる。
Further, by providing the buffer layer with a role as a Bragg reflector, a highly efficient light emitting device can be realized.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明は、シリコン基板上に低温
成長バッファ層を介してインジウムを含んだ窒化ガリウ
ム系半導体の緩衝層を堆積することにより、その上に高
品質の窒化ガリウム系半導体層を厚く成長することを実
現するものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention is to deposit a gallium nitride based semiconductor buffer layer containing indium on a silicon substrate via a low temperature growth buffer layer, thereby forming a high quality gallium nitride based semiconductor layer thereon. It is intended to grow thickly.

【0015】以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の
形態について説明する。図1は、本発明による窒化ガリ
ウム系半導体素子を例示する断面構造を表す概略図であ
る。すなわち、同図に示した半導体素子10は、シリコ
ン基板11の上に第1バッファ層12、第2バッファ層
13、緩衝層14、窒化ガリウム系半導体層15がこの
順序で堆積されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a cross-sectional structure illustrating a gallium nitride based semiconductor device according to the present invention. That is, in the semiconductor device 10 shown in the figure, the first buffer layer 12, the second buffer layer 13, the buffer layer 14, and the gallium nitride based semiconductor layer 15 are deposited in this order on the silicon substrate 11.

【0016】ここで、シリコン基板11としては、(1
11)基板を用いることができる。(111)シリコン
基板上には、通常、(0001)面を表面に有する窒化
ガリウム系半導体がエピタキシャル成長する。第1バッ
ファ層12は、シリコン基板11と窒化ガリウム系半導
体との格子定数の差を緩和する役割を有する。その材料
は、例えばGaNとすることができ、後に詳述するよう
に、比較的低温で成長することが必要とされる。第2バ
ッファ層は、成長表面を平坦化する役割を有し、比較的
高温で成長したバッファ層である。その材料は、例えば
GaNとすることができ、その膜厚は500〜1000
nmとすることが望ましい。これより薄いと、成長表面
が十分に平坦化せず、これよりも厚いと成長層にクラッ
クが生ずることがあるからである。
Here, as the silicon substrate 11, (1
11) A substrate can be used. On a (111) silicon substrate, a gallium nitride-based semiconductor having a (0001) plane on its surface is usually epitaxially grown. The first buffer layer 12 has a role of alleviating a difference in lattice constant between the silicon substrate 11 and the gallium nitride based semiconductor. The material can be, for example, GaN and is required to grow at relatively low temperatures, as will be discussed in more detail below. The second buffer layer has a role of flattening the growth surface and is a buffer layer grown at a relatively high temperature. The material can be, for example, GaN, and the film thickness is 500 to 1000.
It is desirable to set to nm. If it is thinner than this, the growth surface is not sufficiently flattened, and if it is thicker than this, cracks may occur in the growth layer.

【0017】なお、MOCVD(有機金属化学気相成
長)法により窒化ガリウム系半導体をエピタキシャル成
長する場合には、通常、前述した第1バッファ層および
第2バッファ層を設けることが多い。これは、これらの
バッファ層を設けることにより、その上に形成する窒化
ガリウム系半導体層の品質を改善することができるから
である。しかし、本発明においては、これらのバッファ
層は、必要に応じて設ければ良く、設ける必要がない場
合もある。すなわち、成長条件や成長方法によって、シ
リコン基板11の上に緩衝層14を直接成長することが
できるような場合には、第1バッファ層12および第2
バッファ層13を省略することができる。緩衝層14
は、シリコン基板11と窒化ガリウム系半導体層15と
の熱膨張率の差に起因する応力を緩和する役割を有す
る。その材料としては、インジウムを含んだ窒化ガリウ
ム系半導体を用いることが望ましく、その膜厚は、1原
子層以上とすることが望ましい。窒化ガリウム系半導体
層15はLEDやレーザなどの種々の素子構成部に対応
する層である。すなわち、図1においては、単一の層と
して表されているが、この層15は、組成の異なる複数
の窒化ガリウム系半導体層からなる任意の積層構造であ
っても良い。
When a gallium nitride based semiconductor is epitaxially grown by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, the first buffer layer and the second buffer layer described above are usually provided. This is because by providing these buffer layers, the quality of the gallium nitride based semiconductor layer formed thereon can be improved. However, in the present invention, these buffer layers may be provided if necessary, and may not be provided in some cases. That is, when the buffer layer 14 can be directly grown on the silicon substrate 11 depending on the growth conditions and the growth method, the first buffer layer 12 and the second buffer layer 12 are formed.
The buffer layer 13 can be omitted. Buffer layer 14
Has a role of relieving stress caused by the difference in coefficient of thermal expansion between the silicon substrate 11 and the gallium nitride based semiconductor layer 15. As the material, it is desirable to use a gallium nitride-based semiconductor containing indium, and the film thickness is desirably one atomic layer or more. The gallium nitride based semiconductor layer 15 is a layer corresponding to various element constituent parts such as an LED and a laser. That is, although shown as a single layer in FIG. 1, this layer 15 may have any laminated structure composed of a plurality of gallium nitride based semiconductor layers having different compositions.

【0018】本発明によれば、緩衝層14が熱膨張率の
差に起因する応力を緩和するために、窒化ガリウム系半
導体層15を1ミクロン以上の膜厚に成長しても、基板
が反ったり、クラックが入ったりすることがなく、高品
質の窒化ガリウム系半導体層15を安定して成長するこ
とができる。このように、緩衝層14が応力を緩和する
理由は、緩衝層14がインジウムを含み、その結果とし
て結晶が「軟らかく」なるからであると考えられる。す
なわち、シリコン基板と窒化ガリウム系半導体層との間
で生ずる応力を「軟らかい」緩衝層が吸収することによ
り、ウェーハの反りや成長層のクラックが防止されるも
のと考えられる。
According to the present invention, since the buffer layer 14 relaxes the stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion, the substrate warps even when the gallium nitride based semiconductor layer 15 is grown to a thickness of 1 micron or more. In addition, a high-quality gallium nitride based semiconductor layer 15 can be stably grown without cracks or cracks. As described above, the reason why the buffer layer 14 relieves the stress is considered to be that the buffer layer 14 contains indium, and as a result, the crystal becomes “soft”. That is, it is considered that the "soft" buffer layer absorbs the stress generated between the silicon substrate and the gallium nitride-based semiconductor layer to prevent the warp of the wafer and the crack of the growth layer.

【0019】本発明者の実験によれば、緩衝層14のイ
ンジウム組成が高いほど、応力の緩和効果が顕著になる
傾向が見られた。一般に、MOCVD(有機金属化学気
相成長)法により成長する場合には、例えば、Inx
1-x N層におけるインジウム組成xとして、x=0〜
0.15程度の範囲までは比較的容易に成長することが
できる。しかし、この範囲内の組成を有する結晶を緩衝
層14としても用いた場合であっても、クラックは観察
されず、電気的・光学的な特性も極めて高品質な窒化ガ
リウム系半導体層15を得ることができた。インジウム
組成をこれよりも高くすると、応力を緩和する効果はさ
らに向上すると考えられる。
According to the experiments conducted by the present inventor, it was observed that the higher the indium composition of the buffer layer 14, the more remarkable the stress relaxation effect. Generally, when growing by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, for example, In x G
As the indium composition x in the a 1-x N layer, x = 0 to
It can grow relatively easily up to a range of about 0.15. However, even when a crystal having a composition within this range is also used as the buffer layer 14, no crack is observed and a gallium nitride based semiconductor layer 15 having extremely high electrical and optical characteristics is obtained. I was able to. When the indium composition is higher than this, the effect of relieving stress is considered to be further improved.

【0020】本発明によれば、このようにシリコン基板
上に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定して成長す
ることができるために、基板を加工する素子化プロセス
が従来よりもはるかに容易になる。すなわち、従来用い
られてきたサファイア基板と比較してシリコン基板は、
エッチングや劈開などの加工が極めて容易である。従っ
て、半導体レーザをはじめとする種々の半導体素子を容
易に実現することができるようになる。
According to the present invention, since a high-quality gallium nitride based semiconductor layer can be stably grown on a silicon substrate in this manner, the device fabrication process for processing the substrate is much easier than before. become. That is, compared to the sapphire substrate that has been conventionally used, the silicon substrate is
Processing such as etching and cleavage is extremely easy. Therefore, various semiconductor elements including a semiconductor laser can be easily realized.

【0021】また、本発明によれば、シリコン基板上に
形成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一基板上に形
成するその他の電子素子や発光素子などとモノリシック
に形成することができる。このようにして、小型で高性
能の半導体装置を作成することができるようになる。
Further, according to the present invention, the gallium nitride based semiconductor element formed on the silicon substrate can be formed monolithically with other electronic elements and light emitting elements formed on the same substrate. In this way, a small-sized and high-performance semiconductor device can be manufactured.

【0022】また、本発明によれば、大口径の基板上に
窒化ガリウム系半導体素子を形成することができるよう
になり、製造コストを低減することができる。すなわ
ち、従来用いられてきたサファイア基板は、せいぜい2
インチ径のものであったが、シリコン基板では、8イン
チ径以上の大口径の基板が容易に得られる。従って、製
造コストをはるかに低減することができるようになる。
Further, according to the present invention, it becomes possible to form a gallium nitride based semiconductor element on a large-diameter substrate, and the manufacturing cost can be reduced. That is, the sapphire substrate that has been conventionally used has at most 2
Although it has an inch diameter, a silicon substrate having a large diameter of 8 inches or more can be easily obtained. Therefore, the manufacturing cost can be significantly reduced.

【0023】さらに、本発明によれば、安価なシリコン
基板を用いることができ、原料コストも低減することが
できる。
Furthermore, according to the present invention, an inexpensive silicon substrate can be used and the raw material cost can be reduced.

【0024】次に、図1に示した半導体素子の製造方法
について説明する。
Next, a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described.

【0025】まず、例えばMOCVD装置の成長室にシ
リコン基板11を導入し、水素ガスを流しながら、基板
11を約1100℃で約10分間加熱し、基板表面に形
成されている酸化物を除去する。
First, for example, the silicon substrate 11 is introduced into a growth chamber of an MOCVD apparatus, and while flowing hydrogen gas, the substrate 11 is heated at about 1100 ° C. for about 10 minutes to remove oxides formed on the surface of the substrate. .

【0026】次に、基板温度を550℃まで冷却し、ト
リメチル・ガリウム(TMG)、アンモニアおよびキャ
リアガスである水素ガスを流して、第1バッファ層12
としてGaN層を成長する。このようにして成長された
GaN層は、多結晶である。
Next, the substrate temperature is cooled to 550 ° C., and trimethyl gallium (TMG), ammonia, and hydrogen gas which is a carrier gas are flowed to the first buffer layer 12.
As a GaN layer is grown. The GaN layer grown in this way is polycrystalline.

【0027】次に、基板温度を1100℃まで加熱し、
TMG、アンモニアおよび水素キャリア・ガスを流し
て、第2バッファ層13として、膜厚約700nmのG
aN層を成長する。ここで、基板温度を1100℃まで
上昇すると、多結晶であった第1バッファ層12が再結
晶化して単結晶膜となるが、その表面状態は十分に平坦
ではない。しかし、高温で第2バッファ層を成長するこ
とにより、その成長表面を平坦化することができる。
Next, the substrate temperature is heated to 1100 ° C.,
TMG, ammonia, and a hydrogen carrier gas are flown to form a second buffer layer 13 with a thickness of about 700 nm.
Grow an aN layer. Here, when the substrate temperature is raised to 1100 ° C., the polycrystal first buffer layer 12 is recrystallized to become a single crystal film, but its surface state is not sufficiently flat. However, by growing the second buffer layer at a high temperature, the growth surface can be flattened.

【0028】次に、基板温度を800℃まで冷却し、T
MG、トリメチル・インジウム(TMI)、アンモニア
および窒素キャリア・ガスを流して、緩衝層14とし
て、膜厚約100nmのInGaN層を成長する。ここ
で、基板温度を800℃まで下げるのは、インジウムを
含む結晶の平衡蒸気圧が比較的高く、分解しやすいから
である。
Next, the substrate temperature is cooled to 800 ° C., and T
MG, trimethyl indium (TMI), ammonia and a nitrogen carrier gas are passed to grow an InGaN layer having a thickness of about 100 nm as the buffer layer 14. Here, the substrate temperature is lowered to 800 ° C. because the equilibrium vapor pressure of the crystal containing indium is relatively high and the crystal is easily decomposed.

【0029】次に、基板温度を所定の温度まで上げて、
所定の層構造を有する窒化ガリウム系半導体層15を成
長する。ここでは、一例として、基板温度を約1100
℃とし、TMG、アンモニアおよび水素キャリア・ガス
を流して、膜厚が約4ミクロンのGaN層を成長する。
最後に、室温まで冷却して図1に示した半導体素子を得
ることができる。
Next, the substrate temperature is raised to a predetermined temperature,
The gallium nitride based semiconductor layer 15 having a predetermined layer structure is grown. Here, as an example, the substrate temperature is set to about 1100.
C. and flowing TMG, ammonia and hydrogen carrier gas to grow a GaN layer about 4 microns thick.
Finally, the semiconductor device shown in FIG. 1 can be obtained by cooling to room temperature.

【0030】本発明者は、前述の方法により成長した半
導体素子と、緩衝層14を設けない半導体素子とを試作
して比較した。その結果、緩衝層14を設けない半導体
素子では、肉眼による観察でも表面が白濁しており、多
数のクラックが観察された。しかし、本発明により緩衝
層14を設けた半導体素子では、顕微鏡によってもクラ
ックは全く観察されず、その窒化ガリウム系半導体層1
5の電気的・光学的な諸特性は、サファイア基板上に成
長したものと比較しても何ら遜色のないことが分かっ
た。
The inventor of the present invention made a prototype of a semiconductor device grown by the above-described method and a semiconductor device having no buffer layer 14 for comparison. As a result, in the semiconductor element having no buffer layer 14, the surface was clouded even by visual observation, and many cracks were observed. However, in the semiconductor device provided with the buffer layer 14 according to the present invention, no cracks are observed even under a microscope, and the gallium nitride based semiconductor layer 1 is not observed.
It was found that the various electrical and optical characteristics of No. 5 were comparable to those of those grown on the sapphire substrate.

【0031】次に、本発明による窒化ガリウム系半導体
素子の具体例について説明する。
Next, a specific example of the gallium nitride based semiconductor device according to the present invention will be described.

【0032】図2は、本発明による窒化ガリウム系半導
体LEDの断面構造を表す概略図である。すなわち、同
図に示したLED20は、シリコン基板21の上に、第
1バッファ層22、第2バッファ層23、緩衝層24、
n型コンタクト層25、n型クラッド層26、発光層2
7、p型クラッド層28およびp型コンタクト層29が
順次積層された構造を有する。
FIG. 2 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a gallium nitride based semiconductor LED according to the present invention. That is, the LED 20 shown in the figure has the first buffer layer 22, the second buffer layer 23, the buffer layer 24, the
n-type contact layer 25, n-type cladding layer 26, light emitting layer 2
7, a p-type clad layer 28 and a p-type contact layer 29 are sequentially laminated.

【0033】第1バッファ層22としては、例えば、前
述したような比較的低温で成長したGaN層とすること
ができる。第2バッファ層23としては、例えば、前述
したような比較的高温で成長したGaN層とすることが
できる。また、その膜厚は、500nm以上1000n
m以下とすることが望ましい。なお、図1に関して前述
したように、場合によっては、これらの第1および第2
バッファ層は省略することもできる。
The first buffer layer 22 can be, for example, the GaN layer grown at a relatively low temperature as described above. The second buffer layer 23 can be, for example, the GaN layer grown at a relatively high temperature as described above. The film thickness is 500 nm or more and 1000 n
It is desirable that it is m or less. Note that, as described above with reference to FIG. 1, in some cases, these first and second
The buffer layer can be omitted.

【0034】緩衝層24としては、インジウムを含んだ
窒化ガリウム系半導体を用い、例えば、前述したInx
Ga1-x N層を用いることができる。また、その膜厚
は、数原子層以上であれば良く、例えば100nmとす
ることができる。
[0034] As the buffer layer 24, using an inclusive gallium nitride semiconductor indium, for example, an In x described above
A Ga 1-x N layer can be used. The film thickness may be several atomic layers or more, and may be 100 nm, for example.

【0035】n型コンタクト層25は、n側の電極コン
タクトを確保するための層であり、例えばn型GaN層
とすることができる。
The n-type contact layer 25 is a layer for ensuring an n-side electrode contact, and can be, for example, an n-type GaN layer.

【0036】n型クラッド層26は、光と注入キャリア
とを発光層27に閉じこめるための層であり、例えば、
n型のGaAlN層とすることができる。
The n-type cladding layer 26 is a layer for confining light and injected carriers in the light emitting layer 27.
It can be an n-type GaAlN layer.

【0037】発光層27は、注入されたキャリアが再結
合して発光を生ずる層であり、例えばアンドープのIn
GaN層とすることができる。
The light emitting layer 27 is a layer that recombines the injected carriers to generate light, and is, for example, undoped In.
It can be a GaN layer.

【0038】p型クラッド層28は、光と注入キャリア
とを発光層27に閉じこめるための層であり、例えば、
p型のGaAlN層とすることができる。
The p-type clad layer 28 is a layer for confining light and injected carriers in the light emitting layer 27.
It may be a p-type GaAlN layer.

【0039】p型コンタクト層29は、p側の電極コン
タクトを確保するための層であり、例えばp型GaN層
とすることができる。
The p-type contact layer 29 is a layer for ensuring a p-side electrode contact, and can be, for example, a p-type GaN layer.

【0040】以上説明した積層構造は、その一部が表面
からn型コンタクト層25までエッチングされ、n側電
極30が設けられている。また、p型コンタクト層29
の上には透光性を有するp側電極31が設けられてい
る。さらに、それぞれの電極には、ボンディング・パッ
ド32が接続され、発光素子の表面は、保護膜36およ
び38で覆われている。
A part of the laminated structure described above is etched from the surface to the n-type contact layer 25, and the n-side electrode 30 is provided. In addition, the p-type contact layer 29
A p-side electrode 31 having a light-transmitting property is provided on. Further, a bonding pad 32 is connected to each electrode, and the surface of the light emitting element is covered with protective films 36 and 38.

【0041】従来は、シリコン基板上にこのような積層
構造を形成すると、クラックが発生して、LEDを作成
することが不可能であった。しかし、本発明によれば、
緩衝層24を設けることにより、クラックは全く発生せ
ず、良好な特性を有するLEDを作成することができ
る。すなわち、本発明者の試作結果によれば、図2のL
EDは、発光ピーク波長は450nmであり、8°の指
向性を有するレンズ形状により2カンデラの輝度を得る
ことができた。
Conventionally, when such a laminated structure was formed on a silicon substrate, cracks were generated and it was impossible to produce an LED. However, according to the invention,
By providing the buffer layer 24, cracks do not occur at all, and an LED having good characteristics can be manufactured. That is, according to the result of the trial production by the present inventor, L of FIG.
The ED had an emission peak wavelength of 450 nm, and could obtain a brightness of 2 candela due to the lens shape having directivity of 8 °.

【0042】次に、本発明による窒化ガリウム系半導体
素子のもう一つの具体例について説明する。
Next, another specific example of the gallium nitride based semiconductor device according to the present invention will be described.

【0043】図3は、本発明による第2の窒化ガリウム
系半導体LEDの断面構造を表す概略図である。すなわ
ち、同図に示したLED20Aは、シリコン基板21の
上に、第1バッファ層22、第2バッファ層23、緩衝
層24A、n型コンタクト層25、n型クラッド層2
6、発光層27、p型クラッド層28およびp型コンタ
クト層29が順次積層された構造を有する。図3のそれ
ぞれの層については、図2において前述した層と同一の
ものについては、図中に同一の符合を付して説明を省略
する。
FIG. 3 is a schematic view showing a cross-sectional structure of the second gallium nitride based semiconductor LED according to the present invention. That is, the LED 20A shown in the figure has a first buffer layer 22, a second buffer layer 23, a buffer layer 24A, an n-type contact layer 25, and an n-type cladding layer 2 on a silicon substrate 21.
6, the light emitting layer 27, the p-type cladding layer 28, and the p-type contact layer 29 are sequentially stacked. Regarding the respective layers in FIG. 3, the same layers as those described above in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals in the figure and the description thereof will be omitted.

【0044】ここで、LED20Aが前述したLED2
0と異なる点は、緩衝層24Aが多層膜からなるブラッ
グ反射鏡を構成している点である。すなわち、緩衝層2
4Aは、屈折率が互いに異なる2種類の薄膜層を交互に
積層させた構造とすることができる。この場合に、この
2種類の薄膜層は、それぞれの屈折率nの差がなるべく
大きくなるように選択されることが望ましい。また、そ
れぞれの薄膜層の膜厚は、反射する光の波長の1/(4
n)とすることが望ましい。
Here, the LED 20A is the above-mentioned LED 2
The difference from 0 is that the buffer layer 24A constitutes a Bragg reflector made of a multilayer film. That is, the buffer layer 2
4A can have a structure in which two types of thin film layers having different refractive indexes are alternately laminated. In this case, it is desirable that the two types of thin film layers be selected so that the difference between the respective refractive indices n is as large as possible. The thickness of each thin film layer is 1 / (4
n) is desirable.

【0045】このように、緩衝層24Aとして、ブラッ
グ反射鏡の構成を採用すると、緩衝層としての前述した
効果に加えて、分布帰還型反射鏡としての効果も得るこ
とができるようになる。すなわち、発光層26からの光
を高い反射率で図中の上方に向けて反射し、光の取り出
し効率を顕著に改善することができる。
As described above, when the structure of the Bragg reflector is adopted as the buffer layer 24A, the effect as the distributed feedback reflector can be obtained in addition to the above-mentioned effect as the buffer layer. That is, the light from the light emitting layer 26 is reflected upward with a high reflectance, and the light extraction efficiency can be significantly improved.

【0046】本発明者の試作結果によれば、MOCVD
法により成長温度800℃でInGaN層と、GaN層
との積層構造として緩衝層24Aを形成してLEDを作
成した結果、図2に示したLED20と比較して1.9
倍の輝度が得られた。
According to the results of trial production by the present inventor, MOCVD
As a result of forming an LED by forming a buffer layer 24A as a laminated structure of an InGaN layer and a GaN layer at a growth temperature of 800 ° C. by the method, 1.9 as compared with the LED 20 shown in FIG.
Double brightness was obtained.

【0047】以上、本発明の実施の形態について具体例
を参照しつつ説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。この他にも、例えば、本発明によれば、基
板としてシリコン以外の種々の材料を用いて高品質の窒
化ガリウム系半導体層を成長することができるようにな
る。例えば、従来用いられてきたサファイア(Al
)について本発明を適用すれば、従来よりもさらに高
品質の窒化ガリウム系半導体層を得ることができる。ま
た、その他にも、スピネル(MgAl)、6H型
SiC、GaP、GaAsなどの基板を用いて、高品質
な窒化ガリウム系半導体層をエピタキシャル成長するこ
とができるようになる。
Although the embodiments of the present invention have been described with reference to specific examples, the present invention is not limited to these. In addition to this, for example, according to the present invention, it becomes possible to grow a high-quality gallium nitride based semiconductor layer using various materials other than silicon as a substrate. For example, the conventionally used sapphire (Al 2 O
By applying the present invention to 3 ), it is possible to obtain a gallium nitride based semiconductor layer of higher quality than ever before. In addition, it becomes possible to epitaxially grow a high-quality gallium nitride based semiconductor layer using a substrate made of spinel (MgAl 2 O 4 ), 6H-type SiC, GaP, GaAs or the like.

【0048】また、本発明における緩衝層は、InGa
N層に限定されるものではない。この他にも、例えば、
InGaP、InBN、InAlAsなど、Inを含
み、III族元素としてAl、Ga、Bのうちのいずれ
かと、V族元素としてN、P、As、Sbのうちのいず
れかとが組み合わされた化合物であれば、同様に用いる
ことができる。
The buffer layer in the present invention is InGa.
It is not limited to the N layer. Besides this, for example,
A compound containing In, such as InGaP, InBN, InAlAs, etc., in which any one of Al, Ga, and B as a group III element and any one of N, P, As, and Sb as a group V element is combined. , Can be used similarly.

【0049】また、図2および図3では、LEDを例に
挙げて説明したが、本発明は窒化ガリウム系半導体を用
いた半導体レーザについても同様に適用することができ
る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変
形して実施することが可能である。
Further, although the LED has been described as an example in FIGS. 2 and 3, the present invention can be similarly applied to a semiconductor laser using a gallium nitride based semiconductor. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0050】[0050]

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に説明する効果を奏する。
The present invention is carried out in the form as described above and has the following effects.

【0051】まず、本発明によれば、緩衝層が熱膨張率
の差に起因する応力を緩和するために、窒化ガリウム系
半導体層を1ミクロン以上の膜厚に成長しても、基板が
反ったり、クラックが入ったりすることがなく、高品質
の窒化ガリウム系半導体層を安定して成長することがで
きる。
According to the present invention, since the buffer layer relaxes the stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion, the substrate warps even when the gallium nitride based semiconductor layer is grown to a thickness of 1 micron or more. It is possible to stably grow a high-quality gallium nitride based semiconductor layer without causing cracks or cracks.

【0052】また、本発明によれば、このようにシリコ
ン基板上に高品質の窒化ガリウム系半導体層を安定して
成長することができるために、基板を加工する素子化プ
ロセスが従来よりもはるかに容易になる。すなわち、従
来用いられてきたサファイア基板と比較してシリコン基
板は、エッチングや劈開などの加工が極めて容易であ
る。従って、半導体レーザをはじめとする種々の半導体
素子を容易に実現することができるようになる。
Further, according to the present invention, since a high-quality gallium nitride based semiconductor layer can be stably grown on a silicon substrate as described above, the device fabrication process for processing the substrate is far more difficult than the conventional one. To be easier. That is, compared with the sapphire substrate used conventionally, the silicon substrate is extremely easy to process such as etching and cleavage. Therefore, various semiconductor elements including a semiconductor laser can be easily realized.

【0053】また、本発明によれば、シリコン基板上に
形成する窒化ガリウム系半導体素子を、同一基板上に形
成するその他の電子素子や発光素子などとモノリシック
に形成することができる。このようにして、小型で高性
能の半導体装置を作成することができるようになる。
Further, according to the present invention, the gallium nitride based semiconductor element formed on the silicon substrate can be formed monolithically with other electronic elements and light emitting elements formed on the same substrate. In this way, a small-sized and high-performance semiconductor device can be manufactured.

【0054】また、本発明によれば、大口径の基板上に
窒化ガリウム系半導体素子を形成することができるよう
になり、製造コストを低減することができる。すなわ
ち、従来用いられてきたサファイア基板は、せいぜい2
インチ径のものであったが、シリコン基板では、8イン
チ径以上の大口径の基板が容易に得られる。従って、製
造コストをはるかに低減することができるようになる。
Further, according to the present invention, it becomes possible to form a gallium nitride based semiconductor element on a large-diameter substrate, and the manufacturing cost can be reduced. That is, the sapphire substrate that has been conventionally used has at most 2
Although it has an inch diameter, a silicon substrate having a large diameter of 8 inches or more can be easily obtained. Therefore, the manufacturing cost can be significantly reduced.

【0055】さらに、本発明によれば、安価なシリコン
基板を用いることができ、原料コストも低減することが
できる。
Further, according to the present invention, an inexpensive silicon substrate can be used and the raw material cost can be reduced.

【0056】また、本発明によれば、緩衝層として、ブ
ラッグ反射鏡の構成を採用することにより、緩衝層とし
ての前述した効果に加えて、発光層からの光を高い反射
率で反射し、発光素子の光の取り出し効率を顕著に改善
することができるようになる。
Further, according to the present invention, by adopting the structure of the Bragg reflector as the buffer layer, in addition to the above-mentioned effect as the buffer layer, the light from the light emitting layer is reflected with high reflectance, The light extraction efficiency of the light emitting element can be remarkably improved.

【0057】このように、本発明によれば、高品質の窒
化ガリウム系半導体層をシリコンなどの種々の基板上に
安定して成長することができるようになり、産業上のメ
リットは多大である。
As described above, according to the present invention, it becomes possible to stably grow a high-quality gallium nitride based semiconductor layer on various substrates such as silicon, which is a great industrial advantage. .

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

【図1】本発明による窒化ガリウム系半導体素子を例示
する断面構造を表す概略図である。
FIG. 1 is a schematic view showing a cross-sectional structure illustrating a gallium nitride based semiconductor device according to the present invention.

【図2】本発明による窒化ガリウム系半導体LEDの断
面構造を表す概略図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a gallium nitride based semiconductor LED according to the present invention.

【図3】本発明による第2の窒化ガリウム系半導体LE
Dの断面構造を表す概略図である。
FIG. 3 is a second gallium nitride based semiconductor LE according to the present invention.
It is the schematic showing the cross-section of D.

【図4】従来のシリコン基板を用いた窒化ガリウム系半
導体素子の断面構造を表す概略図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a gallium nitride based semiconductor device using a conventional silicon substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、100 窒化ガリウム系半導体素子 11、110 シリコン基板 12 第1バッファ層 13 第2バッファ層 14 緩衝層 15 窒化ガリウム系半導体層 20、20A LED 21 シリコン基板 22 第1バッファ層 23 第2バッファ層 24、24A 緩衝層 25 n型コンタクト層 26 n型クラッド層 27 発光層 28 p型クラッド層 29 p型コンタクト層 30 n側電極 31 p側電極 36、38 保護膜 10,100 Gallium nitride semiconductor device 11,110 Silicon substrate 12 First buffer layer 13 Second buffer layer 14 Buffer layer 15 Gallium Nitride Semiconductor Layer 20, 20A LED 21 Silicon substrate 22 First buffer layer 23 Second buffer layer 24, 24A buffer layer 25 n-type contact layer 26 n-type clad layer 27 Light-emitting layer 28 p-type clad layer 29 p-type contact layer 30 n side electrode 31 p-side electrode 36, 38 Protective film

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−303458(JP,A) 特開 平10−214999(JP,A) 特開 平10−150245(JP,A) 特開 平9−148678(JP,A) 特開 平9−36430(JP,A) 特開 平8−228048(JP,A) 特開 平8−116092(JP,A) 特開 平8−97469(JP,A) 特開 平8−70139(JP,A) 特開 平8−56015(JP,A) 特開 平8−18159(JP,A) 特開 平7−249795(JP,A) 特開 平6−164055(JP,A) 特開 平5−206513(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 H01S 5/00 - 5/50 H01L 21/205 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-10-303458 (JP, A) JP-A-10-214999 (JP, A) JP-A-10-150245 (JP, A) JP-A-9-148678 (JP , A) JP 9-36430 (JP, A) JP 8-228048 (JP, A) JP 8-116092 (JP, A) JP 8-97469 (JP, A) JP 8-70139 (JP, A) JP-A-8-56015 (JP, A) JP-A-8-18159 (JP, A) JP-A-7-249795 (JP, A) JP-A-6-164055 (JP, A) A) JP-A-5-206513 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 33/00 H01S 5/00-5/50 H01L 21/205

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シリコン基板と、前記シリコン基板の上に
低温成長バッファ層を介して形成され、膜厚が500n
m以上1000nm以下の単結晶の窒化ガリウム系半導
体からなる第2のバッファ層と、 前記第2のバッファ層の上に形成され、インジウムを含
む窒化ガリウム系半導体からなる緩衝層と、 前記緩衝層の上に積層された窒化ガリウム系半導体層
と、 を備えることを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子。
1. A silicon substrate, which is formed on the silicon substrate via a low temperature growth buffer layer and has a film thickness of 500 n.
a second buffer layer made of a single crystal gallium nitride-based semiconductor of m or more and 1000 nm or less, a buffer layer made of a gallium nitride-based semiconductor containing indium and formed on the second buffer layer, A gallium nitride-based semiconductor device, comprising: a gallium nitride-based semiconductor layer laminated on the above.
【請求項2】前記シリコン基板と前記窒化ガリウム系半
導体層との熱膨張係数の差に起因する応力が前記緩衝層
により緩和されるようにしたものとして構成されている
ことを特徴とする請求項1記載の半導体素子。
2. The buffer layer relieves stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the silicon substrate and the gallium nitride based semiconductor layer. 1. The semiconductor device according to 1.
【請求項3】前記シリコン基板が(111)シリコン基
板であることを特徴とする請求項1または請求項2記載
の半導体素子。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon substrate is a (111) silicon substrate.
【請求項4】前記第2のバッファ層は、GaNからな
り、 前記緩衝層は、InGaNからなることを特徴とする請
求項2または3に記載の半導体素子。
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the second buffer layer is made of GaN, and the buffer layer is made of InGaN.
【請求項5】前記緩衝層は、Ga Al1−xN(0
≦x≦1)層と、InGaAl1−y−zN(0<
y≦1、0≦z≦1、y+z≦1)層とを交互に複数層
づつ積層させたブラッグ反射鏡を構成していることを特
徴とする1〜3のいずれか1つに記載の半導体素子。
5. The buffer layer comprises Ga x Al 1-x N (0.
And ≦ x ≦ 1) layer, In y Ga z Al 1- y-z N (0 <
y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1, y + z ≦ 1) layers are alternately laminated to form a Bragg reflector, and the semiconductor according to any one of 1 to 3 is characterized in that element.
【請求項6】シリコン基板上に多結晶の低温成長バッフ
ァ層を形成する工程と、 前記低温成長バッファ層上に、前記低温成長バッファ層
の成長温度よりも高い成長温度で、膜厚が500nm以
上1000nm以下の単結晶の窒化ガリウム系半導体か
らなる第2のバッファ層を形成する工程と、 前記第2のバッファ層上に、インジウムを含む窒化ガリ
ウム系半導体からなる緩衝層を成長する工程と、 前記緩衝層の上に、窒化ガリウム系半導体層を成長する
工程と、 を備えることを特徴とする窒化ガリウム系半導体素子の
製造方法。
6. A step of forming a polycrystalline low temperature growth buffer layer on a silicon substrate, and a film thickness of 500 nm or more at a growth temperature higher than the growth temperature of the low temperature growth buffer layer on the low temperature growth buffer layer. Forming a second buffer layer made of a single crystal gallium nitride-based semiconductor of 1000 nm or less; growing a buffer layer made of a gallium nitride-based semiconductor containing indium on the second buffer layer; And a step of growing a gallium nitride-based semiconductor layer on the buffer layer.
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