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JP3823775B2 - Manufacturing method of nitride semiconductor substrate - Google Patents

Manufacturing method of nitride semiconductor substrate Download PDF

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JP3823775B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体(InAlGa1−x−yN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)の成長方法に係り、特に単体基板となり得る窒化物半導体の成長方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、サファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子定数の異なる異種基板上に、窒化物半導体を成長させ、その後、異種基板を除去することで得られる窒化物半導体から成る単体基板が注目されている。窒化物半導体から成る単体基板が異種基板を有する窒化物半導体基板に比べて、反りが少なく劈開が容易にできるためである。
【0003】
例えば、異種基板であるサファイア基板上に窒化ガリウム等を成長させ、その後、異種基板をラッピングで除去することによる単体基板の製造方法がある。また、ラッピング以外の窒化物半導体とサファイアとを分離する方法としては、サファイア側からKrfパルスエキシマレーザを照射して、サファイアと窒化物半導体との接している共有面で分離し、サファイアを分離する方法が報告されている。この方法は、レーザ照射によりサファイアが接触している共有面で窒化物半導体がレーザ光を吸収して窒化物半導体の分解が生じ、サファイアを分離することができるものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す研磨除去の方法であれば、サファイア基板等の異種基板上に窒化物半導体を成長させた場合には、サファイア基板は硬度が高いため研磨時に大きな応力がはたらく。そのため、ラッピング時の応力で窒化物半導体にも欠けや割れが生じるため窒化ガリウム等の窒化物半導体の単体基板を形成するのは困難であった。
【0005】
また、ハイドライド気相成長法や有機金属気相成長法等の気相成長法により基板上に窒化物半導体を成長させる場合、具体的には100μm以上の膜厚を成長すれば歪みが大きくなり窒化物半導体に欠けや割れ等が発生するため厚膜成長をさせるのが困難であった。
【0006】
レーザ照射による基板の除去方法であれば、例えば、窒化ガリウムの単体基板を形成する場合に窒化ガリウムの分解によって発生する窒素ガスのガス圧によりサファイアが割れ、この割れが原因でサファイアと接触している窒化ガリウム面に欠陥が生じる。このような欠陥傷が窒化ガリウム等の表面にあるとマイクロクラックと呼ばれる微小な割れなどが発生する場合がある。このような割れが発生すると窒化物半導体基板上に形成した発光素子の寿命特性や歩留まりの低下等を引き起こすことが考えられる。
【0007】
そこで、本発明の目的は、横方向成長を利用して作製された窒化物半導体基板において、窒化物半導体の厚膜成長を可能とし、さらに、支持基板上に成長させた窒化物半導体に割れや欠けを発生させることなく容易に支持基板を除去することで単体基板を提供することである。また、ここで得られる窒化物半導体の単体基板は、低転位であり結晶性のよい窒化物半導体とすることも目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は、以下(1)〜(8)に示す本発明の構成によって達成することができる。
(1)支持基板上に、周期的なストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成する工程と、前記支持基板露出部より保護膜上に第1の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止めることにより周期配列されたT字状断面を有する第1の窒化物半導体を形成する工程と、前記保護膜を第1の窒化物半導体のT字の柱部分の両側には残して、前記支持基板が露出するまで除去することにより横方向成長した第1の窒化物半導体の下部に空間を形成する工程と、第1の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第2の窒化物半導体を成長させて支持基板全面を覆う工程と、支持基板を分離除去する工程と、を備えた窒化物半導体基板の製造方法。
(2)前記第2の窒化物半導体上に第3の窒化物半導体を成長させる(1)に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(3)前記第3の窒化物半導体の膜厚が300μm以上である(2)に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(4)前記保護膜を除去する方法は、エッチングである(1)に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(5)前記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は1200℃以上の融点を持つ高融点金属膜である(1)に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(6)前記支持基板は、異種基板上にバッファ層を有する(1)に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(7)前記バッファ層は、窒化ガリウム層、又は窒化インジウムガリウム層である(6)に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
(8)前記第3の窒化物半導体は、n型不純物がドープされている(2)又は(3)に記載の窒化物半導体基板の製造方法
【0009】
本発明の窒化物半導体基板は、支持基板と、前記支持基板表面の周期的なストライプ状、格子状、又は島状の部分を成長起点として横方向成長し、互いに接合する前に横方向成長を停止することにより周期配列されたT字状断面を有する第1の窒化物半導体と、前記第1の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長した側面を核として成長し、支持基板全面を覆う第2の窒化物半導体と、前記第2の窒化物半導体層上に膜厚が300μm以上の第3の窒化物半導体とを備え、前記第2の窒化物半導体が互いに接合する部分の下に形成されている空間より支持基板を分離除去していることが好ましい。
このように支持基板と接触した第1の窒化物半導体がT字状断面を有し、再成長により第2の窒化物半導体で支持基板全面を覆うことにより貫通転位を低減させ、かつ表面を平坦化させることができる。さらに、第3の窒化物半導体をこの上に厚膜成長させることにより単体基板を得ることができる。これは、第1の窒化物半導体と支持基板との接触面積がT字の柱部分のみであって、この柱部分は貫通転位が低減されておらず結晶性が悪いためである。このため、第3の窒化物半導体を300μm以上で成長させればラッピングや接触界面に熱衝撃を与えることにより支持基板を除去分離することができる。これは、300μm以上の窒化物半導体を成長させることで、窒化物半導体と支持基板との接触界面に生じる熱膨張差を大きくすることができる。さらに、本発明におけるT字状断面の第1の窒化物半導体と支持基板との接触界面はELO法により形成した窒化物半導体基板と比較して空間も有し、接触面積も少ない。そのため、ラッピング等により容易に支持基板を除去することが可能となる。第3の窒化物半導体の膜厚が300μm以下であれば、熱膨張差により生じる応力が支持基板を除去するには十分ではない。そのため、ラッピング等の物理的応力に頼らざるを得ないため、窒化物半導体に割れや欠けを発生させてしまう。また、第3の窒化物半導体を1mm以上で成長させれば窒化物半導体の1000℃以上の高温成長、及び冷却時に発生する熱膨張の差により自然に支持基板を剥離除去することができる。この剥離除去を行うには窒化物半導体の機械的強度が必要である。そのためには、第3の窒化物半導体を1mm以上、より好ましくは2mm以上で成長させる必要がある。
【0010】
かかる構造を有する窒化物半導体基板は、例えば、支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第1の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第1の窒化物半導体の下部に空間を形成し、その後、第1の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第2の窒化物半導体を成長させることにより製造することができる。
【0011】
また、支持基板上に保護膜を介して第1の窒化物半導体を成長させる場合、保護膜にストライプ状、格子状又は島状の窓部を形成するが、中でも、格子状又は島状の窓部を形成することが好ましい。窓部を格子状又は島状とすることにより、第1の窒化物半導体の成長方向が多方向となり、支持基板の剥離がより容易となる。また、格子状の窓部を形成して窓部に囲まれた保護膜の形状を多角形又は円形とすることが好ましい。保護膜の形状を多角形又は円形とすることにより、多角形又は円形の保護膜周囲から中心に向かって第2の窒化物半導体が成長するため、第2の窒化物半導体の接合部が保護膜の中心の一点となり、転位の集中する接合部の面積を最小限に抑制することができる。
【0012】
ここで、前記支持基板は、サファイア等の異種基板であっても、異種基板の全面に窒化物半導体層を成長させたものであっても良い。支持基板としてサファイア等の異種基板を直接用いる場合は、格子不整合を緩和させるために第1の窒化物半導体を成長する前に低温成長バッファ層を異種基板上に成長することが好ましい。具体的にはバッファ層として窒化ガリウム層、又は窒化インジウムガリウム層を用いることができる。これはインジウムを含有する窒化物半導体は比較的柔らかく、そのため窒化物半導体内にクラックが発生するのを抑制する効果を有するためである。
【0013】
支持基板上に、前記基板表面の周期的なストライプ状又は格子状の部分を成長起点として横方向に成長させた窒化物半導体層を有する窒化物半導体基板において、各成長起点から横方向に成長した窒化物半導体同士が、互いに接合せずに、隙間を有して配列している。このように、保護膜上の横方向成長を、第1の窒化物半導体が互いに接合する前に止め、その後、第2の窒化物半導体を配列している隙間上で成長させて互いに接合させることにより、保護膜を広く形成しても、結晶表面に空隙を形成しない窒化物半導体を成長させることができる。また、第2の窒化物半導体は空間上を進行するため、第2の窒化物半導体を第1の窒化物半導体側面から成長させる時に発生する応力を抑制することができる。さらに保護膜上を進行する場合のような結晶成長面のチルト現象がないため、接合部における転位の集中が緩和される。
【0014】
第3の窒化物半導体は、n型不純物がドープされていることを特徴とする。支持基板を除去後に支持基板との接触面側の窒化物半導体は表面に凹凸があり、これを研磨により平坦かつ鏡面とする。この平坦化された第3の窒化物半導体にn型不純物がドープされていれば、対極面に電極を有する半導体発光素子や受光素子を形成することができる。これにより、効率効率や寿命特性を向上が期待できる。
【0015】
保護膜に酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は1200℃以上の融点を持つ高融点金属膜を用いる。これらの保護膜材料は、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有するため、保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させるのに好ましい。
【0016】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第1の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第1の窒化物半導体の下部に空間を形成し、その後、第1の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第2の窒化物半導体を成長させて支持基板全面を覆い、その後、前記第2の窒化物半導体上に膜厚が300μm以上の第3の窒化物半導体を成長させ、支持基板を分離除去することが好ましい
【0017】
保護膜は第1の窒化物半導体の成長後に除去するが、少なくとも第2の窒化物半導体の接合部下方に空間を形成するように保護膜を除去すればよい。また、保護膜を支持基板が露出するまで除去すれば、SiO等の保護膜が保護膜上に成長する窒化物半導体の成長時に分解することによる問題、即ち、窒化物半導体の異常成長や結晶性の低下等の問題を抑制することができる。
【0018】
保護膜を除去する方法には、ドライエッチング又はウェットエッチングを用いることができ、どちらの方法も窒化物半導体の結晶性を低下させることなく保護膜を除去することができる。さらに、ドライエッチングは、保護膜を除去する深さを簡単に制御することができる。
【0019】
即ち、本発明に係る窒化物半導体基板は、横方向成長した窒化物半導体が互いに接合せず、隙間を有して配列しており、再成長させることで空間を有する窒化物半導体層を形成し、その上に厚膜の窒化物半導体を形成した後に支持基板を除去することを特徴とする。本件発明者等は、横方向に成長したT字形状である第1の窒化物半導体の両翼、及びその接合部の下部に10μm〜50μm、好ましくは10μm〜30μmの幅の空間を有する窒化物半導体基板とすることで、第3の窒化物半導体として300μm以上の厚膜を形成しても割れ等を発生させない。この空間を形成することにより、支持基板と窒化物半導体との接触面積が少なくなるため、接触界面の厚膜成長後にラッピングや自然剥離による支持基板の除去が容易になる。また、この空間がエアーギャップとしての効果を有し、反り等を抑制することができるため厚膜成長が可能となるのである。しかも、転位の集中する接合部のない状態でエピタキシャル成長を開始するため、従来問題となっていた基板昇温時における窒素脱離によるピットの発生がなく、むしろ従来よりも平坦で結晶性に優れた素子層の成長が可能であることを見出した。
【0020】
また、第3の窒化物半導体は、ハライド気相成長法(以下、「HVPE法」)により厚膜の窒化物半導体層を成長して転位を分散させ、全体に低転位密度な窒化物半導体の単体基板が得られる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明を更に詳細に説明する。本実施の形態においては、本件第1の発明に係る窒化物半導体基板について説明する。図1(a)〜図1(f)は、第1の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を段階的に示した模式図である。
【0022】
図1(a)は支持基板1上に、窒化物半導体を成長させ、さらに保護膜のストライプを形成させる工程を行った模式的断面図である。この支持基板1としては、C面、R面、及びA面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル(MgAl)のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3C)、ZnS、ZnO、GaAs、Si、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。これらの支持基板の厚さは特に限定されず、膜厚は100μm以上、好ましくは400μm以上とする。また、支持基板にオフ角を形成した場合には、例えばオフ角を0.01°〜0.5°とすることができる。
【0023】
支持基板1上に形成される保護膜2を成長させる前に、支持基板1上にバッファ層(図示されない)を薄膜であれば形成することもできる。バッファ層としては、AlN、GaN、AlGaN、InGaN等が用いられる。バッファ層は300℃〜900℃の温度で、膜厚10オングストローム〜5μm、好ましくは10オングストローム〜0.5μmで成長させる。また、バッファ層を多層膜で成長させてもよい。このバッファ層は支持基板1と第1の窒化物半導体3との格子定数差を緩和する緩衝層の効果がある。そのため、このバッファ層は支持基板と第1の窒化物半導体との間に介して成長すればよく、保護膜を成長し、この保護膜に開口部を形成した後にバッファ層を成長させてもよい。
【0024】
次に、支持基板1上に部分的に形成される保護膜2としては、保護膜表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を選択する。好ましくは、酸化ケイ素(SiO)、窒化ケイ素(Si)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜を用いることができる。また、上記以外にも1200℃以上の融点を有する金属、例えばタングステンやモリブデンなどの材料も用いることができる。
【0025】
この保護膜の形成方法としては、CVD、スパッタリング、及び蒸着法を用い、まず保護膜2を形成し、さらに、レジストを塗布して、フォトリソグラフィにより保護膜を所定の形状であるストライプ状又は格子状等にエッチングする。保護膜をストライプ状又は格子状にエッチングすることにより、保護膜にストライプ状又は島状の窓部が形成される。また逆に、保護膜2を島状に残して保護膜2に格子状の窓部を形成しても良い。所定形状を有する保護膜のストライプ幅及び、格子幅としては、特に限定されないが、ストライプで形成した場合、ストライプ幅は5〜30μmであるのが好ましい。また、保護膜2が形成されていない窓部は、ストライプ幅よりも狭くすることが望ましい。保護膜を格子状に形成する場合の格子幅は10〜20μmであるのが好ましい。保護膜2を島状に残して格子状の窓部を形成する場合、島状の保護膜の幅は10μm以下、好ましくは5μm以下とし、格子状の窓部の幅を10〜30μm、好ましくは10〜20μmとするのが望ましい。また、保護膜の幅は、ストライプ幅であれば5〜50μmとし、開口部の幅も5〜50μmとする。さらに、保護膜は、後工程で第1の窒化物半導体3を成長させた後、除去され、空間となる。そのため、保護膜の膜厚としては、この空間を形成できる膜厚が必要であり、0.05μm〜10μmとする。
【0026】
一方、保護膜2を島状に残して、格子状の窓部を形成した場合、保護膜の形状は多角形(三角形、四角形、六角形等)であっても、円形であっても良い。保護膜2同士は、できるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。六角形の保護膜が蜂の巣状に配列されており(各六角形が隣り合う六角形と辺同士が対向するよう配置され、1つの六角形が6つの六角形によって囲まれた配列)、1つの三角形が隣り合う三角形と辺同士が対向するよう配置され、6つの三角形で1つの6角形を構成し、該6角形が蜂の巣状に配列されている。これらの配列によれば、保護膜2同士の間隔(=窓部の幅)を一定にでき、また、保護膜2の密度を高めることができる。
【0027】
また、保護膜を島状に残して、格子状の窓部を形成することには、後で成長する第2の窒化物半導体4の接合部が保護膜2の中心1点だけとなるため、比較的転位が集中し易い接合部の面積を最小限に抑制することができる利点がある。
【0028】
保護膜をストライプ状に形成する場合には、支持基板をサファイア基板とすれば、オリフラ面をサファイアのA面とし、このオリフラ面の垂直軸に対して左右どちらかに、θ=0°〜2°、好ましくはθ=0.01°〜1°ずらしてストライプを形成すると、第2の窒化物半導体の成長表面に荒れが生じることなく、成長面がより平坦で良好な結晶が得られる。
【0029】
図1(b)に示すように、基板1上に形成される第1の窒化物半導体3としては、アンドープ、及びSi、Ge、SnおよびS等のn型不純物をドープしたものやMg等のp型不純物をドープしたものを用いることができる。この成長温度は、900℃〜1100℃で基板上に成長され、膜厚は1.5μm以上であると結晶表面にピットの少ない、鏡面を形成できる点で好ましい。また、第1の窒化物半導体として、GaNとAlGa - N(0<x<1、好ましくは0<x≦0.5)との積層、又はGaNとInGa1- N(0<y≦1)との積層を用いても良い。これらを用いることにより、GaN層とAlGa - N層との間の熱膨張係数差により生ずる応力や、InGa1- Nの低い膜強度を利用して、支持基板1の除去を容易にすることができる。この場合のGaN、AlGa - N又はInGa1- Nは、アンドープであっても、n型不純物やp型不純物をドープしたものであっても良い。第1の窒化物半導体3の好ましい膜厚は、保護膜2の膜厚、大きさによっても異なる。保護膜の表面を横方向に成長させた結晶性のいい部分を有する必要があるため、第1の窒化物半導体3は、保護膜の膜厚に対して少なくとも1.5倍以上であり、1.0〜10μmの膜厚で成長させるのが好ましい。支持基板1との接合部である成長起点から第1の窒化物半導体3を成長させる時に、貫通転位は最初は縦方向に成長する。その後、第1の窒化物半導体3のT字両翼の成長時に貫通転位も成長方向を変更する。この貫通転位は縦方向以外、好ましくは横方向に成長させることで、貫通転位は成長方向を曲げられ、T字両翼の側面に達するものとする。
【0030】
次に、図1(c)に示すように、第1の窒化物半導体3を保護膜2上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜を除去する。この保護膜の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられる。等方性ドライエッチングであれば、エッチングの制御を容易に行うことができる。
【0031】
保護膜を除去することにより第1の窒化物半導体の横方向に成長した結晶欠陥の少ない部分の下部に空間を形成することができる。このため、第1の窒化物半導体上に成長させる窒化物半導体において、第1の窒化物半導体の横方向成長により形成された側面からの成長時に保護膜との間に発生する応力を抑制させることができる。保護膜を窒化物半導体が露出するまで完全に除去することにより、基板上に反応素子を成長させる時にSiO等の保護膜が、1000℃以上の温度で分解拡散して保護膜上の窒化物半導体に入ることを防止することができる。したがって、分解したSiOが窒化物半導体に入って結晶性を低下させたり、異常成長を引き起こすといった問題点を解決することができる。また、後工程において、第2の窒化物半導体が、第1の窒化物半導体の上面から成長する場合、保護膜を完全に除去しなくても図2や図3に示すように空間を有する保護膜の形状とすれば、第2の窒化物半導体は空間上で接合することとなるため、平坦かつ鏡面である窒化物半導体を形成することができる。図3に示すように、第1の窒化物半導体3のT字形状の柱部分の両側に保護膜を残してもよい。この柱部分の両側に保護膜がある場合には、T字両翼の下部に空間はできるため、上記同様の効果は有する。さらに、この柱側面に残った保護膜は第1の窒化物半導体3の反応時の分解や劣化を抑える土台としての効果も有する。
【0032】
次に、図1(d)に示すように、保護膜2を除去した第1の窒化物半導体3上に、第1の窒化物半導体3の上面及び側面より第2の窒化物半導体4を成長させる。この第2の窒化物半導体としては、第1の窒化物半導体上の成長であると同時に、空間部上の成長でもある。そのため、保護膜上での連続成長で窒化物半導体の平坦面を形成するELO法では選択性が低いために用いることができなかったAlGa1−xN(0≦X<1)を用いることもできる。
【0033】
第2の窒化物半導体4としては、アンドープ、およびSi、Ge、Sn、S等のn型不純物をドープしたGaN、またはMg等のp型不純物をドープしたものや、n型不純物とp型不純物とを同時ドープしたものを用いることができる。第2の窒化物半導体4は、900〜1100℃で成長される。中でも、Mgをドープして第2の窒化物半導体4を成長させると、第2の窒化物半導体が横方向に伸び易くなり、第1の窒化物半導体3の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると電気的特性が安定する。また、第2の窒化物半導体は空間上を成長するため、保護膜上の成長では選択性が低いために用いることのできなかったAlGa1−xN(0<x<1)を用いることもできる。また、第2の窒化物半導体の膜厚としては、GaNの場合は3〜30μm、好ましくは5〜20μmであるのが望ましく、AlGa1−xNの場合は2〜15μmが好ましい。
【0034】
さらに、第2の窒化物半導体として適当な多層膜を用いてもよい。多層膜の層数及び膜厚は特に限定されず、バルクを2ペア積層したものであっても、多数の薄膜を積層した超格子であっても良い。各層の膜厚は、10Å〜2μmが好ましい。
【0035】
ここで第2の窒化物半導体は、横方向の成長により得られた結晶性のよい第1の窒化物半導体の上面及び側面より成長させるため、保護膜が形成されていた部分上に成長する第2の窒化物半導体は結晶欠陥がなくなり、保護膜の窓部上部に成長した窒化物半導体にのみ結晶欠陥が残る。尚、図1(d)では、第2の窒化物半導体が、第1の窒化物半導体の上面及び横方向成長した側面を核として成長する例を示したが、第2の窒化物半導体を第1の窒化物半導体の上面のみから成長させても良い。第2の窒化物半導体下には、空間が残り結晶欠陥の多い窒化物半導体からの結晶欠陥の伝播を抑えることができる。また保護膜が薄膜で残っていたとしてもT字両翼の下部に空間があれば、支持基板と窒化物半導体との歪みを緩和する効果を有する。
【0036】
次に、図1(e)に示すように第2の窒化物半導体4上に第3の窒化物半導体5を成長させ、その後に支持基板を分離する。さらに、支持基板との分離面を研磨することで平坦かつ鏡面とする。
【0037】
ここで、第3の窒化物半導体5は厚膜で成長させるため、好ましくはHVPE法により成長させる。Si等のn型不純物をドープしてもよく、膜厚はラッピングを容易にできる300μm以上とする。また、第3の窒化物半導体5の膜厚を1mm以上、さらに好ましくは2mm以上とすれば支持基板の自然剥離が可能となる。
【0038】
第3の窒化物半導体5の厚膜成長を行うことにより、一層転位密度の低い窒化物半導体基板を得ることができる。尚、第3の窒化物半導体は、欠陥をより均一に分散させる観点からも、厚い方が有利である。好ましくは400μm以上であれば欠陥を分散させることができる。
【0039】
次に、第3の窒化物半導体5を300μm以上であればラッピングにより窒化物半導体基板から支持基板1を除去後に、砥石と基板ウェハーとを回転させながら、お互い押し当てて窒化物半導体基板の支持基板側を研削するものである。前記工程で得られた窒化物半導体基板の第2の窒化物半導体4の表面側を土台に張り合わせ、固定させてからラッピングを行うものである。この張り合わせに用いる接着剤には、ワックスやメタル、エポキシ樹脂等を使用する。
【0040】
また、第3の窒化物半導体5を膜厚1mm以上で成長させれば、ラッピング等を必要とせず、支持基板の自然除去をすることができる。
【0041】
さらに、前記工程で得られた窒化物半導体の単体基板を支持基板を除去した側の窒化物半導体をさらに表面をミラーで平坦な面とするために表面研磨をし、図1(f)に示すように単体基板とする。ここで得られる窒化物半導体の単体基板はCL測定において貫通転位密度が1×10個/cm以下であり、膜厚は薄膜から2mm以上の厚膜基板まで得ることができる。本発明によりインゴットの窒化物半導体を単体で得ることも期待できる
【0042】
本実施の形態における窒化物半導体基板によれば、窒化物半導体の接合部における転位の集中が緩和されており、接合部の認識が容易で、反りも抑制されているので、半導体レーザなどの窒化物半導体素子の製造が容易となる。さらに、窒化物半導体基板を表面が平坦な単体基板として得ることができれば、劈開が容易にでき、裏面に例えばn側電極を形成した発光素子等を提供することができる。半導体レーザ素子を製造する場合、半導体レーザ素子の横モード制御のためのストライプ構造は、電流及び/又は光が閉じ込められる活性領域が第1の窒化物半導体3の成長起点となった領域と、第2の窒化物半導体4の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成することが好ましい(これらの間における欠陥密度は、1×10個/cm以下とできる)。なぜなら、横方向成長した第1の窒化物半導体4の成長起点となった領域、即ち保護膜の窓部の領域は転位密度が高く、また、第2の窒化物半導体同士が接合する部分も従来よりも転位が大巾に抑制されているとは言え、その他の領域に比べて転位密度が高いためである。例えば、リッジ導波路型半導体レーザの場合にはリッジ部を、埋め込みヘテロ型半導体レーザの場合には埋めこまれたストライプ部を、第1の窒化物半導体3の成長起点となった領域と第2の窒化物半導体4の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成する。尚、第2の窒化物半導体4同士の接合部における転位の集中が従来よりも大巾に緩和されているため、半導体レーザ素子のストライプ構造をより接合部に近い位置に形成することが可能であり、また、レーザ素子の寿命も向上する。
【0043】
本発明において、窒化物半導体の一般式としては、InAlGa1−x−yN(0≦X<1、0≦Y<1、0≦X+Y<1)で表される。また、III族元素にBを用いたり、V族元素であるNの一部をAs、Pで置換した混晶物を用いることができる。
【0044】
また、窒化物半導体の成長時に用いるn型不純物としては、具体的にはSi、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等のIV族、若しくはVI族元素を用いることができ、p型不純物としては、Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Ca等が挙げられる。また、第2の窒化物半導体層を成長させるとき、n型導電性を得るには良好なオーミック性を確保する必要がある。それにはn型不純物は、5×1016/cm〜5×1021/cmの範囲でドープすることが好ましい。
【0045】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、バッファ層、第1の窒化物半導体3、及び第2の窒化物半導体4等の窒化物半導体を成長させる方法としては、特に限定されないが、MOVPE(有機金属気相成長法)、HVPE(ハライド気相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)、MOCVD(有機金属化学気相成長法)等の方法を適用できる。
【0046】
かかる窒化物半導体の製造方法であれば、T字形状の第1の窒化物半導体において、T字両翼の成長時に支持基板からの貫通転位を該両翼に曲げることができる。この曲げられた貫通転位はT字両翼側面まで進む。そのため、少なくとも曲げられた範囲の貫通転位は縦方向には成長しない。つまり、T字両翼部分の上部に成長した第2の窒化物半導体には貫通転位が延びないため低転位の領域を形成することになる。さらに、第3の窒化物半導体を300μm以上の厚膜で成長させればラッピングでの支持基板の除去を容易にできる。また、第3の窒化物半導体を1mm以上で成長させればラッピング等をすることなく、支持基板を自然剥離することができる。また、保護膜除去によりT字両翼の下部に空間を有するため、支持基板と窒化物半導体との歪みを緩和し、割れや欠けを発生することなく支持基板を除去することができる。また、第1の窒化物半導体の成長起点である支持基板との接触界面は結晶性が悪く、単結晶と比べてもろい。支持基板上に緩衝層を介して窒化物半導体を成長させたものや、窒化物半導体をELO成長させたもの、その他に厚膜成長させたものからラッピングにより支持基板を除去すれば、支持基板と窒化物半導体との界面は全面接着しており、基板の反りが大きいため、その上に成長させた窒化物半導体に応力がかかり割れ等を生じる。このため、ラッピングを継続すれば窒化物半導体から成る単体基板を形成する前に割れが窒化物半導体の表面側まで延び、単体基板が分散してしまう。しかしながら、本発明では、支持基板との接触界面は第1の窒化物半導体のT字柱部分のみであり、上記窒化物半導体に比べ、支持基板と窒化物半導体との接着面での応力も少なく、T字両翼の下部に形成される空間がエアギャップの効果を有し、基板の反りを緩和させ、支持基板の除去を容易にすることができる。
【0047】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれに限定されない。
[実施例1]C面を主面とし、オリフラ面をA面とするサファイア基板1を用い、MOCVD法により、温度を510℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチルガリウム)とを用い、サファイア基板1上にGaNよりなるバッファ層を200オングストロームの膜厚で成長させる。
【0048】
バッファ層成長後、その上にCVD法によりSiOよりなる保護膜を0.5μmの膜厚で成膜し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅14μm、窓部6μmのSiOよりなる保護膜2を形成する。なお、この保護膜2のストライプ方向はサファイアA面に対して垂直な方向とする。
【0049】
次に、MOCVD法により、減圧条件で温度を1050℃にして、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、GaNよりなる第1の窒化物半導体3を2μmの膜厚で成長させる。この時、第1の窒化物半導体3は、SiO保護膜の開口部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第1の窒化物半導体が完全にSiO保護膜を覆う前に成長を止める。隣接する第1の窒化物半導体同士の隙間は、約2μmとする。
【0050】
次に、ドライエッチングである等方性エッチングにより、温度120℃で、エッチングガスに酸素、CFを用い、SiO保護膜2を完全に取り除く。
【0051】
さらに、横方向成長させた第1の窒化物半導体の側面および上面より、常圧でMOCVD法により、温度を1050℃にし、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、GaNよりなる第2の窒化物半導体4を15μmの膜厚で成長させる。尚、常圧でなく、減圧で第2の窒化物半導体4を成長しても良い。
【0052】
得られた第2の窒化物半導体4の表面を、CL(カソードルミネセンス)により観測すると、保護膜の開口部上部には結晶欠陥が見られたが、保護膜が形成されていた上部に成長させた第2の窒化物半導体4の表面には結晶欠陥が殆ど見られず良好な結晶性を有している。結晶欠陥の数は、約6×10cm−2であった。
【0053】
その後、第2の窒化物半導体4上にHVPE法により第3の窒化物半導体5を形成する。まず、HVPE装置内に、Gaメタルを入れたボートを設置し、さらにボートから離れた位置に前工程で得られた窒化物半導体基板を設置する。次にGaメタルと反応させるハロゲンガスであるHClガスと、ハロゲンガス供給管とは別にN源供給管とを設け、N源としてアンモニアガスを流す。以上によりアンドープのGaNを膜厚2mmで形成する。
【0054】
次に、反応終了後の窒化物半導体基板を冷却させることにより自然剥離で支持基板の剥離除去を行う。以上より、結晶性のよいGaNの単体基板を膜厚2mmで得ることができる。
【0055】
[実施例2]前記実施例1において、基板上にTMGのみ止めて、温度を1050℃まで上昇させ、1050℃になったら、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなる窒化物半導体の下地層を2.5μmの膜厚で成長させる。
【0056】
[実施例3]実施例1において、保護膜を第1の窒化物半導体が露出しない程度でエッチングを止めて、第2の窒化物半導体を成長させる他は同様とする。その結果、実施例1とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【0057】
[実施例4]実施例1において、保護膜2のパターンを図3に示すようなT字柱の両側に保護膜を残す他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。この結果、保護膜が形成されていた上部に成長させた第2の窒化物半導体層の表面には、良好な結晶性を有している。
【0058】
[実施例5]実施例1において、図4に示すように、第2の窒化物半導体をHVPEで成長させる。この第2の窒化物半導体の膜厚は2mmとする。以上により、支持基板と分離したGaNの単体基板を膜厚2mmで得ることができる。
【0059】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板によれば、横方向成長した窒化物半導体層の接合部への転位の集中によるピットの発生を抑制し、また、素子形成工程における接合部の認識を容易にし、さらに、厚膜成長させた窒化物半導体の単体基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)〜(f)は、本件第1発明における窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図2】図2は、本件第1発明における窒化物半導体基板の別の態様を模式的に示す断面図である。
【図3】図3は、本件第1発明における窒化物半導体基板のさらに別の態様模式的に示す断面図である。
【図4】図4は、本件第1発明における窒化物半導体基板の別の態様を模式的に示す断面図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor (InxAlyGa1-xyN, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y ≦ 1), and more particularly, to a method for growing a nitride semiconductor that can be a single substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a single substrate made of a nitride semiconductor obtained by growing a nitride semiconductor on a heterogeneous substrate having a lattice constant different from that of a nitride semiconductor such as sapphire, spinel, or silicon carbide, and then removing the heterogeneous substrate has been developed. Attention has been paid. This is because a single substrate made of a nitride semiconductor has less warpage and can be easily cleaved than a nitride semiconductor substrate having a different kind of substrate.
[0003]
For example, there is a method of manufacturing a single substrate by growing gallium nitride or the like on a sapphire substrate which is a different substrate, and then removing the different substrate by lapping. As a method of separating sapphire from a nitride semiconductor other than wrapping, the sapphire is irradiated with a Krf pulse excimer laser to separate the sapphire from the common surface in contact with the sapphire and the nitride semiconductor. A method has been reported. In this method, the nitride semiconductor absorbs the laser beam on the common surface with which the sapphire is in contact by laser irradiation, the nitride semiconductor is decomposed, and sapphire can be separated.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, with the polishing removal method described above, when a nitride semiconductor is grown on a heterogeneous substrate such as a sapphire substrate, the sapphire substrate has a high hardness, and thus a large stress is applied during polishing. Therefore, it is difficult to form a single substrate of a nitride semiconductor such as gallium nitride because the nitride semiconductor is chipped or cracked due to the stress at the time of lapping.
[0005]
In addition, when a nitride semiconductor is grown on a substrate by a vapor phase growth method such as a hydride vapor phase growth method or a metal organic vapor phase growth method, specifically, if a film thickness of 100 μm or more is grown, the strain increases. It is difficult to grow a thick film because chipping or cracking occurs in a physical semiconductor.
[0006]
In the case of a substrate removal method by laser irradiation, for example, when forming a single substrate of gallium nitride, sapphire breaks due to the gas pressure of nitrogen gas generated by decomposition of gallium nitride, and this crack causes contact with sapphire. Defects occur on the gallium nitride surface. If such a flaw is present on the surface of gallium nitride or the like, a minute crack called a microcrack may occur. When such a crack occurs, it is considered that the lifetime characteristics and the yield of the light emitting element formed on the nitride semiconductor substrate are reduced.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to enable a nitride semiconductor thick film growth in a nitride semiconductor substrate fabricated by utilizing lateral growth, and further to crack the nitride semiconductor grown on the support substrate. It is to provide a single substrate by easily removing the support substrate without causing chipping. It is another object of the nitride semiconductor single substrate obtained here to be a nitride semiconductor having low dislocations and good crystallinity.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the object of the present invention can be achieved by the configurations of the present invention shown in the following (1) to (8).
(1) A step of forming a protective film having a periodic stripe-like, lattice-like, or island-like window on a supporting substrate, and a first nitride semiconductor on the protective film from the exposed portion of the supporting substrate. Forming a first nitride semiconductor having a T-shaped cross section periodically arranged by lateral growth and stopping the protective film without covering the protective film; and forming the protective film on the first nitride semiconductor T Forming a space below the first nitride semiconductor laterally grown by removing the support substrate until it is exposed on both sides of the letter-shaped pillar portion, and an upper surface of the first nitride semiconductor. Or a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, comprising: a step of growing a second nitride semiconductor from the upper surface and a side surface that is a laterally grown portion to cover the entire surface of the support substrate; and a step of separating and removing the support substrate.
(2) The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to (1), wherein a third nitride semiconductor is grown on the second nitride semiconductor.
(3) The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to (2), wherein the film thickness of the third nitride semiconductor is 300 μm or more.
(4) The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to (1), wherein the method of removing the protective film is etching.
(5) The nitride semiconductor substrate according to (1), wherein the protective film is silicon oxide, silicon nitride, titanium oxide, zirconium oxide, a multilayer film thereof, or a refractory metal film having a melting point of 1200 ° C. or higher. Production method.
(6) The nitride semiconductor substrate manufacturing method according to (1), wherein the support substrate has a buffer layer on a different substrate.
(7) The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to (6), wherein the buffer layer is a gallium nitride layer or an indium gallium nitride layer.
(8) The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to (2) or (3), wherein the third nitride semiconductor is doped with an n-type impurity.
[0009]
The nitride semiconductor substrate of the present invention grows laterally starting from a supporting substrate and a periodic stripe-like, lattice-like, or island-like portion on the surface of the supporting substrate, and grows laterally before bonding to each other. The first nitride semiconductor having a T-shaped cross section periodically arranged by stopping and the upper surface of the first nitride semiconductor, or the upper surface and the laterally grown side surface are grown as nuclei, and the entire surface of the support substrate is grown. A second nitride semiconductor to be covered; and a third nitride semiconductor having a thickness of 300 μm or more on the second nitride semiconductor layer, wherein the second nitride semiconductor is below a portion where the second nitride semiconductor is bonded to each other It is preferable that the support substrate is separated and removed from the formed space.
Thus, the first nitride semiconductor in contact with the support substrate has a T-shaped cross section, and the entire surface of the support substrate is covered with the second nitride semiconductor by regrowth, thereby reducing threading dislocations and flattening the surface. It can be made. Furthermore, a single substrate can be obtained by growing the third nitride semiconductor on the third layer. This is because the contact area between the first nitride semiconductor and the supporting substrate is only a T-shaped column portion, and this column portion is not reduced in threading dislocation and has poor crystallinity. For this reason, if the third nitride semiconductor is grown at 300 μm or more, the supporting substrate can be removed and separated by lapping or applying a thermal shock to the contact interface. This is because a difference in thermal expansion occurring at the contact interface between the nitride semiconductor and the support substrate can be increased by growing a nitride semiconductor of 300 μm or more. Furthermore, the contact interface between the first nitride semiconductor having a T-shaped cross section and the support substrate in the present invention has a space and a smaller contact area than a nitride semiconductor substrate formed by the ELO method. Therefore, the support substrate can be easily removed by lapping or the like. If the thickness of the third nitride semiconductor is 300 μm or less, the stress caused by the difference in thermal expansion is not sufficient to remove the support substrate. For this reason, it is necessary to rely on physical stress such as lapping, so that the nitride semiconductor is cracked or chipped. Further, if the third nitride semiconductor is grown at 1 mm or more, the support substrate can be peeled and removed naturally due to the high-temperature growth of the nitride semiconductor at 1000 ° C. or higher and the difference in thermal expansion that occurs during cooling. In order to perform this peeling and removal, the mechanical strength of the nitride semiconductor is required. For this purpose, it is necessary to grow the third nitride semiconductor at 1 mm or more, more preferably 2 mm or more.
[0010]
In the nitride semiconductor substrate having such a structure, for example, a protective film having a stripe-shaped, lattice-shaped, or island-shaped window portion is formed on a support substrate, and a first film is formed on the protective film from the support substrate exposed portion. A nitride semiconductor is laterally grown and stopped without covering the protective film, and the protective film is removed to form a space below the laterally grown first nitride semiconductor, and then the first nitride It can be manufactured by growing the second nitride semiconductor from the upper surface of the physical semiconductor or from the upper surface and the side surface which is a laterally grown portion.
[0011]
In addition, when the first nitride semiconductor is grown on the support substrate via the protective film, a stripe-shaped, lattice-shaped or island-shaped window is formed in the protective film. It is preferable to form a part. By making the window portion into a lattice shape or an island shape, the growth direction of the first nitride semiconductor becomes multidirectional, and the support substrate can be more easily separated. Moreover, it is preferable that the shape of the protective film which forms the grid | lattice-like window part and is enclosed by the window part is made into a polygon or a circle. Since the second nitride semiconductor grows from the periphery of the polygonal or circular protective film toward the center by making the shape of the protective film polygonal or circular, the junction of the second nitride semiconductor is the protective film. Thus, the area of the junction where dislocations are concentrated can be minimized.
[0012]
Here, the support substrate may be a heterogeneous substrate such as sapphire or a nitride semiconductor layer grown on the entire surface of the heterogeneous substrate. When a heterogeneous substrate such as sapphire is directly used as the support substrate, it is preferable to grow a low-temperature growth buffer layer on the heterogeneous substrate before growing the first nitride semiconductor in order to reduce lattice mismatch. Specifically, a gallium nitride layer or an indium gallium nitride layer can be used as the buffer layer. This is because a nitride semiconductor containing indium is relatively soft and thus has an effect of suppressing the occurrence of cracks in the nitride semiconductor.
[0013]
On a support substrate, a nitride semiconductor substrate having a nitride semiconductor layer grown laterally starting from a periodic stripe-like or lattice-like portion of the substrate surface was grown laterally from each growth starting point. Nitride semiconductors are not bonded to each other but are arranged with a gap. As described above, the lateral growth on the protective film is stopped before the first nitride semiconductors are bonded to each other, and thereafter, the second nitride semiconductor is grown on the gap in which the second nitride semiconductors are arranged and bonded to each other. Thus, a nitride semiconductor that does not form voids on the crystal surface can be grown even if the protective film is formed widely. In addition, since the second nitride semiconductor travels in space, it is possible to suppress the stress generated when the second nitride semiconductor is grown from the side of the first nitride semiconductor. Further, since there is no tilt phenomenon of the crystal growth surface as it proceeds on the protective film, the concentration of dislocations at the junction is alleviated.
[0014]
The third nitride semiconductor is characterized by being doped with n-type impurities. After removing the support substrate, the nitride semiconductor on the side of the contact surface with the support substrate has irregularities on the surface, and this is flattened to a mirror surface by polishing. If the planarized third nitride semiconductor is doped with an n-type impurity, a semiconductor light-emitting element or light-receiving element having an electrode on the counter electrode surface can be formed. Thereby, improvement in efficiency efficiency and life characteristics can be expected.
[0015]
As the protective film, silicon oxide, silicon nitride, titanium oxide, zirconium oxide, a multilayer film thereof, or a refractory metal film having a melting point of 1200 ° C. or higher is used. These protective film materials are preferable for laterally growing a nitride semiconductor on the protective film because the nitride semiconductor does not grow or hardly grow on the surface.
[0016]
Of the present inventionIn the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate, a protective film having a stripe-shaped, lattice-shaped, or island-shaped window portion is formed on a support substrate, and the first nitride semiconductor is formed on the protective film from the exposed portion of the support substrate. The protective film is grown in a lateral direction and stopped without covering, and the protective film is removed to form a space under the laterally grown first nitride semiconductor, and then the first nitride semiconductor is removed. A second nitride semiconductor is grown from the upper surface or from the upper surface and the side surface which is a laterally grown portion to cover the entire surface of the support substrate, and then a third nitride having a thickness of 300 μm or more is formed on the second nitride semiconductor. Growing physical semiconductors and separating and removing support substratesIs preferred.
[0017]
Although the protective film is removed after the growth of the first nitride semiconductor, the protective film may be removed so as to form a space at least below the junction of the second nitride semiconductor. If the protective film is removed until the supporting substrate is exposed, SiO2It is possible to suppress problems caused by decomposition of a protective film such as a nitride semiconductor grown on the protective film, that is, problems such as abnormal growth of the nitride semiconductor and deterioration of crystallinity.
[0018]
As a method for removing the protective film, dry etching or wet etching can be used, and both methods can remove the protective film without reducing the crystallinity of the nitride semiconductor. Furthermore, the dry etching can easily control the depth at which the protective film is removed.
[0019]
That is, in the nitride semiconductor substrate according to the present invention, laterally grown nitride semiconductors are not joined to each other but arranged with gaps, and a nitridation semiconductor layer having a space is formed by regrowth. The support substrate is removed after a thick nitride semiconductor is formed thereon. The inventors of the present invention have disclosed a nitride semiconductor having a T-shaped first nitride semiconductor wing grown in the lateral direction and a space having a width of 10 μm to 50 μm, preferably 10 μm to 30 μm, at the lower part of the junction. By using the substrate, even if a thick film of 300 μm or more is formed as the third nitride semiconductor, cracks and the like do not occur. By forming this space, the contact area between the support substrate and the nitride semiconductor is reduced, so that the support substrate can be easily removed by lapping or natural peeling after the thick film growth at the contact interface. Moreover, since this space has an effect as an air gap and can suppress warpage and the like, a thick film can be grown. Moreover, since epitaxial growth is started in the absence of dislocation-concentrated junctions, there is no pit generation due to nitrogen desorption at the time of substrate temperature rise, which has been a problem in the past, but rather flatter and superior in crystallinity than before. It has been found that the element layer can be grown.
[0020]
The third nitride semiconductor is a nitride semiconductor layer having a low dislocation density as a whole by growing a thick nitride semiconductor layer by halide vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as “HVPE”) to disperse dislocations. A single substrate is obtained.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a nitride semiconductor substrate according to the first invention will be described. FIG. 1A to FIG. 1F are schematic views showing an example of a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first invention step by step.
[0022]
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view in which a step of growing a nitride semiconductor on the support substrate 1 and further forming a stripe of a protective film is performed. As this support substrate 1, sapphire or spinel (MgAl) whose main surface is any one of the C-plane, R-plane, and A-plane.2O4An insulating substrate such as SiC (6H, 4H, 3C), ZnS, ZnO, GaAs, Si, and an oxide substrate lattice-matched with a nitride semiconductor can be used. The thickness of these supporting substrates is not particularly limited, and the film thickness is 100 μm or more, preferably 400 μm or more. Moreover, when an off angle is formed in the support substrate, for example, the off angle can be set to 0.01 ° to 0.5 °.
[0023]
Before growing the protective film 2 formed on the support substrate 1, a buffer layer (not shown) may be formed on the support substrate 1 as long as it is a thin film. As the buffer layer, AlN, GaN, AlGaN, InGaN or the like is used. The buffer layer is grown at a temperature of 300 ° C. to 900 ° C. with a film thickness of 10 Å to 5 μm, preferably 10 Å to 0.5 μm. Further, the buffer layer may be grown as a multilayer film. This buffer layer has the effect of a buffer layer that relaxes the lattice constant difference between the support substrate 1 and the first nitride semiconductor 3. Therefore, this buffer layer may be grown between the support substrate and the first nitride semiconductor, and a protective film may be grown, and after the opening is formed in this protective film, the buffer layer may be grown. .
[0024]
Next, as the protective film 2 partially formed on the support substrate 1, a material having a property that a nitride semiconductor does not grow or is difficult to grow on the surface of the protective film is selected. Preferably, silicon oxide (SiOx), Silicon nitride (SixNy), Titanium oxide (TiOx), Zirconium oxide (ZrO)xOr the like, or a multilayer film thereof can be used. In addition to the above, a metal having a melting point of 1200 ° C. or higher, for example, a material such as tungsten or molybdenum can be used.
[0025]
As a method for forming this protective film, CVD, sputtering, and vapor deposition are used. First, the protective film 2 is formed, and further, a resist is applied, and the protective film is formed into a stripe or lattice having a predetermined shape by photolithography. Etching into a shape. By etching the protective film in a stripe shape or a lattice shape, a stripe-shaped or island-shaped window portion is formed in the protective film. Conversely, a lattice-like window may be formed in the protective film 2 while leaving the protective film 2 in an island shape. The stripe width and the lattice width of the protective film having a predetermined shape are not particularly limited, but when formed with stripes, the stripe width is preferably 5 to 30 μm. Further, it is desirable that the window portion where the protective film 2 is not formed be narrower than the stripe width. When the protective film is formed in a lattice shape, the lattice width is preferably 10 to 20 μm. When the lattice-shaped window is formed while leaving the protective film 2 in an island shape, the width of the island-shaped protective film is 10 μm or less, preferably 5 μm or less, and the width of the lattice-shaped window is 10 to 30 μm, preferably It is desirable to set it as 10-20 micrometers. The width of the protective film is 5 to 50 μm in the case of the stripe width, and the width of the opening is also 5 to 50 μm. Furthermore, the protective film is removed after growing the first nitride semiconductor 3 in a later step, and becomes a space. Therefore, the film thickness of the protective film needs to be a film thickness that can form this space, and is 0.05 μm to 10 μm.
[0026]
On the other hand, when the lattice-shaped window is formed by leaving the protective film 2 in an island shape, the shape of the protective film may be a polygon (triangle, square, hexagon, etc.) or a circle. The protective films 2 are preferably arranged so as to be as dense as possible with a constant interval. Hexagonal protective films are arranged in a honeycomb shape (arranged so that each hexagon is adjacent to each other and one side is surrounded by six hexagons). Triangles are arranged so that adjacent triangles face each other, and six triangles form one hexagon, and the hexagons are arranged in a honeycomb shape. According to these arrangements, the distance between the protective films 2 (= the width of the window portion) can be made constant, and the density of the protective film 2 can be increased.
[0027]
Further, in order to leave the protective film in an island shape and form a lattice-like window portion, the junction of the second nitride semiconductor 4 that grows later is only one point in the center of the protective film 2, There is an advantage that the area of the joint portion where dislocations are easily concentrated can be minimized.
[0028]
When the protective film is formed in a stripe shape, if the support substrate is a sapphire substrate, the orientation flat surface is the sapphire A surface, and θ = 0 ° to 2 on either side of the vertical axis of the orientation flat surface. When stripes are formed with a shift of [deg.], Preferably [theta] = 0.01 [deg.] To 1 [deg.], The growth surface of the second nitride semiconductor is not roughened, and a good crystal with a flat growth surface can be obtained.
[0029]
As shown in FIG. 1B, the first nitride semiconductor 3 formed on the substrate 1 is undoped, doped with n-type impurities such as Si, Ge, Sn and S, or Mg. Those doped with p-type impurities can be used. The growth temperature is 900 ° C. to 1100 ° C., and the film thickness of 1.5 μm or more is preferable in that a mirror surface with few pits can be formed on the crystal surface. Also, as the first nitride semiconductor, GaN and AlxGa1 - xStacked with N (0 <x <1, preferably 0 <x ≦ 0.5), or GaN and InyGa1- yA stack with N (0 <y ≦ 1) may be used. By using these, GaN layer and AlxGa1 - xStress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the N layer and InyGa1- yThe support substrate 1 can be easily removed by using the low film strength of N. GaN, Al in this casexGa1 - xN or InyGa1- yN may be undoped or doped with n-type impurities or p-type impurities. The preferred film thickness of the first nitride semiconductor 3 varies depending on the film thickness and size of the protective film 2. Since the surface of the protective film needs to have a portion with good crystallinity grown in the lateral direction, the first nitride semiconductor 3 is at least 1.5 times the thickness of the protective film, It is preferable to grow the film with a thickness of 0 to 10 μm. When the first nitride semiconductor 3 is grown from the growth starting point, which is a junction with the support substrate 1, threading dislocations initially grow in the vertical direction. Thereafter, threading dislocations also change the growth direction during the growth of the T-shaped blades of the first nitride semiconductor 3. This threading dislocation is grown in a direction other than the longitudinal direction, preferably in the lateral direction, so that the threading dislocation is bent in the growth direction and reaches the sides of the T-shaped blades.
[0030]
Next, as shown in FIG. 1C, the first nitride semiconductor 3 is laterally grown on the protective film 2, and the protective film is removed while the growth is stopped halfway. Etching can be used as a method for removing the protective film, and the etching means is not particularly limited, and includes dry etching or wet etching. If it is isotropic dry etching, the etching can be controlled easily.
[0031]
By removing the protective film, a space can be formed below the portion of the first nitride semiconductor that has grown in the lateral direction and has few crystal defects. Therefore, in the nitride semiconductor grown on the first nitride semiconductor, stress generated between the first nitride semiconductor and the protective film during growth from the side surface formed by lateral growth of the first nitride semiconductor is suppressed. Can do. By removing the protective film completely until the nitride semiconductor is exposed, SiO 2 is grown when the reaction element is grown on the substrate.2It is possible to prevent the protective film such as the like from decomposing and diffusing at a temperature of 1000 ° C. or higher and entering the nitride semiconductor on the protective film. Therefore, decomposed SiO2It is possible to solve the problems such as entering the nitride semiconductor to lower the crystallinity and causing abnormal growth. Further, when the second nitride semiconductor grows from the upper surface of the first nitride semiconductor in a later step, the protection having a space as shown in FIGS. 2 and 3 is possible without completely removing the protective film. If the film shape is adopted, the second nitride semiconductor is bonded in space, so that a nitride semiconductor having a flat and mirror surface can be formed. As shown in FIG. 3, protective films may be left on both sides of the T-shaped column portion of the first nitride semiconductor 3. In the case where there are protective films on both sides of the column portion, a space is formed below the T-shaped wings, so that the same effect as described above is obtained. Further, the protective film remaining on the side surface of the pillar also has an effect as a base for suppressing decomposition and deterioration during the reaction of the first nitride semiconductor 3.
[0032]
Next, as shown in FIG. 1 (d), the second nitride semiconductor 4 is grown on the first nitride semiconductor 3 from which the protective film 2 has been removed, from the top and side surfaces of the first nitride semiconductor 3. Let The second nitride semiconductor is not only growth on the first nitride semiconductor but also growth on the space portion. For this reason, the ELO method for forming a flat surface of a nitride semiconductor by continuous growth on a protective film cannot be used due to low selectivity.xGa1-xN (0 ≦ X <1) can also be used.
[0033]
Examples of the second nitride semiconductor 4 include undoped, GaN doped with n-type impurities such as Si, Ge, Sn, and S, or those doped with p-type impurities such as Mg, and n-type impurities and p-type impurities. Can be used as well. The second nitride semiconductor 4 is grown at 900 to 1100 ° C. Among them, it is preferable to dope Mg to grow the second nitride semiconductor 4 because the second nitride semiconductor easily extends in the lateral direction and easily fills the gaps in the first nitride semiconductor 3. On the other hand, when undoped, the electrical characteristics are stabilized. In addition, since the second nitride semiconductor grows on the space, Al cannot be used because the selectivity on the growth on the protective film is low.xGa1-xN (0 <x <1) can also be used. The film thickness of the second nitride semiconductor is desirably 3 to 30 μm, preferably 5 to 20 μm in the case of GaN.xGa1-xIn the case of N, 2 to 15 μm is preferable.
[0034]
Furthermore, an appropriate multilayer film may be used as the second nitride semiconductor. The number of layers and the film thickness of the multilayer film are not particularly limited, and may be a superlattice obtained by laminating two pairs of bulks or laminating many thin films. The thickness of each layer is preferably 10 to 2 μm.
[0035]
Here, since the second nitride semiconductor is grown from the upper surface and the side surface of the first nitride semiconductor having good crystallinity obtained by lateral growth, the second nitride semiconductor grows on the portion where the protective film has been formed. The nitride semiconductor of No. 2 has no crystal defects, and the crystal defects remain only in the nitride semiconductor grown on the upper portion of the window of the protective film. FIG. 1D shows an example in which the second nitride semiconductor grows using the top surface of the first nitride semiconductor and the laterally grown side surface as nuclei. It may be grown only from the upper surface of one nitride semiconductor. Under the second nitride semiconductor, the propagation of crystal defects from a nitride semiconductor with many remaining space defects can be suppressed. Even if the protective film remains as a thin film, if there is a space below both T-shaped blades, the effect of alleviating strain between the support substrate and the nitride semiconductor is obtained.
[0036]
Next, as shown in FIG. 1E, a third nitride semiconductor 5 is grown on the second nitride semiconductor 4, and then the support substrate is separated. Further, the surface separated from the support substrate is polished to be flat and mirror surface.
[0037]
Here, since the third nitride semiconductor 5 is grown as a thick film, it is preferably grown by the HVPE method. An n-type impurity such as Si may be doped, and the film thickness is set to 300 μm or more which facilitates lapping. Further, if the thickness of the third nitride semiconductor 5 is 1 mm or more, more preferably 2 mm or more, the support substrate can be naturally peeled.
[0038]
By performing thick film growth of the third nitride semiconductor 5, a nitride semiconductor substrate having a lower dislocation density can be obtained. The third nitride semiconductor is advantageously thicker from the viewpoint of more uniformly dispersing defects. If it is preferably 400 μm or more, defects can be dispersed.
[0039]
Next, if the third nitride semiconductor 5 is 300 μm or more, the support substrate 1 is removed from the nitride semiconductor substrate by lapping, and then the grindstone and the substrate wafer are rotated and pressed against each other to support the nitride semiconductor substrate. The substrate side is ground. Lapping is performed after the surface side of the second nitride semiconductor 4 of the nitride semiconductor substrate obtained in the above step is bonded to a base and fixed. Wax, metal, epoxy resin, or the like is used for the adhesive used for the bonding.
[0040]
Further, if the third nitride semiconductor 5 is grown with a film thickness of 1 mm or more, lapping or the like is not required, and the support substrate can be naturally removed.
[0041]
Further, the nitride semiconductor single substrate obtained in the above step is subjected to surface polishing so that the surface of the nitride semiconductor from which the supporting substrate is removed is further flattened with a mirror, as shown in FIG. A single substrate is used. The single substrate of the nitride semiconductor obtained here has a threading dislocation density of 1 × 10 in CL measurement.7Piece / cm2The film thickness can be obtained from a thin film to a thick film substrate of 2 mm or more. According to the present invention, it can be expected that a nitride semiconductor of an ingot is obtained alone..
[0042]
According to the nitride semiconductor substrate in the present embodiment, the concentration of dislocations at the junction of the nitride semiconductor is relaxed, the recognition of the junction is easy, and the warpage is also suppressed. Manufacture of a physical semiconductor device is facilitated. Further, if the nitride semiconductor substrate can be obtained as a single substrate having a flat surface, cleavage can be facilitated, and a light emitting element or the like having an n-side electrode formed on the back surface can be provided. When manufacturing a semiconductor laser device, the stripe structure for controlling the transverse mode of the semiconductor laser device has a region in which an active region in which current and / or light is confined becomes a growth starting point of the first nitride semiconductor 3, 2 is preferably formed so as to be located between the two nitride semiconductors 4 (the defect density between them is 1 × 10 6).7Piece / cm2And can be: This is because the region where the first nitride semiconductor 4 grown in the lateral direction becomes the growth starting point, that is, the region of the window portion of the protective film has a high dislocation density, and the portion where the second nitride semiconductors are joined is also conventional. This is because the dislocation density is higher than that in other regions, although the dislocations are greatly suppressed. For example, a ridge portion is formed in the case of a ridge waveguide type semiconductor laser, and a buried stripe portion is formed in the case of a buried hetero semiconductor laser, and the region where the first nitride semiconductor 3 is grown and the second The nitride semiconductor 4 is formed so as to be located between them, avoiding the junction of the nitride semiconductor 4. Since the concentration of dislocations at the junction between the second nitride semiconductors 4 is relaxed to a greater extent than before, the stripe structure of the semiconductor laser element can be formed closer to the junction. In addition, the lifetime of the laser element is improved.
[0043]
In the present invention, the general formula of a nitride semiconductor is InxAlyGa1-xyN (0 ≦ X <1, 0 ≦ Y <1, 0 ≦ X + Y <1). Further, B can be used as a group III element, or a mixed crystal in which a part of N which is a group V element is substituted with As and P can be used.
[0044]
Further, as the n-type impurity used during the growth of the nitride semiconductor, specifically, a group IV or group VI element such as Si, Ge, Sn, S, O, Ti, Zr can be used. Examples include Be, Zn, Mn, Cr, Mg, and Ca. In addition, when the second nitride semiconductor layer is grown, it is necessary to ensure good ohmic properties in order to obtain n-type conductivity. For that, n-type impurities are 5 × 1016/ Cm3~ 5x1021/ Cm3It is preferable to dope in the range of.
[0045]
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of the present invention, a method for growing a nitride semiconductor such as the buffer layer, the first nitride semiconductor 3 and the second nitride semiconductor 4 is not particularly limited, but MOVPE ( Methods such as metal organic chemical vapor deposition), HVPE (halide vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) can be applied.
[0046]
With such a method of manufacturing a nitride semiconductor, threading dislocations from the support substrate can be bent in both wings when the T-shaped first wing semiconductor is grown in the T-shaped first nitride semiconductor. This bent threading dislocation proceeds to the sides of the T-shaped wings. Therefore, threading dislocations at least in the bent range do not grow in the vertical direction. That is, since the threading dislocation does not extend in the second nitride semiconductor grown on the upper part of the T-shaped blades, a low dislocation region is formed. Furthermore, if the third nitride semiconductor is grown with a thickness of 300 μm or more, the support substrate can be easily removed by lapping. Further, if the third nitride semiconductor is grown at 1 mm or more, the support substrate can be naturally peeled without lapping or the like. Further, since the space is formed under the T-shaped blades by removing the protective film, the support substrate and the nitride semiconductor can be relaxed, and the support substrate can be removed without causing cracks or chips. In addition, the contact interface with the support substrate, which is the growth starting point of the first nitride semiconductor, has poor crystallinity and is more fragile than a single crystal. If the support substrate is removed by lapping from a nitride semiconductor grown on the support substrate through a buffer layer, a nitride semiconductor grown by ELO, or other thick film grown, the support substrate and The interface with the nitride semiconductor is adhered to the entire surface, and the warpage of the substrate is large. Therefore, stress is applied to the nitride semiconductor grown thereon, causing cracks and the like. For this reason, if lapping is continued, cracks extend to the surface side of the nitride semiconductor before the single substrate made of the nitride semiconductor is formed, and the single substrate is dispersed. However, in the present invention, the contact interface with the support substrate is only the T-column portion of the first nitride semiconductor, and the stress on the bonding surface between the support substrate and the nitride semiconductor is less than that of the nitride semiconductor. The space formed below the T-shaped wings has the effect of an air gap, can reduce the warpage of the substrate, and facilitate the removal of the support substrate.
[0047]
【Example】
Although the Example of this invention is shown below, this invention is not limited to this.
[Example 1] Using a sapphire substrate 1 having a C-plane as a main surface and an orientation flat surface as an A-plane, by MOCVD, the temperature is 510 ° C, the carrier gas is hydrogen, the source gas is ammonia, and TMG (trimethylgallium) Then, a buffer layer made of GaN is grown on the sapphire substrate 1 to a thickness of 200 angstroms.
[0048]
After growing the buffer layer, SiO is deposited thereon by CVD.2A protective film is formed to a thickness of 0.5 μm, a striped photomask is formed, and etching is performed to form a SiO 2 film having a stripe width of 14 μm and a window portion of 6 μm.2A protective film 2 is formed. The stripe direction of the protective film 2 is a direction perpendicular to the sapphire A plane.
[0049]
Next, the first nitride semiconductor 3 made of GaN is grown to a thickness of 2 μm by MOCVD at a temperature of 1050 ° C. under reduced pressure conditions, using TMG and ammonia as source gases. At this time, the first nitride semiconductor 3 is made of SiO.2Growing from the opening of the protective film and laterally growing on the protective film, the first nitride semiconductor is completely SiO 22Stop growth before covering the protective film. The gap between adjacent first nitride semiconductors is about 2 μm.
[0050]
Next, by isotropic etching, which is dry etching, at a temperature of 120 ° C., oxygen and CF are used as an etching gas.4Using SiO2The protective film 2 is completely removed.
[0051]
Further, from the side and top surfaces of the first nitride semiconductor grown in the lateral direction, the temperature is raised to 1050 ° C. by MOCVD at normal pressure, TMG and ammonia are used as source gases, and the second nitride semiconductor made of GaN. 4 is grown to a film thickness of 15 μm. Note that the second nitride semiconductor 4 may be grown not under normal pressure but under reduced pressure.
[0052]
When the surface of the obtained second nitride semiconductor 4 was observed by CL (cathode luminescence), crystal defects were observed in the upper part of the opening of the protective film, but it grew on the upper part where the protective film was formed. The surface of the second nitride semiconductor 4 thus formed has good crystallinity with almost no crystal defects. The number of crystal defects is about 6 × 106cm-2Met.
[0053]
Thereafter, a third nitride semiconductor 5 is formed on the second nitride semiconductor 4 by HVPE. First, a boat containing Ga metal is installed in the HVPE apparatus, and the nitride semiconductor substrate obtained in the previous step is installed at a position away from the boat. Next, HCl gas, which is a halogen gas to be reacted with Ga metal, and an N source supply pipe are provided separately from the halogen gas supply pipe, and ammonia gas is flowed as the N source. Thus, undoped GaN is formed with a film thickness of 2 mm.
[0054]
Next, the support substrate is peeled and removed by natural peeling by cooling the nitride semiconductor substrate after completion of the reaction. From the above, a single crystal substrate of GaN with good crystallinity can be obtained with a film thickness of 2 mm.
[0055]
[Example 2] In Example 1, only TMG was stopped on the substrate, the temperature was raised to 1050 ° C, and when it reached 1050 ° C, TMG and ammonia were used as source gases, and a nitride semiconductor made of undoped GaN was made. An underlayer is grown to a thickness of 2.5 μm.
[0056]
[Embodiment 3] The same procedure as in Embodiment 1 is performed except that the etching is stopped to the extent that the first nitride semiconductor is not exposed, and the second nitride semiconductor is grown. As a result, good results are obtained in substantially the same manner as in Example 1.
[0057]
[Embodiment 4] A nitride semiconductor substrate is grown in the same manner as in Embodiment 1 except that the protective film 2 is left on both sides of the T-shaped column as shown in FIG. As a result, the surface of the second nitride semiconductor layer grown on the upper portion where the protective film has been formed has good crystallinity.
[0058]
[Example 5] In Example 1, as shown in FIG. 4, a second nitride semiconductor is grown by HVPE. The film thickness of the second nitride semiconductor is 2 mm. Thus, a single substrate of GaN separated from the support substrate can be obtained with a film thickness of 2 mm.
[0059]
【The invention's effect】
According to the nitride semiconductor substrate of the present invention, the generation of pits due to the concentration of dislocations at the junction of the nitride semiconductor layer grown in the lateral direction is suppressed, and the recognition of the junction in the element formation process is facilitated. Thus, a single substrate of a nitride semiconductor having a thick film grown can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1F are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of a nitride semiconductor substrate according to the first invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing another embodiment of the nitride semiconductor substrate according to the first invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing still another aspect of the nitride semiconductor substrate according to the first invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing another aspect of the nitride semiconductor substrate according to the first invention.

Claims (8)

支持基板上に、周期的なストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成する工程と、前記支持基板露出部より保護膜上に第1の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止めることにより周期配列されたT字状断面を有する第1の窒化物半導体を形成する工程と前記保護膜を第1の窒化物半導体のT字の柱部分の両側には残して、前記支持基板が露出するまで除去することにより横方向成長した第1の窒化物半導体の下部に空間を形成する工程と、第1の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第2の窒化物半導体を成長させて支持基板全面を覆う工程と、支持基板を分離除去する工程と、を備えたことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。On a supporting substrate, a periodic striped, lattice-shaped, or island-like forming a protective film having a window portion, the first nitride semiconductor laterally grown on the support substrate exposed portion from the protective film forming a first nitride semiconductor having a T-shaped cross section which are arranged periodically by stopping Rukoto in a state of not covering the protective layer by, the protective layer of the first nitride semiconductor of the T Forming a space below the first nitride semiconductor laterally grown by removing the support substrate until it is exposed on both sides of the pillar portion ; and an upper surface of the first nitride semiconductor, or top and lateral and growth portion in which the Hare covering a than the second support substrate whole surface by a nitride semiconductor grown side step, nitride semiconductor substrate having a step of separating and removing the support substrate, comprising the Manufacturing method. 前記第2の窒化物半導体上に第3の窒化物半導体を成長させることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein a third nitride semiconductor is grown on the second nitride semiconductor. 前記第3の窒化物半導体の膜厚が300μm以上であることを特徴とする請求項2に記載の窒化物半導体基板の製造方法。3. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein the film thickness of the third nitride semiconductor is 300 [mu] m or more. 前記保護膜を除去する方法は、エッチングであることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。  The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the method for removing the protective film is etching. 前記保護膜は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は1200℃以上の融点を持つ高融点金属膜であることを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 2. The nitride semiconductor according to claim 1, wherein the protective film is silicon oxide, silicon nitride, titanium oxide, zirconium oxide, a multilayer film thereof, or a refractory metal film having a melting point of 1200 ° C. or higher. A method for manufacturing a substrate. 前記支持基板は、異種基板上にバッファ層を有することを特徴とする請求項1に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the support substrate has a buffer layer on a different substrate. 前記バッファ層は、窒化ガリウム層、又は窒化インジウムガリウム層であることを特徴とする請求項6に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 6, wherein the buffer layer is a gallium nitride layer or an indium gallium nitride layer. 前記第3の窒化物半導体は、n型不純物がドープされていることを特徴とする請求項2又は3に記載の窒化物半導体基板の製造方法。 4. The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein the third nitride semiconductor is doped with an n-type impurity.
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