Нитридный полупроводниковый элемент и способ его производства

Нитридный полупроводниковый элемент и способ его производства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее раскрытие относится к нитридному полупроводниковому элементу, который получают путем выращивания кристаллов из подложки, и к способу его производства.

Уровень техники

Светодиод (СИД), изготавливаемый из нитридного полупроводника, обычно формируется последовательной укладкой друг на друга на сапфировую подложку слоя полупроводника n-типа, активного слоя и слоя полупроводника p-типа. Традиционно, была предложена технология, охватывающая обеспечение заранее структуры с участками удлиненных углублений или композитные структуры с участками с удлиненными выступами и углублениями в сапфировой подложке, чтобы повысить эффективность свечения светодиода (смотрите, например, JP 2008-53385 A, JP 2008-91942 А и JP 2012-114204 А).

Сапфировая подложка с удлиненными каналами (то есть, участками углублений), упомянутая выше, имеет определенный эффект снижения плотности дислокаций. Однако если согласованность во времени роста кристаллов различна для нижней поверхности канала и верхней поверхности сапфировой подложки, не имеющей канала, кристалличность будет ухудшаться.

Раскрытие изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения были выполнены с точки зрения приведенных выше пунктов и задача определенных вариантов осуществления состоит в обеспечении нитридного полупроводникового элемента и способа его производства, которые могут улучшить его температурные характеристики, в то же время создавая определенный эффект снижения плотности дислокаций.

Нитридный полупроводниковый элемент, соответствующий одному варианту осуществления настоящего изобретения, содержит: сапфировую подложку, имеющую с-плоскость в качестве основной поверхности, и множество выступов, обеспечиваемых на основной поверхности, причем множество выступов содержит выступ, имеющий удлиненную форму на виде в плане; и слой нитридного полупроводника, обеспечиваемый на основной поверхности сапфировой подложки, на которой выступ имеет внешний край, проходящий в продольном направлении удлиненной формы, причем внешний край проходит в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости сапфировой подложки на виде в плане.

Способ изготовления нитридного полупроводникового элемента, соответствующий другому варианту настоящего изобретения, содержит этапы, на которых: осуществляют сухое травление поверхности на стороне с-плоскости сапфировой подложки, обеспечивая маску на поверхности, чтобы сформировать множество выступов, причем множество выступов содержат выступ, имеющий удлиненную форму на виде в плане, внешний край выступа в продольном направлении удлиненной формы располагают под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости сапфировой подложки; и выращивают слой нитридного полупроводника на поверхности сапфировой подложки со сформированными на ней выступами.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, нитридный полупроводниковый элемент содержит слой нитридного полупроводника, имеющий низкую плотность дислокаций и выращенный из сапфировой подложки с удлиненными выступами, и, таким образом, может иметь улучшенные температурные характеристики. Дополнительно, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, в способе производства нитридного полупроводникового элемента используют сапфировую подложку с удлиненными выступами, позволяя, таким образом, снижение плотности дислокаций слоя нитридного полупроводника. Таким образом, температурные характеристики полученного таким образом нитридного полупроводникового элемента могут быть улучшены.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вид в поперечном сечении, схематично показывающий всю структуру нитридного полупроводникового элемента, соответствующего первому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 2А и 2В - ориентации плоскостей кристалла сапфира в сапфировой подложке. На фиг. 2А - одиночный элемент и на фиг. 2В - вид в плане кристаллической структуры сапфира.

На фиг. 3 - вид в плане, схематично показывающий подложку нитридного полупроводникового элемента, соответствующего первому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 4А-4Е - выступы, сформированные на подложке нитридного полупроводникового элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 4А - вид выступа в перспективе, на фиг. 4В - вид выступа в плане, на фиг. 4С - вид в поперечном сечении вдоль линии X1-X1, показанной на фиг. 4В, на фиг. 4D - вид в поперечном сечении вдоль линии Х2-Х2, показанной на фиг. 4В, и на фиг. 4Е - вид в поперечном сечении вдоль линии Х3-ХЗ, показанной на фиг. 4В.

На фиг. 5А и 5В - пояснительные чертежи, показывающие направление роста кристаллов нитридного полупроводника и состояние соединения дислокаций в нитридном полупроводнике.

На фиг. 6А - скопление граней на выступе, внешний край которого в продольном направлении проходит в первом направлении, и на фиг. 6В - скопление граней на выступе, внешний край которого в продольном направлении проходит в направлении, перпендикулярном направлению первого направления.

На фиг. 7A-7D - виды, полученные на основе изображений, полученных сканирующим электронным микроскопом (СЭМ), показывающих состояние GaN, выращенного на сапфировой подложке с удлиненными выступами, сформированными на нем, где на фиг. 7А и 7В показаны примеры, в которых внешние края выступов в продольном направлении проходят в направлении а-плоскости сапфировой подложки, и на фиг. 7С и 7D - примеры, в которых внешние края выступов в продольном направлении проходят в направлении с-плоскости сапфировой подложки.

На фиг. 8A-8F - способ изготовления подложки для нитридного полупроводникового элемента, соответствующего первому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 8А - вид в поперечном сечении этапа формирования маски со стороны боковой поверхности, на фиг. 8В - вид в поперечном сечении этапа формирования маски со стороны передней поверхности, на фиг. 8С - вид в поперечном сечении на промежуточной стадии этапа травления со стороны боковой поверхности, на фиг. 8D - вид в поперечном сечении на промежуточной стадии этапа травления со стороны передней поверхности, на фиг. 8Е - вид в поперечном сечении в состоянии окончания сухого травления на этапе травления со стороны боковой поверхности и на фиг. 8F - вид в поперечном сечении в состоянии окончания сухого травления на этапе травления со стороны передней поверхности.

На фиг. 9A-9F - способ изготовления нитридного полупроводникового элемента в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. На фиг. 9А - вид в поперечном сечении этапа формирования буферного слоя со стороны боковой поверхности, на фиг. 9В - вид в поперечном сечении промежуточной стадии этапа роста полупроводника со стороны передней поверхности, на фиг. 9С - вид в поперечном сечении промежуточного этапа роста полупроводника со стороны передней поверхности, на фиг. 9D - вид в поперечном сечении этапа роста полупроводникового слоя со стороны боковой поверхности, на фиг. 9Е - вид в плане примерного нитридного полупроводникового элемента, содержащего электрод, сформированный после этапа роста полупроводникового слоя, и на фиг. 9F - вид в поперечном сечении по линии Х4-Х4 на фиг. 9Е, показывающий примерный нитридный полупроводниковый элемент, содержащий электрод, сформированный после этапа роста полупроводникового слоя.

На фиг. 10 - вид в плане, схематично показывающий подложку нитридного полупроводникового элемента, соответствующего второму варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 11 - вид в плане, схематично показывающий подложку нитридного полупроводникового элемента, соответствующего третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 12 - вид в плане, схематично показывающий подложку нитридного полупроводникового элемента, соответствующего четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 13A-13F - схематичное изображение выступов, сформированных в подложке для нитридного полупроводникового элемента, соответствующего пятому варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг. 13А - вид выступа в перспективе, на фиг. 13В - вид выступа в плане, на фиг. 13С - вид в поперечном сечении по линии Х5-Х5 на фиг. 13В, на фиг. 13D - вид в поперечном сечении по линии Х6-Х6 на фиг. 13В, на фиг. 13Е - вид в поперечном сечении по линии Х7-Х7 на фиг. 13В и на фиг. 13F - вид в поперечном сечении по линии Х8-Х8 на фиг. 13В.

На фиг. 14 - вид в плане, схематично показывающий подложку нитридного полупроводникового элемента, соответствующего пятому варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Нитридный полупроводниковый элемент и способ его производства, соответствующие вариантам осуществления настоящего изобретения, будут описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи. Чертежи, упомянутые в приведенном ниже описании, показывают варианты осуществления настоящего изобретения. На некоторых чертежах могут быть увеличены масштаб, расстояние, позиционные соотношения и т.п. соответствующих элементов или могут быть не показаны изображения части элемента. В приведенном ниже описании одни и те же ссылочные названия и символы обозначают одни и те же или схожие, в принципе, элементы и их подробное описание, соответственно, не приводится.

Первый вариант осуществления изобретения

Структура нитридного полупроводникового элемента

Структура нитридного полупроводникового элемента, соответствующая первому варианту осуществления настоящего изобретения, будет описана ниже со ссылкой на фиг. 1-4. Как показано на фиг. 1, нитридный полупроводниковый элемент 1 имеет слоистую структуру, в которой сапфировая подложка 10, служащая основанием нитридного полупроводникового элемента, буферный слой 20 и слой 30 нитридного полупроводника расположены друг над другом.

На сапфировой подложке (основание нитридного полупроводникового элемента) 10 должен выращиваться нитридный полупроводник (например, GaN), и в то же время она поддерживает нитридный полупроводниковый слой. Как показано на фиг. 1 и 3, сапфировая подложка 10 формируется в форме плоской пластины и имеет на своей верхней поверхности множество выступов 11 (выпуклый участок 11), сформированных в удлиненной форме на виде в плане. Сапфировая подложка 10, содержащая упомянутые выступы 11, формируется с толщиной, в целом, например, 50-300 мкм.

Термин "удлиненная форма на виде в плане", как он используется здесь, означает форму, в которой длина формы, взятая в направлении, которое максимизирует длину формы на виде в плане (в продольном направлении), длиннее, чем длина формы, взятая в направлении, которое минимизирует длину формы (в направлении ширины) на виде в плане, и предпочтительно означает, что длина в продольном направлении в два раза или больше, чем длина в направлении ширины, как будет обсуждаться ниже.

Выступ 11 должен повышать эффективность отдачи света нитридным полупроводниковым элементом 1 и также быть пригоден для снижения плотности дислокаций при выращивании кристаллов нитридного полупроводника на сапфировой подложке 10. Здесь, как показано на фиг. 2А, сапфировая подложка 10 формируется из кристалла сапфира SC, имеющего гексагональную кристаллическую структуру с с-плоскостью (плоскость (0001)), служащей в качестве основной поверхности подложки. Заметим, что термин "с-плоскость", как он используется в настоящем описании, может содержать плоскость с углом отклонения, которая слегка наклонена относительно с-плоскости. Угол наклона составляет, например, приблизительно 3° или меньше. Упомянутый выше выступ 11 формируется на боковой поверхности с-плоскости как на основной поверхности. Как показано на фиг. 2А и 2В, кристалл сапфира SC имеет в дополнение к с-плоскости шесть m-плоскостей, являющихся боковыми поверхностями гексагональной колонны, показанной на схеме одиночной ячейки, и три а-плоскости, соответственно перпендикулярных a₁-оси, а₂-оси и а₃-оси. Направления, перпендикулярные одной из m-плоскостей являются направлениями m-осей. Направления m-осей содержат три направления, проходящие со смещением относительно направлений a₁-оси, а₂-оси и а₃-оси, соответственно, на 30 градусов.

Множество выступов 11, по существу, одной и той же формы, могут быть сформированы таким образом, чтобы располагаться, как показано на фиг. 1 и 3. На виде в плане, показанном на фиг. 3, выступы 11 могут располагаться по поверхности на стороне с-плоскости (основная поверхность) (на стороне верхней поверхности на фиг. 1 и 3) сапфировой подложки 10 в продольном направлении (в направлении вправо-влево на фиг. 3) выступов 11, а также в направлении ширины (в направлении вниз-вверх на фиг. 3) в заданных интервалах.

Конкретно, как показано на фиг. 3, выступы 11 соответственно располагаются на заданном интервале в направлении строки, которое является продольным направлением удлиненной формы, а также в другом или в том же самом заданном интервале в направлении столбца, которое является направлением по ширине удлиненной формы. Дополнительно, выступы 11 в строках, соседствующих друг с другом в направлении столбца, могут быть расположены так, чтобы быть смещенными относительно друг друга в направлении строки. Другими словами, выступ 11 в одной строке и выступ 11 в предшествующей строке в направлении столбца могут быть расположены так, чтобы быть смещенными относительно друг друга в направлении строки. То есть, выступы 11 могут быть расположены так, что центры соответствующих выступов на виде в плане находятся в вершинах треугольной решетки. Заметим, что термин "центр вышеупомянутого выступа 11", как он используется здесь, означает точку, в которой центральная линия в продольном направлении выступа 11 пересекает центральную линию в направлении его ширины.

Интервал (самое короткое расстояние) между выступами 11 предпочтительно находится в диапазоне, например, от 0,3 мкм до 2 мкм в продольном направлении и в направлении ширины. Длина в продольном направлении выступа 11 и длина в направлении его ширины предпочтительно находятся в диапазоне, например, от 1 мкм до 15 мкм и от 1 мкм до 5 мкм, соответственно. Высота выступа 11 находится предпочтительно в диапазоне, например, от 0,5 мкм до 2,5 мкм. Количество выступов 11 определяется соответственно площади сапфировой подложки 10, учитывая интервал между выступами 11, упомянутый выше, и длину выступа 11. Например, выступы 11 расположены одинаково по всей поверхности сапфировой подложки 10. Выступ 11 предпочтительно имеет длину в продольном направлении, которая в два или больше раз превышает его длину в направлении ширины.

Выступ 11 формируется так, чтобы иметь удлиненную форму на виде в плане, как показано на фиг. 4А и 4В. Как показано на фиг. 4А и 4В, выступ 11 может быть сформирован так, чтобы его оба соответствующих конца в продольном направлении имели, по существу, одну и ту же форму, и дополнительно может быть сформирован так, чтобы его оба соответствующих конца на виде в плане имели полукруглую форму. Как показано на фиг. 4D и 4Е, выступ 11 может быть сформирован так, что верхняя часть его поперечного сечения в направлении ширины (поперечного сечения, параллельного направлению ширины) является не плоской поверхностью, а имеет острую форму (как показано на фиг. 4D и 4Е, "острая форма" может содержать угол, который является частью, в которой изменение кривизны становится, например, прерывистым). Таким образом, выступ 11 может быть сформирован так, чтобы для формы поперечного сечения в направлении ширины образовывать острую вершину треугольника, который проходит от заданного положения по высоте в направлении вершины.

Здесь, в случае, когда выступ 11 имеет форму поперечного сечения с верхней плоской поверхностью, такую как трапецеидальная форма, нитридный полупроводник также растет от верхней плоской поверхности (с-плоскости). Поскольку нитридный полупроводник, растущий от верхней поверхности, едва растет в боковом направлении, множество дислокаций, сформированных в направлении роста, не сходятся, приводя к увеличению плотности дислокаций на поверхности нитридного полупроводника. С другой стороны, как упомянуто выше, когда форма поперечного сечения выступа 11 не имеет верхней плоской поверхности, рост с верхней части выступа 11 подавляется, вызывая рост нитридного полупроводника в боковом направлении. Таким образом, в случае выступа 11, не имеющего верхней плоской поверхности, множества дислокаций, сформированных в направлении роста, могут сходиться, так что его плотность дислокаций может уменьшаться.

При росте кристаллов относительно устойчивая кристаллографическая плоскость имеет тенденцию появляться в виде плоских граней. Кристаллы гексагонального нитридного полупроводника (например, GaN) выращиваются на поверхности как плоскость грани, которая немного наклонена относительно а-плоскости нитридного полупроводника. В случае, когда конечный участок верхушки в продольном направлении выступа 11 на виде в плане имеет полукруглую форму, соответствующие плоскости граней могут расти, по существу, с той же самой шириной, так что нитридные полупроводники могут расти в направлении близости к центру полукруга и могут соединяться вместе вблизи центра полукруга. Длина в продольном направлении выступа 11 предпочтительно в два или более раз превышает его длину в направлении ширины. Таким образом, дислокации, сформированные из областей с-плоскости (плоские области, где выступы 11 не формируются) сапфировой подложки 10, могут прогрессировать в боковом направлении, что может уменьшать количество наворачивающихся дислокаций, появляющихся на поверхности нитридного полупроводника, как будет обсуждено ниже. Длина в продольном направлении выступа 11 предпочтительно не слишком велика, так что нитридные полупроводники, выращенные с обеих сторон выступа 11, могут легко соединиться между собой на выступе 11 или над ним. Конкретно, длина в продольном направлении выступа 11 предпочтительно в 20 раз или меньше, чем длина в направлении ширины выступа 11 и, более предпочтительно, в 10 раз или меньше. С другой точки зрения, длина выступа 11 в продольном направлении предпочтительно является длиной, которая существенно не достигает длины по меньшей мере от одного конца основной поверхности сапфировой подложки 10 до ее другого конца и, более предпочтительно, существенно не достигает длины от одного конца нитридного полупроводникового элемента до другого его конца.

Как показано на фиг. 3, внешний край выступа 11 (или часть, по существу, параллельная продольному направлению внешнего края) в продольном направлении удлиненной формы на виде в плане может проходить в первом направлении. Первое направление означает направление, ориентированное под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости (смотрите фиг. 2) вышеупомянутой сапфировой подложки 10. Здесь, а-плоскость может быть любой а-плоскостью, перпендикулярной любой из осей a₁-оси, а₂-оси или а₃-оси.

Таким образом, выступы 11 формируются на сапфировой подложке 10, причем, как показано пунктирной стрелкой на фиг. 5А, при росте кристаллов нитридного полупроводника нитридный полупроводник растет, главным образом, из с-плоскости сапфировой подложки 10 (плоская плоскость, где выступы 11 не формируются) и, таким образом, может также расти в боковом направлении, заставляя выращенные кристаллы нитридного полупроводника упираться друг в друга над каждым выступом 11 (другими словами, чтобы соединять вместе над выступом 11 нитридные полупроводники, выросшие из различных частей сапфировой подложки).

Возвращаясь к фиг. 1, ниже будет последовательно описана структура нитридного полупроводникового элемента 1. Буферный слой 20 должен смягчать разницу в периоде кристаллической решетки между сапфировой подложкой 10 и нитридным полупроводником, выращенным на сапфировой подложке 10. Буферный слой 20 формируется между сапфировой подложкой 10 и слоем 30 нитридного полупроводника. Буферный слой 20 формируется, например, из AlN. Буферный слой 20 может формироваться, например, напылением при заданных условиях на этапе формирования буферного слоя способа производства подложки для нитридного полупроводникового элемента, как будет обсуждено ниже. Буферный слой 20 принимает форму слоя, который, например, покрывает сапфировую подложку 10, как показано на фиг. 1.

Однако сапфировая подложка 10 может частично быть видна из-под буферного слоя 20.

В случае, когда нитридный полупроводниковый элемент 1 является светоизлучающим элементом, таким как чип СИД, слой 30 нитридного полупроводника образует светоизлучающий участок. В этом случае, как показано на фиг. 1, слой 30 нитридного полупроводника формируется на с-плоскости (основная поверхность) сапфировой подложки 10 через буферный слой 20. Слой 30 нитридного полупроводника может содержать слоистую структуру из слоя 31 полупроводника n-типа, активного слоя 32 и слоя 33 полупроводника р-типа, которые накладываются друг на друга в указанном порядке. Активный слой 32 имеет, например, структуру с квантовыми ямами, содержащую слой ям (светоизлучающий слой) и барьерный слой.

Слой 30 нитридного полупроводника содержит GaN, AlN или InN или группу III-V нитридного полупроводника, которые являются смешанным кристаллом вышеупомянутых материалов (In_XAl_YGa_1-X-YN (0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)). Элемент группы III может использовать В (Бор), частично или в целом. Элемент группы V элемент может быть смешанным кристаллом, содержащим N, часть которого замещается Р, As или Sb.

Ниже рост кристаллов и дислокации будут описаны на фиг. 5А и 5В. При использовании плоской сапфировой подложки 10 без каких-либо выступов 11, нитридный полупроводник не может расти в боковом направлении. Как упомянуто выше, когда выступы 11 формируются на сапфировой подложке 10, во время роста нитридного полупроводника нитридный полупроводник может также расти в боковом направлении. Так как дислокации, в основном, прогрессируют в направлении роста кристаллов, как показано на фиг. 5А и 5В, нитридный полупроводник растет в боковом направлении в направлении выше выступа 11, так чтобы дислокации в нитридном полупроводнике также прогрессировали в боковом направлении в направлении выше выступа 11. Затем нитридные полупроводники соединяются вместе выше выступа 11, за счет чего дислокации также сходятся над выступом 11. В результате, дислокации на поверхности конечного (высшего) нитридного полупроводника снижаются. Таким образом, нитридные полупроводники постепенно соединяются вместе, в то же время удерживая плоскость граней открытой, что может также подавить формирование новых дислокаций выше выступа 11, снижая, таким образом, плотность дислокаций слоя 30 нитридного полупроводника. При этом, как показано на фиг. 5А и 5В, случай, в котором время, когда нитридный полупроводник подвергается действию плоскости грани, более длительное (или случай, когда толщина нитридного полупроводника, выращенного с помощью плоскости грани, является более толстой) имеет тенденцию заставлять дислокации сходиться, снижая количество дислокаций. Заметим при обращении к фиг. 5А и 5В, что прогрессирующее направление дислокаций в боковом направлении является одним направлением. Однако, прогрессирующее направление дислокаций может быть изменено на промежуточной стадии. Например, на ранней стадии, дислокации прогрессируют вверх и иногда прогрессируют поперек или под углом вверх на пути.

Выступ 11 формируется так, что его внешний край в продольном направлении проходит в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости сапфировой подложки 10, что может увеличивать время соединения вместе нитридных полупроводников над выступом 11. В отношении этого, ниже для примера будет описан GaN, являющийся одним из типичных нитридных полупроводников.

Гексагональные кристаллы GaN выращиваются с направлением с-оси, установленным обращенным вверх. Что касается роста в боковом направлении, то кристаллы менее вероятно будут расти в направлении m-оси, чем в направлении а-оси, за счет чего кристаллы имеют тенденцию непрерывно расти, в то же время сохраняя плоскость грани в качестве их основания, линии пересечения между поверхностью, эквивалентной а-плоскости GaN (поверхности, перпендикулярной с-плоскости сапфировой подложки 10), и с-плоскостью сапфировой подложки 10 на виде в плане. В этом случае, а-плоскость GaN располагается на той же самой плоскости, что и m-плоскость сапфировой подложки 10. То есть, GaN имеет тенденцию расти, в то же время сохраняя плоскость грани, которая имеет линию, совпадающую с т-плоскостью сапфировой подложки 10, в качестве основания на виде в плане. На поверхности сапфировой подложки 10, удлиненные выступы 11 располагаются так, что внешний край каждого выступа в продольном направлении проходит вдоль поверхности (обычно, а-плоскости), которая отличается от m-плоскости сапфировой подложки 10. Таким образом, внешний край в продольном направлении выступа 11 не совпадает с а-плоскостью GaN, так что основание плоскости грани является непараллельным внешнему краю в продольном направлении выступа 11.

В результате, скорость роста GaN в направлении ширины выступа 11 становится медленной по сравнению со случаем, когда внешний край в продольном направлении выступа 11 совпадает с а-плоскостью GaN, то есть, случаем, где основание плоскости грани параллельно внешнему краю в продольном направлении выступа 11. Таким образом, время, требующееся для поперечного роста выступа 11, увеличивается, за счет чего дислокации более вероятно должны сходиться, снижая, таким образом, плотность дислокаций. В случае, когда направление (направление а-оси), в котором легко может расти нитридный полупроводник, совпадает с направлением ширины выступа 11, нитридные полупроводники, выращенные с обеих сторон выступа 11, соединяются вместе со стороны передней поверхности, которая может формировать новую дислокацию на краю в месте соединения нитридных полупроводников. Поэтому считается, что направление ширины выступа 11 располагается так, чтобы быть смещенным относительно направления оси, в котором нитридный полупроводник может с легкостью расти с возможностью предотвращения формирования новых дислокаций на краю, когда кристаллы GaN соединяются вместе над выступом 11 без соединения нитридных полупроводников, растущих в направление а-оси со стороны передней поверхности.

Как упомянуто выше, в нитридном полупроводниковом элементе 1, плоскость роста нитридного полупроводника не совпадает с внешним краем в продольном направлении выступа 11, за счет чего нитридные полупроводники постепенно связываются вместе, начиная с близости к концу вершины, чтобы сходиться вблизи центра выступа 11. Таким образом, как указано на фиг. 6А толстой линией, область, где дислокации остаются на виде в плане, становится малой (узкой) и плотность дислокаций имеет тенденцию быть малой. С другой стороны, например, как показано на фиг. 6В, если внешний край в продольном направлении выступа 111 проходит не в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости сапфировой подложки 10 (например, проходит в направлении, перпендикулярном первому направлению), внешний край в продольном направлении выступа 111, по существу, совпадает с плоскостью роста нитридного полупроводника. В результате, нитридные полупроводники соединяются вместе, по существу, одновременно вблизи осевой линии в продольном направлении выступа 111, и не могут больше расти в боковом направлении. Таким образом, как показано толстой линией на фиг. 6В, область, где на виде в плане дислокации остаются, становится большой (широкой), так что плотность дислокации имеет тенденцию быть большой.

Далее, на фиг. 7A-7D показаны примеры, в которых GaN выращивается на сапфировой подложке со сформированными на ней удлиненными выступами. На фиг. 7А-7D показаны примеры, основанные на изображениях, полученных сканирующим электронным микроскопом (СЭМ), и показывают состояние GaN, выращенного на буферном слое, сформированном на сапфировой подложке. Каждый выступ 11 и выступ 111 имеет длину в продольном направлении приблизительно 10 мкм, длину в направлении ширины приблизительно 2,6 мкм и высоту приблизительно 1,4 мкм. На фиг. 7А и 7В показаны примеры, в которых внешний край в продольном направлении выступа 11 проходит в направлении а-плоскости сапфировой подложки. Толщина GaN составляет приблизительно 0,5 мкм на фиг. 7А и приблизительно 1,5 мкм на фиг. 7В. Области, очерченные толстыми линиями на чертежах и проходящие на чертежах в боковом направлении, соответствуют выступам 11, и любые другие области, за исключением этих областей, соответствуют GaN. Как показано на фиг. 7В, в этом примере внешний край в продольном направлении выступа 11 не совпадает с плоскостью роста GaN. Таким образом, хотя GaN начинает соединяться вместе на конце верхушки выступа 11, расстояние между гранями GaN является все же большим вблизи центра выступа 11 и интервал между гранями GaN не является постоянным. Если такой GaN далее растет, то кристаллы GaN постепенно соединяются вместе вблизи конца верхушки выступа 11 и затем сходятся около центра выступа 11.

С другой стороны, на фиг. 7С и 7D показаны примеры, в которых внешний край в продольном направлении выступа 111 проходит в направления m-плоскости сапфировой подложки. Толщина GaN составляет приблизительно 0,5 мкм на фиг. 7С и приблизительно 1,5 мкм на фиг. 7D. Как показано на фиг. 7D, в этом примере внешний край в продольном направлении выступа 111 совпадает с поверхностью роста GaN, так что GaN растет с обеих сторон в продольном направлении выступа 111, по существу, параллельно выступу, что приводит в результате, по существу, к постоянному интервалу между гранями кристаллов GaN. Поскольку такой GaN растет дальше, кристаллы GaN, выращенные с обеих сторон, соединяются вместе вблизи осевой линии в продольном направлении выступа 111, по существу, одновременно.

Нитридный полупроводниковый элемент 1 со структурой, упомянутой выше, в первом варианте осуществления содержит слой 30 нитридного полупроводника, имеющий низкую плотность дислокаций и растущий из сапфировой подложки 10 с удлиненными выступами 11, и, таким образом, может улучшать температурные характеристики нитридного полупроводникового элемента 1. Здесь улучшение температурных характеристик означает, что степень изменения световыхода, получаемая, когда температура воздуха в атмосфере увеличивается, является малой. Например, в случае, когда нитридный полупроводниковый элемент 1 имеет световыход, установленный как 1 после того, как он запущен при обычной атмосферной температуре (например, 25°С), световыход нитридного полупроводникового элемента 1 ниже, чем 1, когда нитридный полупроводниковый элемент запускается при высокой температуре атмосферы (например, 100°С). "Улучшение температурных характеристик означает, что степень снижения световыхода мала. Такое улучшение температурных характеристик, как полагают, достигается за счет снижения захвата в ловушки электронов, которые могут быть вызваны дислокациями, из-за уменьшения плотности дислокаций. Более подробно, считается, что плотность дислокаций, особенно, активного слоя 32 для слоя 30 нитридного полупроводника становится низкой, улучшая, таким образом, температурные характеристики. Плотность дислокаций активного слоя 32 может определяться плотностью дислокаций, появляющихся на поверхности слоя 31 полупроводника n-типа в качестве подстилающего слоя. Поэтому, в частности, плотность дислокаций поверхности слоя 31 полупроводника n-типа предпочтительно уменьшается.

Способ изготовления нитридного полупроводникового элемента

Способ изготовления нитридного полупроводникового элемента 1, соответствующий первому варианту осуществления настоящего изобретения, будет описан со ссылкой на фиг. 8A-8F и фиг. 9A-9F. Ниже будет описан способ изготовления нитридного полупроводникового элемента 1, являющегося чипом светодиода.

Сначала будет описан способ изготовления подложки для нитридного полупроводникового элемента. Способ изготовления подложки нитридного полупроводникового элемента содержит этап формирования маски, показанный на фиг. 8А и 8В, и этап травления, показанный на фиг. 8C-8F, которые выполняются в указанном порядке. На фиг. 8А и 8В показан один и тот же этап при наблюдении с разных точек зрения. То же самое относится к фиг. 8С и 8D и к фиг. 8Е и 8F. На фиг. 8А, 8С и 8Е показаны виды в поперечном сечении, наблюдаемые со стороны передней поверхности. На фиг. 8В, 8D и 8F показаны виды в поперечном сечении, наблюдаемые со стороны передней поверхности. Вид в поперечном сечении, наблюдаемый со стороны боковой поверхности, является видом в поперечном сечении, наблюдаемым со стороны боковой поверхности выступа 11 в продольном направлении (боковая поверхность параллельна его продольному направлению), и вид в поперечном сечении, наблюдаемый со стороны передней поверхности, является видом в поперечном сечении, наблюдаемым со стороны направления, перпендикулярного продольному направлению.

На этапе формирования маски маска обеспечивается на сапфировой подложке 10. На этапе формирования маски, конкретно, как показано, например, на фиг. 8А и 8В, пленка SiO₂ осаждается на поверхности со стороны с-плоскости сапфировой подложки 10 плоской формы и затем по шаблону наносится рисунок, чтобы сформировать множество удлиненных масок М, охватывающих области для формирования выступов 11.

На этапе травления сапфировая подложка 10 травится. Конкретно, на этапе травления, как показано на фиг. 8C-8F, сапфировая подложка 10 с осажденными на нее масками М может травиться сухим способом, чтобы сформировать множество выступов 11 на поверхности со стороны с-плоскости сапфировой подложки 10, причем каждый выступ имеет в виде в плане удлиненную форму.

Внешний край в продольном направлении удлиненного выступа располагается под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости сапфировой подложки 10.

В случае, когда травление выполняется, используя материал, который не может травиться как материал для маски, для травления используется маска удлиненной формы, таким образом, создавая выступ 11, верхняя часть которого имеет плоскую форму на виде спереди (то есть, если наблюдать в том же самом направлении, как на каждом из фиг. 8В, 8D и 8F). В этом варианте осуществления, однако, использование материала, который может травиться для масок М, позволяет травить маски М на сапфировой подложке 10 на первом этапе травления. Каждая маска М постепенно травится не только с ее верхней поверхности, но также и с ее боковой поверхности, за счет чего диаметр маски М становится меньше. В результате выступ 11 формируется вытравленным на сапфировой подложке 10 в форме купола полусферической формы, причем верхняя часть выступа 11 на виде спереди имеет острый верхний конец. Если выступ 11 имеет форму с плоской верхней поверхностью (с-плоскость), то нитридный полупроводник будет начинать расти с верхней поверхности. Поэтому выступ 11 предпочтительно имеет форму без плоской верхней поверхности, такую как полусферическая форма.

Конкретно, соответствующими способами сухого травления могут быть, например, травление из газовой фазы, плазменное травление, травление химически активными ионами и т.п. В этом случае примерами газа для травления могут быть Cl₂, SiCl₄, BCl₃, HBr, SF₆, CH₄, CH₂F₂, CHF₃, C₄F₈, CF₄, и т.д., и инертный газ, такой как аргон Ar.

Далее будет описан способ изготовления нитридного полупроводникового элемента 1. Способ изготовления нитридного полупроводникового элемента 1 после способа производства подложки нитридного полупроводникового элемента (смотрите фиг. 8A-8F), упомянутого выше, содержит этап формирования буферного слоя, показанный на фиг. 9А, и этап роста полупроводникового слоя, показанный на фиг. 9В, которые выполняются в указанном порядке. Виды на фиг. 9А, 9D и 9Е отличаются от видов фиг. 9В и 9С точкой зрения, с которой они показаны. На фиг. 9А, 9D и 9Е показаны виды в поперечном сечении, наблюдаемые со стороны боковой поверхности. На фиг. 9В и 9С показаны виды в поперечном сечении, наблюдаемые со стороны передней поверхности.