Нитридный полупроводниковый элемент и способ его производства Российский патент 2018 года по МПК H01L33/32 

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.

Нитридный полупроводниковый элемент 1 может изготавливаться, выполняя этап подготовки поверхности подложки для подготовки заранее сапфировой подложки 10 с удлиненными выступами 11, показанными на фиг. 8Е и 8F, способом, отличным от вышеупомянутого способа изготовления подложки нитридного полупроводникового элемента (смотрите фиг. 8A-8F), а именно, этапа формирования буферного слоя, показанный в фиг. 9А, после этапа подготовки подложки и этапов выращивания полупроводникового слоя, показанных на фиг. 9B-9D, в указанном порядке.

На этапе формирования буферного слоя буферный слой 20 формируется на сапфировой подложке 10. Конкретно, как показано на фиг. 9А, на этапе формирования буферного слоя, буферный слой 20 осаждается на сапфировую подложку 10 со сформированными на ней выступами 11, например, напылением. Этап формирования буферного слоя может быть пропущен, но, предпочтительно, он выполняется. Буферный слой 20 принимает форму слоя, который, например, покрывает сапфировую подложку 10 как показано на фиг. 9А. Однако, сапфировая подложка 10 может быть покрыта буферным слоем 20 частично.

На этапе выращивания полупроводникового слоя, слой 30 нитридного полупроводника наращивается по поверхности сапфировой подложки 10 со сформированными на ней выступами 11, формируя, таким образом, структуру светоизлучающего элемента. На этапе наращивания полупроводникового слоя, конкретно, как показано на фиг. 9B-9D, кристаллы слоя 31 проводника n-типа выращиваются на боковой поверхности с-плоскости сапфировой подложки 10 со сформированными на ней выступами 11 через буферный слой 20. В этом случае, как показано на фиг. 9В и 9С, слой 31 полупроводника n-типа наращивается из области, находящейся между соответствующими выступами 11 в верхнем и боковом направлениях, чтобы покрыть выступы 11. Пока выступы 11 не будут полностью покрыты, нитридный полупроводник, образующий слой 31 полупроводника n-типа, выращивается, сохраняя наклонную плоскость роста (плоскость грани) относительно поверхности сапфировой подложки 10. Далее активный слой 32 наращивается на слое 31 полупроводника n-типа и затем на него наращивается слой 33 полупроводника p-типа, формируя, таким образом, структуру светоизлучающего элемента, содержащую активный слой 32. Заметим, что слой беспримесного нитридного полупроводника может выращиваться без преднамеренного добавления примесей, пока соседние нитридные полупроводники не соединяются вместе над выступом 11, а затем могут быть прибавлены донорные примеси, чтобы наращивать слой нитридного полупроводника n-типа. Нитридный полупроводник из GaN дополнительно предпочтительно растет, по меньшей мере, до тех пор, пока кристаллы нитридных полупроводников не начнут соединяться вместе над выступом 11. Вместо структуры светоизлучающего элемента может также быть сформирована другая структура элемента, такая как полевой транзистор.

С помощью упомянутых выше этапов может быть изготовлен нитридный полупроводниковый элемент 1, показанный на фиг. 9D. Далее, конкретный пример, в котором нитридный полупроводниковый элемент 1 является полупроводниковым светоизлучающим элементом (чипом СИД), будет описан со ссылкой на фиг. 9Е и 9F. Нитридный полупроводниковый элемент 2, показанный на фиг. 9Е и 9F, содержит сапфировую подложку 10 с выступами 11 и слой 31 полупроводника n-типа, активный слой 32 и слой 33 полупроводника p-типа, которые формируются поверх подложки.

Слой 31 полупроводника n-типа частично открыт, чтобы обеспечить n-электрод 40, а занимающий всю поверхность электрод 50 и p-электрод 60 обеспечиваются по поверхности слоя 33 полупроводника p-уровня. После вышеупомянутого этапа наращивания полупроводника может быть выполнен этап формирования электрода, чтобы изготовить нитридный полупроводниковый элемент с этими электродами. То есть, как показано на фиг. 9Е и 9F, сначала некоторые области слоя 33 полупроводника p-типа и активного слоя 32 удаляются сухим травлением и т.п., чтобы открыть часть слоя 31 полупроводника n-типа. Затем, n-электрод 40 формируется на открытом слое 31 полупроводника n-типа, располагаемый на всей поверхности электрод 50 формируется на слое 33 полупроводника p-типа, а p-электрод 60 формируется на располагаемом на всей поверхности электроде 50, так чтобы мог быть изготовлен нитридный полупроводниковый элемент 2, показанный на фиг. 9Е и 9F. Заметим, что после этапа наращивания полупроводникового слоя, может быть выполнен этап сингуляции, на котором вышеупомянутая структура светоизлучающего элемента и сапфировая подложка 10 разделяются на индивидуальные светоизлучающие элементы. В этом случае, этап формирования электрода может быть выполнен после этапа выращивания полупроводникового слоя и перед этапом сингуляции.

Таким образом, при способе производства нитридного полупроводникового элемента 1 внешний край в продольном направлении выступа 11, сформированного на сапфировой подложке 10, проходит так, чтобы быть расположенным под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости сапфировой подложки 10, причем для нитридного полупроводника требуется много времени, чтобы расти в боковом направлении во время роста кристаллов нитридного полупроводника. По этой причине дислокации, формируемые в процессе роста кристаллов нитридного полупроводника, имеют тенденцию сходиться в узком диапазоне, снижая плотность дислокаций слоя 30 нитридного полупроводника. Таким образом, температурные характеристики нитридного полупроводникового элемента 1 могут быть улучшены.

Хотя нитридный полупроводниковый элемент и способ его производства, соответствующие вариантам осуществления настоящего изобретения, были конкретно описаны со ссылкой на варианты осуществления для реализации настоящего изобретения, сущность настоящего изобретения (или объем настоящего изобретения) не ограничивается вышеупомянутым описанием и должна интерпретироваться широко, основываясь на описаниях приложенных пунктов формулы изобретения. Очевидно, что в описании этих вариантов осуществления в рамках сущности настоящего изобретения (или объема настоящего изобретения) могут вноситься различные модификации и изменения.

Например, сапфировая подложка 10 упомянутого выше нитридного полупроводникового элемента 1 имеет удлиненные выступы 11, расположенные на ней, как показано на фиг. 3. Однако, таким расположением выступов 11 дело не ограничивается. Ниже будут описаны другие формы расположения выступов 11 в нитридном полупроводниковом элементе.

Нитридный полупроводниковый элемент, соответствующий другим вариантам осуществления, упомянутым ниже, обладает структурой, подобной нитридному полупроводниковому элементу 1 в первом варианте осуществления в отношении конкретной структуры выступа 11 (смотрите фиг. 4), способом производства нитридного полупроводникового элемента (смотрите фиг. 8) и структурой, за исключением сапфировой подложки 10 (смотрите фиг. 1), и поэтому их описание ниже будет пропущено.

Второй вариант осуществления изобретения

Как показано на виде в плане на фиг. 10, выступы 11 нитридного полупроводникового элемента в соответствии со вторым вариантом осуществления располагаются на поверхности боковой стороны с-плоскости сапфировой подложки 10А в продольном направлении (в правом-левом направлении на фиг. 10) выступов 11, а также в направлении ширины (в направлении вверх-вниз на фиг. 10) с соответствующими заданными интервалами. Конкретно, как показано на фиг. 10, выступы 11 располагаются с соответствующих заданными интервалами в направлении строк, которое является продольным направлением удлиненной формы, так же как в направлении столбца, которое является направлением ширины удлиненной формы. Дополнительно, выступы 11, принадлежащие строкам, соседним друг с другом в направлении столбца, могут быть расположены так, чтобы располагаться в одном и том же положении в направлении строки, а выступы 11, принадлежащие столбцам, соседним друг с другом в направлении строки, могут быть расположены так, чтобы быть смещенными относительно друг от друга в направлении столбца. Другими словами, выступ 11 в одной строке и выступ 11 в предшествующей строке могут быть расположены так, чтобы быть выровненными относительно друг друга в направлении строки, и выступы 11 располагаются таким образом, что выступ 11 в одном столбце и выступ 11 в предыдущем столбце могут быть смещены относительно друг друга в направлении строки. То есть, выступы 11 располагаются так, что на виде в плане их центры находятся в вершинах треугольной решетки.

Как показано на фиг. 10, внешний край выступа 11 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 упомянутой выше сапфировой подложки 10А.

В нитридном полупроводниковом элементе с упомянутой выше структурой во втором варианте осуществления, поскольку внешний край в продольном направлении выступа 11, сформированного на сапфировой подложке 10А, проходит так, чтобы располагаться под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости сапфировой подложки 10А, выращивание нитридного полупроводника в боковом направлении во время роста кристаллов нитридного полупроводника занимает много времени. В результате, дислокации, формируемые при выращивании кристаллов нитридного полупроводника, имеют тенденцию сходиться в узком диапазоне, снижая плотность дислокаций уровня 30 нитридного полупроводника. Поэтому нитридный полупроводниковый элемент во втором варианте осуществления может содержать слой 30 нитридного полупроводника, имеющий низкую плотность дислокаций, и его температурные характеристики могут быть улучшены.

Третий вариант осуществления изобретения

Как показано на виде в плане на фиг. 11, в нитридном полупроводниковом элементе, соответствующем третьему варианту осуществления, выступы 11 располагаются по поверхности на с-плоскости сапфировой подложки 10В с соответствующими заданными интервалами в направлениях под разными углами, в то время как внешние края в продольном направлении выступов 11 располагаются напротив друг друга. Конкретно, выступы 11 содержат первую группу выступов (первая группа) 11А, в которой каждый из внешних краев в продольном направлении удлиненной формы выступов 11 проходит в первом направлении, и вторую группу выступов (вторая группа) 11В, в которой каждый из внешних краев в продольном направлении удлиненной формы выступов 11 проходит во втором или третьем направлении (нитридный полупроводниковый элемент в третьем варианте осуществления может содержать первую группу выступов 11А и вторую группу выступов 11В).

Здесь первое, второе и третье направления означают следующие направления. Первое направление является направлением, ориентированным под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости, для которой линия нормали является первой а-осью (например, a₁-ось) из числа a₁-оси, а₂-оси или а₃-оси упомянутой выше сапфировой подложки 10В (смотрите фиг. 2А и 2В). Второе направление является направлением, ориентированным под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости, линия нормали которой является второй а-осью (например, а₂-ось), отличной от первой оси, из числа a₁-оси, а₂-оси или а₃-оси упомянутой выше сапфировой подложки 10В (смотрите фиг. 2А и 2В). Третье направление является направлением, ориентированным под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно а-плоскости, линия нормали которой является третью а-осью (например, а₃-осью), отличной от первой и второй а-осей, из числа a₁-оси, а₂-оси или а₃-оси упомянутой выше сапфировой подложки 10В (смотрите фиг. 2А и 2В).

Заметим, что внешний край каждого из выступов 11 второй группы выступов 11В в продольном направлении удлиненной формы может проходить во втором или в третьем направлении, но на этом чертеже для примера проходит во втором направлении.

Как показано на фиг. 11, в нитридном полупроводниковом элементе в третьем варианте осуществления, выступы (вторые выступы) 11, содержащиеся во второй группе выступов 11В, располагаются в направлении, отличном от направления выступов (первых выступов) 11, содержащихся в первой группе выступов, на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении выступов 11, содержащихся в первой группе выступов 11А. Дополнительно, выступы (первые выступы) 11, содержащиеся в первой группе выступов 11А, располагаются в направлении, отличном от направления выступа 11 (вторые выступы), содержащегося во второй группе выступов, на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении выступов 11, содержащихся во второй группе выступов 11В. Здесь, в случае, когда все выступы 11 выровнены в том же самом направлении, что и нитридный полупроводниковый элемент в первом и втором вариантах осуществления, утечки света с боковой стороны выступа 11 вдоль направления, в котором выступ 11 проходит при излучении света, приводят в результате к характеристикам распределения света в ж-образой форме, которая в некоторых случаях обладает сильным излучением света в наклонном направлении. С другой стороны, как упоминалось выше, располагая другие выступы 11 (другие выступы 11 с другим продольным направлением) на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении выступов 11, такая утечка света может быть подавлена, чтобы создать характеристики распределения света, близкие к диффузным.

В нитридном полупроводниковом элементе со структурой, упомянутой выше в третьем варианте осуществления, внешние края в продольном направлении выступов 11, содержащихся в каждой группе выступов, расположенных на сапфировой подложке 10В, проходят так, чтобы располагаться под углом в диапазоне от -10° до +10° относительно любой из а-плоскостей, для каждой из которых линия нормали являются одной из a₁-оси, а₂-оси или а₃-оси сапфировой подложки 10В (вся первая группа выступов 11А и вторая группа выступов 11В содержат выступы 11, проходящие так, чтобы формировать угол в диапазоне от -10° до +10° относительно соответствующих двух из этих трех а-плоскостей). При такой структуре потребуется много времени, чтобы вырастить нитридный полупроводник в боковом направлении во время роста кристаллов нитридного полупроводника. Соответственно, дислокации, сформированные при выращивании кристаллов нитридного полупроводника, имеют тенденцию сходиться в узком диапазоне, снижая плотность дислокаций слоя 30 нитридного полупроводника. Таким образом, нитридный полупроводниковый элемент в третьем варианте осуществления содержит слой 30 нитридного полупроводника, имеющий низкую плотность дислокаций, так что температурные характеристики могут быть улучшены.

Четвертый вариант осуществления изобретения

Как показано на виде в плане на фиг. 12, выступы 11 в нитридном полупроводниковом элементе, соответствующем четвертому варианту осуществления, располагаются по поверхности на стороне с-плоскости сапфировой подложки 10C с соответствующими заданными интервалами в трех различных направлениях. Конкретно, выступы 11 содержат первую группу выступов 11А, в которой каждый из внешних краев в продольном направлении удлиненной формы выступов 11 проходит в первом направлении, вторую группу выступов 11В, в которой каждый из внешних краев в продольном направлении удлиненной формы выступов 11 проходит во втором направлении, и третью группу выступов 11С, в которой каждый из внешних краев в продольном направлении удлиненной формы выступов 11 проходит в третьем направлении (нитридный полупроводниковый элемент, соответствующий четвертому варианту осуществления, может содержать первую группу выступов 11А, вторую группу выступов 11В и третью группу выступов 11С). Термины "первое направление", "второе направление" и "третье направление", как они используются здесь, означают то же самое, что и в третьем упомянутом выше варианте осуществления.

Как показано на фиг. 12, в подложке для нитридного полупроводникового элемента в четвертом варианте осуществления, выступы 11 (вторые выступы), содержащиеся во второй группе выступов 11В, располагаются в направлении, отличающемся от направления выступов 11 (первые выступы), содержащихся в первой группе выступов, расположенных на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении выступов 11, содержащихся в первой группе выступов 11А. Дополнительно, выступы 11 (третьи выступы), содержащиеся в третьей группе выступов 11С, располагаются в направлении, отличающемся от направления выступов 11 (вторые выступы), содержащихся во второй группе выступов, на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении выступов 11, содержащихся во второй группе выступов 11В. Кроме того, выступы 11 (первые выступы), содержащиеся в первой группе выступов 11А, располагаются в направлении, отличающемся от направления выступов 11 (третьи выступы), содержащихся в третьей группе выступов, на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении выступов 11, содержащихся в третьей группе выступов 11С. Таким образом, располагая другие выступы 11 с их углами, измененными относительно уже установленных выступов, на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении выступов 11, утечка света может дополнительно быть подавлена, чтобы создать характеристики распределения света, близкие к диффузным.

Например, как показано на фиг. 12, первая группа выступов 11А, вторая группа выступов 11В и третья группа выступов 11С могут быть расположены так, чтобы поместить то же самое количество выступов 11 в каждой из групп выступов 11А, 11В и 11С, чтобы установить выступы 11 в каждой группе параллельно друг другу и иметь осевую симметрию вокруг заданной точки сапфировой подложки 10С, служащей в качестве центра вращения. Тот факт, что выступы 11 в другой группе выступов (например, выступы 11, содержащиеся во второй группе выступов 11В) располагаются на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении предыдущих выступов 11 (например, выступов 11, содержащихся в первой группе выступов 11А), не обязательно означает, что эти выступы 11 в группах являются соседними друг с другом. Например, сначала, на соответствующей линии, проходящей в продольном направлении каждого из выступов 11, содержащегося в первой группе выступов 11А, может быть расположен каждый из выступов 11, содержащихся в другой первой группе выступов 11А. Затем, на соответствующей линии, проходящей в продольном направлении каждого из этих выступов 11, содержащихся в другой первой группе, может быть расположен каждый из выступов 11, содержащихся во второй группе выступов 11В. Количество выступов 11, непрерывно расположенных в одной и той же группе выступов, предпочтительно равно 10 или меньше и, более предпочтительно, равно 5 или меньше.

В нитридном полупроводниковом элементе со структурой, упомянутой выше в четвертом варианте осуществления, внешние края в продольном направлении выступов 11, содержащихся в каждой группе выступов, расположенных на сапфировой подложке 10С, проходят так, чтобы попадать в угол в диапазоне от -10° до +10° относительно одной из трех а-плоскостей, у которых линия нормали является одной из числа a₁-оси, а₂-оси или а₃-оси сапфировой подложки 10С (вся первая группа выступов 11А, вторая группа выступов 11В и третья группа выступов 11С содержат выступы 11, проходящие так, чтобы формировать угол в диапазоне от -10° до +10° относительно соответствующих трех а-плоскостей). При такой структуре для нитридного полупроводника потребуется много времени, чтобы расти в боковом направлении во время выращивания кристаллов нитридного полупроводника. Соответственно, дислокации, формируемые при выращивании кристаллов нитридного полупроводника, имеют тенденцию сходиться в узком диапазоне, снижая плотность дислокаций слоя 30 нитридного полупроводника. Таким образом, нитридный полупроводниковый элемент в четвертом варианте осуществления может содержать слой 30 нитридного полупроводника, обладающий низкой плотностью дислокаций, так чтобы температурные характеристики могли быть улучшены.

В сапфировых подложках 10-10С нитридных полупроводниковых элементов, соответствующих первому-четвертому упомянутым выше вариантам осуществления, удлиненные выступы 11 формируются, по существу, одной и той же формы с обоими концами каждого удлиненного выступа 11, имеющими полукруглую форму. Однако, форма выступа 11 этим не ограничивается. Другие виды формы выступа 11 в нитридном полупроводниковом элементе будут описаны ниже. Нитридный полупроводниковый элемент, соответствующий другим вариантам осуществления, упомянутым ниже, может иметь ту же самую структуру, что и нитридный полупроводниковый элемент в первом варианте осуществления, за исключением сапфировой подложки 10 (смотрите фиг. 1), и поэтому описание его здесь далее не приводится.

Пятый вариант осуществления изобретения

Структура нитридного полупроводникового элемента

Как показано на фиг. 13А и 13В, выступ 12 в нитридном полупроводниковом элементе, соответствующем пятому варианту осуществления, на виде в плане сформирован в удлиненной форме. Как показано на фиг. 13А и 13В, выступ 12 имеет внешний вид нижней поверхности с прямой линией и изогнутой линией. Выступ 12 формируется так, чтобы выступать вверх из его нижней поверхности и заостряться, начиная с заданного положения в направлении высоты, чтобы иметь острый угол относительно линии ребра.

Таким образом, подобно упомянутому выше выступу 11, рост кристаллов от вершины выступа 12 подавляется во время выращивания кристаллов нитридного полупроводника, позволяя нитридному полупроводнику расти в боковом направлении, за счет чего дислокации, формируемые в направлении роста, могут сходиться, чтобы уменьшить количество дислокаций.

Как показано на фиг. 13А и 13В, выступ 12 имеет, по существу, ту же самую форму нижней поверхности, что и в каждом из первого-четвертого вариантов осуществления, но отличается по форме вблизи его вершины. Форма вблизи вершины выступа 12 формируется так, что верхняя часть ее поперечного сечения в направлении ширины имеет не плоскую форму, а заострена, как показано на фиг. 13С-13Е. Дополнительно, как показано на фиг. 13D-13F, выступ 12 формируется так, чтобы иметь верхнюю часть его поперечного сечения в направлении ширины, сформированную в треугольной форме, а ее нижнюю часть - округленной. Выступ 12 может быть сформирован сухим травлением сапфировой подложки 10D в условиях, заданных на первом этапе травления способа производства подложки для нитридного полупроводникового элемента, и дополнительно - влажным травлением сапфировой подложки 10D в условиях, заданных на втором этапе травления, как будет обсуждено ниже.

Как показано на фиг. 13B-13F, выступ 12 снабжен первой наклонной поверхностью 121а и второй наклонной поверхностью 121b, которые наклонены в сторону одного конца в продольном направлении его удлиненной формы в направлении вершины выступа, и третьей наклонной поверхностью 121с, которая наклонена в сторону другого конца в продольном направлении его удлиненной формы в направлении вершины выступа. Как показано на фиг. 13B-13F, выступ 12 снабжен четвертой наклонной поверхностью 121d, которая наклонена в верхней части на стороне одного конца в направлении ширины его удлиненной формы к вершине выступа, и пятой наклонной поверхностью 121е, которая наклонена в верхней части со стороны другого конца в направлении ширины его удлиненной формы к вершине выступа. Угол, сформированный этими наклоненными поверхностями 121а, 121b, 121с, 121d и 121е относительно с-плоскости сапфировой подложки 10D, предпочтительно находится в диапазоне, например, от 20° до 50° и, более предпочтительно, от 30° до 40°.

Выступы 12 с упомянутой выше структурой могут быть расположены, например, таким же способом, как и в каждом из первого-третьего вариантов осуществления. Альтернативно, как показано на фиг. 14, выступы 12 могут быть расположены на сапфировой подложке 10D таким же образом, как в упомянутом выше четвертом варианте осуществления (смотрите фиг. 12). То есть, как показано на виде в плане на фиг. 14, выступы 12 в нитридном полупроводниковом элементе, соответствующем пятому варианту осуществления, располагаются по поверхности на стороне с-плоскости сапфировой подложки 10D с соответствующими заданными интервалами в трех различных направлениях. Конкретно, выступы 12 содержат первую группу выступов 12А, в которой каждый выступ 12 имеет удлиненную форму и его продольное направление проходит в первом направлении, вторую группу выступов 12В, в которой каждый выступ 12 имеет удлиненную форму и его продольное направление проходит во втором направлении, и третью группу выступов 12С, в которой каждый выступ 12 имеет удлиненную форму и его продольное направление проходит в третьем направлении.

В нитридном полупроводниковом элементе со структурой, упомянутой выше в пятом варианте осуществления, внешние края в продольном направлении выступов 12, содержащихся в каждой группе выступов, расположенных на сапфировой подложке 10D, проходят таким образом, чтобы располагаться под утлом в диапазоне от -10° до +10° относительно этих трех а-плоскостей, каждая из которых в качестве линии нормали имеет ось, одну из числа a₁-ось, а₂-ось или а₃-оси сапфировой подложки 10D. Дополнительно, нитридный полупроводниковый элемент содержит первую-пятую наклонные поверхности 121а-121е, где нитридный полупроводниковый элемент жестко должен расти на выступах 12. В результате нитридный полупроводниковый элемент может подавлять ненужный рост кристаллов сверху выступов 12 во время выращивания кристаллов нитридного полупроводника и, таким образом, выращивание нитридного полупроводника в боковом направлении займет много времени. Дислокации, формируемые при выращивании кристаллов нитридного полупроводника, имеют тенденцию сходиться в узком диапазоне, снижая плотность дислокаций слоя 30 нитридного полупроводника. Таким образом, нитридный полупроводниковый элемент в пятом варианте осуществления содержит слой 30 нитридного полупроводника, имеющий низкую плотности дислокации, так, чтобы температурные характеристики могли быть улучшены.

Способ изготовления нитридного полупроводникового элемента

Способ изготовления нитридного полупроводникового элемента, соответствующий пятому варианту осуществления настоящего изобретения, будет описан ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи. Сначала будет описан способ изготовления подложки для нитридного полупроводникового элемента. Способ изготовления подложки для нитридного полупроводникового элемента может содержать этап формирования маски, первый этап травления и второй этап травления, которые могут выполняться в указанном порядке. Этап формирования маски подобен этапу формирования маски, упомянутому в первом варианте осуществления, и первый этап травления подобен этапу травления, упомянутому в первом варианте осуществления.

На втором этапе травления сапфировая подложка 10D дополнительно травится после первого этапа травления. Конкретно, на втором этапе травления сапфировая подложка 10D с выступами 12, имеющими два конца, сформированных в полукруглой форме на виде в плане на первом этапе травления, подвергается влажному травлению. Таким образом, на этом этапе формируют первую наклонную поверхность 121а и вторую наклонную поверхность 121b, которые наклонены на сторону одного конца в продольном направлении выступа 12 к вершине выступа, а также третью наклонную поверхность 121с, которая наклонена в сторону другого конца в продольном направлении выступа 12 к вершине выступа. Кроме того, на втором этапе травления влажное травление осуществляется от верхушек обоих концов выступа 12, имеющего полукруглую форму на виде спереди во время процесса влажного травления, за счет чего выступ 12 формируется таким образом, чтобы иметь треугольную форму поперечного сечения, которая острием направлена к линии ребра как к его вершине.

Соответствующими реактивами для влажного травления могут быть, например, фосфорная кислота, пирофосфорная кислота или смешанная кислота, приготовленная добавлением серной кислоты к вышеупомянутой кислоте, или гидрат окиси калия. Условиями влажного травления предпочтительно являются: например, температура реактива для травления от 150°С до 300°С и время погружения от 1 минуты до 60 минут.

То есть на втором этапе травления выполняется влажное травление, чтобы сформировать наклонные поверхности 121а, 121b, 121с, 121d и 121е в пределах требуемого диапазона.

Форма нижней поверхности выступа 12 на виде в плане предпочтительно имеет на обоих концах полукруглую форму. Влажное травление имеет тенденцию начинаться с удаления вершины выступа 12, так чтобы первая наклонная поверхность 121а, вторая наклонная поверхность 121b и третья наклонная поверхность 121с проходили с верхней стороны к нижней стороне по мере выполнения влажного травления. Таким образом, чтобы поддерживать форму нижней поверхности каждого из двух концов выступа 12 полукруглой, травление должно быть остановлено до того, как первая-третья наклонные поверхности 121а-121с достигнут нижней поверхности выступа 12. В случае, когда травления происходит до тех пор, пока первая-третья наклонные поверхности 121а-121с не достигнут нижней поверхности выступа 12, один конец в продольном направлении удлиненной формы выступа может быть сформирован так, чтобы быть заостренным к продольному направлению, а другой конец в его продольном направлении может быть сформирован с четырехугольной формой поперечного сечения. Та же самая форма может быть получена, выполняя только влажное травление после этапа формирования маски, вместо первого и второго этапов травления.

В упомянутом выше способе производства нитридного полупроводникового элемента 1, соответствующего первому варианту осуществления, сапфировая подложка 10D используется вместо сапфировой подложки 10, чтобы быть пригодной для производства нитридного полупроводникового элемента.

Описание ссылочных позиций

1, 2 Нитридный полупроводниковый элемент 10, 10А, 10В, 10С, 10D Сапфировая подложка (подложка для нитридного полупроводникового элемента) 11, 12, 111 Выступы 11А, 12А Первая группа выступов 11В, 12В Вторая группа выступов 11С, 12С Третья группа выступов 121а Первая наклонная поверхность 121b Вторая наклонная поверхность 121с Третья наклонная поверхность 121d Четвертая наклонная поверхность 121е Пятая наклонная поверхность 20 Буферный слой 30 Слой нитридного полупроводника 31 Слой полупроводника n-типа 32 Активный слой 33 Слой полупроводника p-типа 40 n-электрод 50 Электрод, занимающий всю поверхность 60 p-электрод М Маска SC Сапфировый кристалл

Нитридный полупроводниковый элемент содержит сапфировую подложку, содержащую: основную поверхность, проходящую в с-плоскости сапфировой подложки, и множество выступов, расположенных на основной поверхности, причем множество выступов содержат по меньшей мере один выступ, имеющую удлиненную форму на виде в плане; и слой нитридного полупроводника, расположенный на основной поверхности сапфировой подложки. По меньшей мере один 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. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Нитридный полупроводниковый элемент, содержащий:

сапфировую подложку, содержащую:

основную поверхность, проходящую в с-плоскости сапфировой подложки, и

множество выступов, расположенных на основной поверхности, причем множество выступов содержат по меньшей мере один выступ, имеющий удлиненную форму на виде в плане;

и

слой нитридного полупроводника, расположенный на основной поверхности сапфировой подложки,

при этом по меньшей мере один 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.

2. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 1, в котором длина по меньшей мере одного выступа в продольном направлении в два раза или более превышает ширину по меньшей мере одного выступа в направлении ширины, которое перпендикулярно продольному направлению.

3. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 1, в котором верхняя часть по меньшей мере одного выступа в поперечном сечении, параллельном направлению ширины, которое перпендикулярно продольному направлению, имеет острую форму.

4. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 2, в котором верхняя часть по меньшей мере одного выступа в поперечном сечении, параллельном направлению ширины, которое перпендикулярно продольному направлению, имеет острую форму.

5. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 1, в котором верхушка концевого участка по меньшей мере одного выступа в продольном направлении имеет на виде в плане полукруглую форму.

6. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 2, в котором верхушка концевого участка по меньшей мере одного выступа в продольном направлении имеет на виде в плане полукруглую форму.

7. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 3, в котором верхушка концевого участка по меньшей мере одного выступа в продольном направлении имеет на виде в плане полукруглую форму.

8. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 4, в котором верхушка концевого участка по меньшей мере одного выступа в продольном направлении имеет на виде в плане полукруглую форму.

9. Нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-8, в котором выступы расположены с соответствующими заданными интервалами в направлении строки и в направлении столбца, причем направление строки является продольным направлением удлиненной формы, а направление столбца является направлением по ширине удлиненной формы, которое перпендикулярно продольному направлению,

при этом выступы в строках, соседствующих друг с другом в направлении столбца, расположены так, чтобы быть смещенными относительно друг друга в направлении строки.

10. Нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-8, в котором выступы расположены с соответствующими заданными интервалами в направлении строки и в направлении столбца, причем направление строки является продольным направлением удлиненной формы, а направление столбца является направлением по ширине удлиненной формы, которое перпендикулярно продольному направлению,

при этом выступы в строках, соседствующих друг с другом в направлении столбца, расположены так, чтобы быть выровненными в направлении строки.

11. Нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-8, в котором сапфировая подложка содержит:

первую группу, содержащую первые выступы, причем каждый из первых выступов имеет внешний край в продольном направлении удлиненной формы выступов, проходящий в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10 до +10° относительно а-плоскости, линия нормали которой является первой а-осью сапфировой подложки; и

вторую группу, содержащую вторые выступы, причем каждый из вторых выступов имеет внешний край в продольном направлении удлиненной формы выступов, проходящий в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10 до +10° относительно а-плоскости, линия нормали которой является второй а-осью, отличной от первой а-оси сапфировой подложки.

12. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 11, в котором:

вторые выступы, содержащиеся во второй группе, расположены на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении первых выступов, содержащихся в первой группе, а

первые выступы, содержащиеся в первой группе, расположены на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении вторых выступов, содержащихся во второй группе.

13. Нитридный полупроводниковый элемент по любому из пп. 1-8, в котором сапфировая подложка содержит:

первую группу, содержащую первые выступы, причем каждый из первых выступов имеет внешний край в продольном направлении удлиненной формы выступов, проходящий в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10 до +10° относительно а-плоскости, линия нормали которой является первой а-осью сапфировой подложки;

вторую группу, содержащую вторые выступы, причем каждый из вторых выступов имеет внешний край в продольном направлении удлиненной формы выступов, проходящий в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10 до +10° относительно а-плоскости, линия нормали которой является второй а-осью, отличной от первой а-оси сапфировой подложки; и

третью группу, содержащую третьи выступы, причем каждый из третьих выступов имеет внешний край в продольном направлении удлиненной формы выступов, проходящий в направлении, ориентированном под углом в диапазоне от -10 до +10° относительно а-плоскости, линия нормали которой является третьей а-осью, отличной от первой а-оси и второй а-оси сапфировой подложки.

14. Нитридный полупроводниковый элемент по п. 13, в котором:

вторые выступы, содержащиеся во второй группе, расположены на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении первых выступов, содержащихся в первой группе,

третьи выступы, содержащиеся в третьей группе, расположены на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении вторых выступов, содержащихся во второй группе, и

первые выступы, содержащиеся в первой группе, расположены на соответствующих линиях, проходящих в продольном направлении третьих выступов, содержащихся в третьей группе.

15. Способ изготовления нитридного полупроводникового элемента, содержащий 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 по меньшей мере один выступ, имеющий удлиненную форму на виде в плане, при этом внешний край выступа в продольном направлении удлиненной формы расположен 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.