CN1922772A - 氮化合物系半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的氮化合物系半导体装置具备支承于具有导电性的基板构造物101的半导体叠层构造物。基板构造物101的主面具有：作为氮化合物系半导体的纵向生长的晶种而起作用的至少1个纵向生长区域；及使在所述纵向生长区域上生长的氮化合物半导体的横向生长成为可能的多个横向生长区域。在设定由箭头A表示的纵向生长区域的尺寸的总和为∑X，该方向的多个横向生长区域的尺寸的总和为∑Y时，∑X/∑Y＞1.0的关系成立。

Description

氮化合物系半导体装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及能够使用于光信息处理或显示的半导体激光器等氮化合物半导体装置及其制造方法。
背景技术
使用以氮化镓(GaN)为首的III-V族氮化合物系半导体材料(AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1、0≤y≤1))制作的蓝紫色半导体激光器是用于通过光盘装置实现超高密度记录的关键设备，现在已达到了实用水平。蓝紫色半导体激光器的高输出化不仅是使光盘的高速写入成为可能的技术，也是对激光显示的应用等新技术领域的开拓所必需的技术。蓝紫色半导体激光器的现有例，例如公开于非专利文献1中。
近年，作为为了制造氮化合物系半导体装置而需要的基板，GaN基板备受注目。GaN基板，与现有使用的蓝宝石基板相比，在结晶的格子匹配或散热性这些点上优越。又，相对于蓝宝石基板是绝缘物，GaN基板具有导电性，这也是优点之一。即，可以采用如下的构造：在GaN基板的背面侧也形成电极，电流在横切的方向流动于GaN基板。若在具有导电性的GaN基板的背面形成电极，则可以缩小各个的半导体装置的尺寸(芯片面积)，若缩小芯片面积，则因为能够由1片晶片制作的芯片的总数增加，所以可以降低制造成本。
GaN基板例如如下制作。首先，通过MOVPE法，在蓝宝石基板上使GaN单层膜生长。然后，通过氢化物气相外延(HVPE)等方法，在GaN单层膜上使GaN的厚膜生长，然后，剥离蓝宝石基板。
在这样得到的GaN基板存在5×107cm-2左右的位错(刃状位错、螺旋位错、混合位错)。难以由该位错密度得到可靠性高的半导体激光器。又，在通过HPVE等方法制作的GaN基板的最表面，存在凹坑或小丘(hillock)，因此，有时产生0.1mm左右的凹凸。GaN基板主面的凹凸成为光刻工序等的妨碍，使设备的制造成品率降低。
为了解决这样的基板主面的凹凸，需要抛光基板主面使其平坦化。GaN因为耐化学性高，所以难于通过化学抛光进行平坦化，主要进行机械抛光。其结果是，在GaN基板表面产生刮伤，并且损伤容易残留于结晶的表面附近。
又，加工应变容易残留在基板表面(残留应变)，而且在应变产生面内分布。由AFM(原子力显微镜)观察的结果，伤痕是数+μm左右的深度，以50μm角区域评价的RMS(方均粗糙度)值是1.6nm。在这样的GaN基板的主面上以该状态使GaN结晶生长的情况，有如下的问题：结晶表面较大地受到刮伤的影响。
为了将在GaN基板上生长的氮化合物系半导体层的位错密度降低为比GaN基板的位错密度低，使用选择横向生长(ELO：Epitaxial Lateral Overgrowth)。以下，参照图12(a)至(d)，说明选择横向生长。
首先，如图12(a)所示，准备GaN基板1001，在其主面形成由SiO2构成的掩模层1003。在掩模层1003形成有带状的开口部，所述带状的开口部使基板主面中作为结晶生长的种子而起作用的区域选择性地露出。
接着，如图12(b)所示，通过MOVPE法进行选择方向生长，从掩模1003的各开口部使n-GaN层1002生长。此时，在掩模层1003上采用GaN结晶难以生长的条件，不过有时在掩模层1003上也析出其它结晶GaN。GaN基板1001通常容易具有n型传导性，通过在GaN基板上供给氮化镓的原料气体及硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，形成具有n型导电性的GaN层1002。
如图12(c)所示，若继续n-GaN层1002的生长，则如图12(d)所示，邻接的n-GaN层1002结合，形成1个层。
通过上述的方法形成的n-GaN层1002包含位错密度降低到7×105cm-2以下的区域。若这样在位错少的区域的上部形成设备构造，则可以提高可靠性。不过，若在掩模1003上如图12(b)所示析出多晶GaN，则如图12(c)所示形成结晶性恶化区域1004。
专利文献1公开了一种为了进一步降低位错密度，而将掩模层形成于带状的凹部，并在其上设置有气隙的半导体装置。图13表示具备凹部由掩模层103覆盖的n-GaN基板101、和从带状脊部生长的n-GaN层103的构造。n-GaN层103包括位错密度相对降低的低位错区域104、和位错密度相对高的高位错区域105。规定电流注入区域等的脊带106配置于n-GaN层102的低位错区域104上。
非专利文献1：应用物理的日文学报(Jpn.J.Appl.Phys.)、第39卷、p.L648(2000年)
专利文献1：特开2002-9004号公报
根据专利文献1公开的半导体激光器，可以抑制因在掩模层上析出的多晶GaN而导致的结晶性的恶化，但是可以知道，采用在GaN基板的背面设置电极的构造的情况，与采用了以如图12所示的方法形成的构造的情况同样，若不增大施加于电极间的电压，则难以实现需要的激光振荡。
发明内容
本发明正是鉴于上述的问题而作出的，其主要目的在于以高成品率提供一种可靠性高的氮化合物半导体装置。
本发明提供一种氮化合物系半导体装置，其包括：具有导电性的基板构造物；及被所述基板构造物支承的半导体叠层构造物，所述基板构造物的主面具有：作为氮化合物系半导体的纵向生长的晶种而起作用的至少1个纵向生长区域；及使在所述纵向生长区域上生长的氮化合物半导体的横向生长成为可能的多个横向生长区域，在设定与所述基板构造物的主面平行的第1方向上的所述纵向生长区域的尺寸的总和为∑X，所述第1方向上的所述多个横向生长区域的尺寸的总和为∑Y时，∑X/∑Y＞1.0的关系成立。
在优选的实施方式中，所述基板构造物由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成，所述半导体叠层构造物包括从所述基板构造的主面上的所述纵向生长区域生长的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶层。
在优选的实施方式中，所述基板构造物包括：由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成的基板主体；及形成于所述基板主体的上表面，且表面起到作为所述基板构造物的主面的作用的Alx3Gay3Inz3N(x3+y3+z3＝1、x3≥0、y3≥0、z3≥0)结晶层，所述半导体叠层构造物包括从所述基板构造的主面上的所述纵向生长区域生长的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶的层。
在优选的实施方式中，所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域及横向生长区域沿与所述第1方向垂直的方向带状延伸。
在优选的实施方式中，所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域由存在于所述基板构造物的主面的带状脊部限定。
在优选的实施方式中，还包括覆盖所述基板构造物的主面的掩模层，所述掩模层具有：在与所述纵向生长区域对应的位置设置的带状的开口部；及在与所述横向生长区域对应的位置设置的掩模部。
在优选的实施方式中，所述掩模层的开口部的面积比所述掩模层的掩模部的面积的1.0倍大。
在优选的实施方式中，所述半导体叠层构造物包括具有比所述Alx2Gay2Inz2N结晶层的带隙小的带隙的活性层，还包括用于对所述活性层的一部分注入载流子的电流狭窄构造。
在优选的实施方式中，所述电流狭窄构造位于所述基板构造物的主面上的所述横向生长区域的正上方。
在优选的实施方式中，所述Alx3Gay3Inz3N层的各构成元素的摩尔比率x3、y3及z3的至少1个沿层厚方向变化的构造。
在优选的实施方式中，所述Alx3Gay3Inz3N层具有多层构造。
本发明提供一种氮化合物系半导体装置的制造方法，其包括：工序(A)，其在准备在主面具有作为氮化合物系半导体的纵向生长的晶种而起作用的多个纵向生长区域、及使在所述纵向生长区域上生长的氮化合物半导体的横向生长成为可能的多个横向生长区域的基板构造物的工序中，准备在设定与所述基板构造物的主面平行的第1方向上的各纵向生长区域的尺寸为X，所述第1方向的各横向生长区域的尺寸为Y时，X/Y＞1.0的关系成立的基板构造物；及工序(B)，其在所述基板构造物的主面上使氮化合物系半导体层生长。
在优选的实施方式中，所述工序(A)包括：作为所述基板构造物，准备由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成的晶片的工序，所述工序(B)包括：从所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域使作为所述氮化合物系半导体层起作用的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶层生长的工序。
在优选的实施方式中，所述工序(A)包括：作为基板主体，准备由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成的晶片的工序(a1)；及在所述基板主体的上表面使表面作为所述基板构造物的主面而起作用Alx3Gay3Inz3N(x3+y3+z3＝1、x3≥0、y3≥0、z3≥0)结晶层生长的工序(a2)，所述工序(B)包括：从所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域使作为所述氮化合物系半导体层起作用的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶层生长的工序。
在优选的实施方式中，所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域及横向生长区域沿与所述第1方向垂直的方向带状延伸。
在优选的实施方式中，所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域由存在于所述基板构造物的主面的带状脊部限定。
在优选的实施方式中，所述工序(A)包括：由具有限定所述纵向生长区域的图案的抗蚀掩模覆盖所述基板构造物的主面的工序；及选择性地蚀刻所述基板构造物的主面中未由所述抗蚀掩模覆盖的部分的工序。
在优选的实施方式中，所述氮化合物系半导体装置还包括覆盖所述基板构造物的主面的掩模层，所述掩模层具有：在与所述纵向生长区域对应的位置设置的带状的开口部；及在与所述横向生长区域对应的位置设置的掩模部。
在优选的实施方式中，所述掩模层的开口部的面积比所述掩模层的掩模部的面积的1.0倍大。
在优选的实施方式中，包括：形成具有所述氮化合物系半导体层、及叠层于所述氮化合物半导体层上的其它半导体层的半导体叠层构造物的工序(C)，所述工序(C)包括：形成具有比所述Alx2Gay2Inz2N结晶层的带隙小的带隙的活性层的工序(c1)；及形成用于对所述活性层的一部分注入载流子的电流狭窄构造的工序(c2)。
在优选的实施方式中，所述工序(c2)包括：在所述基板构造物的主面上的所述横向生长区域的正上方配置所述电流狭窄构造的工序。
在优选的实施方式中，所述工序(a2)包括：沿层厚方向使所述Alx3Gay3Inz3N层的各构成元素的摩尔比率x3、y3及z3中的至少1个发生变化的工序。
在优选的实施方式中，所述Alx3Gay3Inz3N层具有多层构造。
在优选的实施方式中，所述工序(a2)包括：在所述Alx3Gay3Inz3N层的生长过程中使生长温度变化的工序。
在优选的实施方式中，X及Y的至少一方对应于处于晶片状态的所述基板构造物的主面的位置而变化。
(发明的效果)
根据本发明，因为降低了对于以横切基板主面的方式流动的电流的电阻，所以可以提高使用选择横向生长法制造的氮化合物系半导体装置的可靠性及制造成品率。
附图说明
图1是表示本发明的氮化合物半导体装置的第1实施方式的剖面图；
图2(a)是表示图1的半导体装置的n-GaN基板101的俯视图，(b)是其B-B’线剖面图；
图3(a)至(d)是表示图1的n-GaN层102的生长方法的工序剖面；
图4(a)是表示种子部的宽度X和电压的关系的图表，(b)及(c)是∑表示X/∑Y和电压的关系的图表；
图5是表示图1的半导体装置的改良例的剖面图；
图6是表示本发明的氮化合物半导体装置的第2实施方式的剖面图；
图7是表示图6的半导体装置的改良例的剖面图；
图8是表示本发明的氮化合物半导体装置的第3实施方式的剖面图；
图9是表示图8的半导体装置的改良例的剖面图；
图10是表示图8的半导体装置的其它改良例的剖面图；
图11是表示本发明的氮化合物半导体装置的第4实施方式的剖面图；
图12(a)至(d)是表示现有的选择横向生长的工序剖面图；
图13是利用选择横向生长制作出的现有的具有气隙的半导体激光器的主要部分剖面图。
图中，101-n型GaN基板；102-n型GaN层；103-SiNx；104-低位错区域；105-高位错区域；106-脊带形成位置；107-多晶GaN；201-n型AlGaN型GaN超格子接触层；202-n型AlGaN型GaN超格子包层；203-n型GaN光导层；204-MQW活性层；205-p型GaN光导层；206-p型AlGaN型GaN超格子包层；207-p型GaN接触层；208-p电极；209-绝缘膜(SiO2)；210-n电极；211-空隙(结合部)；601-n型AlGaN型GaN超格子接触层；602-n型AlGaN型GaN超格子包层；603-n型GaN光导层；604-MQW活性层；605-p型GaN光导层；606-p型AlGaN型GaN超格子包层；607-p型GaN接触层；608-p电极；609-绝缘膜(SiO2)；610-n电极；801-(AlIn)GaN层；1001-n型GaN基板构造物；1002-n型GaN层；1003-SIO2；1004-结晶性恶化区域；1007-多晶GaN；1101-低温(AlIn)GaN层；1102-高温(AlIn)GaN层；1201-(AlIn)GaN层(低载流子浓度)；1202-(AlIn)GaN层(高载流子浓度)；1203-n型GaN层(低载流子浓度)；1202-n型GaN层(高载流子浓度)。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的氮化合物系半导体装置的实施方式。
在以下的各实施方式中，使用MOVPE法使氮化合物半导体生长，不过可以在本发明中使用的结晶生长方法并不限定于MOVPE法，可以广泛地使用包含氢化物气相生长发(H-VPE法)及分子射线外延法(MBE法)的公知的氮化合物半导体生长方法。
(实施方式1)
首先，参照图1。图1示意地表示本实施方式的氮化合物系半导体装置的剖面。
图1的半导体装置具有多个带状脊部形成于主面的GaN基板101、和在GaN基板101上生长的n-GaN层102。在现实的半导体装置中，通常，在n-GaN层102上也叠层氮化合物系半导体层。不过，在作为晶体管等的沟道层而使用图1的n-GaN层102的情况下，在n-GaN层102上形成栅极绝缘膜或配线构造。
参照图2，更详细地说明GaN基板101的结构。图2(a)是表示氮化合物系半导体装置的GaN基板101的主面的俯视图，图2(b)是其B-B’线剖面图。如图2所示，形成于GaN基板101的主面的脊部的上表面是作为氮化合物系半导体的纵向生长的晶种(种子)而起作用的「纵向生长区域」。又，凹部是可以进行从脊部的上表面(纵向生长区域)生长的氮化合物半导体的横向生长的「横向生长区域」。如图2所示，本实施方式的纵向生长区域及横向生长区域沿与基板主面平行的箭头A的方向(第1方向)交替地周期性排列。GaN基板101的两端部101a、101b是通过切断或劈开晶片而形成的面。即使在1片GaN晶片上周期性配置相同尺寸的「纵向生长区域」及「横向生长区域」，若从GaN晶片分割为多个芯片基板，则位于GaN基板101的两端部101a、101b的「纵向生长区域」或「横向生长区域」的尺寸，也通常比位于GaN基板101的两端部101a、101b以外的区域的「纵向生长区域」或「横向生长区域」的尺寸小。
在此，设箭头A的方向(第1方向)的各纵向生长区域的尺寸为X，第1方向的各横向生长区域的尺寸为Y。又，将1个半导体装置的多个纵向生长区域的尺寸X的总和记为∑X，将1个半导体装置的多个横向生长区域的尺寸Y的总和记为∑Y。在本实施方式中，加工n-GaN基板101的主面使得∑X/∑Y的关系成立。因为本实施方式的纵向生长区域及横向生长区域沿与第1方向垂直的方向(第2方向)带状延伸，所以有时称箭头A的方向(第1方向)的尺寸为「宽度」。
如图2所示的n-GaN基板101的主面的凹凸构造可以通过公知的光刻及蚀刻技术形成。在本实施方式中，首先准备具有大致平坦的主面的n-GaN基板101，将该n-GaN基板101的主面以抗蚀层覆盖。接着，在使用具有带图案的光掩模进行了抗蚀层的曝光工序之后，通过进行显影工序，形成具有带状开口部的抗蚀掩模9(未图示)。然后，通过选择性地蚀刻n-GaN基板101的主面中未由抗蚀掩模覆盖的部分，将如图2所示的凹部形成于n-GaN基板101的主面。然后，除去抗蚀掩模。
本实施方式的n-GaN基板101的主面是(0001)面。在本实施方式中，规定抗蚀掩模的图案，使得凹部的宽度(第1方向的尺寸)Y是约10μm，脊部的宽度(第1方向的尺寸)约是7μm。
在除去了抗蚀掩模之后，通过等离子CVD法将SiNx层堆积于基板主面上。然后，在由SiNx层覆盖的基板101上堆积用于平坦化的抗蚀剂。接着，通过进行抗蚀剂及SiNx层的蚀刻直至n型GaN基板101的顶面(脊部的上表面)露出，仅在凹部形成由SiNx层构成的掩模层103。然后，利用有机溶剂等除去残存的抗蚀剂。
根据上述的方法，可以仅由掩模层103选择性地覆盖基板主面的凹部，露出的脊部的上表面作为结晶生长的种子而起作用。该掩模层103在以下说明的氮化合物系半导体的选择横生长工序时作为选择生长用掩模而起作用。因此，掩模层103优选由难以在其表面产生氮化合物系半导体的生长的材料形成。
接着，在将具有如图2所示的构造的n-GaN基板101插入到MOVPE装置的生长腔(chamber)内之后，通过MOVPE法以1050℃从脊部的上表面(种子部)使n型GaN层102生长。在本实施方式中，作为n型的掺杂剂使用SiH4。GaN层102在脊部上沿纵向(与基板主面垂直的方向)生长，并且也沿与基板主面平行的方向(横向)生长，向存在掩模103的凹部的上方延伸。
通过上述的选择生长，从脊部的上表面生长的GaN结晶与从邻接的脊部的上表面生长的GaN结晶接触，作为整体，形成1个n-GaN层102。
如图1所示，由n-GaN层102覆盖了主面这一状态的n-GaN基板101具备由基板主面的凹部和n-GaN层102形成的多个气隙。气隙沿带状脊部延伸的方向排列为带状。
如上所述，从各脊部生长的各个n-GaN结晶在气隙的大致中心位置合成一体。另外，在n-GaN结晶生长时，通过调节掺杂于GaN结晶的不纯物浓度，可以控制结晶的a轴方向(横向)的生长率及c轴方向(纵向)的生长率。
如图1所示，在n-GaN层102包含位错浓度相对低的低位错区域104、及位错浓度相对高的高位错区域105。高位错浓度105位于基板主面的脊部上，低位错区域104位于气隙上。有时在气隙的一部分存在在掩模层103上生长的多晶GaN107。在进行用于形成N-GaN层102的选择生长时，采用氮化合物系半导体的结晶不易在掩模层103上生长的条件，不过有时局部地形成多晶GaN。若这样的多晶GaN107的生长率低，或基板主面的凹部的深度充分大，则n-GaN层102的形成不被多晶GaN107妨害。
在如图1所示的例中，在n-GaN层102中低位错区域104上配置有脊带106。脊带106与作为衬底的低位错区104同样位错密度低，作为结晶性优越的半导体区域的脊带106作为要求结晶性特别优越的、半导体装置的活性区域而使用。
接着，参照图3(a)至(d)，更详细地说明n-GaN层102的生长。在从3(a)至(d)中，只表示晶片状基板中最终使用于图1半导体装置的部分。
首先，如图3(a)所示，准备在主面形成有凹部且凹部的底面及侧面由掩模层103覆盖的n-GaN基板101，并插入于MOVPE装置的腔内。如图3(a)所示的n-GaN基板101相当于如图2所示的n-GaN基板101。
然后，对n-GaN基板101的主面进行500～1100℃左右的热处理(热清洗)。该热处理例如以750℃进行1分钟以上，优选5分钟以上。在进行热处理期间，优选使含有氮原子(N)的气体(N2、NH3、肼等)在腔内流动。
在热处理后，通过MOVPE法，以1050℃左右的温度在脊部上选择性地使n-GaN层102生长。图3(b)表示生长过程中的n-GaN层102。在该阶段，在各脊部上生长的n-GaN结晶具有带状，它们并不连结而形成1片的层。然后，如图3(c)所示，若进一步继续n-GaN结晶的生长，则如图3(d)所示，可以形成1层n-GaN层102。
这样，若在如图3(a)所示的形成有脊部或凹部的n-GaN基板101上通过MOVPE法使n-GaN结晶102生长，则在由掩模103覆盖的区域不产生n-GaN的外延生长，在经由掩模层103的开口部而露出的n-GaN基板101的脊部(种子部)上进行选择性的外延生长。作为种子部而起作用的结晶面是与基板主面同一的面(0001)面，分别具有带形状，所述带形状具有约7μm左右的宽度。
在这样进行n-GaN结晶的选择横生长时，如图3(b)所示有时多晶GaN107在凹部的掩模层103上析出。特别是，若因在结晶形成前进行的热处理(热清洗)，Ga或GaN的小滴附着于凹部的掩模层103上，则多晶GaN107也容易以其为起点在掩模层103上生长。但是，因为在掩模层103上生长的多晶GaN107比脊部的高度小，所以不对从脊部上表面横向生长的n-GaN结晶102的结晶性产生不好的影响。从该观点考虑，凹部的深度优选设定为500nm以上。
现在可以得到的n-GaN基板101的位错密度是5×106cm-2左右，不过在n-GaN层102中通过横向生长(lateral生长)形成的部分，可以将其位错密度比基板的位错密度降低1位数以上。其结果是，可以较大地提高形成的半导体装置的可靠性。又，通过进行如图3(a)至(d)所示的工序，也可以降低存在于n-GaN基板101的主面的刮伤的影响。n-GaN基板101的主面通常随机地存在因抛光而导致的多处刮伤(深度：数+nm左右)。因此，在n-GaN基板101的主面上以该状态使GaN结晶生长的情况，在GaN结晶层，因刮伤的影响而产生较大的弯曲。但是，如本实施方式所述，若预先在GaN基板101形成带状的凹部(气隙部)，则在该部生长的GaN结晶不受到因刮伤而导致的影响。又，在脊部，容易受到存在于基板主面的凹凸的影响，不过在横向生长(lateral生长)部，不易受到这样的影响。通过这些效果，如图3(a)至(d)所示的方法可以较大地改善GaN结晶表面的平坦性。
如前所述，在本实施方式中，将∑X/∑Y设定为比1.0大，优选比2.0大，更优选比3.0大。以下说明由此得到的效果。
首先，参照图4(a)至(c)。图4(a)是表示种子部的宽度X和电压的关系的图表，图4(b)及(c)是表示∑X/∑Y和电压的关系的图表。图4(b)和图4(c)的不同在于横轴的比例范围。
从图4可以知道，若在n-GaN基板101的主面增大结晶生长的种子部(纵向生长区域)的各宽度X，且，减小凹部(横向生长区域)的各宽度Y，则因为得到同一电流所以可以降低必要的施加电压。这是因为：随着增大∑X/∑Y，基板主面中可以使电流沿纵向流动的区域的面积增大。若电流流动的区域的面积增大，则电阻降低，所以可以在电极间减小在使相同的大小的电流流动时必要的施加电压。
例如，在将半导体激光器的动作电流设定为100mA时，为了将因基板主面的电阻而导致的电压的增加量抑制为0.01V以下，只要将种子部宽度设定为6μm以上即可。若该电压增加量是0.01V以下，则可以避免半导体激光器的可靠性的降低。另外，n-GaN层102的各横向生长部分的宽度(翼形宽度)优选是6μm以上。因而，在左右对称地形成横向生长部分的情况下，凹部的宽度Y优选设定为12μm左右。不过，若实行如图5所示的非对称的横向生长，则因为可以有效地扩大一方的横向生长部分的宽度，所以可以在不降低翼形宽度的前提下，降低凹部的宽度。
另外，从电阻的观点考虑，优选尽可能减少存在于n-GaN基板101和n-GaN层102之间的气隙(凹部)的数目。因而，气隙优选只形成于需要降低位错密度的部分(电流狭窄构造)的正下方。这样，在1个半导体激光器元件中设置1个气隙的情况，∑X/∑Y具有比1.0大且30以下的范围包含的较大的值。根据本发明人的研讨，∑X/∑Y更优选设定为2以上，进一步优选设定为3以上。在1个半导体装置包含的1个基板形成单一的横向生长区域，且在其两侧形成2个纵向生长区域的情况，可以将∑X/∑Y设定为6以上(例如9以上)。从图4(c)可以知道，因为越增大∑X/∑Y，越可以使施加电压降低，所以是优选的。
因为在GaN基板的表面如上所述存在刮伤，所以一直以来，存在应该尽可能小地设定纵向生长区域的尺寸X的技术常识。又，因为在纵向生长区域上生长的结晶区域的结晶性相对较差，所以考虑到该尺寸X越大，不良影响越容易波及到在横向生长区域上生长的结晶区域。但是，根据本发明人的实验可以知道，即使增大纵向生长区域的尺寸X，在横向生长区域上生长的结晶区域的结晶性也不劣化。这是因为：由于使用与n-GaN层102同种(相似)材料的GaN基板101，所以在两者之间几乎不产生应力(应变)。即，即使进行用于使位错密度局部降低的横向生长，也可以大幅地降低在纵向生长区域产生的位错向横向生长区域上的低位错部蔓延的量。特别是，因为在本实施方式中使用的GaN基板101的位错密度降低到107cm-2以下，所以可以更大地降低位错向低位错区域的蔓延。因此，可以限定于与在需要形成电流狭窄构造的区域的正下方一致的区域，形成气隙部。
这样，优选通过不在不需要形成电流狭窄构造的区域形成气隙部，或即使假定形成，也减小其形成区域的面积，来减少不需要的气隙区域。通过减少不需要的气隙，可以较大地提高基板和半导体基层构造之间的密合性。其结果是，在进行晶片的劈开时，可以抑制在拉出划线之际产生的气隙部的破裂，从而将划线均匀地拉出到基板构造物内部。以此，降低在抛光工序·安装工序时产生的半导体基层构造从基板的剥离，并且可以改善劈开性，从而可以提高成品率。
在本实施方式及以下的实施方式中，使用了n-GaN基板，不过作为支承半导体基层构造的基板构造体，也可以不使用n-GaN基板，而广泛地使用由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成的基板构造物。又，在其上通过选择横向生长形成的氮化合物半导体层也并不限定于n-GaN层，也可以是Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶层。
在本实施方式中，掩模层103包覆了凹部的底面及侧面这两方，不过也可以只包覆凹部的底面。又，也可以不使用SiNx，而使用其它电介质或非晶质绝缘物形成掩模层。例如，使用由SiO2、SiON、Al2O3、AlON、TiO2、ZrO2、Nb2O5形成的掩模层，也可以进行选择横向生长。
另外，即使在未由掩模层覆盖凹部的底面的情况下，有时也可以抑制氮化合物半导体的结晶在凹部的底面上生长。因而，凹部的底面优选由掩模层覆盖，不过覆盖并不是必不可少的。进而，即使在使用具有参照图12说明的现有的结构的基板的情况下，本发明也是有效的。即，在如图12所示的基板，通过将∑X/∑Y设定为比1.0大，优选比2.0大，更优选比3.0大，得到可以降低在电流横切基板主面时的电阻。
以上的说明在以下的各实施方式中也成立。
(实施方式2)
接着，参照图6，说明本发明的氮化合物系半导体装置的第2实施方式。图6示意地表示本实施方式的氮化合物半导体激光器的剖面构造。
图示的半导体激光器具备带状延伸的凹部形成于主面的n-GaN基板101、和在GaN基板101上生长的半导体叠层构造。半导体叠层构造的最下层是在n-GaN基板10-上生长的n-GaN层102。本实施方式的n-GaN基板101及n-GaN层102，与所述的实施方式1的n-GaN基板101及n-GaN层102同样地制作。
上述的半导体叠层构造通过在n-GaN层102上，将n-AlGaN型GaN超格子接触层201、n-AlGaN型GaN超格子包层202、n-GaN光导层203、多量子井(MQW)活性层204、p-GaN光导层205、p-AlGaN型GaN超格子包层206、及p-GaN接触层207，以该顺序叠层而制作。这些氮化合物系半导体层通过MOVPE法适当地生长。
p-GaN接触层207及p-AlGaN型GaN超格子包层206加工为形成脊带。脊带的宽度(带宽度)是2μm左右。半导体叠层构造的上表面由具有位于脊带上的带状开口部的绝缘膜209覆盖。p-GaN接触层207的上表面的一部分经由绝缘膜209的开口部而与p电极208接触。另外，在n-GaN基板-01的背面设置有n电极210。
上述的脊带的形状及位置，严格地说，绝缘膜209的开口部的形状及位置，规定活性层204的电流(载流子)注入区域。在本实施方式中，在n-GaN层102的低位错区域的正上方配置有绝缘膜209的开口部。因此，若对p电极208和n电极210之间施加规定水平的电压，则从电极208、210注入的载流子在MQW活性层204中位于基板主面的凹部(气隙)的正上方的区域选择性地流动。半导体叠层构造中位于基板主面的凹部(气隙)的正上方的部分，与其它部分比较，位错或缺陷的密度低。另外，虽说是气隙的正上方，但也优选以避开n-GaN层102的合成一体部的空隙(结合物)211的正上方的方式配置脊带。如图6所示，从该空隙211朝向其正上方产生位错。
根据本实施方式的半导体激光器，若在n电极210和p电极208之间施加电压，则正孔从p电极朝向MQW活性层204注入，电子从n电极210朝向MQW活性层204注入。其结果是，由MQW活性层204产生增益，从而在大约400nm附近的波长区域产生激光振荡。在本实施方式中，将1个凹部配置于电流狭窄构造的下方，将∑X/∑Y设定于1.0～30的范围内。具体地，将如图6所示的尺寸X1+X2的值设定为120～400μm左右，将尺寸Y设定为20～40μm左右。因此，∑X/∑Y＝(X1+X2)/Y处于6以上8以下的范围。这样在本实施方式中，因为与现有比较注入电流以格外低的电阻沿纵向流动，所以可以降低施加于电极间的电压。
另外，在本实施方式中，可以将位于气隙上的半导体中的位错密度比存在于GaN基板101的位错密度降低1位数以上，并且较大地降低存在于GaN基板101的主面的刮伤的影响。
本实施方式的氮化合物系半导体装置是具备脊带等电流狭窄构造的半导体激光器，不过本发明并不限定于此，也可以是不需要电流狭窄构造的发光二级管(LED)。在发光二极管的情况下，通过相对较小地设定气隙部(凹部)的尺寸，也能够得到整体降低在以横切的方式使电流流动时的电阻的效果。
另外，在本实施方式的半导体激光器中，如图6所示，将p电极208和n电极210配置于基板101的不同侧，不过也可以将p电极208及n电极210配置于基板101的同一侧(基板主面侧)。在通过现有的ELO法进行的情况下，为了降低对于沿与基板主面平行的方向流动的电流的电阻，需要形成厚膜，不过根据本发明，因为通过气隙部分的面积减少，对于横向流动的电流的电阻也整体降低，所以可以缩短形成厚膜需要的长结晶生长时间，从而制造的生产量提高。另外，在将n电极设置于基板101的背面的情况下，不需要设置于背面整体，如图7所示，可以设置于背面的一部分。
在通过横向生长而形成的n-GaN层102的结合部211存在空隙，从而位错容易集中形成于结合部211的附近。在n-GaN层102中，在结合部211及其附近，也容易产生漏电流。因而，为了降低半导体激光器的阈值电流，提高长期可靠性，优选采用电流不在结合部211流动的构造。在图7的例中，n电极210关于结合部211配置于与脊带等电流狭窄构造相同的侧。由此，可以使电流路径不横切存在于结合部211的附近的位错。
(实施方式3)
接着，参照图8，说明本发明的氮化合物系半导体装置的第3实施方式。
本实施方式的结构与如图1所示的结构的不同点在于，在本实施方式的n-GaN基板101的表面设置有GaN层801(厚度1μm)。具体地，在n-GaN基板101的主面使GaN层801生长之后，通过在实施方式1中说明的方法，在基板主面形成有带状脊。
本实施方式的脊部(有抗蚀剂的凸部)的宽度X设定为约20μm，凹部的宽度Y设定为约5μm。凹部的底面及侧面被掩模层103覆盖，所述掩模层103由利用ECR溅射法或热CVD法堆积的SiO2构成。
n-GaN层102的选择横向生长，与在实施方式1中说明的方法同样地实行。本实施方式的∑X/∑Y设定为8左右。
以下，说明设置于n-GaN基板101上的GaN层801的功能。
如上所述，在n-GaN基板101的主面存在抛光时产生的刮伤或损坏。在GaN基板的主面不仅存在因抛光而导致的表面损伤，也存在在制造GaN基板自身之际产生的结晶取向性的离散。因此，若在GaN基板上直接使GaN层外延生长，则有时得到的GaN层的表面平坦性或表面波度恶化。为了降低因这样的基板主面的状态而导致的不好影响，优选在GaN基板101和n-GaN层102之间插入GaN层801等的缓冲层。
通过缓冲层的插入，降低基板构造物的最表面的凹凸，改善其结晶表面的平坦性。又，也可以减轻因存在于GaN基板的主面的结晶取向性的离散而导致的不好影响。
GaN层801可以具有多层构造。图9表示在n-GaN基板101上以500～600℃左右的温度使低温GaN层1101生长之后，以1000～1100℃的温度使高温GaN层1102生长的构造。通过低温GaN层1101的生长，可以降低因n-GaN基板101内在的缺陷而导致的影响，通过高温GaN层1102，可以提高结晶性。因此，在高温GaN层1102上生长的n-GaN层102的缺陷密度进一步降低。
图10表示将掺杂浓度即载流子浓度在厚度方向上不均匀的GaN层形成于GaN基板101上的构造。在GaN基板101上叠层有5×1017cm-3左右的低载流子浓度(AlIn)GaN层1201、和1×1017cm-3左右的高载流子浓度(AlIn)GaN层1202。在此，(AlIn)GaN层表示GaN层、及GaN层的Ga的至少一部分被Al或In置换而得到的氮化合物系半导体的层。
另外，在本实施方式中，只在高载流子浓度(AlIn)GaN层1202形成凹凸，不过凹部的底面也可以到达低载流子浓度(AlIn)GaN层1201。
另外，n-GaN层102的生长，以与在实施方式1中说明的方法同样的方法进行。
若在GaN基板101的主面直接使高载流子浓度(AlIn)GaN层1201生长，则在高载流子浓度GaN结晶中产生位错，从而其结晶性恶化。因此，在使(AlIn)GaN结晶在GaN基板101的主面生长的最初的阶段，优选在载流子浓度尽可能低的条件下进行结晶生长。
在图10的例中，在GaN基板101上最初形成低载流子浓度的GaN层1201，不过因为带宽度窄的脊部具有高载流子浓度，所以电阻被充分降低。
高载流子浓度(AlIn)GaN层1202的露出表面作为种子部而起作用。从该种子部，n-GaN层102不仅纵向生长，也横向生长。该n-GaN层102的载流子浓度不需要一样，也可以具有分布。例如，也可以在生长初期的阶段，形成5×1017cm-3以下的低载流子浓度GaN层1203，在其上叠层5×1017cm-3左右的高载流子浓度GaN层1204。
高载流子浓度(AlIN)GaN层1202的厚度优选设定为50nm以上500nm以下的范围，低载流子浓度GaN层1203的厚度优选设定为50nm以上1000nm以下的范围。
另外，插入于n型GaN层102和GaN基板101之间的缓冲层并不限定于GaN层，也可以由以Alx3Gay3Inz3N(x3+y3+z3＝1、x3≥0、y3≥0、z3≥0)表示的材料形成。
有时将这样设置有缓冲层的基板、及未设置有缓冲层的基板，在本申请说明书中总称为「基板构造物」。即，基板构造物有时仅由基板主体构成，所述基板主体由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成，有时是在这样的基板主体上表面形成有Alx3Gay3Inz3N(x3+y3+z3＝1、x3≥0、y3≥0、z3≥0)结晶层的构造物。在基板主体的最上表面形成有Alx3Gay3Inz3N(x3+y3+z3＝1、x3≥0、y3≥0、z3≥0)结晶层的情况，该结晶层的表面的特定区域作为「纵向生长区域」而起作用。
(实施方式4)
以下，参照图11，说明本发明的氮化合物半导体装置的第4实施方式。
在如图11所示的例中，形成于GaN基板101的主面的多个凹部的宽度的任一个均设定为约5μm左右，不过脊部(凸部)的宽度对应于位置而变化。即，脊部的宽度在接近于晶片的外周附近的位置相对较小，不过宽度随着接近于晶片的中心而变大。图11的构造在其它点上具有与参照图1说明的实施方式1的结构相同的结构。
通过采用这样的结构，除了具有将存在于GaN基板101的位错密度降低1位数以上这一效果之外，也可以降低因存在于基板和半导体叠层构造之间的晶格常数的差而导致的基板(晶片)的翘曲。
通常，若在将晶片状的n-GaN基板101升温到结晶生长温度(1000～1100℃)之后，冷却到室温，则因存在于基板和半导体叠层构造之间的晶格常数的差而在晶片产生翘曲。在半导体叠层构造的晶格常数比GaN基板101的晶格常数小的情况、和大的情况下，翘曲的朝向不同。
在半导体叠层构造的晶格常数比GaN基板101的晶格常数大的情况下，优选将脊部的宽度设定为越靠近晶片的周边部越窄。因为由此，可以降低在晶片周边部产生的应力。另一方面，半导体叠层构造的晶格常数比GaN基板101的晶格常数小的情况下，优选将脊部的宽度设定为越靠近晶片的周边部越宽。该情况下，可以将X/Y在晶片中心部设定为0.5左右，在晶片周边部设定为2.0左右。
另外，即使将脊部(凸部)的宽度与位置无关地设定为一定值，使凹部的宽度对应于晶片上的位置变化，也能够得到相同的效果。不过，若过于增宽凹部的宽度，则有时为了达成n-GaN层102的结合而需要的结晶生长时间变得过长，所以优选在适当的范围内调节宽度。该情况下，可以将X/Y在晶片中心部设定为0.5左右，在晶片周边部设定为1.0左右。
工业上的可利用性
本发明的氮化合物半导体元件作为需要可靠性高的GaN系半导体激光器的光记录装置、光显示(激光显示)装置等的光源是有用的。又，本发明在对激光加工、医用等的应用上也是有用的。进而，若将本发明应用于具备沟道区域等活性区域的其它氮化合物系半导体装置，则因为将沟道形成于低缺陷区域，所以也可以实现可靠性高的设备。

Claims (25)

1.一种氮化合物系半导体装置，其包括具有导电性的基板构造物、及被所述基板构造物支承的半导体叠层构造物，
所述基板构造物的主面具有作为氮化合物系半导体的纵向生长的晶种而起作用的至少1个纵向生长区域、及使在所述纵向生长区域上生长的氮化合物半导体的横向生长成为可能的多个横向生长区域，
在设定与所述基板构造物的主面平行的第1方向上的所述纵向生长区域的尺寸的总和为∑X，所述第1方向上的所述多个横向生长区域的尺寸的总和为∑Y时，∑X/∑Y＞1.0的关系成立。
2.如权利要求1所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述基板构造物由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成，
所述半导体叠层构造物包括从所述基板构造的主面上的所述纵向生长区域生长的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶层。
3.如权利要求1所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述基板构造物包括：
由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成的基板主体；及
形成于所述基板主体的上表面，且表面起到作为所述基板构造物的主面的作用的Alx3Gay3Inz3N(x3+y3+z3＝1、x3≥0、y3≥0、z3≥0)结晶层，
所述半导体叠层构造物包括从所述基板构造的主面上的所述纵向生长区域生长的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶的层。
4.如权利要求1所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域及横向生长区域沿与所述第1方向垂直的方向带状延伸。
5.如权利要求4所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域由存在于所述基板构造物的主面的带状脊部限定。
6.如权利要求4或5所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
还包括覆盖所述基板构造物的主面的掩模层，
所述掩模层具有：在与所述纵向生长区域对应的位置设置的带状的开口部；及在与所述横向生长区域对应的位置设置的掩模部。
7.如权利要求6所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述掩模层的开口部的面积比所述掩模层的掩模部的面积的1.0倍大。
8.如权利要求2所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述半导体叠层构造物包括具有比所述Alx2Gay2Inz2N结晶层的带隙小的带隙的活性层，
还包括用于对所述活性层的一部分注入载流子的电流狭窄构造。
9.如权利要求8所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述电流狭窄构造位于所述基板构造物的主面上的所述横向生长区域的正上方。
10.如权利要求3所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述Alx3Gay3Inz3N层的各构成元素的摩尔比率x3、y3及z3的至少1个沿层厚方向变化的构造。
11.如权利要求10所述的氮化合物系半导体装置，其特征在于，
所述Alx3Gay3Inz3N层具有多层构造。
12.一种氮化合物系半导体装置的制造方法，其包括：
工序(A)，是在准备在主面具有作为氮化合物系半导体的纵向生长的晶种起作用的多个纵向生长区域、及使在所述纵向生长区域上生长的氮化合物半导体的横向生长成为可能的多个横向生长区域的基板构造物的工序，所述基板构造物准备在设定与所述基板构造物的主面平行的第1方向上的各纵向生长区域的尺寸为X、所述第1方向的各横向生长区域的尺寸为Y时，X/Y＞1.0的关系成立；及
工序(B)，在所述基板构造物的主面上使氮化合物系半导体层生长。
13.如权利要求12所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(A)包括：作为所述基板构造物，准备由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成的晶片的工序，
所述工序(B)包括：从所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域生长作为所述氮化合物系半导体层起作用的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶层的工序。
14.如权利要求12所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(A)包括：作为基板主体，准备由Alx1Gay1Inz1N(x1+y1+z1＝1、x1≥0、y1≥0、z1≥0)结晶形成的晶片的工序(a1)；及
在所述基板主体的上表面生长将表面作为所述基板构造物的主面而起作用Alx3Gay3Inz3N(x3+y3+z3＝1、x3≥0、y3≥0、z3≥0)结晶层的工序(a2)，
所述工序(B)包括：从所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域生长作为所述氮化合物系半导体层起作用的Alx2Gay2Inz2N(x2+y2+z2＝1、x2≥0、y2≥0、z2≥0)结晶层的工序。
15.如权利要求12所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域及横向生长区域沿与所述第1方向垂直的方向带状延伸。
16.如权利要求15所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述基板构造物的主面上的所述纵向生长区域由存在于所述基板构造物的主面的带状脊部限定。
17.如权利要求16所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(A)包括：
由具有限定所述纵向生长区域的图案的抗蚀掩模覆盖所述基板构造物的主面的工序；及
选择性地蚀刻所述基板构造物的主面中未由所述抗蚀掩模覆盖的部分的工序。
18.如权利要求16或17所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述氮化合物系半导体装置还包括覆盖所述基板构造物的主面的掩模层，
所述掩模层具有：在与所述纵向生长区域对应的位置设置的带状的开口部；及在与所述横向生长区域对应的位置设置的掩模部。
19.如权利要求18所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述掩模层的开口部的面积比所述掩模层的掩模部的面积的1.0倍大。
20.如权利要求13或14所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
包括：形成具有所述氮化合物系半导体层、及叠层于所述氮化合物半导体层上的其它半导体层的半导体叠层构造物的工序(C)，
所述工序(C)包括：形成具有比所述Alx2Gay2Inz2N结晶层的带隙小的带隙的活性层的工序(c1)；及形成用于对所述活性层的一部分注入载流子的电流狭窄构造的工序(c2)。
21.如权利要求20所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(c2)包括：在所述基板构造物的主面上的所述横向生长区域的正上方配置所述电流狭窄构造的工序。
22.如权利要求15所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(a2)包括：使所述Alx3Gay3Inz3N层的各构成元素的摩尔比率x3、y3及z3中的至少1个沿层厚方向变化的工序。
23.如权利要求22所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述Alx3Gay3Inz3N层具有多层构造。
24.如权利要求13所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
所述工序(a2)包括：在所述Alx3Gay3Inz3N层的生长过程中使生长温度变化的工序。
25.如权利要求12所述的氮化合物系半导体装置的制造方法，其特征在于，
X及Y的至少一方对应于处于晶片状态的所述基板构造物的主面上的位置而变化。
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