JP2001291703A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2001291703A JP2000395312A JP2000395312A JP2001291703A JP 2001291703 A JP2001291703 A JP 2001291703A JP 2000395312 A JP2000395312 A JP 2000395312A JP 2000395312 A JP2000395312 A JP 2000395312A JP 2001291703 A JP2001291703 A JP 2001291703A
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semiconductor layer
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賢児 折田
Masahiro Ishida
昌宏 石田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能で信頼性の高い半導体装置を製造でき
る製造方法を提供する。 【解決手段】 III族窒化物系化合物半導体からなる第
１の半導体層１２を、窒素原子を含む気体中で加熱する
工程と、その後、第１の半導体層１２上に、III族窒化
物系化合物半導体からなる第２の半導体層１３を結晶成
長させる工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、III族窒化物系化
合物半導体を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＧａＮに代表されるIII族窒化物
半導体を用いた青色半導体レーザの研究が盛んになって
いる。この青色半導体レーザは、光ディスクの再生装置
の光源などに用いることができる。
【０００３】青色半導体レーザを製造する場合、真空装
置内での結晶成長と、大気中での作業とを交互に繰り返
すことが必要になる場合がある。たとえば、埋め込みリ
ッジ型のレーザを製造する場合には、真空装置内で基板
上にIII族窒化物半導体層を形成したのち、基板を大気
曝露して電流狭窄層を形成する。その後、基板を再び真
空装置内に配置し、III族窒化物半導体層の上に別のIII
族窒化物半導体層を結晶成長させる。この場合、最初に
形成された半導体層の表面には、大気暴露の際に酸化層
が形成されたり不純物が付着したりする。このため、大
気暴露ののちに、最初に形成された半導体層の表面処理
を行うことが特に重要になる。この表面処理では、半導
体層表面の荒れを防ぎながら、半導体層表面に付着した
酸化層や不純物を除去することが求められる。
【０００４】従来から、III族窒化物半導体層に対する
表面処理の方法が報告されている。たとえば、エピタキ
シャル成長によってＧａＮからなる半導体層が形成され
た基板（以下、この基板をエピタキシャル基板という）
を、熱濃燐酸を用いて処理する方法が報告されている。
また、エピタキシャル基板をアルカリ溶液中で電解エッ
チングする方法が報告されている。また、アルカリ溶液
中に浸漬したエピタキシャル基板にＧａＮのバンドギャ
ップエネルギーよりもエネルギーが大きい光を照射して
エッチングする方法も報告されている（特開平９−２３
２６８１号公報）。アルカリ溶液を用いる方法では、Ｇ
ａＮに対するエッチング速度を大きくするために電流を
流したり光を照射したりしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱濃燐
酸を用いて表面処理する方法では、熱濃燐酸の温度むら
によって半導体層の表面の平坦性が低下してしまうとい
う問題があった。また、アルカリ溶液中でエッチングす
る方法でも、アルカリ溶液中の局所的な電流むらや光照
射のむらが生じることによって、半導体層の表面の平坦
性が低下してしまうという問題があった。このような半
導体層表面の平坦性の低下は、エピタキシャル基板上に
結晶成長させる他のIII族窒化物半導体の結晶性を低下
させ、半導体装置の物理的・電気的特性が低下してしま
うという問題があった。
【０００６】上記問題を解決するため、本発明は、高性
能で信頼性の高い半導体装置を製造できる製造方法を提
供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体装置の第１の製造方法は、（ｉ）II
I族窒化物系化合物半導体からなる第１の半導体層を、
窒素原子を含む気体中で加熱する工程と、（ii）前記
（ｉ）の工程ののち、前記第１の半導体層上に、III族
窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体層を結晶成
長させる工程とを含む。上記第１の製造方法では、第１
の半導体層の表面の平坦性を低下させることなく第１の
半導体層の表面に存在する付着物や酸化層を除去でき
る。したがって、上記第１の製造方法によれば、結晶性
がよい第２の半導体層を結晶成長させることができ、高
性能で信頼性の高い半導体装置を製造できる。
【０００８】上記第１の製造方法では、前記気体が、窒
素ガス、アンモニア、ヒドラジン、およびヒドラジン誘
導体から選ばれる少なくとも１つのガスを含んでもよ
い。
【０００９】上記第１の製造方法では、前記工程（ｉ）
において、前記第１の半導体層を５００℃〜１０００℃
の範囲内の温度で加熱してもよい。
【００１０】また、本発明の半導体装置の第２の製造方
法は、（ａ）III族窒化物系化合物半導体からなる第１
の半導体層を、前記第１の半導体層に電流が流れない状
態でアルカリ性水溶液に浸漬する工程と、（ｂ）前記
（ａ）の工程ののち、前記第１の半導体層上にIII族窒
化物系化合物半導体からなる第２の半導体層を結晶成長
させる工程とを含む。上記第２の製造方法では、第１の
半導体層の表面の平坦性を低下させることなく第１の半
導体層の表面に存在する付着物（酸化層や不純物）を除
去できる。したがって、上記第２の製造方法によれば、
結晶性がよい第２の半導体層を結晶成長させることがで
き、高性能で信頼性の高い半導体装置を製造できる。
【００１１】上記第２の製造方法では、前記（ａ）の工
程ののちであって前記（ｂ）の工程の前に、前記第１の
半導体層を、窒素原子を含む気体中で加熱する加熱工程
をさらに含んでもよい。上記構成によれば、（ａ）の工
程中に第１の半導体層の表面に付着する水分や酸化層を
除去できるため、結晶性が特によい第２の半導体層を形
成できる。
【００１２】上記第２の製造方法では、前記気体が、窒
素ガス、アンモニア、ヒドラジン、およびヒドラジン誘
導体から選ばれる少なくとも１つのガスを含んでもよ
い。
【００１３】上記第２の製造方法では、前記加熱工程に
おいて、前記第１の半導体層を５００℃〜１０００℃の
範囲内の温度で加熱してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら説明する。なお、以下の記載で
は、図３を除いて反応装置の図示を省略する。
【００１５】（実施形態１）実施形態１では、本発明の
半導体装置の製造方法について一例を説明する。実施形
態１の半導体装置の製造方法について、製造工程を図１
に示す。
【００１６】実施形態１の製造方法では、まず、図１
（Ａ）に示すように、基板１１上に、III族窒化物系化
合物半導体からなる第１の半導体層１２を結晶成長させ
る。第１の半導体層１２は、たとえば、有機金属気相エ
ピタキシャル成長法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｖａ
ｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＯＶＰＥ）
や、ハイドライド気相エピタキシャル成長法（Ｈｙｄｒ
ｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：Ｈ
ＶＰＥ）、分子線エピタキシャル成長法（Ｍｏｌｅｃｕ
ｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）によって
形成できる。第１の半導体層１２は、ＭＯＶＰＥ装置、
ＨＶＰＥ装置、またはＭＢＥ装置などの反応装置内で形
成される。
【００１７】基板１１には、サファイア基板やIII族窒
化物系化合物半導体からなる基板を用いることができ
る。
【００１８】第１の半導体層１２は、III属窒化物系化
合物半導体、すなわちＶ族元素として窒素を含むIII−
Ｖ族化合物半導体からなる。III族元素としては、Ｇ
ａ、ＡｌおよびＩｎから選ばれる少なくとも１つの元素
を用いることができる。また、第１の半導体層１２は、
Ｖ族元素として、窒素に加えて砒素やリンを含んでもよ
い。具体的には、第１の半導体層１２の材料として、Ｇ
ａXＩｎYＡｌ1-X-YＮ（ただし、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦
１、Ｘ＋Ｙ≦１）で表される半導体を用いることができ
る。なお、第１の半導体層１２は、ドーパントを含んで
もよい。また、基板１１と第１の半導体層１２との間
に、III族窒化物系化合物半導体からなる他の半導体層
が形成されていてもよい。
【００１９】その後、第１の半導体層１２が形成された
基板１１を反応装置から取り出し、基板１１の除去や、
半導体層の加工を行う。たとえば、実施例で説明するよ
うに、反応装置内で第１の半導体層と電流狭窄層とを連
続的に形成したのち、反応装置から基板を取り出し、電
流狭窄層の加工を行う。この際、第１の半導体層１２の
表面には、酸化層や不純物が付着することになる。
【００２０】その後、第１の半導体層１２を、窒素原子
を含む気体中で加熱する（工程（ｉ））。この工程によ
って、第１の半導体層１２の表面に存在する付着物や酸
化層が除去される。工程（ｉ）は、反応装置の内部に第
１の半導体層１２を配置し、基板１１を加熱しながら窒
素原子を含む気体を反応装置内に導入することによって
行うことができる。具体的には、ＭＯＶＰＥ装置、ＨＶ
ＰＥ装置、またはＭＢＥ装置を用いることができる。
【００２１】窒素原子を含む気体としては、たとえば、
窒素ガス、アンモニア、ヒドラジン、およびヒドラジン
誘導体から選ばれる少なくとも１つを含むガスが挙げら
れる。ヒドラジン誘導体としては、たとえば、ジメチル
ヒドラジンが挙げられる。
【００２２】上記工程（ｉ）では、第１の半導体層１２
を５００℃〜１０００℃の範囲内の温度で加熱すること
が好ましい。特に、ヒドラジンを含む雰囲気で加熱を行
う場合には、ヒドラジンの分解によって水素が発生して
比較的低温でも付着物が除去されやすくなるため、５０
０℃〜９００℃の範囲内の温度で加熱することが好まし
い。また、窒素ガスを含む雰囲気で加熱を行う場合は、
６００℃〜１０００℃の範囲内の温度で加熱することが
好ましい。また、アンモニアを含む雰囲気で加熱を行う
場合には、６００℃〜９００℃の範囲内の温度で加熱す
ることが好ましい。
【００２３】次に、図１（Ｂ）に示すように、第１の半
導体層１２上に、III族窒化物系化合物半導体からなる
第２の半導体層１３を結晶成長させる（工程（ii））。
工程（ii）は、工程（ｉ）の処理を施した第１の半導体
層１２を大気曝露することなく行われる。具体的には、
反応装置内で工程（ｉ）を行った後、同一反応装置内で
工程（ii）を行えばよい。
【００２４】第２の半導体層１３は、第１の半導体層１
２と同様の方法によって形成できる。第２の半導体層１
３は、III属窒化物系化合物半導体、すなわち、Ｖ族元
素として窒素を含むIII−Ｖ族化合物半導体からなる。I
II族元素としては、Ｇａ、ＡｌおよびＩｎから選ばれる
少なくとも１つを用いることができる。また、第２の半
導体層１３は、Ｖ族元素として、窒素に加えて砒素やリ
ンを含んでもよい。具体的には、第２の半導体層１３の
材料として、第１の半導体層１２と同様に、ＧａXＩｎY
Ａｌ1-X-YＮ（ただし、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋
Ｙ≦１）を用いることができる。第２の半導体層１３
は、第１の半導体層１２と同じ半導体からなるものでも
よいし、第１の半導体層１２とは異なる半導体からなる
ものでもよい。また、第２の半導体層１３はドーパント
を含んでもよい。
【００２５】実施形態１の半導体装置の製造方法は、上
記製造工程を含み、さらに、製造する半導体装置に応じ
て実施例で説明するような他の製造工程を含む。実施形
態１の製造方法では、工程（ｉ）において、第１の半導
体層１２を過度にエッチングすることなく表面に存在す
る酸化層および不純物を除去する。さらに、実施形態１
の製造方法では、窒素原子を含む雰囲気中で加熱処理を
行うため、加熱処理の際に第１の半導体層１２の表面か
ら窒素が脱離することを防止できる。その結果、実施形
態１の製造方法によれば、大気に曝した第１の半導体層
１２上に、結晶性がよい第２の半導体層１３を形成でき
る。
【００２６】（実施形態２）実施形態２では、本発明の
半導体装置の製造方法について、他の一例を説明する。
なお、実施形態１で説明した部分と同様の部分について
は、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００２７】実施形態２の製造方法について、製造工程
を図２に示す。実施形態２の製造方法では、まず、図２
（Ａ）に示すように、基板１１上に、III族窒化物系化
合物半導体からなる第１の半導体層１２を形成する。第
１の半導体層１２は、実施形態１で説明した方法で形成
でき、反応装置内で形成される。なお、第１の半導体層
１２は、ドーパントを含んでもよい。また、基板１１と
第１の半導体層１２との間に、III族窒化物系化合物半
導体からなる他の半導体層が形成されていてもよい。
【００２８】その後、実施形態１と同様の理由で、第１
の半導体層１２が形成された基板１１を反応装置内から
取り出し、加工を行う。
【００２９】その後、図２（Ｂ）に示すように、第１の
半導体層１２に電流が流れない状態で第１の半導体層１
２をアルカリ性水溶液２１に浸漬する（工程（ａ））。
具体的には、第１の半導体層１２の禁制帯幅以上のエネ
ルギーを有する光が第１の半導体層１２に照射されない
状態で浸漬を行う。アルカリ性水溶液としては、たとえ
ば、水酸化カリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、
またはアンモニア水溶液を用いることができる。第１の
半導体層１２の種類や処理の条件によっても異なるが、
たとえば、ｐＨ値が９〜１３程度のアルカリ性水溶液を
用いることができる。また、アルカリ性水溶液の温度
は、２０℃〜１３０℃の範囲内であることが好ましい。
第１の半導体層１２をアルカリ性水溶液に浸漬する時間
は、アルカリ性水溶液のｐＨによっても異なるが、たと
えば１分〜１０分である。この工程（ａ）によって、第
１の半導体層１２を過度にエッチングすることなく、第
１の半導体層１２の表面に存在する不純物や酸化層を除
去できる。
【００３０】工程（ａ）ののち、第１の半導体層１２
を、窒素原子を含む気体中で加熱する（加熱工程）。こ
の加熱工程は、実施形態１で説明した工程（ｉ）と同様
の方法で行うことができ、反応装置内で行うことができ
る。ただし、この加熱工程では、工程（ａ）ののちに第
１の半導体層１２の表面に形成される薄い酸化層が除去
できればよいため、加熱温度は工程（ｉ）よりも低くて
もよい。具体的には、第１の半導体層１２を５００℃〜
１０００℃の範囲内の温度で加熱することが好ましく、
６００℃〜９００℃の範囲内の温度で加熱することがよ
り好ましい。なお、この加熱工程は省略してもよい。
【００３１】次に、第１の半導体層１２上に、III族窒
化物系化合物半導体からなる第２の半導体層１３を結晶
成長させる（工程（ｂ））。工程（ｂ）は、加熱工程の
のち、第２の半導体層１３を大気曝露することなく行
う。具体的には、反応装置内で加熱工程を行ったのち、
同一装置内で工程（ｂ）を行えばよい。
【００３２】第２の半導体層１３は、実施形態１で説明
した方法で形成できる。第２の半導体層１３は、第１の
半導体層１２と同じ半導体からなるものでもよいし、第
１の半導体層１２とは異なる半導体からなるものでもよ
い。なお、第２の半導体層１３はドーパントを含んでも
よい。
【００３３】実施形態２の半導体装置の製造方法は、上
記製造工程を含み、さらに、製造する半導体装置に応じ
て実施例で説明するような他の製造工程を含む。実施形
態２の製造方法では、第１の半導体層１２を過度にエッ
チングすることなく表面に存在する酸化層や不純物を除
去するため、大気曝露された第１の半導体層１２上に、
結晶性がよい第２の半導体層１３を形成できる。特に、
実施形態２の製造方法では、加熱工程における熱処理温
度が低くてもよいため、第１の半導体層１２に与える影
響がより小さくなり、結晶性が特によい第２の半導体層
１３を形成できる。
【００３４】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に
説明する。
【００３５】（実施例１）実施例１では、実施形態１の
製造方法でｐｎ接合を形成した一例について説明する。
【００３６】まず、図３（Ａ）に示すように、反応装置
内で、サファイア基板３１上に、ｎ−ＧａＮ層（ｎ形の
ＧａＮ層）３２を結晶成長させた。以下、サファイア基
板３１とｎ−ＧａＮ層３２とをまとめて基板３３という
場合がある。
【００３７】次に、基板３３を反応装置から取り出し、
ダスト除去や脱脂のため、基板３３を有機溶媒で洗浄し
た。その後、図３（Ｂ）に示すように、基板３３をＭＯ
ＶＰＥ装置３４内に搬入した。ＭＯＶＰＥ装置３４は、
チャンバ３５と、チャンバ３５に接続されたガス導入ラ
イン３６および排気ライン３７と、チャンバ３５の周囲
に配置された高周波コイル３８と、チャンバ３５内に配
置された基板ステージ３９とを備える。そして、ＭＯＶ
ＰＥ装置３４の内部で基板３３を加熱することによっ
て、ｎ−ＧａＮ層３２の表面に付着している酸化層や不
純物を除去した。この加熱処理は、基板温度が８００℃
で、加熱処理時間が５分の条件で行った。また、加熱処
理は、水素ガス：アンモニア＝１５：４（流量比）の混
合ガスによって１．０１×１０5Ｐａ（１気圧）にした
ＭＯＶＰＥ装置３４内で行った。具体的には、水素ガス
の流量を１５ｓｌｍとし、アンモニアの流量を４ｓｌｍ
とした。ここで、「ｓｌｍ」は流量の単位であり、「１
ｓｌｍ」は、標準状態の気体１Ｌを１分間に流すことを
意味する。
【００３８】加熱処理ののち、基板３３の温度を１００
０℃にし、図３（Ｃ）に示すように、ＭＯＶＰＥ装置３
４内でＭＯＶＰＥ法を用いてｎ−ＧａＮ層３２の上にｐ
−ＧａＮ層（ｐ形のＧａＮ層）４０を結晶成長させた。
なお、図３（Ｃ）では、ＭＯＶＰＥ装置３４の図示を省
略する。このようにして、ｎ−ＧａＮ層３２とｐ−Ｇａ
Ｎ層４０とからなるｐｎ接合４１を形成した。
【００３９】一方、比較のため、加熱処理を水素ガスの
みの雰囲気下で行った他は実施例１と同様の方法でｐｎ
接合（以下、比較例のｐｎ接合という）を作製した。
【００４０】実施例１および比較例のｐｎ接合につい
て、ｐ−ＧａＮ層の表面を光学顕微鏡で観察した。この
とき、光学顕微鏡の拡大率を１０００倍として写真撮影
を行って評価した。ｐｎ接合４１のｐ−ＧａＮ層４０の
観察結果を図４（Ａ）に、比較例のｐ−ＧａＮ層の観察
結果を図４（Ｂ）に、模式的に示す。
【００４１】図４（Ａ）に示すように、ｐ−ＧａＮ層４
０の表面は、凹凸がほとんどない鏡面であった。これ
は、ｎ−ＧａＮ層３２の表面が、凹凸がほとんどない鏡
面であったためと考えられる。一方、比較例のｐｎ接合
におけるｐ−ＧａＮ層４０の表面には、図４（Ｂ）に示
すように、表面に数μｍのピット４２が形成されてい
た。これは、水素雰囲気中での加熱処理によってｎ−Ｇ
ａＮ層の表面のＧａＮが分解し、ｎ−ＧａＮ層の表面の
平坦性が低下したためであると考えられる。このことか
ら、窒素を含む雰囲気中で加熱処理を行うことによっ
て、加熱処理による第１の半導体層（ｎ−ＧａＮ層）の
分解を抑制し、表面が鏡面である結晶性の良好な第２の
半導体層（ｐ−ＧａＮ層）を形成できることがわかっ
た。
【００４２】また、実施例１のｐｎ接合４１と比較例の
ｐｎ接合とについて、二次イオン質量分析法（ＳＩＭ
Ｓ）によって評価を行った。その結果、ｐｎ接合４１の
接合界面（ｎ−ＧａＮ層３２とｐ−ＧａＮ層４０との界
面）に存在する炭素および酸素の濃度は、それぞれ２×
１０18／ｃｍ3、２×１０17／ｃｍ3であった。一方、比
較例のｐｎ接合の接合界面に存在する炭素および酸素の
濃度は、それぞれ１×１０19／ｃｍ3、６×１０18／ｃ
ｍ3であった。このことから、実施例１の製造方法で
は、アンモニア雰囲気中での加熱処理を行うことによっ
て、ｎ−ＧａＮ層３２の表面の酸化層および不純物が効
果的に除去されたことがわかった。
【００４３】次に、ｐｎ接合４１と比較例のｐｎ接合と
について、電流−電圧特性を測定した。ｐｎ接合４１の
電流−電圧特性（線ａ）と比較例のｐｎ接合の電流−電
圧特性（線ｂ）とを、図５に示す。図５のように、ｐｎ
接合４１の立ち上がり電圧は３．４Ｖであったのに対
し、比較例のｐｎ接合の立ち上がり電圧は４．１Ｖであ
った。このことから、従来の表面処理では形成できなか
った良好なｐｎ接合が、実施例１の表面処理によって形
成できたことがわかった。これは、第１の半導体層（ｎ
−ＧａＮ層）の表面の清浄化が効果的に行われたためで
あると考えられる。
【００４４】また、実施例１のｐｎ接合４１と比較例の
ｐｎ接合とについて、ｐ−ＧａＮ層の抵抗率を測定し
た。その結果、比較例のｐ−ＧａＮ層の抵抗率が０．３
Ω・ｃｍであったのに対し、ｐ−ＧａＮ層４０の抵抗率
は０．１Ω・ｃｍであった。このことからも、アンモニ
ア雰囲気中で基板３３を加熱処理することによって、結
晶性の良好な第２の半導体層（ｐ−ＧａＮ層）を形成で
きることがわかった。
【００４５】（実施例２）実施例２では、加熱処理にお
ける加熱温度を変えたことを除いて実施例１と同様の方
法でｐｎ接合を形成した一例について説明する。
【００４６】実施例２の加熱処理は、実施例１と同様
に、加熱処理の時間を５分とした。また、実施例１と同
様に、加熱処理時のガス雰囲気をアンモニアと水素ガス
との混合ガス雰囲気（アンモニアの流量を４ｓｌｍ、水
素ガスの流量を１５ｓｌｍとする）として、その圧力を
１．０１×１０5Ｐａ（１気圧）とした。そして、加熱
処理時の基板３３の温度を４００℃〜１０００℃で変化
させて複数のｐｎ接合を形成した。
【００４７】それぞれのｐｎ接合について、ｐ−ＧａＮ
層の表面の光学顕微鏡観察と、ｐ−ＧａＮ層の表面の凹
凸の測定とを行った。また、接合界面の炭素および酸素
の濃度を測定した。測定結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
【００４９】表１中、凹凸の値は、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉ
ｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で評価したＲ
ＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）値である。
なお、基板温度が４００℃、４５０℃、９５０℃および
１０００℃のサンプルでは、ｐ−ＧａＮ層の表面のうち
大きな荒れがない場所を選んで凹凸を測定した。
【００５０】また、加熱処理の温度を４５０℃および９
５０℃としたときのｐ−ＧａＮ層の表面の光学顕微鏡に
よる観察結果を、それぞれ、図６（Ａ）および（Ｂ）に
示す。光学顕微鏡による観察は、拡大率を１０００倍と
して行った。
【００５１】表１の結果より、加熱処理の温度が５００
℃以上９００℃以下の範囲内の場合には表面の荒れが認
められないことがわかった。また、図６（Ａ）および
（Ｂ）から、加熱処理の温度が４５０℃または９５０℃
の場合には、ｐ−ＧａＮ層の表面が荒れていることがわ
かった。これは、以下の理由によるものと考えられる。
加熱処理の温度が５００℃未満になると、ｎ−ＧａＮ層
の表面に付着した酸化層や不純物が除去されにくくな
り、ｎ−ＧａＮ層の表面が汚れたものとなり、その上に
結晶成長されるｐ−ＧａＮ層の表面が荒れる。また、加
熱処理の温度が９５０℃以上になると、ｎ−ＧａＮ層の
表面から窒素の抜けが起こり、ｎ−ＧａＮ層の表面が荒
れ、結果としてその上に結晶成長されるｐ−ＧａＮ層の
表面が荒れる。そのため、加熱温度は、５００℃〜９０
０℃の範囲内で行うことが好ましい。
【００５２】なお、実施例１および実施例２では、加熱
処理時のガス雰囲気をアンモニアと水素の混合ガス雰囲
気としたが、窒素原子を含む雰囲気であれば、他の雰囲
気であってもよい。たとえば、窒素ガス雰囲気、ヒドラ
ジン雰囲気、ジメチルヒドラジン雰囲気、アンモニア雰
囲気中において加熱処理を行っても同様の効果が得られ
る。
【００５３】（実施例３）実施例３では、実施形態１の
製造方法で電流狭窄層を備える半導体レーザを作製した
一例について、図７を参照しながら説明する。
【００５４】まず、ｎ−ＧａＮからなる基板７１を用意
した。基板７１は、サファイア基板上にｎ−ＧａＮ層を
結晶成長させた後、サファイア基板を研磨によって除去
して作製した。次に、基板７１を、実施例１と同様の条
件で表面の清浄化を行った。具体的には、ＭＯＶＰＥ装
置内において、アンモニアと水素との混合ガス雰囲気中
での加熱処理を行った。
【００５５】加熱処理ののち、図７（Ａ）に示すよう
に、基板７１上に、ｎ形ＡｌＧａＮからなるクラッド層
７２（厚さ：１μｍ）、ｎ形ＧａＮからなる光ガイド層
７３（厚さ：０．３μｍ）、ＩｎＧａＮからなる活性層
７４、ｐ形ＧａＮからなる光ガイド層７５（厚さ：０．
０５μｍ）、ｐ形ＡｌＧａＮからなる第１のｐ−ＡｌＧ
ａＮクラッド層７６（厚さ０．０５μｍ）、およびｎ形
ＡｌＧａＮからなる電流狭窄層７７（厚さ０．５μｍ）
を、ＭＯＶＰＥ法によって順次形成した。クラッド層７
２におけるＡｌとＧａとの原子数比は、Ａｌ：Ｇａ＝１
０：９０とした。活性層７４は多重量子井戸構造を有す
る。具体的には、活性層７４は、厚さのＩｎＧａＮから
なる障壁層（厚さ：３ｎｍ。図示せず。）と、ＩｎＧａ
Ｎからなる井戸層（厚さ：６ｎｍ。図示せず。）とによ
って構成される。障壁層におけるＩｎとＧａとの原子数
比は３：９７とし、井戸層におけるＩｎとＧａとの原子
数比は１５：８５とした。
【００５６】次に、基板７１をＭＯＶＰＥ装置から取り
出し、図７（Ｂ）に示すように、電流狭窄層７７に、幅
２μｍのストライプ状の開口部７７ｈをエッチングによ
って形成した。
【００５７】次に、基板７１を再度ＭＯＶＰＥ装置内に
搬入し、実施例１と同様の条件で加熱処理を行い、第１
のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７６および電流狭窄層７７
の表面を清浄化した。
【００５８】次に、図７（Ｃ）に示すように、第１のｐ
−ＡｌＧａＮクラッド層７６および電流狭窄層７７上
に、ｐ形ＡｌＧａＮからなる第２のｐ−ＡｌＧａＮクラ
ッド層７８（厚さ：１μｍ）と、ｐ形ＧａＮからなるコ
ンタクト層７９（厚さ：０．１μｍ）とを順次、ＭＯＶ
ＰＥ法によって形成した。第２のｐ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層７８におけるＡｌとＧａとの原子数比は１０：９０
とした。
【００５９】最後に、図７（Ｃ）に示すように、基板７
１の裏面にｎ側電極８０を形成し、コンタクト層７９の
上にｐ側電極８１を形成することによって、半導体レー
ザ（半導体装置）８２を作製した。
【００６０】一方、比較例として、電流狭窄層７７に対
する加熱処理を水素ガスのみの雰囲気で行った以外は、
半導体レーザ８２と同様の条件で半導体レーザを作製し
た。以下、この半導体レーザを比較例の半導体レーザと
いう。
【００６１】半導体レーザ８２の電流−光出力特性（線
ａ）と、比較例の半導体レーザの電流−光出力特性（線
ｂ）とを、図８に示す。図８の結果から、半導体レーザ
８２の閾値電流および動作電流が、比較例の半導体レー
ザよりも小さいことがわかる。これは、実施例１で説明
した加熱処理によって第１のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
７６の表面が十分に清浄化されたたために結晶性がよい
第２のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７８が形成され、その
結果、第１のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層７６と第２のｐ
−ＡｌＧａＮクラッド層７７との界面における電気抵抗
や光損失が低減されたためであると考えられる。
【００６２】半導体レーザ８２および比較例の半導体レ
ーザについて、ライフテストを行った。ライフテスト
は、複数の半導体レーザを、２５℃の温度において一定
の光出力（３０ｍＷ）で動作させることによって行っ
た。比較例の半導体レーザは、ライフテスト開始から１
０００時間経過後で約半数が動作不能となった。残り半
数の半導体レーザも、動作電流が平均で６０％増加する
など、素子特性の著しい劣化が見られた。一方、半導体
レーザ８２は、ライフテスト開始から１０００時間経過
後でも全数が動作し、動作電流の上昇は平均で２％であ
った。このように、実施例３の半導体レーザでは、信頼
性が飛躍的に向上した。
【００６３】（実施例４）実施例４では、実施形態２の
製造方法によってｐｎ接合を形成した一例について、図
９を参照しながら説明する。
【００６４】まず、図９（Ａ）に示すように、反応装置
内で、サファイア基板９１の上にｎ−ＧａＮ層（ｎ形Ｇ
ａＮ層）９２を結晶成長させた。以下、サファイア基板
９１とｎ−ＧａＮ層９２とをまとめて基板９３という場
合がある。
【００６５】次に、基板９３を反応装置から取り出し、
ダスト除去や脱脂のため、有機溶媒を用いて基板９３を
洗浄した。そして、図９（Ｂ）に示すように、水酸化カ
リウム水溶液９４（ｐＨ＝１３、９０℃）中に５分間、
基板９３を浸漬し、ｎ−ＧａＮ層９２の表面に付着して
いる酸化層や不純物を除去した。この工程において、ｎ
−ＧａＮ層９２に電流が流れた場合には、ｎ−ＧａＮ層
９２のエッチング速度が大きくなってｎ−ＧａＮ層９２
の表面が荒れてしまう。そのため、図９（Ｂ）の工程で
は、水酸化カリウム水溶液９４に対して電流を流した
り、ｎ−ＧａＮ層９２の禁制帯幅よりもエネルギーが大
きい光がｎ−ＧａＮ層９２に照射されないようにした。
図９（Ｂ）の表面処理では、ｎ−ＧａＮ層９２の表面に
付着している薄い酸化層および不純物を除去すればよい
ため、ｎ−ＧａＮ層９２の表面付近のごく薄い層のみを
除去すればよい。
【００６６】その後、ＭＯＶＰＥ装置内に基板９３を投
入した。そして、基板９３を１０００℃に加熱し、図９
（Ｃ）に示すように、ＭＯＶＰＥ法を用いて、ｎ−Ｇａ
Ｎ層９２の上にｐ−ＧａＮ層（ｐ形ＧａＮ層）９５を結
晶成長させ、これによってｐｎ接合９６を形成した。
【００６７】実施例４の製造方法では、水酸化カリウム
水溶液を用いてｎ−ＧａＮ層９２の表面に付着している
酸化層の除去や不純物の除去を行っているので、ｎ−Ｇ
ａＮ層９２の表面の荒れを防止しながら酸化層の除去や
不純物の除去を効率よく行うことができる。特に、酸化
層は水酸化カリウム水溶液に容易に溶解するので、ｎ−
ＧａＮ層９２の表面に存在する酸化層を効率よく除去す
ることができる。実施例４の製造方法では、表面の酸化
層や不純物が除去されたｎ−ＧａＮ層９２の上にｐ−Ｇ
ａＮ層９５を結晶成長させるため、結晶性の良好なｐ−
ＧａＮ層９５を形成することができる。
【００６８】一方、比較のため、比較例のｐｎ接合を形
成した。この比較例では、ｎ−ＧａＮ層９２に対して従
来から行われてきた燐酸による表面処理を行ったのちｐ
−ＧａＮ層を形成してｐｎ接合を作製した。そして、ｐ
ｎ接合９６および比較例のｐｎ接合について、特性を評
価した。
【００６９】ｐｎ接合９６に関し、ｐ−ＧａＮ層９５の
表面を、光学顕微鏡を用いて１０００倍の倍率で写真撮
影して観察した。その結果、ｐ−ＧａＮ層９５の表面
は、凹凸のほとんどない鏡面であった。これは、ｎ−Ｇ
ａＮ層９２の表面が凹凸のほとんどない鏡面であり、そ
の上に形成されたｐ−ＧａＮ層９５の表面が鏡面になっ
たためであると考えられる。
【００７０】また、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）
によって接合界面の不純物の評価を行った。その結果、
ｐｎ接合９６の界面（ｎ−ＧａＮ層９２とｐ−ＧａＮ層
９５との界面）に存在する炭素および酸素の濃度は、そ
れぞれ２×１０18／ｃｍ3、および２×１０17／ｃｍ3で
あった。一方、比較例のｐｎ接合の接合界面に存在する
炭素および酸素の濃度は、それぞれ１×１０19／ｃ
ｍ3、６×１０18／ｃｍ3であった。このことから、実施
例４の表面処理によって、ｎ−ＧａＮ層９２の表面に存
在する酸化層および不純物が効果的に除去され、ｎ−Ｇ
ａＮ層９２の表面の清浄化が効果的に行われたことがわ
かった。
【００７１】次に、ｐｎ接合９６と比較例のｐｎ接合と
について、電流−電圧特性を測定した。ｐｎ接合９６の
電流−電圧特性（線ａ）と、比較例のｐｎ接合の電流−
電圧特性（線ｂ）とを、図１０に示す。図１０に示すよ
うに、ｐｎ接合９６の立ち上がり電圧が３．４Ｖであっ
たのに対し、比較例のｐｎ接合の立ち上がり電圧は４．
１Ｖであった。このことから、従来の表面処理では形成
できなかった良好なｐｎ接合が、実施例４の製造方法に
よって形成できたことがわかる。これは、ｎ−ＧａＮ層
９２の表面の清浄化が効果的に行われたためと考えられ
る。
【００７２】また、ｐ−ＧａＮ層の抵抗率を測定したと
ころ、比較例のｐｎ接合では０．３Ω・ｃｍであった
が、ｐｎ接合９６では０．１Ω・ｃｍであった。このこ
とから、実施例４の表面処理によって、結晶性の良好な
ｐ−ＧａＮ層９２を形成できたことがわかった。
【００７３】なお、実施例４の製造方法において、水酸
化カリウム水溶液の代わりに水酸化ナトリウム水溶液や
アンモニア水溶液を用いても同様の効果が得られる。
【００７４】（実施例５）実施例５では、実施形態２の
製造方法で電流狭窄層を備える半導体レーザを作製した
一例について、図１１を参照しながら説明する。
【００７５】まず、ｎ形ＧａＮからなる基板１１１を用
意した。基板１１１は、基板７１と同様の方法で作製し
た。
【００７６】次に、基板１１１に対して、実施例４と同
様の条件で水酸化カリウム水溶液を用いた表面処理を行
った。その後、基板１１１をＭＯＶＰＥ装置内に移し、
基板１１１に対して、実施例１と同様の条件でアンモニ
アと水素との混合ガス雰囲気中における加熱処理を行っ
た。
【００７７】加熱処理ののち、図１１（Ｂ）に示すよう
に、基板１１１上に、ｎ形ＡｌＧａＮからなるクラッド
層１１２（厚さ：１μｍ）、ｎ形ＧａＮからなる光ガイ
ド層１１３（厚さ：０．３μｍ）、ＩｎＧａＮからなる
活性層１１４、ｐ形ＧａＮからなる光ガイド層１１５
（厚さ：０．０５μｍ）、ｐ形ＡｌＧａＮからなる第１
のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１６（厚さ０．０５μ
ｍ）、およびｎ形ＡｌＧａＮからなる電流狭窄層１１７
（厚さ０．５μｍ）を、ＭＯＶＰＥ法によって順次形成
した。クラッド層１１２におけるＡｌとＧａとの原子数
比は、Ａｌ：Ｇａ＝１０：９０とした。活性層１１４
は、活性層７４と同様の多重量子井戸構造とした。
【００７８】次に、基板１１１をＭＯＶＰＥ装置から取
り出し、図１１（Ｂ）に示すように、エッチングによっ
て電流狭窄層１１７に幅２μｍのストライプ状の開口部
１１７ｈを形成した。
【００７９】次に、基板１１１に対して、実施例４と同
様の条件で水酸化カリウム水溶液を用いた表面処理を行
った。その後、基板１１１を再度ＭＯＶＰＥ装置内に搬
入した。そして、ＭＯＶＰＥ装置内で、実施例１と同様
の条件でアンモニアと水素との混合ガス雰囲気中におけ
る加熱処理を行った。
【００８０】加熱処理ののち、図１１（Ｃ）に示すよう
に、第１のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１６および電流
狭窄層１１７上に、ｐ形ＡｌＧａＮからなる第２のｐ−
ＡｌＧａＮクラッド層１１８（厚さ：１μｍ）と、ｐ形
ＧａＮからなるコンタクト層１１９（厚さ：０．１μ
ｍ）とを順次、ＭＯＶＰＥ法によって形成した。ｐ−Ａ
ｌＧａＮクラッド層１１８におけるＡｌとＧａとの原子
数比は１０：９０とした。
【００８１】最後に、図１１（Ｃ）に示すように、基板
１１１の裏面にｎ側電極１２０を形成し、コンタクト層
１１９の上にｐ側電極１２１を形成することによって、
半導体レーザ（半導体装置）１２２を作製した。
【００８２】一方、比較例として、基板１１１および電
流狭窄層１１７に対する表面処理を、従来から用いられ
ている燐酸を用いて行った以外は、半導体レーザ８２と
同様の条件で半導体レーザを作製した。以下、この半導
体レーザを比較例の半導体レーザという。
【００８３】実施例５の製造方法では、基板１１１およ
び電流狭窄層１１７に対して、水酸化カリウム水溶液に
よる表面処理の後にアンモニアと水素との混合ガス雰囲
気中での加熱処理を行っている。このため、水酸化カリ
ウム水溶液に浸漬した際に付着する水分子を除去するこ
とができ、基板１１１および電流狭窄層１１７の表面を
特に清浄にできる。その結果、基板１１１上に結晶成長
されるIII族窒化物系化合物半導体の結晶性を特に良好
にできる。
【００８４】半導体レーザ１２２の電流−光出力特性
（線ａ）と、比較例の半導体レーザの電流−光出力特性
（線ｂ）とを、図１２に示す。図１２の結果から、半導
体レーザ１２２の閾値電流および動作電流が、比較例の
半導体レーザよりも小さいことがわかる。これは、第１
のｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１６の表面が十分に清浄
化されたたために結晶性がよい第２のｐ−ＡｌＧａＮク
ラッド層１１８が形成され、その結果、第１のｐ−Ａｌ
ＧａＮクラッド層１１６と第２のｐ−ＡｌＧａＮクラッ
ド層１１７との界面における電気抵抗や光損失が低減さ
れたためであると考えられる。
【００８５】半導体レーザ１２２および比較例の半導体
レーザに対してライフテストを行った。ライフテスト
は、複数の半導体レーザを、２５℃の温度において一定
の光出力（３０ｍＷ）で動作させることによって行っ
た。比較例の半導体レーザは、ライフテスト開始から１
０００時間後で約半数が動作不能となった。残り半数の
半導体レーザも、動作電流が平均で６０％増加するな
ど、素子特性の著しい劣化が見られた。一方、半導体レ
ーザ１２２は、ライフテスト開始から１０００時間経過
後でも全数が動作し、動作電流の上昇は平均で２％であ
った。このように、実施例５の半導体レーザでは、信頼
性が飛躍的に向上した。
【００８６】以上、本発明の実施の形態について例を挙
げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定され
ず本発明の技術的思想に基づき他の実施形態に適用する
ことができる。
【００８７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の第１および第２の製造方法では、窒化物系化合物半
導体からなる第１の半導体層の表面を、表面の平坦性を
維持したまま清浄化する。そのため、本発明の製造方法
によれば、窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体
層を結晶性よく第１の半導体層上に結晶成長させること
ができ、その結果、特性がよく信頼性の高い半導体装置
を製造できる。
【００８８】本発明の半導体装置の製造方法は、少なく
とも２つのIII族窒化物系化合物半導体層が積層された
半導体装置に適用でき、たとえば、半導体レーザ、発光
ダイオード、ＦＥＴなどに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半導体装置の製造方法について一例
の製造工程を示す断面図である。
【図２】 本発明の半導体装置の製造方法について他の
一例の製造工程を示す断面図である。
【図３】 本発明の半導体装置の製造方法についてその
他の一例の製造工程を示す断面図である。
【図４】 （Ａ）本発明の半導体装置の製造方法で作製
したｐｎ接合と（Ｂ）比較例の半導体装置の製造方法で
作製したｐｎ接合とについて、表面の状態の一例を模式
的に示す図である。
【図５】 本発明の半導体装置の製造方法で作製したｐ
ｎ接合と比較例の半導体装置の製造方法で作製したｐｎ
接合とについて、電流−電圧特性の一例を示す図であ
る。
【図６】 本発明の半導体装置の製造方法で作製したｐ
ｎ接合について、加熱処理の温度を（Ａ）４５０℃およ
び（Ｂ）９５０℃としたときの、表面の状態の一例を模
式的に示す図である。
【図７】 本発明の半導体装置の製造方法についてさら
にその他の一例の製造工程を示す断面図である。
【図８】 本発明の半導体装置の製造方法で製造された
半導体レーザと比較例の半導体レーザとについて、電流
−光出力特性の一例を示す図である。
【図９】 本発明の半導体装置の製造方法について他の
一例の製造工程を示す断面図である。
【図１０】 本発明の半導体装置の製造方法で作製した
ｐｎ接合と比較例の半導体装置の製造方法で作製したｐ
ｎ接合とについて、電流−電圧特性の他の一例を示す図
である。
【図１１】 本発明の半導体装置の製造方法についてそ
の他の一例の製造工程を示す断面図である。
【図１２】 本発明の半導体装置の製造方法で製造され
た半導体レーザと比較例の半導体レーザとについて、電
流−光出力特性の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１、３３、７１、９３、１１１ 基板 １２ 第１の半導体層 １３ 第２の半導体層 ２１、９４ アルカリ性水溶液 ３１、９１ サファイア基板 ３２、９２ ｎ−ＧａＮ層 ３４ ＭＯＶＰＥ装置 ３５ チャンバ ３６ ガス導入ライン ３７ 排気ライン ３８ 高周波コイル ３９ 基板ステージ ４０、９５ ｐ−ＧａＮ層 ４１、９６ ｐｎ接合 ４２ ピット ７２、１１２ クラッド層 ７３、７５、１１３、１１５ 光ガイド層 ７４、１１４ 活性層 ７６、７８、１１６、１１８ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド
層 ７７、１１７ 電流狭窄層 ７７ｈ、１１７ｈ 開口部 ８０、１２０ ｎ側電極 ８１、１２１ ｐ側電極 ８２、１２２ 半導体レーザ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 油利 正昭 大阪府高槻市幸町１番１号 松下電子工業 株式会社内 Ｆターム(参考） 5F004 AA14 BA19 BB26 DA00 DA25 DB19 EA10 EA34 FA07 5F041 AA40 CA40 CA65 5F043 AA16 BB06 DD15 5F073 AA21 AA45 AA55 AA74 BA06 CA07 CB05 CB07 DA05 EA23 EA28

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ｉ）III族窒化物系化合物半導体から
    なる第１の半導体層を、窒素原子を含む気体中で加熱す
    る工程と、 （ii）前記（ｉ）の工程ののち、前記第１の半導体層上
    に、III族窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体
    層を結晶成長させる工程とを含む半導体装置の製造方
    法。
  2. 【請求項２】 前記気体が、窒素ガス、アンモニア、ヒ
    ドラジン、およびヒドラジン誘導体から選ばれる少なく
    とも１つのガスを含む請求項１に記載の半導体装置の製
    造方法。
  3. 【請求項３】 前記（ｉ）の工程において、前記第１の
    半導体層を５００℃〜１０００℃の範囲内の温度で加熱
    する請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項４】 （ａ）III族窒化物系化合物半導体から
    なる第１の半導体層を、前記第１の半導体層に電流が流
    れない状態でアルカリ性水溶液に浸漬する工程と、 （ｂ）前記（ａ）の工程ののち、前記第１の半導体層上
    にIII族窒化物系化合物半導体からなる第２の半導体層
    を結晶成長させる工程とを含む半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記（ａ）の工程ののちであって前記
    （ｂ）の工程の前に、 前記第１の半導体層を、窒素原子を含む気体中で加熱す
    る加熱工程をさらに含む請求項４に記載の半導体装置の
    製造方法。
  6. 【請求項６】 前記気体が、窒素ガス、アンモニア、ヒ
    ドラジン、およびヒドラジン誘導体から選ばれる少なく
    とも１つのガスを含む請求項５に記載の半導体装置の製
    造方法。
  7. 【請求項７】 前記加熱工程において、前記第１の半導
    体層を５００℃〜１０００℃の範囲内の温度で加熱する
    請求項５または６に記載の半導体装置の製造方法。
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