JP2002261329A

JP2002261329A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2002261329A
Application number: JP2001399152A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Inoguchi; 和彦猪口
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2002-09-13
Anticipated expiration: 2015-08-11
Also published as: JP3706577B2

Abstract

(57)【要約】【課題】エッチングが困難なIII族窒化物系化合物半
導体に対してエッチング技術を用いずにIII族窒化物系
化合物半導体発光素子の素子分離、電極形成、端面反射
鏡作製をする。【解決手段】本発明のＩＩＩ族窒化物系半化合物半導
体発光素子の製造方法は、ＳｉＣ基板上またはＩＩＩ族
窒化物系化合物半導体上に誘電体膜をパターン状に形成
する第１工程と、リアクターを水素雰囲気に置換した
後、有機金属化学的気相成長法により上記ＳｉＣ基板ま
たは上記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の上にＩＩＩ族
窒化物系半導体層を選択成長する第２工程を含むことを
特徴とする。

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
合物半導体を含む薄膜積層構造を用いた発光ダイオード
（以下ＬＥＤという）、半導体レーザなどのIII族窒化
物系化合物半導体発光素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、青色発光デバイスは、II−VI
族のＺｎＳｅ、IV−IV族のＳｉＣ、III−V族のＧａＮな
どを用いて研究が進められており、最近では、その中で
もIII族窒化物系化合物半導体が常温で、高効率の発光
をすることが示され注目を集めている。

【０００３】このように、高効率の発光をするIII族窒
化物系化合物半導体を用いた素子が期待されているにも
かかわらず、その研究が進展しなかった最も大きな原因
としては、III族窒化物系化合物半導体層を成長させる
ための格子定数または熱膨張係数の同じ適当な基板材料
が無いことである。

【０００４】近年、有機金属化合物化学的気相成長（Ｍ
ＯＣＶＤ法）によってサファイア基板上にIII族窒化物
系化合物半導体層を成長させる方法が報告されている。
つまり、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導
体層としてのＧａＮ、ＡｌＮなどのバッファ層を比較的
低温で成長させ、その上にＧａＮの成長を行うことによ
って成長層の表面状態、結晶性が著しく向上し、ノンド
ープＧａＮエピ層でバックグラウンドキャリア濃度の低
い良好な電気特性のものが得られることが報告されてい
る。また、このようにして形成した結晶性の良好なＧａ
ＮまたはＡｌＧａＮにｐ型不純物としてＭｇを添加し、
電子線照射または熱処理を行うことにより低抵抗のＰ型
層が得られることが報告されている。

【０００５】これらの結晶成長技術や価電子制御技術の
進展によりＡｌＧａＮとＩｎＧａＮを用いたダブルへテ
ロ構造を用いた青色ＬＥＤで１（ｃｄ）を超え、ＳｉＣ
を用いた青色ＬＥＤで商品化されている従来の素子に比
べて１００倍程度明るい素子が開発されるようになっ
た。

【０００６】上記のようにＧａＮ系化合物半導体を用い
て、屋外での使用にも十分耐えられる、十分な光度を持
った青色ＬＥＤが開発され、赤色、緑色のＬＥＤと組み
合わせたフルカラーディスプレイなどへの応用の期待が
高まっている。

【０００７】図ｌｌに現在作製されているＧａＮ系化合
物半導体を用いた青色ＬＥＤの構造を示している。

【０００８】図１１において、サファイア基板１１上
に、ＧａＮバッファ層３、ｎ型ＧａＮ成長層４、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層５、ＩｎＧａＮ発光層６、ｐ型Ａｌ
ＧａＮクラッド層７さらにｐ型ＧａＮコンタクト層８を
順次膜成長させる。このｐ型ＧａＮコンタクト層８上に
ｐ側電極１０を形成し、また、ｎ型ＧａＮ成長層４の途
中までの各成長層の両端部をエッチングして、ｎ型Ｇａ
Ｎ成長層４上にｎ側電極１３を形成する。以上により、
ＧａＮ系化合物半導体を用いた青色ＬＥＤが構成され
る。

【０００９】このように、ＧａＮ系化合物半導体は絶縁
物であるサファイア基板１１上に成長しているために、
ＬＥＤのｐ側またはｎ側の電極１０，１３を形成するに
は、いずれの電極１０，１３も成長層の表面側から形成
する必要があるため、例えばｎ側電極１３を形成するの
に、ｎ型ＧａＮ成長層４の途中まで各成長層をエッチン
グして除去することが必要になる。また、ＬＥＤを個々
のチップに分割する際のダメージをＩｎＧａＮ発光層６
などの活性層に及ぼさないようにするために、接合端面
をエッチングすることが必要である。

【００１０】このように、ＧａＮ系化合物半導体を用い
た発光デバイスまたは電子素子を作製する場合にそのエ
ッチング技術は必要不可欠なものであった。また、青か
ら紫外域までの短波長半導体レーザが実現できれば、例
えば光ディスクの記憶容量の増大など、今後のマルチメ
ディア時代に向けて大きな用途開発が期待されている。
このような半導体レーザを実現する場合には素子内に共
振器構造を作り込む必要がある。ＧａＡｓ系のIII−Ｖ
族半導体を用いた半導体レーザにおいては基板に用いら
れているＧａＡｓ結晶は、特定の結晶面に沿った劈開面
が存在するために、これを利用することにより、基板に
対して垂直の共振器用反射ミラーを容易に形成すること
ができる。しかしながら、ＧａＮ系化合物半導体の成長
において一般に用いられているサファイア基板は、上記
ＧａＡｓ結晶のような劈開面が存在しないために、半導
体レーザを作製するためにはエッチングなどの方法によ
って基板に垂直な鏡面の反射ミラーを形成することが必
要であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記したエッチング技
術は非常に重要なものであるが、III族窒化物系化合物
半導体は非常に化学的に安定な材料であるためにそのエ
ッチングは非常に困難なことが知られている。リン酸な
どを用いたＧａＮのウェットエッチングの報告例がある
ものの、このウェットエッチング方法では特定の形状に
制御性よくエッチングすることが非常に困難であり、Ｌ
ＥＤの作製には歩留まりや信頼性などの点から実用上問
題となっていた。

【００１２】また、近年、塩素系のガスを用いたリアク
ティブイオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチ
ングによるIII族窒化物系化合物半導体のエッチングに
関する報告もなされている。しかしこれらはまだ十分に
確立された技術とはいえず、特に、半導体レーザの反射
ミラーに用いられるような垂直な鏡面を得ることができ
ないのが現状であった。このことが、高効率の発光をす
るIII族窒化物系化合物半導体を用いた半導体レーザな
どの発光素子が期待されているにもかかわらず、いまだ
に実現されていないことの大きな原因の一つとなってい
た。

【００１３】このようなエッチング技術を用いずに、電
極形成、素子分離を行う技術として「特開昭５６−１５
０８８０号公報」には、絶縁性薄膜上に導電性多結晶窒
化ガリウム薄膜を形成することを用いた素子が報告され
ている。

【００１４】ところが、図１２に示すこの方法では、サ
ファイア基板１１上に設けられた単結晶ＧａＮ成長層４
の側面にはアルミナ上に形成された多結晶導電性薄膜５
１が存在しているため、ＭＩＳ型の発光素子にのみ適用
可能であって、近年開発されているｐｎ接合またはＤＨ
構造の高輝度ＬＥＤの場合には、ｐｎ接合界面にこの導
電性薄膜が接することになり、その適応が不可能であっ
た。

【００１５】一方、選択的にＧａＮ薄膜を形成する方法
として、一部をＳｉＯ_xで覆ったサファイア基板上へＡ
ｌＮバッファ層を介してＧａＮ成長を行うことにより可
能なことが文献（天野浩：名古屋大学博士過程論文・１
９８９年）に報告されている。また、一部をＳｉＯ₂で
覆ったｎ型ＧａＮ成長層（基板はサファイア）上にｐ型
ＧａＮ成長層を選択的に成長させることによるｐｎ接合
型ＬＥＤの作製も文献（１９９０年電気学会研究会資料
ＥＦＭ−９０−２３ｐ．５７）で報告されている。

【００１６】しかし、半導体レーザの端面反射鏡に用い
られるような垂直反射鏡を得ることについては何等言及
されておらず、これらの方法では実現不可能であった。

【００１７】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
で、エッチングが困難なIII族窒化物系化合物半導体に
対してエッチング技術を用いずにIII族窒化物系化合物
半導体発光素子の素子分離、電極形成、端面反射鏡作製
をすることができるIII族窒化物系化合物半導体発光素
子およびその製造方法を提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のIII族窒化物系
化合物半導体発光素子は、ＳｉＣ基板上またはＩＩＩ族
窒化物系化合物半導体上に誘電体膜をパターン状に形成
する第１工程と、リアクターを水素雰囲気に置換した
後、有機金属化学的気相成長法により上記ＳｉＣ基板ま
たは上記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の上にＩＩＩ族
窒化物系半導体層を選択成長する第２工程を含むもので
あり、そのことにより上記目的が達成される。

【００１９】また、ＳｉＣ基板上またはＩＩＩ族窒化物
系化合物半導体上に誘電体膜をパターン状に形成する第
１工程と、有機金属化学的気相成長法により上記ＳｉＣ
基板または上記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の上にシ
ランを流しｎ型ＩＩＩ族窒化物系半導体層を選択成長す
る第２工程を含むものであり、そのことにより上記目的
が達成される。

【００２０】さらに、好ましくは、上記誘電体膜がＳｉ
Ｏ₂膜、またはＳｉＯ₂膜とＳｉ₃Ｎ₄膜の積層膜である。

【００２１】上記構成により、以下、その作用を説明す
る。

【００２２】本発明の素子形成技術は、気相成長法また
は分子線エピタキシー法などによってIII族窒化物系化
合物半導体を成長させる際に、成長用基板、または予め
素子の最下層となるIII族窒化物系化合物半導体を成長
した基板上に誘電体薄膜を予めパターン状に形成した場
合に、この誘電体薄膜上にはIII族窒化物系化合物半導
体単結晶薄膜は膜成長せず、誘電体薄膜のない基板上に
のみIII族窒化物系化合物半導体薄膜が成長することを
利用したものである。

【００２３】本発明者らはこのような選択成長技術を応
用して、例えば、予め比較的厚めの誘電体薄膜を部分的
に形成した基板を用いて、誘電体薄膜のない領域にIII
族窒化物系化合物半導体の誘電体薄膜よりは層厚の薄い
層を成長させることにより、この誘電体薄膜とIII族窒
化物系化合物半導体薄膜との界面には電気的に不活性な
非常に安定な界面が形成されることを見いだした。この
ような安定な界面はそのままで素子分離の際の分離層と
して利用することが可能となる。

【００２４】また、誘電体薄膜の断面を垂直な鏡面を得
ることは比較的容易な技術であるが、この垂直鏡面誘電
体薄膜を選択成長の際に用いることによって、誘電体薄
膜とIII族窒化物系化合物半導体成長層との界面に半導
体レーザなどの発光素子の反射ミラーに適用可能な垂直
鏡面が得られることも見いだした。この垂直鏡面を用い
ることによって従来は実現されていなかったIII族窒化
物系化合物半導体レーザなどの発光素子が初めて実現で
きた。

【００２５】したがって、本発明においては、エッチン
グが困難なIII族窒化物系化合物半導体に対してエッチ
ング技術を用いずにIII族窒化物系化合物半導体素子の
素子分離、電極形成、端面反射鏡作製が可能となるため
に、これら素子の信頼性を大幅に改善することが可能と
なるとともに、製造過程も簡略化可能となり、このため
に、これら素子の実用化が進展することになる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。なお、以下に述べるIII族窒化物系化合物
半導体とは（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_1-yＮ（０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体を示している。（第１の実施の形態）本実施の形態では、ＳｉＣ基板上
にＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮのダブルヘテロ構造を作製し
て青色ＬＥＤを作製する場合であり、有機金属化学的気
相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってIII族窒化物系化合
物半導体薄膜を成長させた場合である。図１は本発明
の第１の実施の形態におけるIII族窒化物系化合物半導
体青色ＬＥＤの構造を示す断面図である。

【００２７】図１において、６Ｈ‐ＳｉＣ基板１上に格
子状に誘電体薄膜としてのＳｉＯ2膜２を膜厚約４μｍ
で設け、ＳｉＯ₂膜２の格子内の６Ｈ‐ＳｉＣ基板１上
に、III族窒化物系化合物半導体薄膜として、膜厚約２
０ｎｍのＧａＮバッファ層３、膜厚約２．５μｍのｎ型
ＧａＮ成長層４、膜厚約２００ｎｍのｎ型Ａｌ_0.lＧａ₀
_.9Ｎクラッド層５、膜厚５０ｎｍのＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ
発光層６、膜厚約２００ｎｍのＡｌ_0.lＧａ_0.9Ｎクラッ
ド層７、さらに膜厚３００ｎｍのＧａＮコンタクト層８
を順次設けている。このように、III族窒化物系化合物
半導体薄膜をＳｉＯ₂膜２の格子内に選択成長可能であ
りＳｉＯ₂膜２上には膜は成長せず、ＳｉＯ ₂膜２の格子
内の６Ｈ‐ＳｉＣ基板１上にのみ合計３．２５μｍのII
I族窒化物系化合物半導体によるダブルヘテロ積層構造
が構成される。

【００２８】さらに、６Ｈ‐ＳｉＣ基板１の裏面側にｎ
側電極としてのオーム性電極９が設けられ、ＧａＮ層８
上にｐ側電極としてのオーム性電極１０が設けられてい
る。以上により、本実施の形態における青色ＬＥＤが構
成される。

【００２９】この青色ＬＥＤは以下のようにして製造す
ることができる。

【００３０】まず、表面研磨の後に酸化処理によって表
面のダメージ層を除去したｎ型（０００１）Ｓｉ面の６
Ｈ‐ＳｉＣ基板１を用いてスパッタ法によりその上にＳ
ｉＯ ₂膜２を形成する。このＳｉＯ₂膜２の膜厚は約４μ
ｍとした。

【００３１】次に、通常のフォトリソグラフィーにより
ＳｉＯ₂膜２に、図２に示すように２５０μｍのＳｉＯ₂
膜２のない領域２１と、５０μｍの幅の格子状にパター
ン化されたＳｉＯ₂層（ＳｉＯ₂膜２を残した領域）２２
を形成する。このＳｉＯ₂膜２のエッチングにはバッフ
ァードフッ酸を用いた。このＳｉＯ₂層２２のパターン
を形成した６Ｈ‐ＳｉＣ基板１をＭＯＣＶＤ装置のリア
クターにセットし、リアクターを水素で良く置換した
後、水素を流しながら温度をｌｌ００℃まで上昇させて
２０分間保持し、ＳｉＯ₂膜２のない領域２１の６Ｈ‐
ＳｉＣ基板１表面のクリーニングを行う。

【００３２】その後、温度を５００℃まで下げ、水素に
加えて、アンモニア（ＮＨ₃）を毎分５リットル、トリ
メチルガリウム（以下ＴＭＧという）を毎分３×１０^-5
モル流しながら３分間保持してＧａＮバッファ層３を約
２０ｎｍの膜厚で成長させる。その後、このＴＭＧの流
れを止めて温度を１０５０℃まで上昇させる。その温度
が１０５０℃に安定したら再びＴＭＧ、シラン（ＳｉＨ
₄）を毎分０．３ｃｃ流し、１時間の膜成長で約２．５
μｍのｎ型ＧａＮ成長層４を成長させる。

【００３３】続いて、これらＮＨ₃、ＴＭＧ、トリメチ
ルアルミニウム（以下ＴＭＡという）を毎分６×１０^-6
モル、シラン（ＳｉＨ₄）を毎分０．３ｃｃ流し、５分
間の膜成長で約２００ｎｍのｎ型Ａｌ_0.lＧａ_0.9Ｎクラ
ッド層５を膜成長させる。このクラッド層の電子濃度は
２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００３４】さらに、これらＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ₄
の流れを止めて温度を８００℃まで下降させる。温度が
８００℃に安定したらＴＭＧおよびトリメチルインジウ
ム（以下ＴＭＩという）を毎分８×１０^-5モル、ジエチ
ルジンク（以下ＤＥＺという）を毎分１×１０^-8モル流
し、１分間の成長で５０ｎｍのＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ発光
層６を成長させる。ＺｎはこのＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎ発光
層６中で深いアクセプタ準位を形成し、このアクセプタ
準位を発光センターとする活性発光層となる。この活性
発光層からの室温での発光ピーク波長は約４５０ｎｍで
ある。

【００３５】さらに、これらのＴＭＤ、ＴＭＩ、ＤＥＺ
の流れを止めて温度を再び１０５０℃まで上昇させる。
温度が１０５０℃に安定したらＴＭＧ、ＴＭＡおよびビ
スシクロペンタジエニル（Ｃｐ₂Ｍｇ）を毎分５×１０-
6モル流し、５分間の膜成長で約２００ｎｍのＡｌ_0.lＧ
ａ_0.9Ｎクラッド層７を成長させる。続いて、ＴＭＡの
流れを止めてマグネシウムを添加し、７．５分間の膜成
長で３００ｎｍのＧａＮコンタクト層８を成長させる。

【００３６】以上の各層の膜成長により、図３に示すよ
うにＳｉＯ₂膜２のない領域２１の６Ｈ−ＳｉＣ基板１
上に合計３．２５μｍのIII族窒化物系化合物半導体に
よるダブルヘテロ積層構造が構成できる。この膜成長で
は選択成長が可能であり格子状のＳｉＯ₂層２２上には
膜は成長しない。このようにして得られたウェハを装置
から取り出し、窒素雰囲気中７００℃で２０分間の熱処
理を行うことにより、マグネシウムを添加したＡｌ_0.l
Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７およびＧａＮコンタクト層８の
低抵抗ｐ型化を行う。この処理により両層の正孔濃度は
約１×１０¹⁸ｃｍ ^-3となった。

【００３７】このｎ型６Ｈ‐ＳｉＣ基板１の裏面を研磨
することにより、基板裏面の成長付着物を除去した後、
ｎ型６Ｈ‐ＳｉＣ基板１へのオーム性電極のｎ側電極９
としてニッケルを部分的に形成し、また、ｐ型ＧａＮコ
ンタクト層８へのオーム性電極のｐ側電極１０として金
（Ａｕ）をそれぞれ真空蒸着により形成し、図３のよう
なＬＥＤチップウェハが形成される。最終的にＬＥＤを
個々のチップに分割するためにIII族窒化物系化合物半
導体成長層のない格子状のＳｉＯ₂層２２上からダイシ
ングして素子分割する。

【００３８】以上のようにして得られたＬＥＤチップに
おいては、III族窒化物系化合物半導体成長層とＳｉＯ₂
層２２との間には安定な界面が形成されており、−５Ｖ
の印加電圧における漏れ電流は１ｎＡ以下であり、ＤＣ
２０ｍＡ駆動による信頼性試験においても１万時間にお
いても３０％以下の光出力低下にとどまった。

【００３９】（第２の実施の形態）本実施の形態では、
ＳｉＣ基板１上にＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮのダブルヘテ
ロ構造を作製して青色ＬＥＤを作製する場合であり、第
１の実施の形態と異なるのは、選択成長に用いるＳｉＯ
₂膜２の膜厚を０．４μｍとし、膜成長させるIII族窒化
物系化合物半導体層の全層厚よりも薄くした場合であ
る。

【００４０】図４に本発明の第２の実施の形態における
III族窒化物系化合物半導体青色ＬＥＤの構造を示す断
面図である。

【００４１】図４において、６Ｈ‐ＳｉＣ基板１上に、
第１の実施の形態と同様の誘電体薄膜としてのＳｉＯ₂
膜２を格子状にパターニングした基板を用いて、有機金
属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって第１の実
施の形態と全く同様の手順によって、III族窒化物系化
合物半導体薄膜をそれぞれ膜成長させた。本実施の形態
においては、格子状にパターニングされたＳｉＯ₂層よ
りもIII族窒化物系化合物半導体薄膜層を厚く成長させ
るため、このIII族窒化物系化合物半導体薄膜層はＳｉ
Ｏ2層の膜厚以上の領域ではそれぞれ若干広がって膜成
長する。

【００４２】以上のようにして得られたＬＥＤチップに
おいても、−５Ｖの印加電圧における漏れ電流は１ｎＡ
以下であり、ＤＣ２０ｍＡ駆動による信頼性試験におい
ても１万時間においても３０％以下の光出力低下にとど
まった。

【００４３】また、このＬＥＤでは活性発光層の両端部
は完全に平行ではなく斜め角度を持ったものが形成され
ているので、平坦な端面が形成されているにもかかわら
ず共振器構造は形成されない。このことにより、注入電
流を増大させていっても発振が起こらず安定なＬＥＤモ
ードで発光強度のみが増大するスーパールミネッセント
ＬＥＤが形成できる。したがって、本実施の形態で得ら
れるＬＥＤはパルス駆動による高駆動電流での使用が有
利である。

【００４４】（第３の実施の形態）本実施の形態では、
成長層の表面状態、結晶性が著しく向上するサファイア
基板上にＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮのダブルヘテロ構造を
作製して青色ＬＥＤを作製する場合であり、有機金属化
学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってIII族窒化物
系化合物半導体薄膜を成長させた場合である。

【００４５】図５は本発明の第３の実施の形態における
III族窒化物系化合物半導体青色ＬＥＤの構造を示す断
面図である。

【００４６】図５において、サファイア基板ｌｌ上に、
III族窒化物系化合物半導体薄膜として、ＧａＮバッフ
ァ層３、ｎ型ＧａＮ成長層４、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド
層５、ＩｎＧａＮ発光層６、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
７さらにｐ型ＧａＮコンタクト層８を順次設けている。
このＩｎＧａＮ発光層６の両端面側に接するようにＳｉ
₃Ｎ₄膜１２が設けられており、また、ｎ型ＧａＮ成長層
４の両端面側に接するように電極層１３がサファイア基
板ｌｌ上に設けられている。以上のようにして青色ＬＥ
Ｄが構成される。

【００４７】この青色ＬＥＤは以下のようにして製造す
ることができる。

【００４８】まず、サファイアＣ面基板ｌｌ上にスパッ
タ法により誘電対膜としてのＳｉＯ ₂膜２、さらにＳｉ₃
Ｎ₄膜１２を連続的に形成する。このＳｉＯ₂膜２の膜厚
は２μｍ、Ｓｉ₃Ｎ₄膜１２の膜厚は２μｍとした。次
に、通常のフォトリソグラフィーにより図６ｂに示す格
子状のパターンに形成する。ここでは、２００μｍの幅
のＳｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂のない領域３１と、１５０μｍの
幅のＳｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂の格子状のパターン領域（Ｓｉ
Ｏ₂膜２／Ｓｉ₃Ｎ₄膜１２を残した領域）３２を形成し
た。このＳｉ₃Ｎ₄膜１２のエッチングにはリン酸を用
い、また、ＳｉＯ₂膜２のエッチングにはバッファード
フッ酸を用いた。このＳｉ₃Ｎ₄／ＳｉＯ₂の格子状のパ
ターン領域３２を形成したサファイア基板１１をＭＯＣ
ＶＤ装置のリアクターにセットし、このリアクターを水
素で良く置換した後、アンモニアを流しながら温度を１
１００℃まで上昇させて２０分間保持し、Ｓｉ₃Ｎ₄／Ｓ
ｉＯ₂のない領域３１のサファイア基板１１の表面の窒
化膜の成膜を行う。

【００４９】その後、温度を５００℃まで下げ、アンモ
ニア（ＮＨ₃）を毎分５リットル、トリメチルガリウム
（ＴＭＧ）を毎分３×１０^-5モル流しながら１分間保持
してＧａＮバッファ層３を約２０ｎｍの膜厚で成長させ
る。その後の膜成長は、第１の実施の形態と全く同様に
行うことにより、図３と同様のｎ型ＧａＮ成長層４、ｎ
型ＡｌＧａＮクラッド層５、ＩｎＧａＮ発光層６、ｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層７、ｐ型ＧａＮコンタクト層８の
成長層が順次得られる。このサファイア基板ｌｌは絶縁
性であるためにｎ型ＧａＮ成長層４へのオーム性電極１
３も基板上面側から形成する必要がある。このオーム性
電極１３の形成工程を以下に示す。

【００５０】図７に示すようにＳｉ₃Ｎ₄膜１２を部分的
にエッチングする。このとき、活性発光層であるＩｎＧ
ａＮ発光層６に接する部分のＳｉ₃Ｎ₄膜１２は約２０μ
ｍの幅の保護層として残しておく。その下部のＳｉＯ₂
膜２をバッファードフッ酸を用いたウェットエッチング
によって全て取り除き、その部分にｎ型ＧａＮ成長層４
へのオーム性電極のｎ側電極１３としてアルミニウムを
真空蒸着により形成する。さらに、ｐ型ＧａＮ層８への
オーム性電極のｐ側電極１０として金（Ａｕ）を真空蒸
着により形成することにより、図５に示すＬＥＤウェハ
が形成される。最終的に、このＬＥＤを個々のチップに
分割するために、アルミニウム電極層１３の上からダイ
シングすることによりすべての工程が終了する。

【００５１】以上のようにして得られたＬＥＤチップに
おいて、III族窒化物系化合物半導体成長層とＳｉ₃Ｎ₄
層との間には安定な界面が形成されており、−５Ｖの印
加電圧における漏れ電流は１ｎＡ以下であり、ＤＣ２０
ｍＡ駆動による信頼性試験においても１万時間において
も３０％以下の光出力低下にとどまった。

【００５２】（第４の実施の形態）本実施の形態は、Ｓ
ｉＣ基板上にＡｌＧａＮ／ＧａＮのダブルヘテロ構造を
作製して紫外ＬＤを作製する場合であり、有機金属化学
的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってIII族窒化物系
化合物半導体薄膜を成長させた場合である。

【００５３】図８ａは本発明の第４の実施の形態におけ
るIII族窒化物系化合物半導体紫外ＬＤの構造を示す断
面図、図８ｂはその平面図である。

【００５４】図８ａおよび図８ｂにおいて、６Ｈ‐Ｓｉ
Ｃ基板１上に、III族窒化物系化合物半導体薄膜とし
て、ＧａＮバッファ層３、ｎ型ＧａＮ成長層４、ｎ型Ａ
ｌＧａＮクラッド層５、ＧａＮ発光層６１、ｐ型ＡｌＧ
ａＮクラッド層７さらにｐ型ＧａＮコンタクト層８を順
次設けている。このIII族窒化物系化合物半導体層の両
端面側に接するように誘電体層としてのＳｉＯ₂膜２よ
りなる格子状パターンのＳｉＯ₂層２２が設けられてい
る。これらｐ型ＧａＮコンタクト層８およびＳｉＯ2層
２２上に保護膜としてのＡｌ₂Ｏ₃膜１４が設けられてい
る。このＡｌ₂Ｏ₃膜１４上にＡｕ／Ｎｉ積層膜よりなる
ｐ側電極１５が設けられており、Ａｕ／Ｎｉ積層膜より
なるｐ側電極１５は、Ａｌ₂Ｏ₃膜１４に形成されたスト
ライプを介してＧａＮコンタクト層８に直接接触してい
る。また、６Ｈ‐ＳｉＣ基板１の裏面には、オーム性電
極のｎ側電極９が全面に設けられている。以上のように
して紫外ＬＤが構成される。

【００５５】この紫外ＬＤは以下のようにして製造する
ことができる。

【００５６】まず、表面研磨の後に酸化処理によって表
面のダメージ層を除去したｎ型（０００１）Ｃ面から
〈１１２０〉方向に５度オフした６Ｈ‐ＳｉＣ基板１を
用い、スパッタ法により６Ｈ‐ＳｉＣ基板１上にＳｉＯ
₂膜２を形成する。このＳｉＯ₂膜２の膜厚は約４μｍと
した。

【００５７】次に、通常のフォトリソグラフィーにより
ＳｉＯ₂膜２に図２に示したのと同じパターンを形成す
る。図２のように２５０μｍのＳｉＯ₂膜２のない領域
２１と、５０μｍの幅の格子状パターンのＳｉＯ₂層２
２を形成する。本実施の形態におけるＬＤ作製において
は、選択成長によって形成するIII族窒化物系化合物半
導体層とＳｉＯ₂層２２との界面を反射ミラーとして利
用するために、この界面の基板に対する垂直性、平垣性
が重要である。選択成長に関する種々の実験検討の結果
からＳｉＯ₂などの誘電体層のエッチング面の方向をIII
族窒化物系化合物半導体結晶の結晶型である六方晶の一
辺である（１１００）方向にIII族窒化物系化合物半導
体層と誘電体層との界面が最も平坦な層が得られること
が判明した。したがって、ここでは、６Ｈ‐ＳｉＣ基板
１の（ｌｌ００）方向と平行にＳｉＯ2膜２のエッチン
グ面が得られるようにした。このＳｉＯ₂膜２のエッチ
ングにはＣＦ₄ガスを用いたＲＩＥ法を用い、垂直性に
優れたＳｉＯ₂のエッチング面を得た。このＳｉＯ₂膜２
の格子状パターンであるＳｉＯ₂層２２を形成した６Ｈ
‐ＳｉＣ基板１をＭＯＣＶＤ装置のリアクターにセット
し、このリアクターを水素で良く置換した後、水素を流
しながら温度を１３００℃まで上昇させて２０分間保持
し、ＳｉＯ₂膜２のない領域２１の６Ｈ‐ＳｉＣ基板１
表面のクリーニングを行う。

【００５８】その後、温度を５００℃まで下げ、アンモ
ニア（ＮＨ₃）を毎分５リットル、トリメチルガリウム
（ＴＭＧ）を毎分３×１０^-5モル流しながら３分間保持
してＧａＮバッファ層３を約２０ｎｍの膜厚で成長させ
る。さらに、このＴＭＧの流れを止めて温度を１０５０
℃まで上昇させる。温度が１０５０℃に安定したらＴＭ
Ｇ、ＮＨ₃、シラン（ＳｉＨ₄）を毎分０．３ｃｃ流し、
１時間の膜成長で約２．５μｍのｎ型ＧａＮ成長層４を
成長させる。

【００５９】続いて、ＮＨ₃、ＴＭＧに加えてトリメチ
ルアルミニウム（ＴＭＡ）を毎分６×１０^-6モル、シラ
ン（ＳｉＨ₄）を毎分０．３ｃｃ流し、２５分間の膜成
長で約１μｍのＡｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層５を成長
させる。このクラッド層５の電子濃度は２×１０¹⁸ｃｍ
^-3である。

【００６０】さらに、ＮＨ₃、ＳｉＨ₄の流れを止め、１
分間の膜成長で５０ｎｍのＧａＮ発光層６１を膜成長さ
せる。このノンドープＧａＮ発光層６がＬＤの活性層と
なる。室温での発振波長は約３６６ｎｍである。

【００６１】さらに、ＴＭＡおよびＣｐ₂Ｍｇを毎分５
×１０^-6モル流し、２５分間の膜成長で約１μｍのｐ型
Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層７を膜成長させる。続い
て、ＴＭＡの流れを止め、７．５分間の膜成長で３００
ｎｍのＧａＮコンタクト層８を膜成長させる。

【００６２】以上の各膜成長により、図８ｂのようにＳ
ｉＯ₂膜２のない領域２１の６Ｈ−ＳｉＣ基板１上に合
計４．８５μｍのIII族窒化物系化合物半導体によるダ
ブルヘテロ積層構造を構成することができる。この膜成
長では、III族窒化物系化合物半導体の、ＳｉＯ₂膜２の
ない領域２１への選択成長が可能であり、格子状パター
ンのＳｉＯ₂層２２上にはIII族窒化物系化合物半導体膜
は成長しない。このようにして得られたウェハを装置か
ら取り出し、窒素雰囲気中７００℃の温度で２０分間の
熱処理を行うことにより、マグネシウムを添加したＡｌ
_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層７およびＧａＮコンタクト層
８の低抵抗ｐ型化を行う。この処理により両層の正孔濃
度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3となった。

【００６３】さらに、エピ層の上に保護膜としてＡｌ₂
Ｏ₃膜１４を電子ビーム蒸着により形成し、幅が３μｍ
の電極ストライプ構造を形成して電極とし、このストラ
イプを介してＧａＮコンタクト層８に直接接触するよう
にＡｕ／Ｎｉ積層膜１５を形成する。さらに、（１１０
０）方向に沿って形成したＳｉＯ₂膜２とIII族窒化物系
化合物半導体積層膜との界面を反射ミラーとして利用す
るために、この部分のＳｉＯ₂層２２を２０μｍの幅だ
け残してエッチング除去する。さらに、６Ｈ‐ＳｉＣ基
板１の裏面の成長付着物を研磨除去した後、基板へのオ
ーム性電極のｎ側電極９としてＮｉを全面に蒸着するこ
とにより図８に示す半導体レーザ素子が形成できる。

【００６４】このようにして形成した半導体レーザ素子
に電流を流したところ、８０ｍＡ（約ｌ×１０⁴Ａ／ｍ²
の電流密度）の電流で３６６ｎｍの紫外域でのレーザ発
振が観測された。その比較例として同じウェハを用いて
選択成長法を用いずにエッチングにより反射ミラーを形
成した場合は、さらに大電流を加えてもレーザ発振は観
測されなかった。上記のような選択成長による良好な反
射ミラーの形成がレーザ発振が達成できた原因と考えら
れる。

【００６５】したがって、予め比較的厚めの誘電体薄膜
を格子状パターンに部分的に形成した基板を用いて、誘
電体薄膜のない領域にIII族窒化物系化合物半導体の誘
電体薄膜よりは層厚の薄い層を成長させることにより、
この誘電体薄膜とIII族窒化物系化合物半導体薄膜との
界面には電気的に不活性な非常に安定な界面が形成され
る。このような安定な界面はそのままで素子分離の際の
分離層として利用することが可能となる。また、誘電体
薄膜の断面を垂直な鏡面を得ることは比較的容易な技術
であるが、この垂直鏡面誘電体薄膜を選択成長の際に用
いることによって、誘電体薄膜とIII族窒化物系化合物
半導体成長層との界面に発光素子の反射ミラーに適用可
能な垂直鏡面が得られる。

【００６６】このようにして、本実施の形態において
は、エッチング技術を用いずにIII族窒化物系化合物半
導体素子の素子分離、電極形成、端面反射鏡作製が可能
となるために、これら素子の信頼性を大幅に改善するこ
とが可能となるとともに、製造過程も簡略化可能とな
り、このために、これら素子の実用化が進展する。

【００６７】（第５の実施の形態）本実施の形態では、
サファイア基板１１上にＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮのダブ
ルヘテロ構造を作製した青紫色ＬＤの場合であり、有機
金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によってIII族
窒化物系化合物半導体薄膜を成長した場合である。

【００６８】図９ａは本発明の第５の実施の形態におけ
るIII族窒化物系化合物半導体青紫色ＬＤの構造を示す
断面図、図９ｂはその平面図である。

【００６９】図９ａおよび図９ｂにおいて、サファイア
基板１１上にIII族窒化物系化合物半導体薄膜が設けら
れており、III族窒化物系化合物半導体薄膜下部のｎ型
ＧａＮ成長層４上にｎ側電極１３が設けられている。ま
た、III族窒化物系化合物半導体薄膜上部のＧａＮコン
タクト層８上に保護膜としてのＡｌ₂Ｏ₃膜１４が設けら
れている。このＡｌ₂Ｏ₃膜１４上にはｐ側電極１０が設
けられており、このｐ側電極１０はＡｌ₂Ｏ₃膜１４のス
トライプを介してＧａＮコンタクト層８と直接接触して
いる。以上のようにして青紫色ＬＤが構成される。

【００７０】この青紫色ＬＤは以下のようにして製造す
ることができる。

【００７１】まず、（０００１）面のサファイア基板１
１をＭＯＣＶＤ装置のリアクターにセットし、リアクタ
ーを水素で良く置換した後、アンモニアと水素を流しな
がら温度を１２００℃まで上昇させて１０分間保持し、
サファイア基板ｌｌ表面の窒化処理を行う。

【００７２】その後、温度を５００℃まで下げ、アンモ
ニア（ＮＨ₃）を毎分５リットル、トリメチルガリウム
（ＴＭＧ）を毎分３×１０^-5モル流しながら３分間保持
してＧａＮバッファ層３を約２０ｎｍの膜厚で成長させ
る。さらに、ＴＭＧの流れを止めて温度を１０５０℃ま
で上昇させる。温度が１０５０℃に安定したら再びＴＭ
Ｇに加えてシラン（ＳｉＨ₄）を毎分０．３ｃｃを流
し、１時間の膜成長で約２．５μｍのｎ型ＧａＮ成長層
４を膜成長させる。

【００７３】この後、ｎ型ＧａＮ成長層４を２．５μｍ
成長させたサファイア基板１１をＭＯＣＶＤ装置から取
り出して、スパッタ装置に導入し、スパッタ法により
１．５μｍの膜厚のＳｉＯ₂膜２を形成する。このＳｉ
Ｏ₂膜２の１．５μｍの膜厚は、続いて成長するIII族窒
化物系化合物半導体多層膜の合計層厚より大きい値であ
る。

【００７４】次に、ＲＩＥ法を用いＳｉＯ₂膜２に対し
て図２に示すような、２５０μｍの幅のＳｉＯ₂膜２の
ない領域２１と５０μｍの幅の格子状パターンのＳｉＯ
₂層２２を形成する。この場合、ＳｉＯ₂膜２のエッチン
グ断面は基板面に対して９０°±１°に形成することが
できた。

【００７５】このＳｉＯ₂層２２の格子状パターンが形
成されたｎ型ＧａＮ成長層４を２．５μｍ成長したサフ
ァイア基板ｌｌをＭＯＣＶＤ装置のリアクターに再び導
入し、リアクターを水素で良く置換した後、ＮＨ₃、Ｔ
ＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を毎分６×１
０^-6モル、シラン（ＳｉＨ₄）を毎分０．３ｃｃ流し、
１２分間の膜成長で約５００ｎｍのｎ型Ａｌ_0.lＧａ_0.9
Ｎクラッド属５を成長させる。このクラッド層５の電子
濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００７６】さらに、これらＴＭＧ、ＴＭＡ、ＳｉＨ₄
の流れを止めて温度を８００℃まで下降させる。温度が
８００℃に安定したらＴＭＧおよびトリメチルインジウ
ム（ＴＭＩ）を毎分４×１０^-4モル流し、１２秒間の膜
成長で１０ｎｍのＩｎ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ発光層６を成長さ
せる。この発光層６からの室温での発光ピーク波長は約
４３２ｎｍである。さらに、これらのＴＭＧ、ＴＭＩの
流れを止めて温度を再び１０５０℃まで上昇させる。温
度が１０５０℃に安定したらを毎分５×１０^-6モル流
し、１２分間の膜成長で約５００ｎｍの膜厚のＡｌ_0.l
Ｇａ_0.9Ｎクラッド層７を成長させる。続いて、ＴＭＡ
の流れを止めてマグネシウムを添加し、７．５分間の膜
成長で３００ｎｍのＧａＮコンタクト層８を成長させ
る。

【００７７】以上のIII族窒化物系化合物半導体薄膜の
成長により、図１０のようにＳｉＯ₂膜２のない領域２
１のｎ型ＧａＮ成長層４上に合計１．３１μｍのIII族
窒化物系化合物半導体によるダブルヘテロ積層構造を成
長させることができる。この膜成長では、選択成長が可
能であり、格子状パターンのＳｉＯ₂層２２上にはIII族
窒化物系化合物半導体膜は成長しない。このようにして
得られたウェハを装置から取り出し、窒素雰囲気中７０
０℃で２０分間の熱処理を行うことにより、マグネシウ
ムを添加したＡｌ_0.lＧａ_0.9Ｎクラッド層７およびＧａ
Ｎコンタクト層８の低抵抗ｐ型化を行う。この処理によ
り両層の正孔濃度は約ｌ×１０¹⁸ｃｍ^-3となった。

【００７８】その後、バッファードフッ酸によりＳｉＯ
₂層２２を除去した後、ｎ型ＧａＮ成長層４へのオーム
性電極のｎ側電極１３としてアルミニウムを、真空蒸着
により形成し、続いて、ｐ型ＧａＮコンタクト層８上に
保護膜としてＡｌ₂Ｏ₃膜１４を電子ビーム蒸着により形
成し、幅が３μｍの電極ストライプ構造を形成し、ｐ型
ＧａＮコンタクト層８へのオーム性電極のｐ側電極１０
として金（Ａｕ）をそれぞれ真空蒸着により形成し、図
１０のようなＬＤウェハが形成される。最終的に、ＬＤ
を個々のチップに分割するためにアルミニウムよりなる
ｎ側電極１３の部分またはｎ型ＧａＮ成長層４部分をダ
イシングする。ＳｉＯ₂膜２２を除去した後のIII俸窒化
物系化合物半導体層は、そのままで反射ミラーとなるた
め、図９ａおよび図９ｂに示す半導体レーザ素子がIII
族窒化物系化合物半導体層をエッチングすることなしに
形成できる。この半導体レーザ素子に電流を流したとこ
ろ、７０ｍＡの電流でレーザ発振が観測された。その発
振波長は約４３２ｎｍである。

【００７９】したがって、基板１上に予め形成され、格
子状にパターン化された誘電体膜としてのＳｉＯ₂膜２
により、III族窒化物系化合物半導体層の選択成長を行
うことにより、III族窒化物系化合物半導体層に対して
エッチング技術を用いずに素子分離、電極形成、端面反
射鏡が形成できる。

【００８０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、選択成長
によるIII族窒化物系化合物半導体成長を用いることに
より、III族窒化物系化合物半導体に対してエッチング
技術を用いずに発光素子、電子素子における素子分離、
電極形成を行うことができ、歩留まり良く信頼性の高い
発光素子を得ることができる。

【００８１】また、エッチングが困難なIII族窒化物系
化合物半導体に対してエッチング技術を用いずに、半導
体レーザ素子に必要な垂直鏡面が得られるため、従来実
現されていなかったIII族窒化物系化合物半導体を用い
た短波長半導体レーザを実用化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態におけるIII族窒化
物系化合物半導体青色ＬＥＤの構造を示す断面図であ
る。

【図２】図１の青色ＬＥＤの誘電体膜パターン化工程に
おける図であって、ａはその断面図、ｂはその平面図で
ある。

【図３】図１の青色ＬＥＤウェハの一作製工程を示す断
面図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態におけるIII族窒化
物系化合物半導体青色ＬＥＤの構造を示す断面図であ
る。

【図５】本発明の第３の実施の形態におけるIII族窒化
物系化合物半導体青色ＬＥＤの構造を示す断面図であ
る。

【図６】図５の青色ＬＥＤの誘電体膜パターン化工程に
おける図であって、ａはその断面図、ｂはその平面図で
ある。

【図７】図５の青色ＬＥＤウェハの一作製工程を示す断
面図である。

【図８】ａは本発明の第４の実施の形態におけるIII族
窒化物系化合物半導体紫外ＬＤの構造を示す断面図、ｂ
はその平面図である。

【図９】ａは本発明の第５の実施の形態におけるIII族
窒化物系化合物半導体青紫色ＬＤの構造を示す断面図、
ｂはその平面図である。

【図１０】図９の青紫色ＬＤの一作製工程を示す断面図
である。

【図１１】従来のIII族窒化物系化合物半導体ＤＨ型青
色ＬＥＤの構造を示す断面図である。

【図１２】従来のIII族窒化物系化合物半導体ＭＩＳ型
青色ＬＥＤの構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１ｎ型ＳｉＣ基板２ＳｉＯ₂膜３ＧａＮバッファ層４ｎ型ＧａＮ成長層５ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層６ＩｎＧａＮ発光層７ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層８ｐ型ＧａＮコンタクト層９ｎ側電極１０ｐ側電極１１サファイア基板１２Ｓｉ₃Ｎ₄膜１３ｎ側電極１４Ａｌ₂Ｏ₃膜１５Ｐ側電極２１ＳｉＯ₂膜２を除去した領域２２ＳｉＯ₂膜２を残した領域（ＳｉＯ₂層）３１ＳｉＯ₂膜２／Ｓｉ₃Ｎ₄膜１２を除去した領域３２ＳｉＯ₂膜２／Ｓｉ₃Ｎ₄膜１２を残した領域６１ＧａＮ発光層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA11 AA41 CA04 CA34 CA65 CA74 CA76 5F045 AA04 AB14 AB17 AC01 AC08 AC12 AC19 AD09 AD12 AD14 AD17 AF02 AF09 CA11 CA12 DA53 DB02 HA01 5F073 AA03 AA21 CA07 CB05 CB07 CB10 CB11 CB14 DA05 DA25 DA31 DA34 EA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳｉＣ基板上またはＩＩＩ族窒化物系化
合物半導体上に誘電体膜をパターン状に形成する第１工
程と、リアクターを水素雰囲気に置換した後、有機金属化学的
気相成長法により上記ＳｉＣ基板または上記ＩＩＩ族窒
化物系化合物半導体の上にＩＩＩ族窒化物系半導体層を
選択成長する第２工程を含むことを特徴とするＩＩＩ族
窒化物系化合物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】ＳｉＣ基板上またはＩＩＩ族窒化物系化
合物半導体上に誘電体膜をパターン状に形成する第１工
程と、有機金属化学的気相成長法により上記ＳｉＣ基板
または上記ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体の上にシラン
を流しｎ型ＩＩＩ族窒化物系半導体層を選択成長する第
２工程を含むことを特徴とするＩＩＩ族窒化物系化合物
半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】上記誘電体膜がＳｉＯ₂膜、またはＳｉ
Ｏ₂膜とＳｉ₃Ｎ₄膜の積層膜であることを特徴とする請
求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物系化合物半導体
発光素子の製造方法。