JP2003100634A - 窒化物半導体層、半導体素子及び半導体デバイスおよびそれらの作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化物半導体と基板の熱膨張係数の差に由来
する歪と応力の発生を低減し、高品質の窒化物半導体層
並びに前記窒化物半導体層により高性能なデバイスを作
製することが可能な窒化ガリウム層、半導体素子及び半
導体デバイスおよびそれらの作製方法を提供すること。 【解決手段】 異種基板上１に成長させた窒化物半導体
層（窒化ガリウム）層２において、窒化ガリウム層２は
相互に孤立した円柱もしくは多角柱の形状からなり、窒
化ガリウム層２の厚さが円柱の底面の円の直径もしくは
前記多角柱の底面の多角形の対角線の中で最長径の０．
０５倍以上であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体層、
半導体素子及び半導体デバイスおよびそれらの作製方法
に係る。

【０００２】

【従来の技術】従来、窒化物半導体の基板ウエハを作製
することが困難であることから、サファイアや炭化ケイ
素等の異種基板の上に窒化ガリウム薄膜を結晶成長さ
せ、その上に窒化ガリウムもしくはIII族窒化物半導体
層を積層することにより、半導体デバイスを作製してき
た。

【０００３】一般には、窒化物半導体層の成長膜厚を増
加させることや、中間部分に結晶の欠陥を低減する層を
挿入することによって、結晶の品質を向上しデバイスの
動作特性を向上することが可能である。また、半導体レ
ーザーのような素子においては光閉じ込めにできるだけ
厚いクラッド層を用いるほうが光の損失が少なくなると
言う利点がある。

【０００４】しかしながら、窒化物結晶の結晶成長に用
いる温度は、窒化ガリウムや窒化アルミニウムおよびそ
の混晶の場合で通常１０００℃以上、窒化インジウムガ
リウム混晶の場合でも７００℃以上と高温であることか
ら、結晶成長時と半導体素子の加工・使用を行なう室温
との間で大きな温度差がある。この温度差が大きいこと
と、基板の熱膨張係数と窒化物半導体の熱膨張係数が異
なることによって、窒化物半導体中に応力が生じる。例
えば、サファイア基板のように基板の方が熱膨張係数が
大きい場合には、窒化物半導体が縮み難いために窒化物
半導体は横から押される（圧縮）応力を受ける。逆に、
窒化ケイ素基板のように基板の方が熱膨張係数が小さい
場合には、窒化物半導体の方が縮み易いために、窒化物
半導体は横から引っ張られる（引張）応力を受ける。

【０００５】窒化物半導体の厚さが増加した場合、この
ような応力による歪エネルギーが集積し窒化物半導体に
クラックを生じさせるという半導体デバイス作製上の問
題点があった。例えば、発光ダイオード素子においては
クラック部分に不純物が集積し素子寿命が短くなる。ま
た半導体レーザー素子の場合はクラックにより形成され
る結晶面がミラーの役割を果たすために、レーザー素子
の光共振器の構成が阻害されると言う欠点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、クラックの無
い膜厚の大きい窒化物半導体を形成し、良質の窒化物半
導体材料と為し、高性能なデバイス作製に応用すること
が重要である。

【０００７】本発明の目的は、膜厚の大きい窒化物半導
体を形成する際に、窒化物半導体と基板の熱膨張係数の
差に由来する歪と応力の発生を低減し、高品質の窒化物
半導体層並びに前記窒化物半導体層により高性能なデバ
イスを作製することが可能な窒化物半導体層、半導体素
子及び半導体デバイスおよびそれらの作製方法を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体層
は、異種基板上に成長させた窒化物半導体層において、
該窒化物半導体層は相互に孤立した円柱もしくは多角柱
の形状からなり、該窒化物半導体層の厚さが前記円柱の
底面の円の直径もしくは前記多角柱の底面の多角形の対
角線の中で最長径の０．０５倍以上であることを特徴と
する。

【０００９】本発明の半導体素子は、上記窒化物半導体
層を有する半導体素子であって、前記窒化物半導体層上
に、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ≧０、ｙ≧０、
ただし、ｘ＝ｙ＝０は除く）からなる複数の層が積層さ
れ、少なくとも窒化物全体の厚さが、円柱の底面の円の
直径もしくは前記多角柱の底面の多角形の対角線の中で
最長径の０．０５倍以上であることを特徴とする。

【００１０】本発明の発光ダイオード、導波路型レーザ
ーダイオード又は面発光型レーザーダイオード等の半導
体デバイスは、上記半導体素子有し、窒化物半導体層上
に単数もしくは複数のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ
（ｘ≧０、ｙ≧０）からなる第１の導電タイプ層を有
し、その上に前記第１の導電タイプとは異なる第２の導
電タイプの単数もしくは複数のＡｌ_ｘ’Ｉｎ_ｙ’Ｇａ
_{１−ｘ’−ｙ’}Ｎ（ｘ’≧０、ｙ’≧０）からなる層を
単数又は複数層設けることにより両者の間にｐ−ｎ接合
を形成し、その両者の導電タイプの層の中間に第１もし
くは第２の導電性もしくは中性の非導電性の層を有する
ことを特徴とする。

【００１１】本発明の窒化物半導体層の作製方法は、異
種基板上に、円柱もしくは多角柱の形状からなる窒化物
半導体層を、他の窒化物半導体層から孤立させ、その厚
さが円柱の底面の円の直径もしくは多角柱の底面の多角
形の対角線の中で最長径の０．０５倍以上となるように
形成することを特徴とする。

【００１２】本発明の窒化物半導体層の作製方法は、異
種基板上に、緩衝層を設け、該緩衝層上に、内部に円又
は多角形が形成されるような溝を有するレジジストを形
成し、次いで、該レジストをマスクとして前記緩衝層を
除去することにより前記溝状に基板表面を露出し、レジ
ストを除去し、次いで、前記円又は多角形の緩衝層上
に、円の直径又は多角形の対角線の中で最長径の０．０
５倍以上となるように円柱又は多角柱状の窒化物半導体
層を形成することを特徴とする。

【００１３】本発明の半導体素子の作製方法は、上記窒
化物半導体層の作製方法により窒化物半導体層を作製、
次いで，該窒化物半導体層上に、少なくとも窒化物全体
の厚さが、円柱の底面の円の直径もしくは前記多角柱の
底面の多角形の対角線の中で最長径の０．０５倍以上で
あるように、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ≧０、
ｙ≧０、ただし、ｘ＝ｙ＝０は除く）からなる複数の層
を積層することを特徴とする。

【００１４】本発明の発光ダイオード、導波路型レーザ
ーダイオード又は面発光型レーザーダイオード等の半導
体デバイスの作製方法は、上記半導体素子の作製方法に
より半導体素子を作製し、次いで、窒化物半導体層上に
単数もしくは複数のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ
≧０、ｙ≧０）からなる第１の導電タイプ層を有し、そ
の上に前記第１の導電タイプとは異なる第２の導電タイ
プの単数もしくは複数のＡｌ_ｘ’Ｉｎ_ｙ’Ｇａ
_{１−ｘ’−ｙ’}Ｎ（ｘ’≧０、ｙ’≧０）からなる層を
単数又は複数層設けることにより両者の間にｐ−ｎ接合
を形成し、その両者の導電タイプの層の中間に第１もし
くは第２の導電性もしくは中性の非導電性の層を設ける
ことを特徴とする。

【００１５】なお、ここでいう窒化物全体の厚さは、溝
の底面から円柱又は多角柱の上面までの高さであり、こ
の高さを制御することにより成長後の冷却過程での応力
発生を防止することができる。

【００１６】以上において、前記基板は単結晶炭化ケイ
素または単結晶サファイヤが好ましい。また、前記基板
と前記窒化物半導体層との間に緩衝層を設けることが好
ましく、前記緩衝層は、基板の上にエピタキシャル成長
させた窒化アルミニウム層、窒化ガリウム層又は窒化ア
ルミニウムと窒化ガリウムとを主とする混晶層であるこ
とが好ましい。前記窒化物半導体層の円柱の底面の円の
直径もしくは前記多角柱の底面の多角形の対角線の中で
最長径は２００μｍ以上であることが好ましい。

【００１７】なお、該径の上限としては２ｍｍが好まし
い。２ｍｍを超えるとわざわざ本技術を用いずとも一般
的な基板を用いればよいからである。

【００１８】

【作用】本発明では、連続した窒化物半導体層の領域の
広さを制限し、応力の集中を防ぐことによりクラックの
発生を防止し、上記目的を達成する。具体的には窒化物
の無い領域を窒化物半導体層の周囲に設け、圧縮もしく
は引張応力の横方向の伝播を抑制するとともに、窒化物
半導体層の周辺部分を自由変形させることにより応力を
逃がすことにより、窒化物半導体層領域内における応力
集中を抑制しクラック発生を防止することができる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例について
詳細に説明する。尚、以下で説明する図面で、同一機能
を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は
省略する。

【００２０】図１は本発明のクラックフリー厚膜ＧａＮ
層の構造を説明する図である。図中１はＳｉＣ基板、２
は厚さ１０μｍのＧａＮ層、３はＡｌＧａＮバッファ層
（緩衝層）である。

【００２１】上記試料は、ＳｉＣ基板（０００１）Ｓｉ
面上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて窒化
物半導体積層構造を形成することにより作製した。最初
に下地基板として成長圧力３００Ｔｏｒｒで、基板上に
Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ〜０．１０）層を約６００ｎｍ
成長した。下地基板上にフォトリソグラフィーにより、
溝の内側に、対角線の最長径が２００μｍの六角形が形
成されるように幅２０μｍの溝を有するレジストパタン
を形成した。このレジストパタンをマスクとして塩素ガ
スをエッチングガスとして用いたエレクトロン・サイク
ロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマエッチングによってエ
ッチングを行い、ｎ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（ｘ〜０．１
０）層を削り、下地のＳｉＣ基板を露出せしめた。これ
によりＡｌ _ｘＧａ_１−ｘＮの無い六角形の枠に周囲を囲
まれた、対角線の最長径が２００μｍの六角形のＡｌＧ
ａＮ層が形成された。レジストを除去した後再びＭＯＶ
ＰＥ法によりＧａＮの成長を行なった。ＧａＮはＡｌＧ
ａＮのある領域のみで成長し、ＳｉＣ基板が露出した部
分には形成されなかった。

【００２２】図１では、孤立した窒化ガリウム層は１ヶ
所のみに設けた例を示してあるが複数個設けてもよいこ
とは言うまでもない。その場合、窒化ガリウム層の断面
形状は、四角形とすることが一枚の基板上に孤立した窒
化ガリウム層を多数形成することができるので好まし
い。図２は第２回目の成長でＧａＮを１０μｍ成長した
試料の表面を光学顕微鏡により観察した結果を示す顕微
鏡写真であって、本発明によるクラック防止効果を示す
図となっている。成長領域の六角形の底面の対角線の中
で最長径は２００μｍであるが、この有限単結晶領域内
にはクラックは皆無である。

【００２３】これに対して、周辺部ではほぼ同じ膜厚で
あるにもかかわらず多数のクラックが生じており、有限
領域とすることによるクラック防止効果は明らかであ
る。更に注目すべきは、周囲のクラックの有る領域のク
ラックに取り囲まれた領域の径が六角形の径に比較して
はるかに小さいことである。これは、周辺部分において
は六角形の径と同程度の領域でも更にクラックが生じた
ことを意味している。この理由は、周辺部分のクラック
により分割された部分では、周囲がクラックによって引
き裂かれた極めて鋭い角を有しているため、角の部分か
ら割れやすいものと考えられる。これに対して、有限単
結晶領域の六角形の周囲は結晶成長によって形成された
安定な角からなっており、これが径が大きいにもかかわ
らずクラックがより形成しにくい効果を発揮せしめてい
るものと考えられる。

【００２４】厚さが１０μｍのＧａＮの場合に対し、第
２回目のＭＯＶＰＥ成長のＧａＮの厚さが数μｍ程度の
場合にはクラックの有る六角形領域の数が約２割を数え
た。すなわち、成長厚さが増加するに従い一旦クラック
の無い六角形の割合が減少するが、厚さ１０μｍになる
と再びクラックの無い六角形領域が大部分となる。従っ
て、領域径２００μｍに対して厚さ１０μｍになるとク
ラック防止効果を生じると結論できる。

【００２５】一般に、基板に対して熱膨張係数の異なる
層を積層する場合、前述したように厚さが増加するほど
応力が増加しクラックが生じやすくなる。これに対し
て、本実施例においては、径に対し、ある膜厚（１０μ
ｍ）を超えることにより、かえってクラックが減少する
逆の現象が生じている。

【００２６】図３はクラック抑制のために一定の厚さが
必要であることを示す図であり、ＳｉＣ基板の場合を例
に示している。

【００２７】矢印はＧａＮに加わっている応力の向きを
示している。ＳｉＣ基板はＧａＮよりも熱膨張係数が小
さいために、高温の結晶成長条件から室温に冷却する際
の収縮が小さく、ＧａＮはより収縮が大きい。従って、
ＧａＮは引っ張り（引張）応力を受けることになる。通
常の平坦面の成長を行なうとＧａＮの膜厚増加とともに
引張応力が増加し、やがてＧａＮ膜にクラックが生じ
る。

【００２８】本実施例のように窒化物半導体の成長領域
が有限領域に限られていると、ＧａＮの厚さが厚くなる
につれて、ＧａＮ層上面の端が中央部分に引き寄せられ
て、角の部分が丸くなる。これによって、表面部分の引
っ張る力（引張応力）が減少する。

【００２９】さて、クラック（ひび割れ）は一般に応力
が大きく結合力の弱い部分から生じる。ＧａＮ膜の場合
は表面から生じると考えるのが妥当である。即ち、層内
部の原子は上下左右全ての方向から結合により固定され
ているが、最表面の原子は結合が下側にしか存在しな
い。このため、最表面に応力が働く構造ほどクラックを
生じやすいことになる。図３から明らかなように、Ｇａ
Ｎの成長領域を有限とすることにより、角が丸まって表
面が縮む効果がある。即ち、表面に配列している原子の
間隔は縮まって本来の原子の間隔に近くなり、引っ張り
（引張）応力が減るのである。ＧａＮの膜厚が厚いほ
ど、ＧａＮ膜の上端部が引き込まれるように変形するこ
とが容易になるので、ＧａＮ膜厚が厚いほど引張応力が
減少し、クラックを抑制することが可能になると考える
ことができ、本実施例の結果とよく一致する。このよう
な傾向は定性的には有限領域の径と窒化物膜厚からなる
アスペクト比と窒化物半導体の弾性体としての物性値に
よって決定される。従って、本実施例でクラック抑制の
効果が顕著となる場合が、円柱の底面の円の直径もしく
は前記多角柱の底面の多角形の対角線の中で最長径２０
０μｍ、厚さ１０μｍであることから、クラック抑制効
果を生じせしめるには、アスペクト比を０．０５以上に
する必要があることが解る。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば厚
い窒化ガリウムをクラック無しに異種基板上に形成する
ことが可能で、窒化物半導体を用いたあらゆる種類のデ
バイス特性を向上することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の試料構造を説明する図面

【図２】本発明のクラック防止の効果を説明する図面

【図３】本発明のクラック防止の機構を説明する図面

【符号の説明】

１、ＳｉＣ基板 ２、窒化ガリウム層 ３、ＡｌＧａＮバッファ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 精後 東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 小林 直樹 東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 斎藤 久夫 東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本 電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5F041 CA22 CA40 CA65 CA74 5F045 AA04 AB14 AB17 AF02 BB13 DA53 5F052 DA04 GC01 JA07 KA01 KA05 5F073 CA07 CB04 CB07 DA05 DA24

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 異種基板上に成長させた窒化物半導体層
   において、該窒化物半導体層は相互に孤立した円柱もし
   くは多角柱の形状からなり、該窒化物半導体層の厚さが
   前記円柱の底面の円の直径もしくは前記多角柱の底面の
   多角形の対角線の中で最長径の０．０５倍以上であるこ
   とを特徴とする窒化物半導体層。
2. 【請求項２】 前記窒化物半導体層は窒化ガリウム層で
   あることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体層。
3. 【請求項３】 前記基板は単結晶炭化ケイ素または単結
   晶サファイヤからなることを特徴とする請求項１又は２
   記載の窒化物半導体層。
4. 【請求項４】 前記基板と前記窒化物半導体層との間に
   緩衝層を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいず
   れか１項記載の窒化物半導体層。
5. 【請求項５】 前記緩衝層は、基板の上にエピタキシャ
   ル成長させた窒化アルミニウム層、窒化ガリウム層又は
   窒化アルミニウムと窒化ガリウムとを主とする混晶層で
   あることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体層。
6. 【請求項６】 前記窒化物半導体層の円柱の底面の円の
   直径もしくは前記多角柱の底面の多角形の対角線の中で
   最長径が２００μｍ以上であることを特徴とする請求項
   １乃至５のいずれか１項記載の窒化物半導体層。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項記載の窒
   化物半導体層を有する半導体素子であって、前記窒化物
   半導体層上に、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ≧
   ０、ｙ≧０）からなる複数の層が積層され、少なくとも
   窒化物全体の厚さが、円柱の底面の円の直径もしくは前
   記多角柱の底面の多角形の対角線の中で最長径の０．０
   ５倍以上であることを特徴とする半導体素子。
8. 【請求項８】 請求項７記載の半導体素子有し、窒化物
   半導体層上に単数もしくは複数のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ
   _{１−ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ≧０、ｙ≧０）からなる第１の導電タ
   イプ層を有し、その上に前記第１の導電タイプとは異な
   る第２の導電タイプの単数もしくは複数のＡｌ_ｘ’Ｉｎ
   _ｙ’Ｇａ_{１−ｘ’−ｙ’}Ｎ（ｘ’≧０、ｙ’≧０）から
   なる層を単数又は複数層設けることにより両者の間にｐ
   −ｎ接合を形成し、その両者の導電タイプの層の中間に
   第１もしくは第２の導電性もしくは中性の非導電性の層
   を有することを特徴とする発光ダイオード、導波路型レ
   ーザーダイオード又は面発光型レーザーダイオード等の
   半導体デバイス。
9. 【請求項９】 異種基板上に、円柱もしくは多角柱の形
   状からなる窒化物半導体層を、他の窒化物半導体層から
   孤立させ、その厚さが円柱の底面の円の直径もしくは多
   角柱の底面の多角形の対角線の中で最長径の０．０５倍
   以上となるように形成することを特徴とする窒化物半導
   体層の作製方法。
10. 【請求項１０】 異種基板上に、緩衝層を設け、該緩衝
    層上に、内部に円又は多角形が形成されるような溝を有
    するレジジストを形成し、次いで、該レジストをマスク
    として前記緩衝層を除去することにより前記溝状に基板
    表面を露出し、レジストを除去し、次いで、前記円又は
    多角形の緩衝層上に、円の直径又は多角形の対角線の中
    で最長径の０．０５倍以上となるように円柱又は多角柱
    状の窒化物半導体層を形成することを特徴とする窒化物
    半導体層の作製方法。
11. 【請求項１１】 前記窒化物半導体は窒化ガリウムであ
    ることを特徴とする請求項９又は１０記載の窒化物半導
    体層の作製方法ｌ。
12. 【請求項１２】 前記基板は単結晶炭化ケイ素または単
    結晶サファイヤからなることを特徴とする請求項９乃至
    １１のいずれか１項記載の窒化物半導体層の作製方法。
13. 【請求項１３】 前記緩衝層は、基板の上にエピタキシ
    ャル成長させた窒化アルミニウム層、窒化ガリウム層又
    は窒化アルミニウムと窒化ガリウムとを主とする混晶層
    であることを特徴とする請求項１２記載の窒化物半導体
    層。
14. 【請求項１４】 前記窒化物半導体層の円柱の底面の円
    の直径もしくは前記多角柱の底面の多角形の対角線の中
    で最長径が１５０μｍ以上とすることを特徴とする請求
    項９乃至１３のいずれか１項記載の窒化物半導体層の作
    製方法。
15. 【請求項１５】 請求項９乃至１３のいずれか１項記載
    の窒化物半導体層の作製方法により窒化物半導体層を作
    製、次いで，該窒化物半導体層上に、少なくとも窒化物
    全体の厚さが、円柱の底面の円の直径もしくは前記多角
    柱の底面の多角形の対角線の中で最長径の０．０５倍以
    上であるように、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１ −ｘ−ｙ}Ｎ（ｘ≧
    ０、ｙ≧０）からなる複数の層を積層することを特徴と
    する半導体素子の作製方法。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の半導体素子の作製方
    法により半導体素子を作製し、次いで、窒化物半導体層
    上に単数もしくは複数のＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１ −ｘ−ｙ}Ｎ
    （ｘ≧０、ｙ≧０）からなる第１の導電タイプ層を有
    し、その上に前記第１の導電タイプとは異なる第２の導
    電タイプの単数もしくは複数のＡｌ_ｘ’Ｉｎ_ｙ’Ｇａ
    _{１−ｘ’−ｙ’}Ｎ（ｘ’≧０、ｙ’≧０）からなる層を
    単数又は複数層設けることにより両者の間にｐ−ｎ接合
    を形成し、その両者の導電タイプの層の中間に第１もし
    くは第２の導電性もしくは中性の非導電性の層を設ける
    ことを特徴とする発光ダイオード、導波路型レーザーダ
    イオード又は面発光型レーザーダイオード等の半導体デ
    バイスの作製方法。