JP2003209325A

JP2003209325A - 半導体素子の形成方法及び半導体素子

Info

Publication number: JP2003209325A
Application number: JP2002008844A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Biwa; 剛志琵琶; Hiroyuki Okuyama; 浩之奥山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】良好は結晶性を有する半導体結晶層を備えた
半導体素子を確実に形成できる半導体素子の形成方法を
提供する。【解決手段】立方晶系基板の（１−１０）面と、該立
方晶系基板の選択成長基準面から選択成長されたウルツ
鉱構造の化合物半導体層の、前記立方晶系基板の前記
（１−１０）面と実質的に等価な面とを共にへき開す
る。結晶面の選択から、立方晶系基板のへき開面とウル
ツ鉱構造の化合物半導体層のへき開面が平行に配向する
ことになり、簡単なへき開作業が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は立方晶系基板上にウ
ルツ鉱構造の化合物半導体層を結晶成長させる半導体素
子の形成方法及びその形成方法によって形成される半導
体素子に関し、特に結晶性に優れた半導体発光素子を形
成するのに好適な半導体素子の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】窒化ガリウム（ＧａＮ）はそのバンドギ
ャップが比較的大きいことから、青色光から紫外光にか
けての半導体発光素子、例えば発光ダイオードやレーザ
ーダイオードなどへの応用が期待されている。従来、窒
化ガリウム層は所要なサファイア基板の上に結晶成長に
よって形成されるのが一般的であり、例えば発光ダイオ
ードを形成する場合、サファイア基板上に、５１０℃で
形成された厚さ３０ｎｍの窒化ガリウム低温バッファ
層、１０２０℃で形成され珪素が添加された厚さ４μｍ
のｎ型窒化ガリウム層、１０２０℃で形成され珪素が添
加された厚さ０．１５μｍのｎ型Ａｌ_０．１５Ｇａ
_０．８５Ｎ層、８００℃で形成され亜鉛と珪素が添加さ
れた厚さ１００ｎｍのＩｎ_０．０６Ｇａ_０．９４Ｎ層、
１０２０℃で形成されマグネシウムが添加された厚さ
０．１５μｍのｐ型Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８ _５Ｎ層、及
び１０２０℃で形成されマグネシウムが添加された厚さ
０．５μｍのｐ型窒化ガリウム層を順次積層した構成と
なっているものが知られている（例えば、S. Nakamura:
J. Val. Sci. Technol. A, Vol. 13, No.3, P705 May/
Jun 1995参照）。この構造の発光ダイオードに対して
は、ｐ電極とｎ電極がそれぞれ取り付けられる構造とさ
れており、ｐ型窒化ガリウム層に対してニッケルと金の
2層からなるｐ電極が設けられ、ｎ型窒化ガリウム層に
対してチタンとアルミ二ウムの２層からなるｎ電極が設
けられている。

【０００３】このようなサファイア基板を用いて結晶成
長させた窒化ガリウム層には、他の基板上に形成したも
のに比べて表面の平坦性が良く結晶性に優れているとい
う利点がある。しかしながら、サファイア基板が導電性
を持たないことやへき開ができないことに起因する問題
点があり、さらにＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族系化合物
半導体で培われてきたプロセス技術を利用できないと言
う問題点がある。

【０００４】そこで、ＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体で培
われてきたプロセス技術を利用するために、窒化ガリウ
ム層の結晶成長をＧａＡｓ基板などの閃亜鉛鉱構造化合
物半導体基板上で行うことが試みられている。例えば特
開平９−１９４２９９号公報に開示される窒化ガリウム
の結晶成長方法では、（１００）面に対して予め傾いた
表面を用い、その傾斜した表面に窒化ガリウム膜を形成
して各種発光素子を形成するための窒化ガリウム層を形
成する。このような傾斜した表面を利用することで、窒
化ガリウム膜の結晶性を（１００）面や（１１１）Ｂ面
に対して成膜する場合よりも良好なものにできるという
利点がある。また、同様に、（１００）基板に対して傾
斜した面を用いて閃亜鉛鉱構造化合物半導体基板上に窒
化ガリウム系化合物半導体層を形成する技術として、特
開平９−１９１１２８号公報に記載される技術が知られ
ている。

【０００５】更に、導電性があり且つへき開が可能なＧ
ａＡｓ基板上に良質な窒化ガリウム膜を形成するため
に、例えば特開平９−２５５４９６号公報に開示される
ように、基板表面にＧａ過剰面を形成する技術も知られ
る。このＧａ過剰面を形成する際には、Ｖ族元素を含む
原料を供給することもなく６００〜７００℃の低温で熱
処理を行う。この熱処理によって、後からＶ族原料を供
給した際には、ＧａＡｓの表面を十分に初期窒化するこ
とができ、平坦性に優れた窒化ガリウム層を結晶成長さ
せることが可能となる。

【０００６】また、半導体プロセス技術においては、最
も一般的なシリコン基板を用い、シリコン基板上に窒化
ガリウム層を結晶成長させる技術も知られており、（０
０１）面と数度の角度をなすシリコン基板上に異方性エ
ッチングを行い、[１、１、１]方向に窒化ガリウム系化
合物半導体層の[０、０、０、１]方向が配向するように
構成された平坦な窒化ガリウム系化合物半導体層の（１
−１０１）面を形成する技術も知られている（Proceedi
ngs 2001 Korea-Japan Joint Workshop on Advanced Se
miconductor Process and Equipments, pp.84-88）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】通常、窒化ガリウム系
化合物半導体を結晶成長させる場合には、（０００１）
面を利用することが行われているが、（０００１）面は
窒素原子を捉えるためのダングリングボンドの数として
は他の面、例えばＳ面（（１−１０１）面）よりもその
数が少なくなることが知られており、製造される半導体
発光素子の発光特性などは必ずしも十分ではないという
側面を有している。しかしながら、現状のプロセス技術
においては、Ｓ面（（１−１０１）面を基板上の平坦な
主面とすることは困難であり、Ｓ面（（１−１０１）面
は素子構造上、最終的には傾斜した面となってしまう。

【０００８】同様に、ＧａＡｓ基板などの閃亜鉛鉱構造
化合物半導体基板を用いた場合では、基板が導電性を有
し、且つへき開なども実現可能であるが、特開平９−１
９４２９９号公報や特開平９−１９１１２８号公報に開
示される技術にように、単に予め傾いた表面を結晶成長
の基準に用いる場合には、その傾いた角度で結晶面が決
定されてしまうため、逆に精度良く傾斜させなければデ
バイス特性にばらつきが発生するというような新たな問
題も発生する。

【０００９】また、特開平９−２５５４９６号公報に開
示されるようにＧａ過剰面を形成する技術では、表面平
坦性の改善策としては注目すべきではあるが、Ｇａ過剰
な領域が半導体発光素子に残存することもあり、製造さ
れる半導体発光素子の発光特性などが劣化するという問
題が発生する。

【００１０】前述のようにシリコン基板を用いて平坦な
窒化ガリウム系化合物半導体層の（１−１０１）面を形
成する技術では、窒化ガリウム層の成長初期段階におい
て、シリコン基板の表面に被着する原子がガリウム原子
か窒素原子かが特定されないと言う問題が発生する。す
なわち、シリコン基板上に堆積される窒化ガリウム系化
合物半導体の[０、０、０、１]方向では、窒化ガリウム
系化合物半導体は極性を有しているが、これに対してシ
リコン基板自体はダイヤモンド構造基板であり、その
[１、１、１]方向は無極性である。従って、無極性のシ
リコン基板上では堆積がガリウム原子か窒素原子のいず
れかから始まるかは特定されず、仮に異なる原子で堆積
が始まった結晶層同士が衝突した場合には、歪などが生
じて欠陥を生じ易くなる。

【００１１】また、レーザーダイオードを製造する場
合、結晶のへき開部をレーザー発振の共振部端面とする
ことが一般に行われているが、そのへき開にＧａＡｓ基
板のへき開性を利用した技術（例えば、特開平１１−２
６８７７号公報参照）も知られているが、六方晶と立方
晶の２つの結晶系を独立して成長した後、貼り合わせて
いることから、その工程数は増加するとともに品質管理
が容易ではなく、再現性に欠ける。また、六方晶と立方
晶の２つの結晶系の間の貼り合わせ面を超えてへき開す
る必要があり、実際は思うようなへき開は容易ではな
い。

【００１２】そこで、上述の技術的な課題に鑑み、本発
明は、良好は結晶性を有する半導体結晶層を備えた半導
体素子を確実に形成できる半導体素子の形成方法及びそ
の形成方法によって形成される半導体素子を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明の半導体素子の形成方法は、立方晶系基板の
（１−１０）面と、該立方晶系基板の選択成長基準面か
ら選択成長されたウルツ鉱構造の化合物半導体層の、前
記立方晶系基板の前記（１−１０）面と実質的に等価な
面とを共にへき開することを特徴とする。

【００１４】本発明の半導体素子の形成方法によれば、
共にへき開される際の面方位が所定のものとされる。こ
のへき開される面は、立方晶系基板の（１−１０）面
と、ウルツ鉱構造の化合物半導体層の前記（１−１０）
面と等価な面であり、前記（１−１０）面に対して等価
な面とされることから、略平行な面同士を構成し、へき
開の際には共振面を構成するに足る平滑な端面を結晶を
割る作業から容易に得ることができる。立方晶系基板に
対しては、素子形成側となるウルツ鉱構造の化合物半導
体層は選択成長によって結晶成長され、従来の如き貼り
合わせによる問題を生じさせない。

【００１５】このような結晶面の選択によって結晶性に
優れた結晶層が得られることは、例えば立方晶系基板と
してＧａＡｓ基板を選び、ウルツ鉱構造の化合物半導体
層としてＧａＮ層を形成する場合を例にすると、ＧａＡ
ｓ基板の[１、１、１]方向はＧａＮ層の[０、０、０、
1]方向と平行に配向することとなり、ＧａＡｓ基板の
（１１１）面を選択成長基準面としながら所要の選択成
長を行った場合にはＧａＡｓ基板の本来の主面[０、
０、１]方向とＧａＮ層の[１、−１、０、１]方向が約
７度以下の傾斜角を以って揃うことになる。従って、Ｇ
ａＡｓ基板の本来の主面[０、０、１]方向と略同方向で
の結晶面の形成が可能であり、欠陥も少なく良質な結晶
が得られる。そして、この結晶の配向状態では、ＧａＡ
ｓ基板の[１、−１、０]方向とＧａＮ層の[１、−１、
２、０]方向が平行に配向することになり、ＧａＡｓ基
板にへき開性を有効に活用することができる。

【００１６】また、本発明の半導体素子は、立方晶系基
板の（１−１０）面と、該立方晶系基板の選択成長基準
面から選択成長されたウルツ鉱構造の化合物半導体層
の、前記立方晶系基板の前記（１−１０）面と実質的に
等価な面とがへき開され、前記ウルツ鉱構造の化合物半
導体層に第１の導電型層、第２の導電型層、及び活性層
が形成されてなることを特徴とする。

【００１７】前述の本発明の半導体素子の形成方法によ
れば、結晶欠陥の少ない良質なウルツ鉱構造の化合物半
導体層が形成され、且つへき開も立方晶系基板のへき開
性を利用して容易に行うことができるため、そのウルツ
鉱構造の化合物半導体層を用いて第１の導電型層、第２
の導電型層、及び活性層を形成することで、発光特性に
優れた素子などを形成することが可能であり、特にへき
開面をレーザーダイオードの共振面に適用することで、
優れた半導体レーザーを形成できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて図面を参照しながら説明する。本発明にかかる半
導体素子の形成方法は、立方晶系基板の（１−１０）面
と、該立方晶系基板の選択成長基準面から選択成長され
たウルツ鉱構造の化合物半導体層の、前記立方晶系基板
の前記（１−１０）面と実質的に等価な面とを共にへき
開することを特徴とする。

【００１９】本発明に使用される基板は、立方晶系基板
であり、より詳しくは立方晶系基板は閃亜鉛鉱構造化合
物半導体基板若しくはダイヤモンド構造半導体基板であ
る。

【００２０】ダイヤモンド構造半導体基板を閃亜鉛鉱構
造化合物半導体基板で構成する場合には、閃亜鉛鉱構造
化合物半導体基板としては、例えば砒化ガリウム（Ｇａ
Ａｓ）に代表されるようなＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体か
らなるように構成することができ、更には閃亜鉛鉱構造
化合物半導体基板はbeta-SiC、BN、BP、AlP、AlAS、Ga
P、GaAs、GaSb、beta-ZnS、ZnSe、ZnTe、beta-HgS、HgS
e、HgTe、InP、InAs、InSbから選ばれた材料の中の１つ
若しくは幾つかを組み合わせた構成であっても良い。立
方晶系基板をダイヤモンド構造半導体基板とする場合
は、例えばシリコン、炭素、ゲルマニウムなどの材料が
基板材料として選択される。

【００２１】このような閃亜鉛鉱構造化合物半導体基板
またはダイヤモンド構造半導体基板には、（１１１）
面、（１１１）面に対する傾斜が±１０°以内の面、若
しくはこれらと結晶学的に等価な面を選択成長基準面と
なるように加工を施す。立方晶系基板の主面は典型的に
は（００１）面を有し、このような主面を（００１）面
とする基板を用いる場合においては、（１１１）面を臨
ませる目的で、異方性エッチングなどの方法によって基
板の主面に凹凸を形成し、（００１）面に対して傾斜し
た段差部となって現れる（１１１）面を形成することが
可能である。このような（１１１）面は、エッチングの
マスクを利用して選択的な異方性エッチングを施すこと
で任意のパターンに形成でき、そのマスクの形状を制御
することで、凹凸の凹部若しくは凸部はストライプ状若
しくは多角形形状にすることも可能である。

【００２２】例えば、異方性エッチングなどの方法によ
って基板の主面に凹部を形成して、後述するように、そ
の側面を傾斜した（１１１）面とする場合では、その対
向する側面が（−１−１１）面となり、これら（１１
１）面と（−１−１１）面の双方から結晶成長を図った
場合では、これら（１１１）面と（−１−１１）面から
それぞれ成長した結晶同士がぶつかり合うこととなるこ
とから、一方の（１１１）面のみが開口部から臨むよう
な成長阻害膜が選択成長に先立って形成される。成長阻
害膜は、その膜上での結晶成長を阻害させるための膜で
あり、選択的に形成された開口部には成長阻害膜が存在
しないことから、所要の選択成長が行われる。この成長
阻害膜は、例えば酸化シリコン膜や窒化シリコン膜など
の絶縁膜からなるマスク材料が使用される。このマスク
の開口部の形状は、一例としてストライプ状とされる。

【００２３】このように選択成長基準面となる面は（１
１１）面を中心に、（１１１）面に対する傾斜が±１０
°以内の面や、これらと結晶学的に等価な面も含まれ
る。正確に（１１１）面でなくとも実験結果等によれば
（１１１）面に対する傾斜が±１０°以内の面でも或る
程度同様な結晶成長が可能であり、このような傾斜した
基板や領域を用いても良い。また、これらと結晶学的に
等価な面（例えば（−１‐1‐1）面）も同様に含めて考
えることができる。

【００２４】このような選択成長のマスクとなる成長阻
害膜等を形成したところで、（１１１）面、（１１１）
面に対する傾斜が±１０°以内の面、若しくはこれらと
結晶学的に等価な面を成長阻害膜の開口部から臨ませな
がら選択的な結晶成長によってウルツ鉱構造の化合物半
導体層を結晶成長させる。選択成長させる化合物半導体
層としてはウルツ鉱型の結晶構造を有する窒化物半導
体、ＢｅＭｇＺｎＣｄＳ系化合物半導体、およびＢｅＭ
ｇＺｎＣｄＯ系化合物半導体などが好ましい。窒化物半
導体からなる結晶層としては、例えばＩＩＩ族系化合物
半導体を用いることができ、更には窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化
合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導
体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半
導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合
物半導体を好ましくは形成することができ、特に窒化ガ
リウム系化合物半導体が好ましい。なお、本発明におい
て、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、
３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すので
はなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変
化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含ん
でいても本発明の範囲であることはいうまでもない。ま
た、Ｓ面に実質的に等価な面とは、Ｓ面に対して５乃至
６度の範囲で傾いた面方位を含むものである。ここで本
明細書中、窒化物とはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＴａをＩ
ＩＩ族とし、Ｖ族にＮを含む化合物を指し、全体の１％
以内若しくは１ｘ１０^２０ｃｍ^３以下の不純物の混入を
含む場合もある。

【００２５】この化合物半導体層の成長方法としては、
種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属
化合物気相成長法（ＭＯＣＶＤ（ＭＯＶＰＥ）法）や分
子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、
ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）を用いることが
できる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶
性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、Ｇａソー
スとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリ
エチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメ
チルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウ
ム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジ
ウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのアルキ
ル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニ
ア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物
ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであれば
ゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタ
ジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチ
ルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法で
は、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された
基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、Ｉ
ｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させ
ることができる。

【００２６】前述のように、（１１１）面を中心に、
（１１１）面に対する傾斜が±１０°以内の面や、これ
らと結晶学的に等価な面を選択成長の成長開始面である
選択成長基準面として選択成長を行った場合では、Ｓ面
（（１−１０１）面）、（１−１０１）面に対する傾斜
が±１０°以内の面、若しくはこれらと結晶学的に等価
な面を有するウルツ鉱構造の化合物半導体層が平坦な面
として現れる。Ｓ面はこのような選択成長した際に見ら
れる安定面であり、比較的得やすい面である。

【００２７】Ｓ面ついては、窒化ガリウム系化合物半導
体を用いて結晶層を構成した場合には、Ｓ面上、Ｇａか
らＮへのボンド数が２または３とＣ−面の次に多くな
る。ここでＣ−面はＣ＋面の上には事実上得ることがで
きないので、Ｓ面でのボンド数は最も多いものとなる。
例えば、Ｃ＋面を主面に有するサファイア基板に窒化物
を成長した場合、一般にウルツ鉱型の窒化物の表面はＣ
＋面になるが、上述に如き選択成長を利用することで平
坦なＳ面を安定して形成することができ、Ｃ＋面に平行
な面では脱離しやすい傾向をもつＮのボンドがＧａから
一本のボンドで結合しているのに対し、Ｓ面では少なく
とも一本以上のポンドで結合することになる。従って、
実効的にV/III 比が上昇することになり、積層構造の結
晶性の向上に有利である。また、Ｓ面自体は選択成長基
準面と異なる方位であることから、転位がＳ面に対して
曲がることにもなり、欠陥の低減にも有利となる。ま
た、選択成長のマスクも基板転位の低減に寄与する。

【００２８】また、化合物半導体層を選択成長させる成
長の開始面としては、極性を有する閃亜鉛鉱構造化合物
半導体基板を用いることもでき、その上に化合物半導体
層を積層する場合には該極性に起因する原子の整列が起
こり、結晶の規則性を高めて欠陥密度を低く抑えること
ができる。

【００２９】選択成長させるウルツ鉱型の結晶構造を有
する化合物半導体層には、素子を例えば発光素子として
機能させるために、第１導電型半導体層、活性層、およ
び第２導電型半導体層が積層される。第１導電型半導体
層は下層の化合物半導体層と連続的に形成しても良い。
第１導電型半導体層、活性層、および第２導電型半導体
層において、第１導電型はｐ型又はｎ型であり、第２導
電型はその反対の導電型である。例えば結晶層をシリコ
ンドープの窒化ガリウム系化合物半導体層によって構成
した場合では、ｎ型半導体層をシリコンドープの窒化ガ
リウム系化合物半導体層によって構成し、その上にＩｎ
ＧａＮ層を活性層として形成し、さらにその上にｐ型半
導体層としてマグネシウムドープの窒化ガリウム系化合
物半導体層を形成してダブルヘテロ構造を形成すること
ができる。活性層であるＩｎＧａＮ層をＡｌＧａＮ層で
挟む構造や片側だけにＡｌＧａＮ層を形成する構造とす
ることも可能である。また、活性層は単一のバルク活性
層で構成することも可能であるが、単一量子井戸（ＳＱ
Ｗ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量子井戸
（ＭＱＷ）構造などの量子井戸構造を形成したものであ
っても良い。量子井戸構造には必要に応じて量子井戸の
分離のために障壁層が併用される。活性層をＩｎＧａＮ
層とした場合には、特に製造工程上も製造し易い構造と
なり、素子の発光特性を良くすることができる。さらに
このＩｎＧａＮ層は、窒素原子の脱離しにくい構造であ
るＳ面の上での成長では特に結晶化しやすくしかも結晶
性も良くなり、発光効率を上げることが出来る。なお、
窒化物半導体はノンドープでも結晶中にできる窒素空孔
のためにｎ型となる性質があるが、通常Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓ
ｅなどのドナー不純物を結晶成長中にドープすること
で、キャリア濃度の好ましいｎ型とすることができる。
また、窒化物半導体をｐ型とするには、結晶中にＭｇ、
Ｚｎ、Ｃ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａなどのアクセプター不純物
をドープすることによって得られるが、高キャリア濃度
のｐ層を得るためには、アクセプター不純物のドープ
後、窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気で４００℃
以上でアニーリングを行うことが好ましく、電子線照射
などにより活性化する方法もあり、マイクロ波照射、光
照射などで活性化する方法もある。

【００３０】第１導電型半導体層と第２導電型半導体層
には、ｎ側電極（若しくはｎ電極）とｐ側電極（ｐ電
極）が形成される。ｎ側電極としてはＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ
／Ａｕなどの金属材料を蒸着したり、或いはＩＴＯなど
の透明電極を形成しても良い。ｐ側電極は例えばＮｉ／
Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ（Ｐｔ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造
としたり、或いは薄いＮｉ膜を接触抵抗を下げるための
コンタクトメタルとしながらＡｇやアルミニウムなどの
薄膜で電極層を形成しても良い。複数のレーザー素子の
間でｐ電極またはｎ電極の一方は共通化することもで
き、これらの電極層は一般的に各電極は多層の金属膜を
蒸着などによって被着して形成されるが、素子ごとに区
分するためにフォトリソグラフィーを用いてリフトオフ
などにより微細加工することができる。

【００３１】本発明の半導体素子の形成方法を用いて半
導体素子を形成する場合、特に半導体レーザー素子を形
成する場合には、ストライプ状の結晶成長部の端面など
に共振器が形成される。よく知られているように、共振
器は結晶のへき開によって形成することができ、一例と
してはストライプ状の開口部の長手方向に実質的に垂直
な面に共振面をへき開などによって形成することができ
る。この場合において、（１１１）面を選択成長基準面
として選択成長された化合物半導体層の（１−１２０）
面は、立方晶系基板の（１−１０）面と平行となり、共
に結晶面で割る場合に極めて有効とされる。

【００３２】また、本発明の半導体素子の形成方法によ
り形成される半導体レーザー素子を複数個配列させるよ
うに形成することで、表示装置や照明装置を構成するこ
とができる。このような半導体レーザー素子を複数個配
列させた表示装置においては、高密度に発光素子を配置
することができ、電極の共通化による製造の容易性も向
上する。また、単色の発光による表示装置に限らず、多
色の発光による表示装置を構成することも可能である。

【００３３】以下、本発明を各実施形態を参照しながら
更に詳細に説明する。なお、本発明の半導体素子の形成
方法は、その要旨を逸脱しない範囲で変形、変更などが
可能であり、本発明は以下の各実施形態に限定されるも
のではない。

【００３４】[第１の実施形態]本実施形態の半導体素子
の形成方法は、立方晶系基板の例として（００１）面を
主面とする閃亜鉛鉱構造のＧａＡｓ基板を使用し、その
上に積層する化合物半導体層をＧａＮ層とする例であ
る。

【００３５】図１の（ａ）に示すように、（００１）面
を主面１１ａとするＧａＡｓ基板１１が用意される。こ
のＧａＡｓ基板１１は閃亜鉛鉱構造化合物半導体基板の
一例であり、図１に示す断面１１ｃが（１−１０）面と
され、後述するようなへき開工程で結晶のへき開を行う
場合には、当該（１−１０）面をへき開面とすることが
でき、容易にへき開をすることができる。なお、図１の
（ｂ）は基板の主面の面方位と断面の面方位を図示した
ものであり、明細書本文のマイナス記号はバー記号で図
示している。なお、本実施形態では、（００１）面を主
面１１ａとするＧａＡｓ基板１１が閃亜鉛鉱構造化合物
半導体基板として用いられるが、これに限らず、（１０
０）面に対する傾斜が±１５°以内の面、若しくはこれ
らと結晶学的に等価な面を主面とするような立方晶系基
板、例えば傾斜基板等を用いても良い。

【００３６】次に、ＧａＡｓ基板１１の主面１１ａ全面
にフォトレジスト膜を形成し、そのフォトレジスト膜を
ストライプ状の開口パターンとなるように選択的に露光
し現像する。次に異方性エッチングを行って、フォトレ
ジスト膜の開口部の底部に臨むＧａＡｓ基板１１の主面
１１aを削り、図２に示すような凹部１２をＧａＡｓ基
板１１の主面１１ａに形成する。凹部１２の形状は約４
５度に傾いた一対の傾斜側面と底面を伴う構造とされ、
一対の傾斜側面はそれぞれ[−１、−１、１]方向と
[１、１、１]方向の面方位を有しており、[１、１、１]
方向の面方位を有する（１１１）面及び[−１、−１、
１]方向の面方位を有する（−１−１１）面が上側から
見ると帯状に延長され、その帯状の（１１１）面が所定
のピッチで平行に並べられたパターンを形成する。な
お、本実施形態では、異方性エッチングを底面が残るよ
うな形状で終了させているが、更に深くエッチングして
底面を無くして断面Ｖ字状としたり、エッチングの種類
を変えたり、或いは傾斜基板を用いることで、一対の傾
斜側面が対称に現れないように制御することも可能であ
る。

【００３７】次に、凹部１２が形成されたＧａＡｓ基板
１１の主面１１ａ全面に薄いシリコン酸化膜が気相成長
法などによって成長阻害膜１３として形成される。この
成長阻害膜１３は凹部１２内の一対の傾斜側面及び底面
にも沿って形成され、この凹部１２の内部を一旦被覆す
る。続いて、成長阻害膜１３上にフォトレジスト膜が形
成され、該フォトレジスト膜をストライプ状の開口パタ
ーンとなるように選択的に露光し現像する。この開口パ
ターンは、各（１１１）面が開口してフォトレジスト膜
の底部に（１１１）面が露出するようなパターンとされ
る。すなわち、その帯状の（１１１）面が所定のピッチ
で平行に並べられた繰り返しパターンとなっていること
から、フォトレジスト膜の開口部も帯状のものが所定の
ピッチで平行に並べられた繰り返しパターンとなる。フ
ォトレジスト膜の選択的な露光及び現像によって、フォ
トレジスト膜の開口部の底部には成長阻害膜１３の表面
が臨み、その成長阻害膜１３をエッチングにより選択的
に除去して、（１１１）面からなる選択成長基準面１４
を形成する。ここで形成される選択成長基準面１４は本
実施形態では（１１１）面であるが、これに限定され
ず、（１１１）面に対する傾斜が±１０°以内の面やこ
れらと結晶学的に等価な面であっても良い。

【００３８】次に、図４に示すように、選択成長によっ
てウルツ鉱型結晶構造の化合物半導体層としてシリコン
ドープのｎ型ＧａＮコンタクト層１５を形成する。この
シリコンドープのｎ型ＧａＮコンタクト層１５は、選択
成長基準面１４である（１１１）面から選択的に成長
し、仮に原料ガスが成長阻害膜１３上に堆積された場合
でも容易に該成長阻害膜１３上では蒸発してしまう。こ
のシリコンドープのｎ型ＧａＮコンタクト層１５は略断
面正三角形状を維持するように成長し、基板主面の法線
方向から見た場合では図示の断面に垂直な方向を長手方
向とする帯状のパターンに成長する。

【００３９】図５はさらにシリコンドープのｎ型ＧａＮ
コンタクト層１５の成長が進んだ状態を示しており、略
断面正三角形状のシリコンドープのｎ型ＧａＮコンタク
ト層１５の一部はその高さ（基板主面の法線方向の位
置）が成長阻害膜１３を越えたところで、該成長阻害膜
１３の上にも延在される。その結果、シリコンドープの
ｎ型ＧａＮコンタクト層１５の基板主面の上側には、平
坦で比較的に大きな（１−１０１）面（即ちＳ面）１５
ｓが現れる。また、シリコンドープのｎ型ＧａＮコンタ
クト層１５の底面側は（０００１）面とされ、ｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１５の（０００１）面と（１−１０１）
面とで稜線が形成される。

【００４０】更に選択成長を続けることで、（１−１０
１）面１５ｓがさらに成長し、隣接するシリコンドープ
のｎ型ＧａＮコンタクト層１５同士が統合して行き、図
６の（ａ）に示すように平坦な１つの面を構成するよう
に大きく結晶成長する。本例では（１１１）面側に対向
する傾斜側面の（−１−１１）面上には空洞部が形成さ
れるが、必ずしも空洞部を構成しなくとも良い。

【００４１】図６の（ｂ）に示すように、シリコンドー
プのｎ型ＧａＮコンタクト層１５の（１−１０１）面は
ＧａＡｓ基板１１の（００１）面と略７度程度の角度差
を持っているだけであり、このためＧａＡｓ基板１１の
主面とほぼ揃った面を有するシリコンドープのｎ型Ｇａ
Ｎコンタクト層１５が形成される。なお、図６の（ｂ）
は図６の（ａ）の断面１１ｃにおける面方位を示す図で
あり、図６の（ｂ）で該断面１１ｃに垂直なＧａＡｓ基
板の面方位[１、−１、０]方向とＧａＮの[１-１２０]
方向は一致する。

【００４２】次に、シリコンドープのｎ型ＧａＮコンタ
クト層１５の（１−１０１）面を基礎として、図７に示
すように、半導体レーザーなどの発光素子として機能さ
せるための各半導体層を順次積層する。先ず、シリコン
ドープのｎ型ＧａＮコンタクト層１５上には、ｎ型Ａｌ
ＧａＮクラッド層１６が形成され、そのｎ型ＡｌＧａＮ
クラッド層１６上にはｎ型ＧａＮガイド層１７が形成さ
れる。ｎ型ＧａＮガイド層１７上にはＩｎＧａＮ／Ｇａ
Ｎからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層１８が形成され、
この多重量子井戸（ＭＱＷ）層１８上にはｐ型ＡｌＧａ
Ｎ層１９が形成され、該ｐ型ＡｌＧａＮ層１９の上にｐ
型ＧａＮガイド層２０が形成される。このｐ型ＧａＮガ
イド層２０の上にはｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２１、及
びｐ型ＧａＮコンタクト層２２が形成される。

【００４３】このような各化合物半導体層を形成した
後、例えばレーザー発振の共振面を形成する目的でへき
開が行われる。へき開は結晶構造体を所定の結晶面に沿
って割ることであり、本実施形態では図７の点線で示す
へき開線３０がＧａＡｓ基板の面方位[１、−１、０]方
向とＧａＮの[１-１２０]方向が平行に配向したそれぞ
れＧａＡｓ基板の（１−１０）面とＧａＮ系半導体層の
（１−１２０）面であり、図８に示すように、これらの
面で同時のへき開が容易に行われる。

【００４４】次に、図９に示すように、ＧａＡｓ基板１
１及びマスク材として機能した成長阻害膜１３が除去さ
れる。これらＧａＡｓ基板１１と成長阻害膜１３の除去
には、エッチング法や、研磨法、レーザーアブレーショ
ンなどの各種の手法を用いることができる。

【００４５】成長阻害膜１３は凹部１２に形成した凹凸
のある表面を有しており、その成長阻害膜１３を除去し
た後のｎ型ＧａＮコンタクト層１５の裏面も、該成長阻
害膜１３の形状を反映して凹凸を有した形状となる。そ
こで、本実施形態においては、ｎ型ＧａＮコンタクト層
１５の裏面が研磨されて、図１０に示すように、ｎ型Ｇ
ａＮコンタクト層１５の裏面が平坦面とされる。この裏
面の平坦化の後、素子分離やｐ電極、ｎ電極の形成が行
われて、半導体発光素子が形成される。

【００４６】以上の如き、本実施形態の半導体素子の形
成方法によれば、ＧａＡｓ基板の面方位[１、−１、０]
方向とＧａＮの[１-１２０]方向が平行に配向したそれ
ぞれＧａＡｓ基板の（１−１０）面とＧａＮ系半導体層
の（１−１２０）面をへき開面とすることで、これらの
面が平行であることから、容易にへき開作業を進めるこ
とができ、良好な共振面を形成することが可能である。
また、前述の結晶面の選択からは、選択成長のマスクの
間で臨むＧａＡｓ基板１１の（１１１）面は基板の主面
の法線方向でみた場合には傾斜した面であり、この傾斜
した（１１１）面を結晶成長の開始面である選択成長基
準面１４とすることで、基板転位の低減を図ることも可
能である。

【００４７】さらにＧａＡｓ基板１１自体は、前述のよ
うに極性を有する材料からなるため、欠陥密度を低減で
きる。また、選択成長により形成される（１−１０１）
面は表面のダングリングボンド密度が高いことから、良
質の結晶を堆積させることができ、しかも（１−１０
１）面は平坦な面を構成することから、各種の化合物半
導体層を積層して素子を形成する場合に有利である。

【００４８】[第２の実施形態]図１１は、前述の半導体
素子の形成方法を用いて形成した半導体発光素子の一例
を示す図である。この半導体発光素子は、レーザー素子
であり、前述のへき開面５１を共振面に有する素子であ
る。

【００４９】シリコンドープのｎ型ＧａＮコンタクト層
４２は選択成長基準面から成長した化合物半導体膜であ
り、そのｎ型ＧａＮコンタクト層４２の上面は（１−１
０１）面とされる。この（１−１０１）面を介して連続
するようにｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４３が形成され、
そのｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４３上にはｎ型ＧａＮガ
イド層４４が形成される。ｎ型ＧａＮガイド層４４上に
はＩｎＧａＮ／ＧａＮからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）
層４５が形成され、この多重量子井戸（ＭＱＷ）層４５
上にはｐ型ＡｌＧａＮ層４６が形成され、該ｐ型ＡｌＧ
ａＮ層４６の上にｐ型ＧａＮガイド層４７が形成され
る。このｐ型ＧａＮガイド層４７の上にはｐ型ＡｌＧａ
Ｎクラッド層４８、及び例えばマグネシウムドープとさ
れるｐ型ＧａＮコンタクト層４９が形成される。

【００５０】また、ｎ型ＧａＮコンタクト層４２の裏面
には、ｎ電極４１が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層
４９の上にはｐ電極５０が形成される。ここでｎ電極４
１としてはＴｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕなどの金属材料を蒸
着したり、或いはＩＴＯなどの透明電極を形成しても良
い。ｐ電極５０は例えばＮｉ／Ｐｔ／ＡｕまたはＮｉ
（Ｐｔ）／Ｐｔ／Ａｕの積層構造としたり、或いは薄い
Ｎｉ膜を接触抵抗を下げるためのコンタクトメタルとし
ながらＡｇやアルミニウムなどの薄膜で電極層を形成し
ても良い。

【００５１】このような本実施形態に半導体発光素子に
おいては、ウルツ鉱型の化合物半導体層として形成され
るＧａＮ層が極めて良好な結晶性を有していることか
ら、その発光特性が改善され、その寿命も長くさせるこ
とができる。また、前述のように、ＧａＡｓ基板の（１
−１０）面とＧａＮ系半導体層の（１−１２０）面を同
時にへき開したへき開面５１を共振面とすることから、
その製造も容易であり、へき開を用いた精度の高い共振
面が当該半導体発光素子のレーザ発振に寄与することに
なる。

【００５２】なお、本実施形態では、半導体素子を半導
体レーザーなどの半導体発光素子としたが、これに限定
されず、半導体素子をトランジスタ、受光素子、その他
の機能素子としても良い。また、半導体発光素子も発光
ダイオードなどであっても良い。

【００５３】

【発明の効果】上述の本発明の半導体素子の形成方法に
よれば、立方晶系基板の面方位[１、−１、０]方向とＧ
ａＮの[１-１２０]方向が平行に配向したそれぞれ立方
晶系基板の（１−１０）面とＧａＮ系半導体層の（１−
１２０）面をへき開面とすることで、これらの面が平行
であることから、容易にへき開作業を進めることがで
き、レーザー素子を形成する場合に良好な共振面を形成
することが可能である。また、選択成長のマスクの間で
臨む立方晶系基板の（１１１）面は基板の主面の法線方
向でみた場合には傾斜した面であり、この傾斜した（１
１１）面を結晶成長の開始面である選択成長基準面とす
ることで、基板転位の低減を図ることも可能である。

【００５４】特に、立方晶系基板を閃亜鉛鉱構造化合物
半導体基板とした場合では、閃亜鉛鉱構造化合物半導体
基板自体は、前述のように極性を有する材料からなるた
め、欠陥密度を低減できる。また、選択成長により形成
される（１−１０１）面は表面のダングリングボンド密
度が高いことから、良質の結晶を堆積させることがで
き、しかも（１−１０１）面は平坦な面を構成すること
から、各種の化合物半導体層を積層して素子を形成する
場合に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、（ａ）はＧａＡ
ｓ基板を示す工程斜視断面図であり、（ｂ）はその断面
における面方位を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、ＧａＡｓ基板上
に凹部を形成した工程を示す工程斜視断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、成長阻害膜を形
成したところを示す工程斜視断面図である。

【図４】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、成長阻害膜をマ
スクとして選択成長をしているところを示す工程斜視断
面図である。

【図５】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、前記選択成長を
進めた段階の工程斜視断面図である。

【図６】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、選択成長により
平坦面を形成したところを示す工程斜視断面図である。

【図７】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、窒化ガリウム系
半導体層を積層したところを示す工程斜視断面図であ
る。

【図８】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、へき開工程を示
す工程斜視断面図である。

【図９】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形成
方法にかかる工程斜視断面図であって、基板及び成長阻
害膜の除去工程を示す工程斜視断面図である。

【図１０】本発明の第１の実施形態の半導体素子の形
成方法にかかる工程斜視断面図であって、窒化ガリウム
系半導体層の裏面側の研磨工程を示す工程斜視断面図で
ある。

【図１１】本発明の第２の実施形態の半導体発光素子
の斜視断面図である。

【符号の説明】

１１ＧａＡｓ基板１２凹部１３成長阻害膜１４選択成長基準面１５、４２ｎ型ＧａＮコンタクト層１６、４３ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１７、４４ｎ型ＧａＮガイド層１８、４５多重量子井戸（ＭＱＷ）層１９、４６ｐ型ＡｌＧａＮ層２０、４７ｐ型ＧａＮガイド層２１、４８ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２、４９ｐ型ＧａＮコンタクト層４１ｎ電極５０ｐ電極５１へき開面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA40 CA05 CA23 CA34 CA35 CA40 CA65 CA67 CA74 CA76 CA77 5F073 AA45 AA74 CA07 CB02 DA05 DA07 DA22 DA32 DA35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】立方晶系基板の（１−１０）面と、該立
方晶系基板の選択成長基準面から選択成長されたウルツ
鉱構造の化合物半導体層の、前記立方晶系基板の前記
（１−１０）面と実質的に等価な面とを共にへき開する
ことを特徴とする半導体素子の形成方法。
【請求項２】前記ウルツ鉱構造の化合物半導体層の、
前記立方晶系基板の前記（１−１０）面と実質的に等価
な面は、前記ウルツ鉱構造の化合物半導体層の（１−１
２０）面若しくはこの（１−１２０）面と実質的に等価
な面であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子
の形成方法。
【請求項３】前記選択成長基準面においては選択成長
する前記ウルツ鉱構造の化合物半導体層の［０，０，
０，１］方向が前記立方晶系基板の［１，１，１］方向
に配向することを特徴とする請求項１記載の半導体素子
の形成方法。
【請求項４】前記選択成長基準面が前記立方晶系基板
の（１１１）面若しくは（１１１）面に対する傾斜が±
１０°以内の面、若しくはこれらと結晶学的に等価な面
であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の形
成方法。
【請求項５】前記立方晶系基板において選択成長の際
の主面は、（１００）面、（１００）面に対する傾斜が
±１５°以内の面、若しくはこれらと結晶学的に等価な
面であることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の
形成方法。
【請求項６】前記立方晶系基板において選択成長が施
される面は、凹凸が形成された面であることを特徴とす
る請求項１記載の半導体素子の形成方法。
【請求項７】前記凹凸は前記立方晶系基板の主面に対
して選択的な異方性エッチングを施すことで形成される
ことを特徴とする請求項６記載の半導体素子の形成方
法。
【請求項８】前記凹凸の凹部若しくは凸部はストライ
プ状若しくは多角形形状に形成されることを特徴とする
請求項６記載の半導体素子の形成方法。
【請求項９】前記選択成長は前記選択成長基準面以外
を覆う成長阻害膜を用いることを特徴とする請求項１記
載の半導体素子の形成方法。
【請求項１０】前記選択成長により前記選択成長基準面
から前記ウルツ鉱構造の化合物半導体層を結晶成長させ
て（１−１０１）面、（１−１０１）面に対する傾斜が
±１０°以内の面、若しくはこれらと結晶学的に等価な
面を形成させることを特徴とする請求項１記載の半導体
素子の形成方法。
【請求項１１】前記（１−１０１）面若しくはこれと
結晶学的に等価な面は平坦な面とされることを特徴とす
る請求項１０記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１２】前記選択成長により形成される前記ウ
ルツ鉱構造の化合物半導体層は、前記立方晶系基板の主
面の全部若しくは一部を被覆するように形成されること
を特徴とする請求項１記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１３】前記立方晶系基板は閃亜鉛鉱構造化合
物半導体基板若しくはダイヤモンド構造半導体基板であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体素子の形成方
法。
【請求項１４】前記閃亜鉛鉱構造化合物半導体基板は
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請
求項１３記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１５】前記閃亜鉛鉱構造化合物半導体基板はbe
ta-SiC、BN、BP、AlP、AlAS、GaP、GaAs、GaSb、beta-Z
nS、ZnSe、ZnTe、beta-HgS、HgSe、HgTe、InP、InAs、
及びInSbから選ばれた材料の１つ若しくはこれらの組み
合わせより構成されることを特徴とする請求項１３記載
の半導体素子の形成方法。
【請求項１６】前記ダイヤモンド構造半導体基板はシ
リコン、炭素、ゲルマニウムの中から選ばれた材料部分
を有することを特徴とする請求項１３記載の半導体素子
の形成方法。
【請求項１７】前記選択成長基準面がＩＩＩ族原子か
らなる面によって構成されることを特徴とする請求項１
記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１８】前記ウルツ鉱構造の化合物半導体層は
窒化物化合物半導体層であることを特徴とする請求項１
記載の半導体素子の形成方法。
【請求項１９】前記窒化物化合物半導体層は窒化ガリ
ウム系化合物半導体層であることを特徴とする請求項１
８記載の半導体素子の形成方法。
【請求項２０】立方晶系基板の（１−１０）面と、該
立方晶系基板の選択成長基準面から選択成長されたウル
ツ鉱構造の化合物半導体層の、前記立方晶系基板の前記
（１−１０）面と実質的に等価な面とがへき開され、前
記ウルツ鉱構造の化合物半導体層に第１の導電型層、第
２の導電型層、及び活性層が形成されてなることを特徴
とする半導体素子。
【請求項２１】前記活性層からは光が取り出されるこ
とを特徴とする請求項２０記載の半導体素子。
【請求項２２】前記へき開されたへき開面が共振器端
面として用いられることを特徴とする請求項２０記載の
半導体素子。