JP2003243316A - 半導体素子用基板およびその製造方法 - Google Patents
半導体素子用基板およびその製造方法Info
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- JP2003243316A JP2003243316A JP2002042790A JP2002042790A JP2003243316A JP 2003243316 A JP2003243316 A JP 2003243316A JP 2002042790 A JP2002042790 A JP 2002042790A JP 2002042790 A JP2002042790 A JP 2002042790A JP 2003243316 A JP2003243316 A JP 2003243316A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 広範囲で低欠陥な半導体素子用基板を得る。
【解決手段】 SiC(0001)層１を真空雰囲気内におい
て、1500℃で５分加熱する。熱および空気中の酸素によ
り、ＳｉＣの結合が切断され、Ｓｉ原子が除去されてＳ
ｉＣ層の表面に、径が２〜５ｎｍ、高さが５００ｎｍの
円形の上端が閉じた構造のカーボンナノチューブからな
る微細な凸部２が形成される。次に、有機金属気相成長
法により、このＳｉＣ層１上に、温度500℃でＧａＮバ
ッファ層（図示せず）を２０ｎｍ程度の膜厚で形成す
る。続いて、温度を1050℃にしてＧａＮ層３を２μｍ程
度成長させる。
て、1500℃で５分加熱する。熱および空気中の酸素によ
り、ＳｉＣの結合が切断され、Ｓｉ原子が除去されてＳ
ｉＣ層の表面に、径が２〜５ｎｍ、高さが５００ｎｍの
円形の上端が閉じた構造のカーボンナノチューブからな
る微細な凸部２が形成される。次に、有機金属気相成長
法により、このＳｉＣ層１上に、温度500℃でＧａＮバ
ッファ層（図示せず）を２０ｎｍ程度の膜厚で形成す
る。続いて、温度を1050℃にしてＧａＮ層３を２μｍ程
度成長させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子用基板
およびその製造方法に関するものである。
およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】410nm帯の短波長半導体レーザ素子とし
て、サファイア基板上にGaN層を形成した後、GaN層上に
形成したSiO2をストライプパターン状のマスクとし、こ
のSiO2マスクにより露出する GaN層のストライプ状部分
を成長の核として選択横成長により GaN厚膜を形成した
後、このGaN厚膜を剥がして基板とし、このGaN基板（EL
OG基板）上に、n-GaNバッファ層、n-InGaNクラック防止
層、n-AlGaN／GaN変調ドープ超格子クラッド層、n-GaN
光導波層、n-InGaN/InGaN 多重量子井戸活性層、p-AlGa
Nキャリアブロック層、p-GaN光導波層、p-AlGaN/GaN変
調ドープ超格子クラッド層、p-GaNコンタクト層を積層
してなるものが、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37 (1998) pp.L
1020において報告されている。
て、サファイア基板上にGaN層を形成した後、GaN層上に
形成したSiO2をストライプパターン状のマスクとし、こ
のSiO2マスクにより露出する GaN層のストライプ状部分
を成長の核として選択横成長により GaN厚膜を形成した
後、このGaN厚膜を剥がして基板とし、このGaN基板（EL
OG基板）上に、n-GaNバッファ層、n-InGaNクラック防止
層、n-AlGaN／GaN変調ドープ超格子クラッド層、n-GaN
光導波層、n-InGaN/InGaN 多重量子井戸活性層、p-AlGa
Nキャリアブロック層、p-GaN光導波層、p-AlGaN/GaN変
調ドープ超格子クラッド層、p-GaNコンタクト層を積層
してなるものが、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.37 (1998) pp.L
1020において報告されている。
【０００３】高出力で信頼性の高い半導体レーザを得る
ためには、基板上の導波路が形成される箇所が低欠陥領
域となっている必要がある。すなわち、高出力半導体レ
ーザを得るためには半導体レーザに幅広のストライプ構
造を備える必要があるが、この幅広ストライプ構造を有
する半導体レーザにおいて高信頼性を得るためには、広
範囲に亘って欠陥の少ないGaN基板を用いて半導体レー
ザを構成する必要がある。
ためには、基板上の導波路が形成される箇所が低欠陥領
域となっている必要がある。すなわち、高出力半導体レ
ーザを得るためには半導体レーザに幅広のストライプ構
造を備える必要があるが、この幅広ストライプ構造を有
する半導体レーザにおいて高信頼性を得るためには、広
範囲に亘って欠陥の少ないGaN基板を用いて半導体レー
ザを構成する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ELOG基板では、選択横
成長した領域では欠陥が低減されたものとなるが、結晶
成長時の成長核形成密度が高いために成長核が小さい状
態で架橋し、この架橋部分においては欠陥密度が高くな
り、広範囲に亘って欠陥の少ない領域を形成することが
できない。また、選択横成長で形成するGaN層を厚膜と
することにより、欠陥はさらに増加するため広範囲に亘
って低欠陥領域を形成することは困難である。そこで、
本出願人により、GaN層を通常の低温バッファ層を介し
て成長し、そのGaN層に通常のフォトリソグラフィとド
ライエッチング技術を用いて、2.5μｍ〜10μｍ径、深
さ0.5μｍ以上の穴をあけ、その上にさらにGaN層を成長
する方法によって、通常よりも２桁以上の低欠陥のＧａ
Ｎ膜を形成することができることが確認されている。し
かし、この方法では微細な穴形成にドライエッチングを
用いる必要があり、さらに高価な設備投資を必要とする
他、耐ドライエッチングマスクとして、例えば、厚膜Ｓ
ｉＯ2あるいは金属等の材料を事前に微細加工する必要
があり、GaNに穴を形成するエッチング工程以外にもド
ライエッチング工程を必要とするために、工程が煩雑化
し、歩留まりの低下等コストアップが生じる懸念があ
る。
成長した領域では欠陥が低減されたものとなるが、結晶
成長時の成長核形成密度が高いために成長核が小さい状
態で架橋し、この架橋部分においては欠陥密度が高くな
り、広範囲に亘って欠陥の少ない領域を形成することが
できない。また、選択横成長で形成するGaN層を厚膜と
することにより、欠陥はさらに増加するため広範囲に亘
って低欠陥領域を形成することは困難である。そこで、
本出願人により、GaN層を通常の低温バッファ層を介し
て成長し、そのGaN層に通常のフォトリソグラフィとド
ライエッチング技術を用いて、2.5μｍ〜10μｍ径、深
さ0.5μｍ以上の穴をあけ、その上にさらにGaN層を成長
する方法によって、通常よりも２桁以上の低欠陥のＧａ
Ｎ膜を形成することができることが確認されている。し
かし、この方法では微細な穴形成にドライエッチングを
用いる必要があり、さらに高価な設備投資を必要とする
他、耐ドライエッチングマスクとして、例えば、厚膜Ｓ
ｉＯ2あるいは金属等の材料を事前に微細加工する必要
があり、GaNに穴を形成するエッチング工程以外にもド
ライエッチング工程を必要とするために、工程が煩雑化
し、歩留まりの低下等コストアップが生じる懸念があ
る。
【０００５】一方、現在様々な分野での応用が期待され
ているカーボンナノチューブにおいて、その製造方法が
多数報告されている。例えば、特許第3183845号におい
て、ＳｉＣ単結晶膜を真空下で1400〜2000℃に加熱し
て、ＳｉＣ単結晶膜からＳｉ原子を除去することによ
り、ＳｉＣ単結晶膜の厚さ方向に延びるように配向した
多数本のカーボンナノチューブが得られることが記載さ
れている。また、上記特許の出願人により、2001年発行
の日本結晶成長学会誌 Vol.28 No.3 p152-157におい
て、「ＳｉＣ表面における高配向カーボンナノチューブ
薄膜形成」として、ＳｉＣ基板を真空電気炉で1550℃で
30分加熱するとＳｉＣ基板の上に径が2〜5nm、高さ0.25
μｍのカーボンナノチューブ配向膜が形成されること、
およびそのカーボンナノチューブ配向膜が形成される初
期段階の分析が報告されている。これによると、カーボ
ンナノチューブが形成される初期段階では、島状のグラ
ファイトのクラスターあるいはcap状のカーボンナノチ
ューブが形成されていることが記載されている。
ているカーボンナノチューブにおいて、その製造方法が
多数報告されている。例えば、特許第3183845号におい
て、ＳｉＣ単結晶膜を真空下で1400〜2000℃に加熱し
て、ＳｉＣ単結晶膜からＳｉ原子を除去することによ
り、ＳｉＣ単結晶膜の厚さ方向に延びるように配向した
多数本のカーボンナノチューブが得られることが記載さ
れている。また、上記特許の出願人により、2001年発行
の日本結晶成長学会誌 Vol.28 No.3 p152-157におい
て、「ＳｉＣ表面における高配向カーボンナノチューブ
薄膜形成」として、ＳｉＣ基板を真空電気炉で1550℃で
30分加熱するとＳｉＣ基板の上に径が2〜5nm、高さ0.25
μｍのカーボンナノチューブ配向膜が形成されること、
およびそのカーボンナノチューブ配向膜が形成される初
期段階の分析が報告されている。これによると、カーボ
ンナノチューブが形成される初期段階では、島状のグラ
ファイトのクラスターあるいはcap状のカーボンナノチ
ューブが形成されていることが記載されている。
【０００６】本発明は上記事情に鑑みて、広範囲に亘っ
て欠陥密度の低い半導体素子用基板およびその製造方法
を提供することを目的とするものである。
て欠陥密度の低い半導体素子用基板およびその製造方法
を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体素子用基
板は、炭素原子を主な構成元素とする物質からなる微細
な凸部が複数設けられたＳｉＣ層と該ＳｉＣ層上に結晶
成長されたＧａＮ層とからなることを特徴とするもので
ある。
板は、炭素原子を主な構成元素とする物質からなる微細
な凸部が複数設けられたＳｉＣ層と該ＳｉＣ層上に結晶
成長されたＧａＮ層とからなることを特徴とするもので
ある。
【０００８】凸部は、グラファイトのクラスターからな
るものであってもよい。また、凸部は、上端が閉じたカ
ーボンナノチューブからなるものであってもよい。ま
た、カーボンナノチューブは、単層および多層のいずれ
であってもよく、またさらに、カーボンナノチューブ内
部に原子が挿入されているものであってもよい。
るものであってもよい。また、凸部は、上端が閉じたカ
ーボンナノチューブからなるものであってもよい。ま
た、カーボンナノチューブは、単層および多層のいずれ
であってもよく、またさらに、カーボンナノチューブ内
部に原子が挿入されているものであってもよい。
【０００９】凸部は、該凸部が設けられた面の４０％以
上９０％以下の領域を占めることが望ましい。
上９０％以下の領域を占めることが望ましい。
【００１０】本発明の半導体素子用基板の製造方法は、
ＳｉＣ層上に、該ＳｉＣ層を真空下で加熱して該ＳｉＣ
層の表面からＳｉ原子を除去して、炭素原子を主な構成
元素とする物質からなる微細な凸部を複数形成し、該凸
部を有するＳｉＣ層上にＧａＮ層を結晶成長させること
を特徴とするものである。
ＳｉＣ層上に、該ＳｉＣ層を真空下で加熱して該ＳｉＣ
層の表面からＳｉ原子を除去して、炭素原子を主な構成
元素とする物質からなる微細な凸部を複数形成し、該凸
部を有するＳｉＣ層上にＧａＮ層を結晶成長させること
を特徴とするものである。
【００１１】なお、上記微細な凸部の高さは、２ｎｍ以
上１μｍ以下であることが望ましい。また、凸部の径
は、３ｎｍ以上100ｎｍ以下であることが望ましい。
上１μｍ以下であることが望ましい。また、凸部の径
は、３ｎｍ以上100ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１２】また、カーボンナノチューブとは、一般に
言われているように、炭素原子の６員環を構成単位とす
る平面的な網状のネットワークが円筒状に丸められた構
造を持つ高分子であり、円筒の端では、該端を閉じるた
めに５員環が含まれる。
言われているように、炭素原子の６員環を構成単位とす
る平面的な網状のネットワークが円筒状に丸められた構
造を持つ高分子であり、円筒の端では、該端を閉じるた
めに５員環が含まれる。
【００１３】
【発明の効果】本発明の半導体素子用基板によれば、炭
素原子を主な構成元素とする物質からなる微細な凸部が
設けられたＳｉＣ層と該ＳｉＣ層上に結晶成長されたＧ
ａＮ層とからなるものであるので、結晶成長されたＧａ
Ｎ層を広範囲に亘って低欠陥領域を有するものとするこ
とができる。
素原子を主な構成元素とする物質からなる微細な凸部が
設けられたＳｉＣ層と該ＳｉＣ層上に結晶成長されたＧ
ａＮ層とからなるものであるので、結晶成長されたＧａ
Ｎ層を広範囲に亘って低欠陥領域を有するものとするこ
とができる。
【００１４】凸部が、該凸部が設けられた面の４０％以
上９０％以下の領域を占めることにより、成長核形成密
度を小さくして核間の架橋部での欠陥発生を低減するこ
とができるので、良好に欠陥密度を小さくできる。
上９０％以下の領域を占めることにより、成長核形成密
度を小さくして核間の架橋部での欠陥発生を低減するこ
とができるので、良好に欠陥密度を小さくできる。
【００１５】本発明の半導体素子用基板の製造方法によ
れば、ＳｉＣ層上に、該ＳｉＣ層を真空下で加熱して該
ＳｉＣ層の表面からＳｉ原子を除去して、炭素原子を主
な構成元素とする物質からなる微細な凸部を形成し、該
凸部を有するＳｉＣ層上にＧａＮ層を結晶成長させるこ
とにより、広範囲に亘って低欠陥な領域を有するＧａＮ
層を形成することができる。
れば、ＳｉＣ層上に、該ＳｉＣ層を真空下で加熱して該
ＳｉＣ層の表面からＳｉ原子を除去して、炭素原子を主
な構成元素とする物質からなる微細な凸部を形成し、該
凸部を有するＳｉＣ層上にＧａＮ層を結晶成長させるこ
とにより、広範囲に亘って低欠陥な領域を有するＧａＮ
層を形成することができる。
【００１６】すなわち、従来は、ストライプ状のSiO2膜
を成長の核として、あるいは微細加工によりＧａＮに微
細な穴を多数形成して、穴以外の領域を成長の核として
ＧａＮを選択横成長させていたため、成長核形成密度が
大きく、架橋部分での欠陥が多いという問題があった
が、本発明ではナノオーダーの微細な凸部を成長の核と
しているので、成長核形成密度が小さいため、架橋部で
の欠陥を低減することができ、全体的に低欠陥な領域を
有するＧａＮ層を得ることができる。
を成長の核として、あるいは微細加工によりＧａＮに微
細な穴を多数形成して、穴以外の領域を成長の核として
ＧａＮを選択横成長させていたため、成長核形成密度が
大きく、架橋部分での欠陥が多いという問題があった
が、本発明ではナノオーダーの微細な凸部を成長の核と
しているので、成長核形成密度が小さいため、架橋部で
の欠陥を低減することができ、全体的に低欠陥な領域を
有するＧａＮ層を得ることができる。
【００１７】また、特に本発明では、微細な凸部は、Ｓ
ｉＣ層を真空下で加熱することにより得られるものであ
り、従来のように微細加工工程を必要としないので、基
板作製工程を簡略化することができる。
ｉＣ層を真空下で加熱することにより得られるものであ
り、従来のように微細加工工程を必要としないので、基
板作製工程を簡略化することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて詳細に説明する。
を用いて詳細に説明する。
【００１９】本発明の第１の実施の形態による半導体素
子用基板について、その製造方法に沿って説明する。そ
の半導体素子用基板の製造過程の断面図を図１に示す。
なお、ＧａＮの成長用材料として、トリメチルガリウム
（TMG）、トリメチルインジウム（TMI）、トリメチルア
ルミニウム（TMA）とアンモニアを原料とし、n型ドーパ
ントガスとして、シランガスを用い、p型ドーパントと
してシクロペンタジエルマグネシウム(Cp2Mg)を用い
る。
子用基板について、その製造方法に沿って説明する。そ
の半導体素子用基板の製造過程の断面図を図１に示す。
なお、ＧａＮの成長用材料として、トリメチルガリウム
（TMG）、トリメチルインジウム（TMI）、トリメチルア
ルミニウム（TMA）とアンモニアを原料とし、n型ドーパ
ントガスとして、シランガスを用い、p型ドーパントと
してシクロペンタジエルマグネシウム(Cp2Mg)を用い
る。
【００２０】図１(a)に示すように、ＳｉＣ(0001)層１
を真空雰囲気内において、1500℃で５分加熱する。熱お
よび空気中の酸素により、ＳｉＣの結合が切断され、Ｓ
ｉ原子がＳｉＣ層から除去されてＳｉＣ層の表面に、径
が２〜５ｎｍ、高さが５００ｎｍの円筒形の上端が閉じ
た構造のカーボンナノチューブからなる微細な凸部２が
形成される。次に、図１(b)に示すように、有機金属気
相成長法により、このＳｉＣ層１上に、温度500℃でＧ
ａＮバッファ層（図示せず）を２０ｎｍ程度の膜厚で形
成する。続いて、温度を1050℃にしてＧａＮ層３を２μ
ｍ程度成長させてＧａＮ基板を得る。
を真空雰囲気内において、1500℃で５分加熱する。熱お
よび空気中の酸素により、ＳｉＣの結合が切断され、Ｓ
ｉ原子がＳｉＣ層から除去されてＳｉＣ層の表面に、径
が２〜５ｎｍ、高さが５００ｎｍの円筒形の上端が閉じ
た構造のカーボンナノチューブからなる微細な凸部２が
形成される。次に、図１(b)に示すように、有機金属気
相成長法により、このＳｉＣ層１上に、温度500℃でＧ
ａＮバッファ層（図示せず）を２０ｎｍ程度の膜厚で形
成する。続いて、温度を1050℃にしてＧａＮ層３を２μ
ｍ程度成長させてＧａＮ基板を得る。
【００２１】上記のようにして得られた基板は、カーボ
ンナノチューブからなる微細な凸部２が複数設けられた
ＳｉＣ層１と、該ＳｉＣ層１上に結晶成長されたＧａＮ
層３とからなるものである。ＧａＮ層３は、エッチピッ
ト評価から従来技術による基板よりも２〜６桁程度低い
欠陥密度が得られる。形成する凸部の占有領域は、Ｓｉ
Ｃ層の凸部が形成される面の４０％以上９０％以下であ
ることが好ましい。
ンナノチューブからなる微細な凸部２が複数設けられた
ＳｉＣ層１と、該ＳｉＣ層１上に結晶成長されたＧａＮ
層３とからなるものである。ＧａＮ層３は、エッチピッ
ト評価から従来技術による基板よりも２〜６桁程度低い
欠陥密度が得られる。形成する凸部の占有領域は、Ｓｉ
Ｃ層の凸部が形成される面の４０％以上９０％以下であ
ることが好ましい。
【００２２】本実施の形態では、凸部がカーボンナノチ
ューブからなるものについて述べたが、上記の文献よ
り、ＳｉＣを真空下高温で加熱した場合、凸部が形成さ
れる初期の段階では凸部はグラファイトのクラスターで
あるので、ＳｉＣの加熱時間あるいは加熱温度を調整し
て、凸部をグラファイトのクラスターからなるものとし
てもよい。
ューブからなるものについて述べたが、上記の文献よ
り、ＳｉＣを真空下高温で加熱した場合、凸部が形成さ
れる初期の段階では凸部はグラファイトのクラスターで
あるので、ＳｉＣの加熱時間あるいは加熱温度を調整し
て、凸部をグラファイトのクラスターからなるものとし
てもよい。
【００２３】また、本実施の形態においては、カーボン
ナノチューブを、ＳｉＣを真空下で加熱することにより
形成する方法について述べたが、現在カーボンナノチュ
ーブの作製方法として広く用いられている、アーク放電
あるいはプラズマ照射等によって炭素の蒸気を再結合さ
せる方法によって形成してもよい。
ナノチューブを、ＳｉＣを真空下で加熱することにより
形成する方法について述べたが、現在カーボンナノチュ
ーブの作製方法として広く用いられている、アーク放電
あるいはプラズマ照射等によって炭素の蒸気を再結合さ
せる方法によって形成してもよい。
【００２４】次に、本発明の第２の実施の形態による半
導体素子用基板について説明する。その半導体素子用基
板の製造過程の概略斜視図を図２に示す。
導体素子用基板について説明する。その半導体素子用基
板の製造過程の概略斜視図を図２に示す。
【００２５】図２(a)に示すように、ＳｉＣ(0001)基板1
1を真空雰囲気内において1400℃で10分加熱する。熱お
よび空気中の酸素により、ＳｉＣの結合が切断され、Ｓ
ｉＣ層11表面に、径が２〜５ｎｍ、高さが５００ｎｍの
円筒状の上端が閉じた構造のカーボンナノチューブから
なる微細な凸部12が形成される。このＳｉＣ層11上に上
記第１の実施の形態と同様に、有機金属気相成長法によ
り、温度500℃でＧａＮバッファー層（図示せず）を２
０ｎｍ程度の膜厚で形成する。続いて、温度を1050℃に
してＧａＮ層13を２μｍ程度成長させる。次に、SiH4ガ
スとN2Oガスを用いたプラズマCVD法によりＳｉＯ2膜
（0.5μｍ厚）14を形成する。なお、ＳｉＣ基板は、面
方位が
1を真空雰囲気内において1400℃で10分加熱する。熱お
よび空気中の酸素により、ＳｉＣの結合が切断され、Ｓ
ｉＣ層11表面に、径が２〜５ｎｍ、高さが５００ｎｍの
円筒状の上端が閉じた構造のカーボンナノチューブから
なる微細な凸部12が形成される。このＳｉＣ層11上に上
記第１の実施の形態と同様に、有機金属気相成長法によ
り、温度500℃でＧａＮバッファー層（図示せず）を２
０ｎｍ程度の膜厚で形成する。続いて、温度を1050℃に
してＧａＮ層13を２μｍ程度成長させる。次に、SiH4ガ
スとN2Oガスを用いたプラズマCVD法によりＳｉＯ2膜
（0.5μｍ厚）14を形成する。なお、ＳｉＣ基板は、面
方位が
【数１】
のものを用いてもよい。
【００２６】次に、図２(b)に示すように、フォトリソ
グラフィ法によって、1.0〜2.5μｍ径のドット状のパタ
ーンをドット径ピッチで形成する。ＣＨＦ３/Ｏ２ガス
を用いたＲＩＥドライエッチング法によりＳｉＯ2膜14
をエッチングし、レジストをＯ２プラズマアッシング法
によって除去して、ＳｉＯ2膜14のドットパターンを形
成し、成長制御マスク14aとする。
グラフィ法によって、1.0〜2.5μｍ径のドット状のパタ
ーンをドット径ピッチで形成する。ＣＨＦ３/Ｏ２ガス
を用いたＲＩＥドライエッチング法によりＳｉＯ2膜14
をエッチングし、レジストをＯ２プラズマアッシング法
によって除去して、ＳｉＯ2膜14のドットパターンを形
成し、成長制御マスク14aとする。
【００２７】次に、図２(c)に示すように、温度を1050
℃にしてＧａＮ層15を再成長する。ＧａＮ層15は、Ｓｉ
Ｏ2膜14がエッチングされＧａＮ層13が露出した領域の
み選択的に成長し、成長制御マスク14a上には成長せず
穴が形成される。
℃にしてＧａＮ層15を再成長する。ＧａＮ層15は、Ｓｉ
Ｏ2膜14がエッチングされＧａＮ層13が露出した領域の
み選択的に成長し、成長制御マスク14a上には成長せず
穴が形成される。
【００２８】次に、図２(d)に示すように、バッファー
ドフッ酸で成長制御マスク14aをエッチング除去した後
に、温度を1050℃にして、上面が平坦になるまでＧａＮ
層16を再成長する。
ドフッ酸で成長制御マスク14aをエッチング除去した後
に、温度を1050℃にして、上面が平坦になるまでＧａＮ
層16を再成長する。
【００２９】上記のようにして作製されたＧａＮ膜16
は、エッチピット評価から従来技術による基板よりも３
〜６桁程度低い欠陥密度が得られる。
は、エッチピット評価から従来技術による基板よりも３
〜６桁程度低い欠陥密度が得られる。
【００３０】なお、上記成長制御マスク14aの占有領域
は、ＧａＮ層13の上面の４０％以上９０％以下であるこ
とが好ましい。また、成長制御マスク14aの最大幅は2.5
μｍ以下であることが好ましい。また、ＧａＮ層16の膜
厚はＳｉＯ2膜ドット径と同値以上であることが好まし
い。
は、ＧａＮ層13の上面の４０％以上９０％以下であるこ
とが好ましい。また、成長制御マスク14aの最大幅は2.5
μｍ以下であることが好ましい。また、ＧａＮ層16の膜
厚はＳｉＯ2膜ドット径と同値以上であることが好まし
い。
【００３１】成長抑制マスク14ａを用いることにより、
容易に複数の穴15ｂを有するGaN層15を得ることがで
き、この上に選択横成長によりGaN層16を形成すること
により、従来と比較して成長核形成密度を低減すること
ができる。また、成長核形成密度を低減することによ
り、基板との格子不整合に起因する歪による欠陥も低減
することができる。
容易に複数の穴15ｂを有するGaN層15を得ることがで
き、この上に選択横成長によりGaN層16を形成すること
により、従来と比較して成長核形成密度を低減すること
ができる。また、成長核形成密度を低減することによ
り、基板との格子不整合に起因する歪による欠陥も低減
することができる。
【００３２】またさらに、ＧａＮ層16の上に、成長制御
マスク14aを形成してＧａＮを選択横成長させる工程を
１回以上行ってもよい。
マスク14aを形成してＧａＮを選択横成長させる工程を
１回以上行ってもよい。
【００３３】また、穴15ｂを有するGaN層15上に選択横
成長によりGaN層16を成長させる際には、GaN層15上面お
よび穴15ｂの内面となるGaN層の部分にも成長の核が発
生すると考えられる。そこで、穴の径と深さとを所定の
関係に設定することにより、例えばマスク14ａの最大幅
を１μｍ以下とし、これに合せて穴の深さを適宜に設定
することにより、穴15ｂからの成長よりもGaN層15の上
面に生じた成長の核からの横方向の成長により穴上部が
閉じるのを早くさせ、穴15ｂの下部に一部空間を生じさ
せることができる。このような空間を有することによ
り、基板との熱膨張係数の差に起因する歪による欠陥を
効果的に低減することができる。
成長によりGaN層16を成長させる際には、GaN層15上面お
よび穴15ｂの内面となるGaN層の部分にも成長の核が発
生すると考えられる。そこで、穴の径と深さとを所定の
関係に設定することにより、例えばマスク14ａの最大幅
を１μｍ以下とし、これに合せて穴の深さを適宜に設定
することにより、穴15ｂからの成長よりもGaN層15の上
面に生じた成長の核からの横方向の成長により穴上部が
閉じるのを早くさせ、穴15ｂの下部に一部空間を生じさ
せることができる。このような空間を有することによ
り、基板との熱膨張係数の差に起因する歪による欠陥を
効果的に低減することができる。
【００３４】上記第２の実施の形態においては、バッフ
ァードフッ酸でＳｉＯ2膜14マスクを除去してＧａＮ層
を成長させたが、図３に示すように、ＳｉＯ2膜14をエ
ッチング除去しなくても同様に欠陥密度の低減効果が得
られる。
ァードフッ酸でＳｉＯ2膜14マスクを除去してＧａＮ層
を成長させたが、図３に示すように、ＳｉＯ2膜14をエ
ッチング除去しなくても同様に欠陥密度の低減効果が得
られる。
【００３５】また、成長制御マスク14aをエッチングマ
スクとしてＧａＮ層13をエッチングしてなる凹凸表面上
にＧａＮを再成長してＧａＮ基板を作製してもよい。な
お、ＧａＮ層13に形成される凹凸面の穴部分の占有領域
は、成長制御マスクの占有領域と同様、ＧａＮ層13の上
面の４０％以上９０％以下となるようにする。また、さ
らにこの工程を１回以上行ってＧａＮ基板を作製しても
よい。
スクとしてＧａＮ層13をエッチングしてなる凹凸表面上
にＧａＮを再成長してＧａＮ基板を作製してもよい。な
お、ＧａＮ層13に形成される凹凸面の穴部分の占有領域
は、成長制御マスクの占有領域と同様、ＧａＮ層13の上
面の４０％以上９０％以下となるようにする。また、さ
らにこの工程を１回以上行ってＧａＮ基板を作製しても
よい。
【００３６】なお、上記実施の形態においては、成長抑
制マスクとしてＳｉＯ2を用いたが、ＧａＮ層の成長を
抑制するマスク材としての機能を維持できるものであれ
ばよく、SiO2のみならず、アルミナ（Al2O3）や窒化珪
素（SiN)等の誘電体を用いてもよい。
制マスクとしてＳｉＯ2を用いたが、ＧａＮ層の成長を
抑制するマスク材としての機能を維持できるものであれ
ばよく、SiO2のみならず、アルミナ（Al2O3）や窒化珪
素（SiN)等の誘電体を用いてもよい。
【００３７】図４は、半導体積層面を上方から見た図で
あり、成長抑制マスクを形成する際の代表的なレイアウ
トを示すものである。成長抑制マスクは、図４（ａ）に
示すように、マスクの幅Ａxとマスク間隔Ｂx、マスクの
幅Ａyとマスク間隔Ｂyとが等間隔となるように整列され
ていてもよいし、あるいは図４（ｂ）に示すように、正
三角形状に整列されていてもよい。また、図４（ｃ）に
示すように、無秩序に並べられていてもよい。但し、い
ずれの場合にも、最隣接マスク同士の間隔（各図におい
てZa,Zb,Zc）が2.5μｍ以下となるようにすることが望
ましい。図４（ｃ）においてはマスクが無秩序に並べら
れているため、各マスク毎に最隣接マスクとの間隔が異
なるが、いずれのマスクについても最隣接のマスクとの
間隔が2.5μｍ以下となるようにすることが望ましい。
あり、成長抑制マスクを形成する際の代表的なレイアウ
トを示すものである。成長抑制マスクは、図４（ａ）に
示すように、マスクの幅Ａxとマスク間隔Ｂx、マスクの
幅Ａyとマスク間隔Ｂyとが等間隔となるように整列され
ていてもよいし、あるいは図４（ｂ）に示すように、正
三角形状に整列されていてもよい。また、図４（ｃ）に
示すように、無秩序に並べられていてもよい。但し、い
ずれの場合にも、最隣接マスク同士の間隔（各図におい
てZa,Zb,Zc）が2.5μｍ以下となるようにすることが望
ましい。図４（ｃ）においてはマスクが無秩序に並べら
れているため、各マスク毎に最隣接マスクとの間隔が異
なるが、いずれのマスクについても最隣接のマスクとの
間隔が2.5μｍ以下となるようにすることが望ましい。
【００３８】なお、上記実施の形態においては、マスク
形状を円形としたが、マスク形状は円形に限るものでは
なく、多角形、その他任意の形状を採用することができ
る。
形状を円形としたが、マスク形状は円形に限るものでは
なく、多角形、その他任意の形状を採用することができ
る。
【００３９】また、選択横成長させたＧａＮ層の上に、
導電性ＧａＮ層を１００〜２００μｍ程度成長し、ベー
スとなるSiC層から選択横成長させたＧａＮ層までを除
去して、導電性ＧａＮ基板としてもよい。これにより電
極を導電性ＧａＮ基板の裏面に形成できるので、高品質
なレーザ光を得ることができる。また、電極形成のため
のフォトリソグラフィ工程を必要としないので、工程を
簡略化できる。
導電性ＧａＮ層を１００〜２００μｍ程度成長し、ベー
スとなるSiC層から選択横成長させたＧａＮ層までを除
去して、導電性ＧａＮ基板としてもよい。これにより電
極を導電性ＧａＮ基板の裏面に形成できるので、高品質
なレーザ光を得ることができる。また、電極形成のため
のフォトリソグラフィ工程を必要としないので、工程を
簡略化できる。
【００４０】次に、上記第２の実施の形態による半導体
素子用基板を用いた半導体レーザ素子の一実施の形態に
ついて説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図５
に示す。
素子用基板を用いた半導体レーザ素子の一実施の形態に
ついて説明する。その半導体レーザ素子の断面図を図５
に示す。
【００４１】図５に示すように、低欠陥なＧａＮ層16上
に、ｎ−ＧａＮコンタクト層17、ｎ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌ
ｚ１Ｎ（2.5ｎｍ）/ＧａＮ（2.5ｎｍ）超格子クラッド
層18、ｎ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層19、Ｉｎ
ｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（Ｓｉドープ）/Ｉｎｘ１Ｇａ
１−ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層（0.5＞ｘ1＞ｘ2≧0）2
0、ｐ−Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎキャリアブロッキング
層21、ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ ２Ｎ光導波層22、ｐ−Ｇ
ａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎ（2.5ｎｍ）/ＧａＮ（2.5ｎｍ）
超格子クラッド層23、ｐ−ＧａＮコンタクト層24を成長
する。引き続き、ＳｉＯ ２膜とレジストを形成し、通常
のフォトリソグラフィーにより３０μｍ程度の幅からな
るストライプ領域外のレジストとＳｉＯ２膜を除去す
る。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング装置）で選択的に
Ｐ型超格子クラッド層23の途中までエッチングを行う。
このエッチングのクラッド層残し厚は屈折率導波が達成
できる厚みとする。その後、レジストとＳｉＯ２を除去
し、引き続きＳｉＯ２とレジストを形成し、ストライプ
の２０μｍ外側の領域以外のＳｉＯ２とレジストを除去
し、ＲＩＥでｎ−ＧａＮコンタクト層24が露出するまで
エッチングを行う。その後、通常のリソグラフィー技術
を用いＴｉ/Ａuよりなるｎ電極26とｐ型コンタクト層の
表面にストライプ状にＮｉ/Ａuよりなるｐ電極25を形成
する。ＳｉＣ層11を研磨し、試料をへき開してなる共振
器面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを
行い、その後、チップ化して半導体レーザ素子を完成さ
せる。
に、ｎ−ＧａＮコンタクト層17、ｎ−Ｇａ１−ｚ１Ａｌ
ｚ１Ｎ（2.5ｎｍ）/ＧａＮ（2.5ｎｍ）超格子クラッド
層18、ｎ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ２Ｎ光導波層19、Ｉｎ
ｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（Ｓｉドープ）/Ｉｎｘ１Ｇａ
１−ｘ１Ｎ多重量子井戸活性層（0.5＞ｘ1＞ｘ2≧0）2
0、ｐ−Ｇａ１−ｚ３Ａｌｚ３Ｎキャリアブロッキング
層21、ｐ−Ｇａ１−ｚ２Ａｌｚ ２Ｎ光導波層22、ｐ−Ｇ
ａ１−ｚ１Ａｌｚ１Ｎ（2.5ｎｍ）/ＧａＮ（2.5ｎｍ）
超格子クラッド層23、ｐ−ＧａＮコンタクト層24を成長
する。引き続き、ＳｉＯ ２膜とレジストを形成し、通常
のフォトリソグラフィーにより３０μｍ程度の幅からな
るストライプ領域外のレジストとＳｉＯ２膜を除去す
る。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング装置）で選択的に
Ｐ型超格子クラッド層23の途中までエッチングを行う。
このエッチングのクラッド層残し厚は屈折率導波が達成
できる厚みとする。その後、レジストとＳｉＯ２を除去
し、引き続きＳｉＯ２とレジストを形成し、ストライプ
の２０μｍ外側の領域以外のＳｉＯ２とレジストを除去
し、ＲＩＥでｎ−ＧａＮコンタクト層24が露出するまで
エッチングを行う。その後、通常のリソグラフィー技術
を用いＴｉ/Ａuよりなるｎ電極26とｐ型コンタクト層の
表面にストライプ状にＮｉ/Ａuよりなるｐ電極25を形成
する。ＳｉＣ層11を研磨し、試料をへき開してなる共振
器面の一方に高反射率コート、他方に低反射率コートを
行い、その後、チップ化して半導体レーザ素子を完成さ
せる。
【００４２】この半導体レーザ素子の発振波長λは、活
性層の組成より３８０＜λ＜５５０ｎｍが可能である。
性層の組成より３８０＜λ＜５５０ｎｍが可能である。
【００４３】上記半導体レーザ素子は、広範囲で低欠陥
な本発明の半導体素子用基板を用いているので、２０μ
ｍ幅の幅広のストライプ領域においても欠陥の影響が小
さい。このため、高出力化が可能であり、高い信頼性を
得ることができる。
な本発明の半導体素子用基板を用いているので、２０μ
ｍ幅の幅広のストライプ領域においても欠陥の影響が小
さい。このため、高出力化が可能であり、高い信頼性を
得ることができる。
【００４４】上記実施の形態では、ストライプ幅が広い
半導体レーザ素子について述べたが、ストライプ幅を１
〜２μｍ程度の基本横モード発振する半導体レーザ素子
の基板としても用いることができる。
半導体レーザ素子について述べたが、ストライプ幅を１
〜２μｍ程度の基本横モード発振する半導体レーザ素子
の基板としても用いることができる。
【００４５】上記半導体レーザ素子の構造はｎ型層を最
初に成長したものについて記載している、ｐ型から成長
したものであってもよく、半導体層の導電性を反転する
だけでよい。
初に成長したものについて記載している、ｐ型から成長
したものであってもよく、半導体層の導電性を反転する
だけでよい。
【００４６】また、上記実施の形態では、リッジ構造の
屈折率導波型レーザについて述べたが、内部に電流狭窄
構造を有するレーザやリッジ構造を埋め込み屈折率導波
型機構を形成した半導体レーザ素子であってもよい。
屈折率導波型レーザについて述べたが、内部に電流狭窄
構造を有するレーザやリッジ構造を埋め込み屈折率導波
型機構を形成した半導体レーザ素子であってもよい。
【００４７】本発明の半導体素子用基板は、広範囲で欠
陥密度が低いので、高速な情報・画像処理及び通信、計
測、医療、印刷の分野での光源となる半導体発光素子の
基板に用いることができる。特に発光素子では暗電流を
低減できる。また、波長変換素子やファイバーレーザの
励起用などの低雑音な幅広ストライプ半導体レーザ素
子、あるいは高性能な電子デバイスの基板としても用い
ることができる。
陥密度が低いので、高速な情報・画像処理及び通信、計
測、医療、印刷の分野での光源となる半導体発光素子の
基板に用いることができる。特に発光素子では暗電流を
低減できる。また、波長変換素子やファイバーレーザの
励起用などの低雑音な幅広ストライプ半導体レーザ素
子、あるいは高性能な電子デバイスの基板としても用い
ることができる。
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体素子用
基板を示す断面図
基板を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態による半導体素子用
基板の製造過程を示す斜視図
基板の製造過程を示す斜視図
【図３】本発明の半導体素子用基板の他の例を示す斜視
図
図
【図４】成長抑制マスクの配置レイアウト例を示す図
【図５】本発明の半導体素子用基板を用いた半導体レー
ザ素子を示す断面図
ザ素子を示す断面図
１,11 ＳｉＣ層
２,12 カーボンナノチューブからなる凸部
３,13 ＧａＮ層
14 ＳｉＯ2膜
15 ＧａＮ層
16 ＧａＮ層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4G146 MA14 MB05 MB14 MB23 NA24
PA03 PA12 PA13 PA17
5F045 AB14 AC08 AC11 AC12 AC19
AD09 AD14 AD18 AF02 BB08
BB12 CA12 DB06
Claims (5)
- 【請求項１】 炭素原子を主な構成元素とする物質から
なる微細な凸部が複数設けられたＳｉＣ層と該ＳｉＣ層
上に結晶成長されたＧａＮ層とからなることを特徴とす
る半導体素子用基板。 - 【請求項２】 前記凸部が、グラファイトのクラスター
からなることを特徴とする請求項１記載の半導体素子用
基板。 - 【請求項３】 前記凸部が、上端が閉じたカーボンナノ
チューブからなることを特徴とする請求項１記載の半導
体素子用基板。 - 【請求項４】 前記凸部が、該凸部が設けられた面の４
０％以上９０％以下の領域を占めることを特徴とする請
求項１から３いずれか１項記載の半導体素子用基板。 - 【請求項５】 ＳｉＣ層上に、該ＳｉＣ層を真空下で加
熱して該ＳｉＣ層の表面からＳｉ原子を除去して、炭素
原子を主な構成元素とする物質からなる微細な凸部を複
数形成し、該凸部を有する前記ＳｉＣ層上にＧａＮ層を
結晶成長させることを特徴とする半導体素子用基板の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002042790A JP2003243316A (ja) | 2002-02-20 | 2002-02-20 | 半導体素子用基板およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002042790A JP2003243316A (ja) | 2002-02-20 | 2002-02-20 | 半導体素子用基板およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003243316A true JP2003243316A (ja) | 2003-08-29 |
Family
ID=27782786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002042790A Withdrawn JP2003243316A (ja) | 2002-02-20 | 2002-02-20 | 半導体素子用基板およびその製造方法 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2003243316A (ja) |
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-
2002
- 2002-02-20 JP JP2002042790A patent/JP2003243316A/ja not_active Withdrawn
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