JP2003298109A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

半導体素子及びその製造方法

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JP2003298109A
JP2003298109A JP2002100466A JP2002100466A JP2003298109A JP 2003298109 A JP2003298109 A JP 2003298109A JP 2002100466 A JP2002100466 A JP 2002100466A JP 2002100466 A JP2002100466 A JP 2002100466A JP 2003298109 A JP2003298109 A JP 2003298109A
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single crystal
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semiconductor
buffer layer
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Makoto Yamane
山根  真
Hiromi Takasu
高須  広海
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Tokyo Sanyo Electric Co Ltd
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Sanyo Electric Co Ltd
Tottori Sanyo Electric Co Ltd
Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板と成長層との特性(格子定数、熱膨張係
数)が異なるケースやサファイア基板のように転位密度
が元々高い基板を使用しなければならないケースであっ
ても、成長層での貫通転位密度の発生を抑制する。 【解決手段】 半導体基板1と、単結晶からなる整合層
21と絶縁層22とを積層してなり上記基板1表面上に
部分的に形成された緩衝層2と、該緩衝層2及び上記基
板1表面に形成された単結晶成長層3とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子及びそ
の製造法法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、窒化物半導体材料からLED、レ
ーザ等の短波長発光材料として幅広く採用されている。
【0003】例えばGaNは融点が摂氏1700度と高
温であることから、それ自身の単結晶基板(バルク基
板)を作成することは現段階では困難なため、窒化物半
導体材料からなる半導体素子を形成する場合、上記材料
と格子定数や熱膨張係数が近似するサファイア(Al2
3)基板等が基板として広く採用されている。
【0004】しかしながら、例えばサファイア基板と窒
化物半導体との格子定数が近似しているといってもその
格子不整合率は10%以上ある。このため、サファイア
基板上に成長された窒化物半導体層には貫通転位が発生
して半導体素子の特性を劣化させるという問題があっ
た。
【0005】この問題を解決する方法としては、例えば
特開平11-214744号公報に記載されているよう
に、半導体基板表面に部分的に単結晶成長層が成長しに
くい、または、しない材料(例えば、酸化シリコン(S
iO2)、窒化シリコン(Si34))からなるマスク
層を設け、このマスク層上での成長層の横方向への成長
を利用して、単結晶成長層への貫通転位の発生を極力抑
制しようとする方法が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公開公報
に記載された方法では、上記マスク層上での貫通転位の
発生は抑止できるものの、マスク層が形成されていない
半導体基板上表面では横方向成長ではなく縦方向成長と
なるため、単結晶成長層での貫通転位の発生を抑制でき
ない。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑み
てなされたもので、その第1の特徴は、半導体基板と、
単結晶からなる整合層と絶縁層とを積層してなり上記基
板表面上に部分的に形成された緩衝層と、該緩衝層及び
上記基板表面に形成された単結晶成長層とを備えた半導
体素子に有り、また第2の特徴は、半導体基板を準備す
るステップと、該半導体基板表面に部分的に単結晶から
なる整合層と絶縁層とを積層してなる緩衝層を形成する
ステップと、該緩衝層を埋め込むように上記半導体表面
に単結晶層を成長させるステップとを備えた半導体素子
の製造方法にある。
【0008】
【発明の実施の形態】図1は、本発明を適用してなる半
導体発光素子の一例を示す。
【0009】本実施例の半導体発光素子は、例えばサフ
ァイア(Al23)単結晶からなる半導体基板1の表面
に紙面垂直方向に平行に延在する複数の緩衝層2が形成
されている。この緩衝層2は、例えばAl単結晶又はA
lAs単結晶からなる整合層21と該整合層21上に積
層された例えば酸化シリコン(SiO2)又は窒化シリ
コン(Si34)からなる絶縁層22とからなる。
【0010】上記緩衝層2の形成は、例えばCVD(化
学的気相成長)法等の周知の単結晶成長法により先ず整
合層21を半導体基板1全表面に成長させ、その後スパ
ッタリング法等の周知の成膜技術により上記整合層21
全表面に絶縁層22を形成する。その後、周知のエッチ
ング技術を利用して整合層21及び絶縁層22の一部を
ストライプ状に取り除くことにより行う。
【0011】上記緩衝層2上面及びこの緩衝層2が形成
されていない上記半導体基板1表面には、例えばN型G
aNからなるN型コンタクト層3、In0.2Ga0.8Nか
らなる量子井戸型発光層4、P型Ga0.82Al0.18Nか
らなるクラッド層5及びP型GaNからなるP型コンタ
クト層6がその順に積層される。上記各積層層3〜6
は、従来周知の単結晶成長法によりその順に成長させて
形成できる。
【0012】尚、整合層21を構成するAlの蒸気温度
は低いためこの点を考慮して、上記コンタクト層3は上
記緩衝層2が埋め込まれるまでは摂氏500度程度の低
温で成長させることが好ましい。上記緩衝層2が埋め込
まれた後は、成長温度を摂氏1000度程度に上昇させ
ても既にN型コンタクト層3は成長しているため、結晶
性の観点からは上記整合層21のAlが蒸発しても結晶
成長に影響を及ぼすことはない。
【0013】上記各成長層3〜6は、一旦成長後、N型
コンタクト層3の一部が露出するようにエッチングさ
れ、露出したN型コンタクト層3上面にはN型電極7
が、またP型コンタクト層6表面にはP型電極8が形成
される。
【0014】次に半導体基板1の影響によるN型コンタ
クト層3における貫通転位密度について検討する。
【0015】本実施例素子において、緩衝層2を特開平
11-214744号公報に記載の如く絶縁層22のみ
で構成した場合、緩衝層2直上ではN型コンタクト層3
は横方向成長するため基板1に影響されて発生する貫通
転位は抑制される(実験によれば、1/20〜1/33
となる。)。しかし、緩衝層2が形成されていない半導
体基板1表面では縦方向成長が発生するため、この部分
直上に成長したN型コンタクト層3における貫通転位発
生は緩和されない。
【0016】この結果、上記緩衝層2直上のN型コンタ
クト層3の貫通転位密度は、 (基板1の貫通転位密度)×(基板1表面積に対する緩
衝層表面積の割合)×(1/20〜1/33) となるが、上記縦方向成長部分のN型コンタクト層3に
おける貫通転位密度は略基板1の貫通転位密度と等しい
結果となる。
【0017】具体的には、例えば基板1の貫通転位密度
を1010cm-2とし、基板1表面の2/3が緩衝層2で
覆われているものとすると、緩衝層2直上の貫通転位密
度は、約108cm-2程度と略2桁減少できるが、それ
以外の部分では、1010cm- 2のままであるため、N型
コンタクト層3の平均貫通転位密度は1.7×109
-2程度となり実質的には1桁も減少しないこととな
る。
【0018】尚、理論上、基板1の表面積に対する緩衝
層2の表面積割合を大とすればN型コンタクト層3の貫
通転位密度は低減できるが、絶縁層22のみの緩衝層2
割合を大とすればするほど、N型コンタクト層3の単結
晶成長が困難となる。
【0019】一方、本実施例の如く緩衝層2に単結晶か
らなる整合層21を包含させると、緩衝層2が形成され
ていない半導体基板1表面でも、上記整合層21を種結
晶としてその側面より横方向成長が発生する。
【0020】このため、上記緩衝層2が形成されていな
い基板1表面の露出部分直上に成長したN型コンタクト
層3の貫通転位密度は、 (基板1の貫通転位密度)×(基板1表面の露出表面積
の割合)×(1/20〜1/33) となり、また上記緩衝層2直上のN型コンタクト層3の
貫通転位密度は、その1/20〜1/33となる。
【0021】具体的には、例えば基板1の貫通転位密度
を1010cm-2とし、基板1表面の2/3が緩衝層2で
覆われているものとすると、上記緩衝層2が形成されて
いない基板1表面の露出部分直上に成長したN型コンタ
クト層3の貫通転位密度は、約108cm-2程度と略2
桁減少でき、更に上記緩衝層2直上のN型コンタクト層
3の貫通転位密度は、その1/20〜1/33、即ち
3.3×106cm-2となり、N型コンタクト層3の平
均貫通転位密度は1.7×107cm-2程度となり実質
的に3桁程度も減少することとなる。
【0022】このように本実施例の如く、整合層21と
絶縁層22とからなる緩衝層2を利用することにより、
基板1上に単結晶成長されたN型コンタクト層3の貫通
転位密度を大幅に低減できるので、N型コンタクト層3
上に成長された発光層4、クラッド層5等の結晶性も改
善され、その結果発光効率、VF等を改善することがで
きる。
【0023】尚、本実施例では、基板1としてサファイ
ア単結晶基板を用い、その直上に成長されたN型コンタ
クト層3をN−GaN単結晶で構成した場合について説
明したが、シリコン単結晶基板上に3−5族化合物半導
体単結晶層を成長させるように基板と成長層との特性
(格子定数、熱膨張係数)が異なるケース、サファイア
基板のように転位密度が元々高い基板を使用しなければ
ならないケースに適用できる。
【0024】また、本実施例では、整合層21をAl単
結晶又はAlAs単結晶で構成したが、これはN型コン
タクト層3を構成するGaN単結晶等の3−5族化合物
半導体単結晶との格子整合率等の整合性が良好なためで
あり、本発明はこれに限定されるものではなく、基板1
直上に成長させる単結晶に応じて整合性を考慮して適宜
選択することができる。
【0025】また、本実施例では、絶縁層22材料とし
て酸化シリコン(SiO2)又は窒化シリコン(Si3
4)を用いたが、本発明はこれに限定されるものではな
く、基板1直上に成長する層が横方向成長するように、
単結晶成長しない、又はしにくい材料で構成すれば良
い。
【0026】図2は本発明の第2の実施例を示し、上記
N型コンタクト層3中に酸化シリコン(SiO2)又は
窒化シリコン(Si34)からなるマスク層9を部分的
に配したことを特徴とする。
【0027】この第2の実施例は、上記N型コンタクト
層3を上記緩衝層2が埋め込まれる程度まで成長させ
て、その成長層表面にスパッタリング、エッチング技術
を利用して例えば紙面垂直方向に延在するストライプ状
のマスク層9を形成後、再度N型コンタクト層3を成長
させ、その後第1に実施例と同様に発光層4、クラッド
層5、P型コンタクト層6を成長させると共にN型電極
7及びP型電極8を形成する。
【0028】斯かる構成によれば、マスク層9上に成長
するコンタクト層3はマスク層9表面での横方向成長に
より貫通転位密度を更に低減することができる。
【0029】上記マスク層9は、上記緩衝層2が形成さ
れていない基板1表面の露出部上方に形成することが好
ましいく、これによりマスク層9上部に成長するコンタ
クト層3の貫通転位密度は緩衝層2表面に成長したコン
タクト層3の貫通転位密度と略等しくなるため、最終的
には発光層4が形成されるコンタクト層3表面近傍の貫
通転位密度は均一に低くでき、発光層4等の結晶性をよ
り良く、かつ均一に成長させることができる。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、基板と成長層との特性
(格子定数、熱膨張係数)が異なるケースやサファイア
基板のように転位密度が元々高い基板を使用しなければ
ならないケースであっても、成長層での貫通転位密度の
発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板 2 緩衝層 3 N型コンタクト層 9 マスク層 21 整合層 22 絶縁層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高須 広海 鳥取県鳥取市南吉方3丁目201番地 鳥取 三洋電機株式会社内 Fターム(参考) 5F041 AA40 CA05 CA34 CA40 CA46 CA64 CA74

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、単結晶からなる整合層と
    絶縁層とを積層してなり上記基板表面上に部分的に形成
    された緩衝層と、該緩衝層及び上記基板表面に形成され
    た単結晶成長層とを備えたことを特徴とする半導体素
    子。
  2. 【請求項2】 請求項1の上記絶縁層は、その表面に上
    記単結晶成長層が成長しない、もしくは成長しにくい性
    質の材料からなることを特徴とする半導体素子。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2の上記絶縁層は、酸化シ
    リコン又は窒化シリコンからなることを特徴とする半導
    体素子。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3の上記半導体基板と上記単
    結晶成長層は格子定数が異なることを特徴とする半導体
    素子。
  5. 【請求項5】 請求項1〜4の上記整合層はAl又はA
    lAs単結晶からなることを特徴とする半導体素子。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5の上記緩衝層は複数の平行
    に延在するストライプ状に形成されていることを特徴と
    する半導体素子。
  7. 【請求項7】 請求項1〜5の上記単結晶成長層内に上
    記単結晶成長層が成長しない、もしくは成長しにくい性
    質の材料からなるマスク層を配したことを特徴とする半
    導体素子。
  8. 【請求項8】 請求項7の上記マスク層は、上記緩衝層
    が形成されていない上記半導体基板表面と対向する位置
    に配されることを特徴とする半導体素子。
  9. 【請求項9】 半導体基板を準備するステップと、該半
    導体基板表面に部分的に単結晶からなる整合層と絶縁層
    とを積層してなる緩衝層を形成するステップと、該緩衝
    層を埋め込むように上記半導体表面に単結晶層を成長さ
    せるステップとを備えたことを特徴とする半導体素子の
    製造方法。
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