JP2005020026A - 窒化ガリウム系化合物半導体及び半導体基板 - Google Patents

Abstract

【課題】素子特性及び製造効率を向上させること。
【解決手段】シリコン基板１の上にはストライプ状又は格子状にAl_0.15Ga_0.85N 層２が形成されている。基板１の露出領域Ａと層２の上部領域Ｂに、GaN 層３を成長させる。このとき、GaN は、層２のAl_0.15Ga_0.85N 上に３次元的（垂直方向のみならず横方向にも）にエピタキシャル成長する。このように、GaN が横方向にもエピタキシャル成長するので、基板１の露出領域Ａである横方向成長領域では転位が大幅に減少した窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、新規な製造方法により製造される一般式Al_x Ga_y In_1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体及び窒化ガリウム系化合物半導体基板に関する。特に、基板上に横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）を用いて成長させた窒化ガリウム系化合物半導体及び窒化ガリウム系化合物半導体基板に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体は、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED) やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。この窒化ガリウム系化合物半導体では、通常、サファイア上に形成している。

しかしながら、上記従来技術では、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を形成すると、サファイアと窒化ガリウム系化合物半導体との熱膨張係数差により、半導体層にクラック、そりが発生し、ミスフットにより転位が発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。

従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、クラック、転位のない窒化ガリウム系半導体層を形成することで、素子特性を向上させると共に、効率のよい製造方法を実現することである。

課題を解決するための手段及び作用効果

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、窒化ガリウム系化合物半導体において、基板と、基板上に形成され、基板の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態に形成された第１の窒化ガリウム系化合物半導体と、島状態の第１の窒化ガリウム系化合物半導体を核として成長させて、基板の露出面上に横方向成長して、基板の露出面上において周囲から成長した結晶が合体し、その合体部分と基板との間には間隙が形成された第２の窒化ガリウム系化合物半導体とから成ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体である。

尚、ここでいう横方向とは、基板の面方向を意味する。これにより、第２の窒化ガリウム系化合物半導体は、基板の露出部には成長せず、第１の窒化ガリウム系化合物半導体上に３次元的、即、面方向にも成長し、基板の上方向では一様に成長される。この結果、基板と窒化ガリウム系化合物半導体との間のミスフィットに基づく転位は縦方向に成長し、横方向へは成長しない。よって、基板の露出部上の第２の窒化ガリウム系化合物半導体の縦方向の貫通転位はなくなり、第１の窒化ガリウム系化合物半導体の上の部分だけ縦方向の貫通転位が残る。この結果、第２の窒化ガリウム系化合物半導体の縦方向の貫通転位の面密度が極めて減少する。従って、第２の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性が向上する。また、基板の露出部とその上の第２の窒化ガリウム系化合物半導体とは化学的に接合していないので、第２の窒化ガリウム系化合物半導体のそりが防止されると共に応力歪みがその半導体に入ることが抑制される。

また、請求項２に記載の発明は、第２の窒化ガリウム系化合物半導体の上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る素子層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体である。

また、請求項３に記載の発明は、基板は、サファイア、シリコン、又は、炭化珪素であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体である。

また、請求項４に記載の発明は、基板はシリコンであり、島状態に形成される第１の窒化ガリウム系化合物半導体は、アルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体であり、第２の窒化ガリウム系化合物半導体はアルミニウムを含まない窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体である。
アルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体はシリコン上にエピタキシャル成長するが、アルミニウムを含まない窒化ガリウム系化合物半導体はシリコン上にエピタキシャル成長しない。よって、シリコン基板上に島状態の第１の窒化ガリウム系化合物半導体を形成し、その後、その第１の窒化ガリウム系化合物半導体上にはエピタキシャル成長するが、シリコン基板の露出部にはエピタキシャル成長しない第２の窒化ガリウム系化合物半導体を形成することができる。これにより、シリコン基板の露出部上は、第１の窒化ガリウム系化合物半導体を核として、第２の窒化ガリウム系化合物半導体が横方向にエピタキシャル成長することになり、結晶性の高い窒化ガリウム系化合物半導体を得ることができる。

また、請求項５に記載の発明は、基板と第１の窒化ガリウム系化合物半導体との間に、その第１の窒化ガリウム系化合物半導体と同一形状のバッファ層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体である。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項５の何れかの窒化ガリウム系化合物半導体において、基板、又は基板から第１の窒化ガリウム系化合物半導体までを除去して得られる半導体基板である。

発明の実施の形態

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は、本発明の第１実施例に係わる窒化ガリウム系化合物半導体の断面構成を示した模式図である。シリコン基板１の上には膜厚約1000ÅのAl_0.15Ga_0.85N 層（第１の窒化ガリウム系化合物半導体）２がストライプ状（図１（ｂ））又は格子状（図１（ｃ））に形成されている。又、シリコン基板１上の層２を除いた露出領域Ａ及び層２の上面領域Ｂには膜厚約10μｍのGaN 層（第２の窒化ガリウム系化合物半導体）３が形成されている。

次に、このGaN 系化合物半導体の製造方法について説明する。
この半導体は、スパッタリング法及び有機金属気相成長法（以下「MOVPE 」と略す）により製造された。MOVPE で用いられたガスは、アンモニア(NH₃) 、キャリアガス(H₂,N₂) 、トリメチルガリウム(Ga(CH₃)₃)（以下「TMG 」と記す）、トリメチルアルミニウム(Al(CH₃)₃)（以下「TMA 」と記す）である。

まず、フッ酸系溶液(HF:H₂O=1:1)を用いて洗浄した (111)面、 (100)面、又は、(110) 面を主面としたｎ−シリコン基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH₂を流速2 liter/分で約10分間反応室に流しながら温度1150℃で基板１をベーキングした。

この後、基板１の温度を1150℃に保持し、N₂又はH₂を10liter/分、NH₃ を10liter/分、TMG を1.0 ×10^-4モル／分、トリメチルアルミニウム(Al(CH₃)₃)（以下「TMA 」と記す）を1.0 ×10^-5モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10^-8モル／分で供給し、膜厚約1000Å、Si濃度1.0 ×10¹⁸/cm³のAl_0.15Ga_0.85N 層２を形成した。

次に、この層２の上に、一様に、SiO₂層をスパッタリングにより膜厚約2000Åに形成し、レジストを塗布して、フォトリソグラフィによりSiO₂層を所定形状にエッチングした。次に、この所定形状のSiO₂層をマスクとして、Al_0.15Ga_0.85N 層２をドライエッチングした。このようにして、層２の上部領域Ｂの幅ｂが約５μｍ、基板１の露出領域Ａの間隔ａが約５μｍのストライプ状（図１（ｂ））又は格子状（図１（ｃ））に形成した。

次に、MOVPE 法により基板１の温度を1100℃にしてN₂又はH₂を20liter/分、NH₃ を10liter/分、TMG を1.0 ×10^-4モル／分、H₂ガスにより0.86ppm に希釈されたシランを20×10^-8モル／分で供給して、膜厚約10μｍのGaN 層３をエピタキシャル成長させた。このとき、GaN は、Al_0.15Ga_0.85N 層２の上に、このAl_0.15Ga_0.85N を核として、エピタキシャル成長する。しかし、シリコン基板１の露出領域Ａの上には、GaN はエピタキシャル成長しない。そして、シリコン基板１の露出領域Ａでは、Al_0.15Ga_0.85N 層２上に成長したGaN を核として、GaN が横方向、即ち、シリコン基板１の面方向に沿ってエピタキシャル成長する。このGaN 層３は、Al_0.15Ga_0.85N 層２の上部領域Ｂにだけ縦方向に転位が生じ、シリコン基板１の露出領域Ａでは、横方向のエピタキシャル成長であるために、転位は生じない。シリコン基板１の露出領域Ａの面積をAl_0.15Ga_0.85N 層２の上部領域Ｂの面積に比べて大きくすることで、広い面積に渡って結晶性の良好なGaN 層３を形成することができる。また、シリコン基板１とその上のGaN は化学的に結合していないために、GaN 層３のそり、応力歪みを極めて大きく減少させることができる。

尚、上記実施例において、ストライプ状又は格子状に形成されたシリコン基板１の露出領域Ａの幅ａを約５μｍとしたが、露出領域Ａの幅ａが10μｍを超えると横方向の成長に長時間必要となり、シリコン基板１の露出領域Ａの幅ａが１μｍ未満になると、良好なGaN 膜の形成が困難となるので、望ましくは１〜10μｍの範囲が良い。また、Al_0.15Ga_0.85N 層２の上部領域Ｂの幅ｂを５μｍとしたが、Al_0.15Ga_0.85N 層２の上部領域Ｂの幅ｂが10μｍを超えると転位発生の確率が増大し、上部領域Ｂの幅ｂが１μｍ未満になると横方向の成長のための核形成が良好でできず、したがって、結晶性の良い横方向のエピタキシャル成長が困難となる。よって、望ましくは１〜10μｍの範囲が良い。また、層３の結晶性の観点から、シリコン基板１の露出領域Ａの幅ａのAl_0.15Ga_0.85N 層２の上部領域Ｂの幅ｂに対する割合ａ／ｂは１〜10が望ましい。

尚、上記実施例では、シリコン基板を用いたが、他の導電性基板、サファイア基板、炭化珪素等を用いることができる。導電性基板を用いた場合には、基板の裏面と基板上に形成された素子層の最上層とに電極を形成して、基板面に垂直に電流を流すことができ、発光ダイオード、レーザ等における電流供給効率が向上する。
本実施例では、層２の組成をAl_0.15Ga_0.85N としたが、任意組成比の一般式Al_x Ga_y In_1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができる。シリコン基板１上にエピタキシャル成長させるには、Al_x Ga_1-x N(0 ＜x ≦1)（AlN を含む) が望ましい。また、層３は、任意組成比の一般式Al_x Ga_y In_1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができ、層２と同一組成比であっても、異なる組成比であっても良いが、基板に対してエピタキシャル成長しない組成比とする必要がある。
又、本実施例では、層２の膜厚を約1000Åとしたが、層２は厚いとクラックが多くなり、薄いと層２を核として層３が成長しない。よって、層２の厚さは、500 Å〜2000Åが望ましい。

（第２実施例）
上述の第１実施例では、第１の窒化ガリウム系化合物半導体として、Al_0.15Ga_0.85N 層２を１層だけ設けられている。本実施例では、第１の窒化ガリウム系化合物半導体として、Al_0.15Ga_0.85N 層２１とその上のGaN 層２２の２層で形成したことを特徴とする。

図２は、本発明の第２実施例に係わる窒化ガリウム系化合物半導体の断面構成を示した模式図である。シリコン基板１の上には膜厚約1000ÅのAl_0.15Ga_0.85N 層２１が形成され、この層２１上に、膜厚約1000ÅのGaN 層２２が形成されている。層２１と層２２とで第１の窒化ガリウム系化合物半導体が構成される。これらの層２１と層２２層は、第１実施例と同様にストライプ状又は格子状に形成されている。層２２及びシリコン基板１の露出領域Ａ上には、膜厚約10μｍのGaN 層３が形成されている。

この第２実施例の窒化ガリウム系化合物半導体は、第１実施例において、層２１、層２２をシリコン基板１上に一様に形成した後、所定パターンのSiO₂層をマスクにして、層２１、層２２をドライエッチングで図１（ｂ）又は（ｃ）に示すように、ストライプ状又は格子状にする。その後のGaN 層３の形成は第１実施例と同一である。

膜厚約10μｍのGaN 層３の成長過程は以下の通りである。GaN は、GaN 層２２の上部領域ＢのGaN を核として、面に垂直方向に成長する。そして、シリコン基板１の露出領域Ａでは、層２２の露出領域Ｂ上に成長したGaN を核として、GaN が横方向にエピタキシャル成長する。このようにして、本実施例では、GaN がGaN を核として縦方向にも横方向にもエピタキシャル成長するので、第１実施例よりも、さらに、結晶性の高いGaN が得られる。

尚、本実施例において、層２２と層３とをGaN としたが、層２２と層３とを同一組成比の一般式Al_x Ga_y In_1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体としても良い。但し、層３は基板に対してエピタキシャル成長しない組成比とする必要がある。基板にシリコンを用いた場合には、Alが含まれない窒化ガリウム系化合物半導体を用いるのが良い。勿論、層２２と第２の層３との組成比を変化させても良い。

上記の全実施例において、シリコン基板１又は、シリコン基板１から層２又は層２２までの部分Ｃを研磨又はエッチングにより除去することにより、無転位のGaN 基板を得ることができる。上記の全実施例において、層３にGaN を用いたが、任意組成比のInGaN を用いても良い。また、層３の上に、他の材料の半導体層を形成しても良い。特に、窒化ガリウム系化合物半導体をさらに成長させることで、発光ダイオード、レーザ等の特性の良好な素子を得ることができる。
また、上記の全実施例において、基板１と層２、又は層２２の間に、任意組成比のAlGaN のバッファ層や AlGaInNのバッファ層を設けても良い。このバッファ層は層２、層２２の単結晶成長温度よりも低温で形成されるアモルファス状又は微結晶の混在したアモルファス等の結晶構造をしたものである。

素子層としてＳＱＷ又はＭＱＷ等の量子構造を有した発光ダイオード、レーザを形成することができる。
上記の全実施例において、MOVPE 法は常圧雰囲気中で行われたが、減圧成長下で行っても良い。また、常圧、減圧の組み合わせで行なって良い。
本発明で得られたGaN 系化合物半導体は、ＬＥＤやＬＤの発光素子に利用可能であると共に受光素子及び電子ディバイスにも利用することができる。

尚、本件出願には、基板上に第１の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ、その後、その第１の窒化ガリウム系化合物半導体を、基板の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態にエッチングし、その後、島状態の第１の窒化ガリウム系化合物半導体を核として成長するが、基板の露出部を核としてはエピタキシャル成長しない第２の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ、基板の露出面上は横方向成長により形成することを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法も開示されている。

本発明は、素子特性を向上させる半導体として用いることができる。

本発明の具体的な第１実施例に係わる窒化ガリウム系化合物半導体の構造を示した模式的断面図。 本発明の具体的な第２実施例に係わる窒化ガリウム系化合物半導体の構造を示した模式的断面図。

符号の説明

１ シリコン基板
２ Al_0.15Ga_0.85N 層（第１の窒化ガリウム系化合物半導体）
３ GaN 層（第２の窒化ガリウム系化合物半導体）
２１ Al_0.15Ga_0.85N 層（第１の窒化ガリウム系化合物半導体）
２２ GaN 層（第１の窒化ガリウム系化合物半導体）

Claims (6)

1. 窒化ガリウム系化合物半導体において、
   基板と、
   前記基板上に形成され、前記基板の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態に形成された第１の窒化ガリウム系化合物半導体と、
   前記島状態の前記第１の窒化ガリウム系化合物半導体を核として成長させて、前記基板の露出面上に横方向成長して、前記基板の前記露出面上において周囲から成長した結晶が合体し、その合体部分と前記基板との間には間隙が形成された第２の窒化ガリウム系化合物半導体と
   から成ることを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体。
2. 前記第２の窒化ガリウム系化合物半導体の上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体から成る素子層を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半導体。
3. 前記基板は、サファイア、シリコン、又は、炭化珪素であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体。
4. 前記基板はシリコンであり、前記島状態に形成される前記第１の窒化ガリウム系化合物半導体は、アルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体であり、前記第２の窒化ガリウム系化合物半導体はアルミニウムを含まない窒化ガリウム系化合物半導体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の窒化ガリウム系化合物半導体。
5. 前記基板と前記第１の窒化ガリウム系化合物半導体との間に、その第１の窒化ガリウム系化合物半導体と同一形状のバッファ層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかの窒化ガリウム系化合物半導体において、前記基板、又は前記基板から前記第１の窒化ガリウム系化合物半導体までを除去して得られる半導体基板。