JP2005294416A - 窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子 - Google Patents
窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】 表面から裏面に貫通したストライプ状の転位集中領域を有するＧａＮ基板の表面に窒化物系半導体各層を均一な膜厚で積層する窒化物系半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】
窒化物系半導体基板、例えば、ＧａＮ基板１０２の表面１０３の転位集中領域１０６に沿って、転位集中領域１０６の近傍の非転位集中領域１１０に溝１０８を形成する。この溝１０８が形成されたＧａＮ基板１０２の表面１０３に窒化物系半導体の各層を結晶成長層１０４として形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】
窒化物系半導体基板、例えば、ＧａＮ基板１０２の表面１０３の転位集中領域１０６に沿って、転位集中領域１０６の近傍の非転位集中領域１１０に溝１０８を形成する。この溝１０８が形成されたＧａＮ基板１０２の表面１０３に窒化物系半導体の各層を結晶成長層１０４として形成する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、窒化物系半導体素子の製造方法および窒化物系半導体素子に関する。
窒化物系半導体素子は、次世代の大容量光ディスク用光源として利用される半導体レーザ素子等として、その開発が盛んに行われている。例えば、特許文献１が参照される。
窒化物系半導体素子は、窒化物系半導体基板上に有機金属気相堆積法によって、窒化物系半導体各層を結晶成長させることによって製造される。
図１７は、窒化物系半導体基板を模式的に示した斜視図である。
窒化物系半導体素子は、窒化物系半導体基板上に有機金属気相堆積法によって、窒化物系半導体各層を結晶成長させることによって製造される。
図１７は、窒化物系半導体基板を模式的に示した斜視図である。
窒化物系半導体基板１７０１は、その表面１７０２と裏面１７０３とを貫通したストライプ状の結晶欠陥の集中した転位集中領域１７０４，１７０５，１７０６，１７０７と正常な結晶領域からなる非転位集中領域１７０８，１７０９，１７１０とからなる。非転位集中領域１７０８、１７０９、１７１０の幅、即ち転位集中領域間の間隔は、例えば、約４００μｍである。
この窒化物系半導体基板１７０１の表面１７０２に窒化物系半導体を例えば、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により結晶成長させて、窒化物系半導体の積層構造を得る。
図１８は、このようにして得られた従来の窒化物系半導体の積層構造を転位集中領域の延在方向と直角方向から視た模式図である。窒化物系半導体基板１７０１の表面１７０２には、結晶成長層１８０１、１８０２、１８０３が形成されている。これらの結晶成長層１８０１、１８０２、１８０３において、膜厚は、一定でなく、例えば、転位集中領域１７０４、１７０５近くの端部１８０４、１８０５で厚く、中央部１８０６で薄く、不均一となっている。
図１８は、このようにして得られた従来の窒化物系半導体の積層構造を転位集中領域の延在方向と直角方向から視た模式図である。窒化物系半導体基板１７０１の表面１７０２には、結晶成長層１８０１、１８０２、１８０３が形成されている。これらの結晶成長層１８０１、１８０２、１８０３において、膜厚は、一定でなく、例えば、転位集中領域１７０４、１７０５近くの端部１８０４、１８０５で厚く、中央部１８０６で薄く、不均一となっている。
このような結晶成長層１８０１、１８０２、１８０３を有する窒化物系半導体から窒化物系半導体レーザ素子を作製するためには、光閉じ込め構造を得るのに、ストライプ状の光導波路を形成する必要がある。光導波路形成には様々な方法があるが、リッジ型光導波路は、深さや幅を百分の一μｍ程度の精度で精密に制御したエッチング技術により形成される。
国際公開公報 ＷＯ ０３／０３８９５７Ａ１
ところが、膜厚不均一な結晶成長層を有する窒化物系半導体レーザ素子では、光導波路の形成工程でのエッチングのムラの原因となり、特性悪化や歩留まり低下を招くことになる。
そこで、本発明は、窒化物系半導体基板の非転位集中領域の表面に、窒化物系半導体の積層構造を膜厚が均一な結晶成長層を有する窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、窒化物系半導体基板の非転位集中領域の表面に、窒化物系半導体の積層構造を膜厚が均一な結晶成長層を有する窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、ストライプ状の転位集中領域と非転位集中領域とが交互に存在し、転位集中領域が表面から裏面に貫通している窒化物半導体基板を用いた窒化物系半導体素子の製造方法であって、前記窒化物系半導体基板の非転位集中領域の表面に窒化物系半導体層を積層する積層工程に先立って、窒化物系半導体基板の表面に前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域に溝を形成する溝形成工程を設けたこととしている。
上述のような方法によって、積層工程で積層する窒化物系半導体各層の膜厚の均一性を担保することができ、素子特性の改善および製品歩留まりの向上を図ることができる。
また、前記溝形成工程は、前記窒化物系半導体基板の表面に前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域を除く非転位集中領域にエッチングマスクを形成するマスク形成サブ工程と、前記転位集中領域を含み、転位集中領域に沿った非転位集中領域をエッチングするエッチングサブ工程と、前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスクを除去するマスク除去サブ工程とを有することとしている。
また、前記溝形成工程は、前記窒化物系半導体基板の表面に前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域を除く非転位集中領域にエッチングマスクを形成するマスク形成サブ工程と、前記転位集中領域を含み、転位集中領域に沿った非転位集中領域をエッチングするエッチングサブ工程と、前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスクを除去するマスク除去サブ工程とを有することとしている。
このような方法によって、転位集中領域に沿って、転位集中領域を含む非転位集中領域に溝を形成することが可能となる。
また、前記マスク形成サブ工程で形成されるエッチングマスクは、ＳｉＯ2から成り、前記エッチングサブ工程は、Ｃｌ2ガスを用いた反応性イオンエッチングであることとしている。
また、前記マスク形成サブ工程で形成されるエッチングマスクは、ＳｉＯ2から成り、前記エッチングサブ工程は、Ｃｌ2ガスを用いた反応性イオンエッチングであることとしている。
このような方法によって、溝を確実に形成することができる。
また、前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスク間の距離で決まるエッチングサブ工程で形成される溝の幅と、前記エッチングサブ工程で形成される溝の深さとは、後続の積層工程で転位集中領域の表面に積層されるべき窒化物系半導体層の非転位集中領域へのマイグレーションを抑制できる幅と深さとに形成されることとしている。
また、前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスク間の距離で決まるエッチングサブ工程で形成される溝の幅と、前記エッチングサブ工程で形成される溝の深さとは、後続の積層工程で転位集中領域の表面に積層されるべき窒化物系半導体層の非転位集中領域へのマイグレーションを抑制できる幅と深さとに形成されることとしている。
このような方法によって、積層される窒化物系半導体の吸着種のマイグレーションが抑制され、膜厚の均一性が担保される。
また、前記溝形成工程で形成される溝は、異方性エッチングで形成され、非転位集中領域の段部が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に略直角に形成されることとしている。
また、前記溝形成工程で形成される溝は、異方性エッチングで形成され、非転位集中領域の段部が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に略直角に形成されることとしている。
このような方法によって、転移集中領域を含んだ溝を容易に形成することができる。
また、前記溝形成工程で形成される溝は、非転位集中領域の段部の斜面が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に転位集中領域側に傾斜したメサ形状に形成されることとしている。
このような方法によって、エッジ効果が低減して膜厚の均一性を更に高めることができる。
また、前記溝形成工程で形成される溝は、非転位集中領域の段部の斜面が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に転位集中領域側に傾斜したメサ形状に形成されることとしている。
このような方法によって、エッジ効果が低減して膜厚の均一性を更に高めることができる。
また、前記溝形成工程で形成される溝は、非転位集中領域の段部の斜面が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に非転位集中領域側に傾斜した逆メサ形状に形成されることとしている。
このような方法によって、吸着種のマイグレーションを更に抑制することができる。
また、前記溝形成工程で形成される溝と同時に、非転位集中領域に前記溝と直角方向に延在する直角溝を間隔を開けて形成する直角溝形成工程を更に有することとしている。
このような方法によって、吸着種のマイグレーションを更に抑制することができる。
また、前記溝形成工程で形成される溝と同時に、非転位集中領域に前記溝と直角方向に延在する直角溝を間隔を開けて形成する直角溝形成工程を更に有することとしている。
このような方法によって、溝を２方向に形成することによって、膜厚の均一性を更に完全なものとすることができ、また、窒化物系半導体素子の分離が容易となる。
また、前記窒化物系半導体基板の表面は、（０００１）結晶面からなることとしている。
このような方法によって、窒化物系半導体素子を分離する際、劈開により容易にすることができる。
また、前記窒化物系半導体基板の表面は、（０００１）結晶面からなることとしている。
このような方法によって、窒化物系半導体素子を分離する際、劈開により容易にすることができる。
本発明は、ストライプ状の転位集中領域を有する窒化物系半導体基板を用いた窒化物系半導体素子であって、窒化物系半導体基板の非転位集中領域の少なくとも一端部に段部が形成され、当該段部の底部には転位集中領域が延在し、前記非転位集中領域の表面に窒化物系半導体各層が形成されていることとしている。
このような構成によって、窒化物系半導体素子を構成する窒化物系半導体各層の膜厚を均一にすることができ、半導体特性の優れた、製品歩留まりの良好な窒化物系半導体素子を得ることができる。
このような構成によって、窒化物系半導体素子を構成する窒化物系半導体各層の膜厚を均一にすることができ、半導体特性の優れた、製品歩留まりの良好な窒化物系半導体素子を得ることができる。
以下、本発明に係る窒化物系半導体素子及びその製造方法の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法の実施の形態１でＧａＮ基板に形成された積層構造の膜厚を説明するための断面図である。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法の実施の形態１でＧａＮ基板に形成された積層構造の膜厚を説明するための断面図である。
この窒化物系半導体素子１０１は、窒化物系半導体基板であるＧａＮ基板１０２の表面１０３に窒化物系半導体の結晶成長層１０４からなる積層構造を形成してなる。
ＧａＮ基板１０２には、表面１０３と裏面１０５とを貫通したストライプ状の結晶欠陥の集中した転位集中領域１０６、１０７が形成されている。この転位集中領域１０６、１０７の延在方向に沿って溝１０８、１０９が形成されている。
ＧａＮ基板１０２には、表面１０３と裏面１０５とを貫通したストライプ状の結晶欠陥の集中した転位集中領域１０６、１０７が形成されている。この転位集中領域１０６、１０７の延在方向に沿って溝１０８、１０９が形成されている。
この溝１０８、１０９の形成されたＧａＮ基板１０２の表面１０３にＭＯＣＶＤ法によってＧａ、Ａｌ、ＩｎなどのIII族元素とＮ元素とを含む結晶成長原料を供給して結晶成長層１０４を形成する。
ところで、これらのIII族元素とN元素との吸着種は、転位集中領域１０６、１０７の表面には、殆ど吸着しない。本来、転位集中領域１０６、１０７に吸着すべき吸着種は、ＧａＮ基板１０２に形成された溝１０８、１０９に堆積する。また、溝１０８、１０９は表面１０３から深さｄを有して形成されているので、溝１０８、１０９の非転位集中領域に堆積された吸着種が溝１０８、１０９外の非転位集中領域１１０の表面１０３にマイグレーションすることが抑制される。
ところで、これらのIII族元素とN元素との吸着種は、転位集中領域１０６、１０７の表面には、殆ど吸着しない。本来、転位集中領域１０６、１０７に吸着すべき吸着種は、ＧａＮ基板１０２に形成された溝１０８、１０９に堆積する。また、溝１０８、１０９は表面１０３から深さｄを有して形成されているので、溝１０８、１０９の非転位集中領域に堆積された吸着種が溝１０８、１０９外の非転位集中領域１１０の表面１０３にマイグレーションすることが抑制される。
この結果、非転位集中領域１１０の表面１０３に形成された結晶成長膜１０４の膜厚の均一性が高まる。
なお、溝１０８、１０９がエッチングにより形成されているので、溝１０８、１０９と表面１０３との境界に角が形成される。角の立っている部分に吸着種が吸着されやすい（エッジ効果）ので、角部分１１１、１１２では、結晶成長層１０４に若干の盛り上がり勾配１１３、１１４が形成されている。
なお、溝１０８、１０９がエッチングにより形成されているので、溝１０８、１０９と表面１０３との境界に角が形成される。角の立っている部分に吸着種が吸着されやすい（エッジ効果）ので、角部分１１１、１１２では、結晶成長層１０４に若干の盛り上がり勾配１１３、１１４が形成されている。
次に、本実施の形態の窒化物系半導体基板の溝形成工程について説明する。
図２（ａ）に示すように、ＧａＮ基板１０２の（０００１）結晶面を表面１０３として、溝が形成される転位集中領域１０６、１０７に沿う（図の紙面を貫く方向）非転位集中領域以外の非転位集中領域１１０の表面１０３にＳｉＯ2層をマスク２０１としてＰＣＶＤ法（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成する。なお、マスク２０１の材料としてＮｉ（ニッケル）、フォトレジスト、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮなどの絶緑材料を用いてもよい。マスク２０１の膜厚は、例えば、０．３６μｍとされる。
図２（ａ）に示すように、ＧａＮ基板１０２の（０００１）結晶面を表面１０３として、溝が形成される転位集中領域１０６、１０７に沿う（図の紙面を貫く方向）非転位集中領域以外の非転位集中領域１１０の表面１０３にＳｉＯ2層をマスク２０１としてＰＣＶＤ法（Ｐｌａｓｍａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成する。なお、マスク２０１の材料としてＮｉ（ニッケル）、フォトレジスト、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮなどの絶緑材料を用いてもよい。マスク２０１の膜厚は、例えば、０．３６μｍとされる。
ＳｉＯ2層２０１の形成されたＧａＮ基板１０２をＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法を用いて転位集中領域１０６、１０７とその近傍の非転位集中領域を選択的にエッチングする。このエッチング条件は、例えば、Ｃｌ2ガスを用い、ガス圧を２５ｍＴｏｒｒとし、流量を２５ｓｃｃｍ、プラズマ励起パワー２００Ｗ、エッチレート０．１３５μｍ／ｍｉｎとする。これによって、ＧａＮ基板１０２の表面１０３から深さｄ＝１μｍの深さの溝を形成する。なお、エッチングに用いるガスに関してはＢＣｌ3などの塩素を含むガスを用いてもよい。
このエッチング工程の後、マスクとして形成したＳｉＯ2層を除去する。
図２（ｂ）は、溝形成工程で得られたＧａＮ基板１０２の断面図である。ＧａＮ基板１０２の表面１０３には、深さｄ＝１μｍ、幅ｗ＝１００μｍの溝１０８、１０９が形成されている。
図３は、図２（ｂ）の上方からＧａＮ基板１０２を模式的に示した上面図である。ＧａＮ基板１０２の表面１０３には、ストライプ状の転位集中領域１０６、１０７、・・・に沿った溝１０８、１０９、・・・が形成されている。この溝１０８、１０９の中心間の間隔は、例えば、４００μｍである。
図２（ｂ）は、溝形成工程で得られたＧａＮ基板１０２の断面図である。ＧａＮ基板１０２の表面１０３には、深さｄ＝１μｍ、幅ｗ＝１００μｍの溝１０８、１０９が形成されている。
図３は、図２（ｂ）の上方からＧａＮ基板１０２を模式的に示した上面図である。ＧａＮ基板１０２の表面１０３には、ストライプ状の転位集中領域１０６、１０７、・・・に沿った溝１０８、１０９、・・・が形成されている。この溝１０８、１０９の中心間の間隔は、例えば、４００μｍである。
次に、溝形成工程が終了したＧａＮ基板１０２に窒化物系半導体素子である窒化物系半導体レーザ素子の積層工程を説明する。なお、説明を簡単にするため、ＧａＮ基板１０２がｎ型導電性である場合について説明し、断面図は、溝１０８、１０９の中心間についてのみ記載する。
図４は、積層工程を説明するための断面図である。以下の積層工程は、ＭＯＣＶＤ法により行う。
図４は、積層工程を説明するための断面図である。以下の積層工程は、ＭＯＣＶＤ法により行う。
（１）ｎ型導電性のＧａＮ基板１０２上にバッファ層４０１を形成する。このバッファ層形成工程は、ＧａＮ基板１０２を水素および窒素雰囲気の反応炉の中に入れ、窒化物系半導体層の窒化原料であるＮＨ3ガスを供給した状態でＧａＮ基板１０２を１０００℃付近にまで加熱する。ＧａＮ基板１０２の温度が約１０００℃に到達した時点で、Ｇａ原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびＡｌ原料であるＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を含んだ水素ガスを反応炉内に供給し、ＧａＮ基板１０２上にアンドープのＡｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ層をバッファ層４０１として形成する。このバッファ層４０１は、例えば、１．０μｍの厚さに形成され、この上層に形成される窒化物系半導体レーザ構造とＧａＮ基板１０２とのバッファ層としての役目をする。
（２）ｎ型クラッド層４０２をバッファ層４０１上に形成する。
このクラッド層形成工程は、Ｇａ原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ｎ型導電性を得るためのＧｅ不純物の原料であるＧｅＨ4（モノゲルマン）を含んだ水素ガスを反応炉内に供給し、ＧｅドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層４０２を約１．５μｍの厚さで形成する。
このクラッド層形成工程は、Ｇａ原料であるＴＭＧａ（トリメチルガリウム）およびＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ｎ型導電性を得るためのＧｅ不純物の原料であるＧｅＨ4（モノゲルマン）を含んだ水素ガスを反応炉内に供給し、ＧｅドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｎ型クラッド層４０２を約１．５μｍの厚さで形成する。
（３）ｎ側キャリアブロック層４０３をｎ型クラッド層４０２上に形成する。
このキャリアブロック層形成工程は、Ｇａ原料であるＴＭＧａおよびＡｌ原料であるＴＭＡｌを含んだ水素ガスを反応炉内に供給し、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ側キャリアブロック層４０３を約２０ｎｍの厚さで形成する。
（４）発光層４０４をｎ側キャリアブロック層４０３上に形成する。
このキャリアブロック層形成工程は、Ｇａ原料であるＴＭＧａおよびＡｌ原料であるＴＭＡｌを含んだ水素ガスを反応炉内に供給し、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎからなるｎ側キャリアブロック層４０３を約２０ｎｍの厚さで形成する。
（４）発光層４０４をｎ側キャリアブロック層４０３上に形成する。
この発光層形成工程は、ＧａＮ基板１０２の温度を約８００℃付近まで下げ、ＮＨ3ガスを供給した窒素雰囲気の反応炉にＧａ原料であるＴＥＧａ（トリエチルガリウム）およびＩｎ原料であるＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）を供給し、多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造を有するＭＱＷ活性層を形成する。ＭＱＷ活性層は、約３．５ｎｍの厚さを有するアンドープのＩｎxＧａ1-XＮからなる３つの量子井戸層と約２０ｎｍの厚さを有するアンドープのＩｎyＧａ1-yＮからなる３つの量子障壁層とが交互に積層されている。
ここで、ｘ＞ｙであり、ｘ＝０．１５、ｙ＝０．０３である。
ＭＱＷ活性層の上面には、同様にＴＥＧａおよびＴＭＩｎを供給し、約０．１μｍの膜厚を有するアンドープのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側光ガイド層を形成する。
ｐ側光ガイド層の上面にＧａ原料であるＴＭＧａおよびＡｌ原料であるＴＭＡｌを反応炉に供給し、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるp側キャリアブロック層を形成する。
ＭＱＷ活性層の上面には、同様にＴＥＧａおよびＴＭＩｎを供給し、約０．１μｍの膜厚を有するアンドープのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎからなるｐ側光ガイド層を形成する。
ｐ側光ガイド層の上面にＧａ原料であるＴＭＧａおよびＡｌ原料であるＴＭＡｌを反応炉に供給し、約２０ｎｍの膜厚を有するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎからなるp側キャリアブロック層を形成する。
発光層４０４は、これらのＭＱＷ活性層とｐ側光ガイド層とキャリアブロック層とからなる。
（５）ｐ型クラッド層４０５を発光層４０４上に形成する。
このクラッド層形成工程は、再びＧａＮ基板１０２の温度を１０００℃付近まで加熱し、反応炉内にＮＨ3ガスを供給した水素および窒素雰囲気中で、ｐ型不純物であるＭｇの原料であるＭｇ（Ｃ5Ｈ5）2（シクロペンタジェニルマグネシウム）、Ｇａ原料であるＴＭＧａおよびＡｌ原料であるＴＭＡｌを反応炉に供給し、ＭｇドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ型クラッド層４０５を約０．５μｍの膜厚で形成する。
（５）ｐ型クラッド層４０５を発光層４０４上に形成する。
このクラッド層形成工程は、再びＧａＮ基板１０２の温度を１０００℃付近まで加熱し、反応炉内にＮＨ3ガスを供給した水素および窒素雰囲気中で、ｐ型不純物であるＭｇの原料であるＭｇ（Ｃ5Ｈ5）2（シクロペンタジェニルマグネシウム）、Ｇａ原料であるＴＭＧａおよびＡｌ原料であるＴＭＡｌを反応炉に供給し、ＭｇドープＡｌ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ型クラッド層４０５を約０．５μｍの膜厚で形成する。
（６）ｐ側コンタクト層４０６をｐ型クラッド層４０５上に形成する。
このコンタクト層形成工程は、再度ＧａＮ基板温度を８００℃付近まで下げ、反応炉にＮＨ3ガスを供給した窒素雰囲気中で、Ｇａ原料であるＴＥＧａおよびＩｎ原料であるＴＭＩｎを供給し、約２ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ側コンタクト層４０６を形成する。
このコンタクト層形成工程は、再度ＧａＮ基板温度を８００℃付近まで下げ、反応炉にＮＨ3ガスを供給した窒素雰囲気中で、Ｇａ原料であるＴＥＧａおよびＩｎ原料であるＴＭＩｎを供給し、約２ｎｍの厚さのアンドープのＩｎ0.07Ｇａ0.93Ｎからなるｐ側コンタクト層４０６を形成する。
以上の各工程で、ＧａＮ基板１０２上に窒化物系半導体レーザ素子の積層工程を完了し、基板４０７の温度を室温付近まで冷却し、基板４０７を反応炉より取り出す。
次に、窒化物系半導体レーザ素子の積層構造を形成した基板４０７に光導波路を形成する。
光導波路形成工程は、図５に示すように、基板４０７のｐ側コンタクト層４０６上のほぼ中央に転位集中領域１０６、１０７の延在方向とほぼ平行に幅約１．５μｍの帯状のＳｉＯ2層からなるマスク５０１の形成と、Ｃｌ2ガスを用いたＲＩＥ法によるリッジ形成エッチングとを含む。
次に、窒化物系半導体レーザ素子の積層構造を形成した基板４０７に光導波路を形成する。
光導波路形成工程は、図５に示すように、基板４０７のｐ側コンタクト層４０６上のほぼ中央に転位集中領域１０６、１０７の延在方向とほぼ平行に幅約１．５μｍの帯状のＳｉＯ2層からなるマスク５０１の形成と、Ｃｌ2ガスを用いたＲＩＥ法によるリッジ形成エッチングとを含む。
リッジ形成エッチングでは、図６に示すように、マスク５０１が形成された領域以外の領域のｐ側コンタクト層４０６の全部とｐ型クラッド層４０５の膜厚の約９０％をエッチングにより除去する。これによって、ｐ型クラッド層６０１に膜厚約０．４５μｍの突状部６０２を形成する。
次に、ｐ型クラッド層６０１の平坦部とこの突状部６０２の側面にＳｉＯ2層からなる電流ブロック層７０１を図７に示すように形成し、マスク５０１を除去する。この電流ブロック層は、約０．２μｍの膜厚に形成される。マスク５０１が除去された部分は、帯状溝７０２となる。
次に、ｐ型クラッド層６０１の平坦部とこの突状部６０２の側面にＳｉＯ2層からなる電流ブロック層７０１を図７に示すように形成し、マスク５０１を除去する。この電流ブロック層は、約０．２μｍの膜厚に形成される。マスク５０１が除去された部分は、帯状溝７０２となる。
図８に示すように、マスク５０１を除去した帯状溝７０２にｐ側コンタクト層４０６上にｐ側オーミック電極８０１を形成した後、上面全面を覆うｐ側パッド電極８０２を形成する。
更にＧａＮ基板１０２の裏面１０５を劈開し易い厚さまで研磨した後、ＧａＮ基板１０２の裏面１０５にｎ側オーミック電極８０３とｎ側パッド電極８０４とを形成し、窒化物系半導体レーザ素子を生成する。
更にＧａＮ基板１０２の裏面１０５を劈開し易い厚さまで研磨した後、ＧａＮ基板１０２の裏面１０５にｎ側オーミック電極８０３とｎ側パッド電極８０４とを形成し、窒化物系半導体レーザ素子を生成する。
以上のような製造方法によると、窒化物系半導体レーザ素子の積層工程での膜厚が非転位集中領域１１０でほぼ均一となるので、光導波路形成工程でのリッジ形成エッチングのような精度を要するエッチングにおいても、不良品を製造することなく、製品の歩留まりを向上することができる。
なお、上記実施の形態では、ＧａＮ基板１０２の転位集中領域１０６等に沿った溝１０８等を形成させたけれども、他の溝形成パターンとして、図９に示すような溝を形成させてもよい。
なお、上記実施の形態では、ＧａＮ基板１０２の転位集中領域１０６等に沿った溝１０８等を形成させたけれども、他の溝形成パターンとして、図９に示すような溝を形成させてもよい。
図９は、ＧａＮ基板１０２の上面図である。溝１０８，１０９等と直角方向の直角溝９０１、９０２等を非転位集中領域１１０の表面１０３に形成するようにしてもよい。この直角溝９０１、９０２の間隔Ｄは、間隔Ｄから直角溝９０１等の溝幅を減じた長さを窒化物系半導体レーザ素子の光路長又はその光路長の整数倍の長さとなるように形成するとよい。このようにすると、この直角溝を基準として一つの窒化物系半導体レーザ素子を分離することが容易となる。
また、上記実施の形態では、溝１０８等は、異方性エッチングにより断面を長方形としたけれども、溝断面を以下のようにしてもよい。
図１０は、溝断面１００１をメサ形状としている。このような形状にすることによって、エッジ効果を低減することができる。このとき、溝深さを２μｍとしている。
図１１は、溝断面１１０１を逆メサ形状としている。このような形状にすると、溝内から溝外への吸着種のマイグレーションは更に少なくなる。
図１０は、溝断面１００１をメサ形状としている。このような形状にすることによって、エッジ効果を低減することができる。このとき、溝深さを２μｍとしている。
図１１は、溝断面１１０１を逆メサ形状としている。このような形状にすると、溝内から溝外への吸着種のマイグレーションは更に少なくなる。
更に、図１２に示すように、溝断面１２０１を階段状としてもよい。
また、上記各溝１０８等は、転位集中領域１０６等を含めたけれども、転位集中領域１０６をエッチングすることなく、転位集中領域１０６の両側の非転位集中領域に一対の溝１３０１、１３０２を形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０２を用いて説明したけれども、ｐ型ＧａＮ基板を用いてよいのは勿論である。
また、上記各溝１０８等は、転位集中領域１０６等を含めたけれども、転位集中領域１０６をエッチングすることなく、転位集中領域１０６の両側の非転位集中領域に一対の溝１３０１、１３０２を形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０２を用いて説明したけれども、ｐ型ＧａＮ基板を用いてよいのは勿論である。
なお、上記では、リッジ型光導波路構造を有する半導体レーザを例に説明したが、本発明によると窒化物系半導体各層の膜厚を均一にすることができるので、他の光導波路構造を有する半導体レーザに適用しても、素子特性の改善および製品歩留りの向上を図ることができる。例えば、イオン注入により光導波路を形成する場合、半導体各層の膜厚が不均一であると、積層方向における発光層位置に対するイオン注入深さが不均一になるため、横方向の光閉じ込めが不均一になり、素子特性に悪影響を及ぼす虞があるが、本願発明によると、窒化物系半導体各層の膜厚を均一にすることができるので、前記イオン注入深さを均一にすることができる。この結果、横方向の光閉じ込めを均一にできるので、素子特性の改善および製品歩留りの向上を図ることができる。
また、ストライプ状の電極を形成することにより光導波路を設ける電極ストライプ構造（前記したリッジ型光導波路構造とは異なり、リッジ部を形成しない構造）の場合、半導体各層の膜厚が不均一であると、その面上に形成する電極の付着力が低下する虞がある。さらに、この電極ストライプ構造を有する素子を該電極側からサブマウント等の基台に取り付ける、所謂ジャンクションダウン組み立てを行う場合に、半導体各層の膜厚が不均一であると放熱特性が劣化したり、発光点位置制御が困難になる虞がある。この結果、素子特性の劣化、製品歩留りの悪化を招く虞がある。しかしながら、本願発明によると、窒化物系半導体各層の膜厚を均一にすることができるので、このような問題を解決できるので、素子特性の改善および製品歩留りの向上を図ることができる。
なお、上記実施の形態では、窒化物系半導体基板としてＧａＮ基板を用いて説明したけれども、これに限ることはなく、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＩｎＮを含む窒化物系半導体基板であってもよく、これらにＢを加えた一般式ＡｌＧａＩｎＢＮ基板を用いてもよいのは勿論である。
また、上記実施の形態では、窒化物系半導体各層の結晶成長をＭＯＣＶＤ法を用いて行ったけれども、この方法に限ることはなく、ＨＶＰＥ（ハライドベイパーフェイズエピタキシー）法、または、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＮＨ3、ＳｉＨ4、ＧｅＨ4およびＭｇ（Ｃ5Ｈ5）2などを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ（モレキュラービームエピタキシー）法、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＧｅＨ4、Ｍｇとラジカル窒素またはヒドラジンを用いたＭＢＥ法などを用いて結晶成長を行ってもよい。
また、上記実施の形態では、窒化物系半導体各層の結晶成長をＭＯＣＶＤ法を用いて行ったけれども、この方法に限ることはなく、ＨＶＰＥ（ハライドベイパーフェイズエピタキシー）法、または、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＮＨ3、ＳｉＨ4、ＧｅＨ4およびＭｇ（Ｃ5Ｈ5）2などを原料ガスとして用いるガスソースＭＢＥ（モレキュラービームエピタキシー）法、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、ＧｅＨ4、Ｍｇとラジカル窒素またはヒドラジンを用いたＭＢＥ法などを用いて結晶成長を行ってもよい。
また、上記実施の形態では、ＧａＮ基板の（０００１）結晶面上に窒化物系半導体の各層を積層したけれども、他の方向に積層してもよい。例えば、（１−１００）や（１１−２０）結晶面などの（Ｈ、Ｋ、−Ｈ−Ｋ、０）結晶面上に窒化物系半導体の各層を積層してもよい。この場合、発光層にピエゾ電場が発生しないので、発光層の発光効率を向上させることができる。
また、（０００１）結晶面から１．０°以下の範囲でオフした窒化物系半導体基板を用いてもよい。
また、上記実施の形態では、発光層としてＭＱＷ構造を用いたけれども、発光層は単一量子井戸構造であっても同様の効果を得ることができる。
また、本発明の内容は膜厚の均一性を向上する技術に関するものであるので発光層の膜厚などを均一にするなどの観点から発光ダイオードや受光素子にも有効である。更には複雑なエッチングパターンや電極パターンを有するＦＥＴなどの能動素子においても有効である。
また、上記実施の形態では、発光層としてＭＱＷ構造を用いたけれども、発光層は単一量子井戸構造であっても同様の効果を得ることができる。
また、本発明の内容は膜厚の均一性を向上する技術に関するものであるので発光層の膜厚などを均一にするなどの観点から発光ダイオードや受光素子にも有効である。更には複雑なエッチングパターンや電極パターンを有するＦＥＴなどの能動素子においても有効である。
次に、上記実施の形態でのＧａＮ基板上の窒化物系半導体の積層構造の結晶成長層の膜厚の均一性を従来技術の転位集中領域に沿った溝を形成しない場合と比較した実験データを示す。
図１４は、膜厚の均一性を比較するための膜厚測定方法を示している。結晶成長層の最大膜厚部分と最小膜厚部分との膜厚差を△ｔとする。
図１４は、膜厚の均一性を比較するための膜厚測定方法を示している。結晶成長層の最大膜厚部分と最小膜厚部分との膜厚差を△ｔとする。
平均膜厚を３μｍとしたときの比較例を図１５に示す。
比較例には、従来例のように溝を形成しない場合と、実施の形態１で説明した図３に示した溝パターンと、図９に示した溝パターンとの３種類で比較した。第１欄に膜厚差を示し、第２欄に膜厚差を平均膜厚で除した値を％表示している。
この図から、窒化物系半導体の結晶成長層を形成する前に、溝形成をすることによって、吸着種のマイグレーションが抑制され、膜厚の均一性が向上することが理解される。特に、溝パターンを転位集中領域に沿った方向とその直角方向との２方向に形成させたとき、膜厚の均一性は完全に保たれる。
比較例には、従来例のように溝を形成しない場合と、実施の形態１で説明した図３に示した溝パターンと、図９に示した溝パターンとの３種類で比較した。第１欄に膜厚差を示し、第２欄に膜厚差を平均膜厚で除した値を％表示している。
この図から、窒化物系半導体の結晶成長層を形成する前に、溝形成をすることによって、吸着種のマイグレーションが抑制され、膜厚の均一性が向上することが理解される。特に、溝パターンを転位集中領域に沿った方向とその直角方向との２方向に形成させたとき、膜厚の均一性は完全に保たれる。
次に、この膜厚の均一性と、溝の深さと溝の幅（半値）との関係を図１６のグラフに示す。横軸に溝の半値幅を、縦軸に溝の深さをμｍの単位で示している。なお、この平均膜厚は３μｍである。図中の×印は、膜厚不均一な点を示し、△印は、膜厚の均一性が確保される境界点を示し、○印は、膜厚の均一性が良好な点を示している。この結果、曲線の上方（クロス線部分）で、膜厚の均一性が確保されることが実験結果から得られた。
溝の半値幅を大きくすると、非転位集中領域の効率的な利用が阻害されるし、溝の深さを大きくすると、エッチング処理の効率が悪化する。
したがって、溝の深さを０．７μｍ〜２．５μｍの範囲とし、溝の半値幅をそれに応じて７０μｍ〜２０μｍの範囲とするのが効率的である。
したがって、溝の深さを０．７μｍ〜２．５μｍの範囲とし、溝の半値幅をそれに応じて７０μｍ〜２０μｍの範囲とするのが効率的である。
本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子は、半導体レーザ特性の優れた、かつ、製造段階で歩留まりの向上した窒化物系半導体素子として、大容量光ディスク用光源等の分野で活用される。
１０１ 窒化物系半導体素子
１０２ ＧａＮ基板
１０３ 表面
１０４ 結晶成長層
１０５ 裏面
１０６，１０７ 転位集中領域
１０８，１０９ 溝
２０１ マスク
４０１ バッファ層
４０２ ｎ型クラッド層
４０３ ｎ側キャリアブロック層
４０４ 発光層
４０５ ｐ型クラッド層
４０６ ｐ型コンタクト層
４０７ 基板
５０１ マスク
６０１ ｐ型クラッド層
６０２ 突状部
７０１ 電流ブロック層
７０２ 帯状溝
８０１ ｐ側オーミック電極
８０２ ｐ側パッド電極
８０３ ｎ側オーミック電極
８０４ ｎ側パッド電極
９０１，９０２ 直角溝
１００１ メサ型溝
１１０１ 逆メサ型溝
１２０１ 階段状溝
１３０１，１３０２ 一対の溝
１０２ ＧａＮ基板
１０３ 表面
１０４ 結晶成長層
１０５ 裏面
１０６，１０７ 転位集中領域
１０８，１０９ 溝
２０１ マスク
４０１ バッファ層
４０２ ｎ型クラッド層
４０３ ｎ側キャリアブロック層
４０４ 発光層
４０５ ｐ型クラッド層
４０６ ｐ型コンタクト層
４０７ 基板
５０１ マスク
６０１ ｐ型クラッド層
６０２ 突状部
７０１ 電流ブロック層
７０２ 帯状溝
８０１ ｐ側オーミック電極
８０２ ｐ側パッド電極
８０３ ｎ側オーミック電極
８０４ ｎ側パッド電極
９０１，９０２ 直角溝
１００１ メサ型溝
１１０１ 逆メサ型溝
１２０１ 階段状溝
１３０１，１３０２ 一対の溝
Claims (10)
- ストライプ状の転位集中領域と非転位集中領域とが交互に存在し、転位集中領域が表面から裏面に貫通している窒化物半導体基板を用いた窒化物系半導体素子の製造方法であって、
前記窒化物系半導体基板の非転位集中領域の表面に窒化物系半導体層を積層する積層工程に先立って、
窒化物系半導体基板の表面に前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域に溝を形成する溝形成工程を設けたことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。 - 前記溝形成工程は、
前記窒化物系半導体基板の表面に前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域を除く非転位集中領域にエッチングマスクを形成するマスク形成サブ工程と、
前記転位集中領域を含み、転位集中領域に沿った非転位集中領域をエッチングするエッチングサブ工程と、
前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスクを除去するマスク除去サブ工程とを有することを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 - 前記マスク形成サブ工程で形成されるエッチングマスクは、ＳｉＯ2から成り、
前記エッチングサブ工程は、Ｃｌ2ガスを用いた反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項２記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 - 前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスク間の距離で決まるエッチングサブ工程で形成される溝の幅と、前記エッチングサブ工程で形成される溝の深さとは、後続の積層工程で転位集中領域の表面に積層されるべき窒化物系半導体層の非転位集中領域へのマイグレーションを抑制できる幅と深さとに形成されることを特徴とする請求項３記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝形成工程で形成される溝は、異方性エッチングで形成され、非転位集中領域の段部が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に略直角に形成されることを特徴とする請求項２記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝形成工程で形成される溝は、非転位集中領域の段部の斜面が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に転位集中領域側に傾斜したメサ形状に形成されることを特徴とする請求項２記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝形成工程で形成される溝は、非転位集中領域の段部の斜面が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に非転位集中領域側に傾斜した逆メサ形状に形成されることを特徴とする請求項２記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝形成工程で形成される溝と同時に、非転位集中領域に前記溝と直角方向に延在する直角溝を間隔を開けて形成する直角溝形成工程を更に有することを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記窒化物系半導体基板の表面は、
（０００１）結晶面からなることを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子の製造方法。 - ストライプ状の転位集中領域を有する窒化物系半導体基板を用いた窒化物系半導体素子であって、
窒化物系半導体基板の非転位集中領域の少なくとも一端部に段部が形成され、当該段部の底部には転位集中領域が延在し、
前記非転位集中領域の表面に窒化物系半導体各層が形成されていることを特徴とする窒化物系半導体素子。
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