JP2007049180A - Iii族窒化物半導体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板表面に、その上の正常なエピタキシャル成長を阻害するような結晶欠陥を格子状に設け、正常なエピタキシャル膜を小区画に分割して成長させて、内部応力を解放する。
【選択図】 図7
Description
そこで、最も一般的で安価なシリコン(以下Siと記す)基板上へ窒化ガリウム(以下GaNと記す)などのIII族窒化物からなるダブルへテロ(DH)構造を形成することが試みられているが、厚さが1μm以上の膜をエピタキシャル成長すると割れが生じてしまい、良好な半導体となっていない。
(1)Siの格子定数は0.5431nmであるので、Si(111)面上での原子間隔は0.3840nm(=0.5431/√2)となる。これに対して、GaNの格子定数は0.3819nmなので、格子間隔はGaNの方が狭く、Si(111)面上にヘテロエピタキシャル成長したGaN膜には引っ張り応力が発生する。
この問題に鑑み本発明の目的は、一般的で安価なIV族半導体を基板とし、厚いIII族窒化物層をエピタキシャル成長しても割れを生ぜず、もって良好なIII族窒化物半導体の製造方法を提供することにある。
そのようにすれば、結晶欠陥の多い領域上には、多量の結晶欠陥を含んだ不良エピタキシャル膜が成長する。そして、その不良エピタキシャル膜が応力緩和領域となるので、それ以外の部分には結晶性の良好な小領域としてエピタキシャル成長する。
また、IV族半導体基板上に最初に窒化アルミニウムのバッファ層を成長するものとする。
有機金属気相成長法または、分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長するものとする。
シリコンは、最も一般的で入手し易く、価格も低いので、エピタキシャル成長用基板として適する。
半導体基板を劈開することにより方形のエピタキシャル膜から多数の半導体素子を得るものとする。
一般的で安価なIV族半導体を基板とする本発明の方法により、III族窒化物半導体の量産が可能となり、III族窒化物レーザー等の発展および普及に貢献するところ大である。
以下図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
図1(a)ないし(c)は、本発明の参考例の第一の方法を説明するための工程順の断面図である。
エピタキシャル成長方法としては、分子線エピタキシー法(以下MBE法と記す)による。シリコン基板1をMBE装置にセットする。図の下方には図示していないGaフラックス源と窒素ラジカル源がある。このGaフラックス源及び窒素ラジカル源とSi基板1との間に例えばステンレス鋼薄板の金属マスク11を置く[図1(a)]。
所定の膜厚に達したら、成長を止めてMBE装置から取り出す[同図(c)]。
先ず、格子状の金属マスクを用いて多数の区画された結晶性の良好な小領域としてエピタキシャル成長することにより、半導体基板とエピタキシャル膜の格子定数の差および熱膨張率差を原因とする割れを防ぐ方法の実験をおこなった。
先ず、窒素ラジカル源からの窒素照射によるシリコン基板表面の窒化を防ぐために厚さ5原子層分のアルミニウムを照射した上に、図1(a)〜(c)のような方法で、550℃で厚さ20nmの窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層を形成した後、成長温度を840℃一定として種々の厚さのGaN層を堆積し、そのエピタキシャル膜の割れの発生状況を光学顕微鏡で調べた。
図2から格子幅を狭くすると、厚いエピタキシャル層を成長しても割れは生じないことがわかる。例えば、格子の内寸幅が5mm以下であれば、通常のDH構造のレーザー素子を形成するのに十分な厚さである厚さ2μmのエピタキシャル膜の割れの無い成膜が可能なことになる。通常、半導体レーザーチップの寸法は200μm×200μm以上の大きさを有している。従って、レーザーの発光面を劈開によって形成するために、方形部分の少なくとも一辺は、200μm以上を確保する必要があるが、これも満足できることになる。格子状マスク内寸幅を狭くすれば、更に厚いエピタキシャル膜の成長が可能である。
図3は、図1の方法によりエピタキシャル膜を成膜した基板の斜視図である。Si基板1の上に多数の短冊状のエピタキシャル膜12が成長しており、その幅aはほぼ300μmである。
低抵抗率(15mΩ・cm)のn型Si(111)基板1上に膜厚20nmのn型AlN第一バッファ層2、膜厚500nmのn型GaN第二バッファ層3を形成後、膜厚150nmのn型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層4、膜厚80nmのGaN活性層5、膜厚150nmのp型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層6から成るDH構造、膜厚100nmのp型GaNキャップ層7を順に形成した。AlN第一バッファ層2は、シリコン基板1上にIII族窒化物エピタキシャル膜を成長を可能とするための下地層であり、GaN第二バッファ層3は、その上のn型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層4以降のエピタキシャル膜の結晶性を向上させるための層である。n型、p型のドーピングには、それぞれSi、Mgを使用した。最後にオーミック電極としてスパッタ法によりNi/Mo/Auの電極8を形成した。その後、Si基板1の劈開が容易におこなえるように、エピタキシャル膜側を研磨用の試料支持台に張り付け、Si基板1の裏面から通常の機械的な研磨により厚さを50μm程度まで薄くした。その後、純水で洗浄した裏面(研磨したSi基板表面)に、スパッタ法によりAl電極9を厚さ500nm形成した。その後、スクライブしてレーザーバーを作製し、更に200μm幅(図3のb)に劈開してIII族窒化物半導体のレーザーチップを得た。そのチップを組み立て、レーザー発光を確認した。
図5(a)ないし(c)は本発明の参考例の第二の方法を説明するための工程順の断面図である。
Si基板1表面に熱酸化膜を形成し、フォトリソグラフィによりで格子状の酸化膜格子パターン13を形成する[図5(a)]。酸化膜の厚さは100nm、格子パターン13の幅は200μm、内寸は、300μm×5mmとした。
エピタキシャル成長後,不要な酸化膜格子パターン13をふっ酸で除去した[同図(c)]。成長したエピタキシャル膜12には割れは見られなかった。
この例のように、基板の上に直接エピタキシャル成長を阻害する異物のパターンを形成しても、エピタキシャル膜は区画された結晶性の良好な小領域が形成され、割れを防止できる。
[参考例3]
第6図(a)ないし(c)は本発明の参考例の第三の方法を説明するための工程順の断面図である。
この参考例では先ずMBE装置中で、シリコン基板1と図示されないイオン源との間に細い線状の開口部を設けた金属マスク11aを配置する[図5(a)]。
その後の電極形成、裏面研磨、スクライブ化等は参考例1と同様とし、レーザーを作製したところ、レーザー発光が確認された。
但し、MBE装置中にはAlNバッファ層を作るためにAl源が準備されているので、新たなソースを設定する必要がない点で、格子を形成する金属としてはAlの方が都合が良い。
図7(a)ないし(c)は本発明第一の方法を説明するための工程順の断面図である。
この実施例では、先ずSi基板上に熱酸化膜を形成した後、フォトリソグラフィにより格子状の部分の熱酸化膜を除去して、後にエピタキシャル成長をする方形部分の熱酸化膜16を残す。[図7(a)]。熱酸化膜16の寸法は、300μm×5mm、間隔は200μmとした。
Si基板1をフッ酸に浸して熱酸化膜16を除去した後、MBE装置で参考例1と同様のエピタキシャル膜12を成膜する。その結果,図7(a)で熱酸化膜16を残した方形部分には正常なエピタキシャル膜12が成長するが、ダメージパターン17の上には、正常なエピタキシャル膜12は成長せず、表面モホロジが悪化した欠陥エピタキシャル膜15が成長する[同図(c)]。
その後の電極形成、裏面研磨、スクライブ化等は参考例1と同様とし、レーザーを作製したところ、レーザー発光が確認された。
2 AlNバッファ層
3 n型GaNバッファ層
4 n型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層
5 GaN活性層
6 p型Al0.2 Ga0.8 Nクラッド層
7 p型GaNキャップ層
8 Ni/Mo/Au電極
9 Al電極
11、11a 金属マスク
12 エピタキシャル膜
13 酸化膜格子パターン
14 Al格子パターン
15 欠陥エピタキシャル膜
16 熱酸化膜パターン
17 ダメージパターン
Claims (4)
- IV族半導体基板上にIII族元素の窒化物半導体をエピタキシャル成長する方法において、IV族半導体基板の表面層に、結晶欠陥の多い領域を格子状に形成した後、エピタキシャル成長することにより、多数の区画された結晶性の良好な小領域を得ることを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
- IV族半導体基板上に最初に窒化アルミニウムのバッファ層を成長することを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
- IV族半導体基板がシリコンであることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
- 半導体基板を劈開することにより方形状のエピタキシャル膜から多数の半導体素子を得ることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
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2006
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