JP2007184433A - 半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子 - Google Patents
半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007184433A JP2007184433A JP2006001923A JP2006001923A JP2007184433A JP 2007184433 A JP2007184433 A JP 2007184433A JP 2006001923 A JP2006001923 A JP 2006001923A JP 2006001923 A JP2006001923 A JP 2006001923A JP 2007184433 A JP2007184433 A JP 2007184433A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- layer
- substrate
- semiconductor layer
- mask
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
【課題】 横方向成長の会合部分から発生する結晶欠陥から半導体表面に伝播する貫通転位密度が低減された半導体積層構造、及び得られた高品質の半導体積層構造上に形成された半導体素子を提供すること。
【解決手段】 基板10上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層31と、基板10上の第1マスク層31が形成されていない領域に島状に形成された第1半導体層21と、第1半導体層21から結晶成長して形成された第2半導体層22と、第2半導体層22上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第2マスク層32と、第2半導体層22から結晶成長して形成された第3半導体層23と、を備えることを特徴とする半導体積層構造。
【選択図】 図1
【解決手段】 基板10上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層31と、基板10上の第1マスク層31が形成されていない領域に島状に形成された第1半導体層21と、第1半導体層21から結晶成長して形成された第2半導体層22と、第2半導体層22上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第2マスク層32と、第2半導体層22から結晶成長して形成された第3半導体層23と、を備えることを特徴とする半導体積層構造。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子に関する。
現在、III族窒化物半導体デバイスの多くはサファイア基板、あるいは炭化珪素基板上へのヘテロエピタキシャル成長により実現されている。しかし窒化ガリウム結晶とこれらの基板との間の大きな格子定数差、熱膨張係数差により、基板界面に非常に高密度の転位が発生し、この転位は貫通転位となって半導体表面にまで達する。それ故LEDのような発光素子を作製した場合、発光素子の重要部分である活性層中に高密度の貫通転位が残存することになる。従来の発光素子の材料であるAlGaAsやAlGaInPのLEDに比べ、青色InGaN−LEDは高密度の転位が存在しているにもかかわらず、高効率で発光し、転位の影響を受け難いと言われてきた。しかしInGaN−LEDの発光効率は青色波長域をピークに短波長化しても長波長化しても減少し、380nm以下の近紫外域では急速に発光効率が減少していた。特に短波長域では転位が非発光再結合中心として働き、高密度の転位を持ったInGaN−LEDは発光波長が短くなるに従って発光効率が低下する。近紫外域の高効率LEDを実現するためには、転位密度の低減が必須である。
転位密度の低減の手段として、基板面に沿った横方向成長を利用して、結晶欠陥の少ない窒化物半導体を作製出来ることが報告されている。初期の横方向成長方法は、基板又は基板上の半導体層の一部を誘電体マスクで覆うことにより、下からの貫通転位を止め、マスク上に低密度欠陥の半導体層を形成する。しかしマスクで覆われていない部分の上の半導体層には貫通転位が残り、高密度欠陥部となっていた。
最近、上記の簡便な横方向成長を改良し、優れたIII族窒化物半導体の結晶成長法が報告されている。例えば、PENDEO法では、基板上に成長した窒化物半導体層をフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、窒化物半導体を残して、あるいは基板が露出するまで溝加工を施して、基板上にパターン化された窒化物半導体層を形成し、窒化物半導体層の側壁から横方向成長を行っている(特許文献1及び非特許文献1を参照)。さらには凹凸平坦部からの縦方向成長を抑制するため、平坦部にマスク層を形成する方法も提案されている。半導体側壁から主に横方向成長した窒化物半導体表面には転位は伝播しないので、極めて結晶欠陥密度の低い半導体表面が得られる。
一方、FACELO法では、基板に直接、あるいは基板上に成長した窒化物半導体層上に窓部が形成されたストライプ状のマスク層を形成し、成長条件を調整することでファセット構造を形成し転位の伝播方向を横方向に曲げている(特許文献2、特許文献3及び特許文献4を参照)。次に成長条件を変更して、隣接する半導体層と会合するまで横方向成長を継続する。会合部分の下には空隙が形成され、横方向に伝播した転位はここで終端し、窒化物半導体表面には転位は伝播せず、低欠陥密度の表面が得られる。Y.Honda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) L309の文献では、もはや横方向成長同士の会合部分上以外では、結晶欠陥に由来するエッチピットが存在しないことが示されている。
上記2例の他にも、横方向成長を利用した低転位密度の半導体表面を持つ結晶成長方法が数多く考案されている。しかしながら、これらの複数個所より横方向成長させて半導体層を形成する成長方法においては、成長する半導体層同士の会合部分の存在は避けることができない。会合部分は原子レベルできれいに接合せず結晶欠陥を生ずる。この結晶欠陥は貫通転位となり、引き続きその上に成長を続けても欠陥は半導体表面まで達する。従って、このような会合を有する半導体層上に発光素子や電子デバイスを作製しても、良好な素子特性は得られない。
横方向成長の会合部分から発生する結晶欠陥低減方法については、これまで数例の報告があるのみである。特許文献5では、会合部分の欠陥に着目し会合部分から表面に伝播する転位をストライプパターンのマスクで覆い、さらに選択成長させることで表面欠陥を低減することができるとしている。しかしながら、このマスク上で再度会合部分が発生するので、このようなプロセスを何度繰り返しても会合部分の欠陥が生じる。特許文献6では、隣接する横方向成長が会合する前に成長を止め、結晶欠陥の少ない横方向成長した結晶端側にデバイスを作製するということが開示されている。しかし、この方法では平坦な半導体表面を得ることが不可能であり、この上にデバイスを作製することは困難である。また横方向成長により形成された会合部分の間隔は大きくても数十ミクロンであり、その部分を避けて、例えばLEDの重要部位である活性層を作製することは困難である。
また、特許文献7は、マスク層を一方の側面に有する凸部状結晶層から横方向成長させた場合、露出した側面からのみ成長するために、横方向成長が非対称に形成されることを開示している。そのため、会合部分は凸部中央ではなく、凸部とマスク層の境界付近に存在するため、低欠陥密度領域の幅を大きくとれる。しかしながら、この方法では、凸部中央の会合部分が凸部端にずれただけであり、半導体積層構造表面の欠陥密度は低減されない。
また、特許文献8では、傾斜した断面を持つマスクを提案している。会合部分の下の空隙が抑制され横方向成長を薄くすることができ、また、斜めファセットによって、転位が伸びる方向が転換されて転位数が低減されることを開示している。しかしながら、この断面形状を持つマスクを作製するには複雑なプロセス工程を経ることになり、歩留まりが低下する。また、会合部分での結晶欠陥の発生を避けることは不可能であり、仮に発生する欠陥数を抑制する効果があったとしても、一旦発生した貫通転位を低減することはできず、根本的な解決法には至っていない。
特表2003−511871号公報
特開2002−170778号公報
特開2003−77847号公報
特開2003−124124号公報
特開2002−33282号公報
特開2002−334842号公報
特開2002−289539号公報
特開2004−297010号公報
K.Linthicum etal., Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 196
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、横方向に成長した半導体層同士が会合する部分から発生する転位を抑えることができる半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子を提供することを目的とする。
本発明の第1の側面は、半導体積層構造に係り、基板上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層と、前記基板上の前記第1マスク層が形成されていない領域に島状に形成された第1半導体層と、前記第1半導体層から結晶成長して形成された第2半導体層と、前記第2半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第2マスク層と、前記第2半導体層から結晶成長して形成された第3半導体層と、を備えることを特徴とする。
本発明の第2の側面は、半導体積層構造に係り、基板上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層と、前記基板上の前記第1マスク層が形成されていない領域上に島状に形成された第1半導体層と、前記第1半導体層から結晶成長して形成された第2半導体層と、前記第2半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された溝と、前記第2半導体層から結晶成長して前記溝を埋め込むように形成された第5半導体層と、を備えることを特徴とする。
本発明の第3の側面は、半導体素子に係り、上記の半導体積層構造上に形成されたことを特徴とする。
本発明によれば、横方向に成長した半導体層同士が会合する部分から発生する転位を抑えることができる。
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本明細書において「A層の上に形成されたB層」又は「Aの上に形成されたB層」という表現は、A層又はAの上面にB層の底面が接するようにB層が形成されている場合と、A層又はAの上面に1以上の層が形成され、さらにその層の上にB層が形成されている場合の両方を含む。また、A層又はAの上面とB層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではA層又はAとB層の間に1以上の層が存在している場合も、上記表現に含まれる。また「〜」はその前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。
[第1の実施形態]
図1は本発明の第1の実施形態に係る第1の半導体積層構造を示す断面図である。C面サファイア基板からなる基板10上に、スパッタや化学気相成長法により酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜の膜厚は特に限定されないが、0.1〜1.0μmであることが好ましい。次いでフォトリソグラフィー技術とエッチングにより、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜に開口部を形成し、基板10上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層31を形成する。第1マスク層31の形状は特に限定されないが、例えば、平行なストライプパターン状や格子状に形成することができる。第1マスク層31間に形成された開口部は、第1半導体層を結晶成長させるために用いられる。
図1は本発明の第1の実施形態に係る第1の半導体積層構造を示す断面図である。C面サファイア基板からなる基板10上に、スパッタや化学気相成長法により酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜の膜厚は特に限定されないが、0.1〜1.0μmであることが好ましい。次いでフォトリソグラフィー技術とエッチングにより、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜に開口部を形成し、基板10上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層31を形成する。第1マスク層31の形状は特に限定されないが、例えば、平行なストライプパターン状や格子状に形成することができる。第1マスク層31間に形成された開口部は、第1半導体層を結晶成長させるために用いられる。
第1マスク層31の幅は、例えば0.2〜40μmであることが好ましく、1〜10μmであることがより好ましい。また、第1マスク層31の開口幅は、例えば0.2〜40μmであることが好ましく、1〜10μmであることがより好ましい。第1マスク層31は、基板10上に成長する窒化ガリウムの<11−20>方向と平行な方向、もしくは<1−100>方向と平行な方向に形成することが好ましい。
また、基板10上に窒化ガリウム層、窒化物半導体多層膜層又は窒化物半導体超格子層を形成し、その上に第1半導体層及び第1マスク層31を形成してもよい。図1には示されていないが、基板10上にこれらの半導体層を設ける方が、直接基板10から第1半導体層を成長させるよりも結晶品質が高いので好ましい。但し、あらかじめ窒化物半導体が形成されたテンプレート基板を準備する必要がある。
次いで、気相成長法によりバッファー層(図1には図示せず)を介して、第1半導体層としての窒化ガリウム層21を第1マスク層31間の開口部からファセット成長させて島状に形成する。引き続き成長条件を変更して第2半導体層としての窒化ガリウム層22を横方向成長させる。これによって、隣接する窒化ガリウム層22同士が会合して、平坦な半導体積層構造が得られる。
次いで、気相成長装置から前記半導体積層構造を取り出し、窒化ガリウム層22上にスパッタや化学気相成長法により酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜の膜厚は特に限定されないが、0.1〜1.0μmであることが好ましい。次いで、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより、窒化ガリウム層22の会合部分上に点対称の形状を有する第2マスク層32を周期的に形成する。具体的には、第2マスク層32の形状は、孤立した形状において点対称である形状、すなわち円形、楕円形又は多角形であることが好ましく、前記点を中心点とした時、中心点から外周まで距離のうち、最も長いものをa、最も短いものをbとした時に、a≦10bを満たすような方向性の弱い形状であることがより好ましい。これらの形状のうち、円形が最も好ましいが、横方向成長条件によっては結晶方位により成長速度が異なる場合があり、このような時は楕円形を用いるのが好ましい。例えば、基板10面に沿った方向のうち、最も大きな横方向成長速度cを有する第1の方向と、基板10面に沿った第1の方向と直角である第2の方向の横方向成長速度dである成長条件下で横方向成長させる場合は、楕円率c/dを有する楕円形を第1の方向と長径が平行となるよう配置することが好ましい。また、多角形の場合には円形又は楕円形に近いほうがより好ましく、六以上の角を有する形状が好ましい。
第2マスク層32は、会合部分に沿った方向に一直線状に数珠繋ぎとなって、会合部分を覆っている。このとき、第2マスク層32が会合部分を最大限に覆うように、孤立した点対称の第2マスク層32の中心点が会合部分の直上にあることが好ましい。ここで、一直線状や数珠繋ぎとは、複数の前記孤立した形状の配置に関するものであって、一次元的にある方向へ規則正しい周期で配置することをいう。また、個々の孤立した形状同士は接触はしていないが、会合部分の転位を低減するためにできるだけ距離は近いほうが好ましく、前記形状同士の間隔は0.1〜1μmであることが好ましく、0.2〜0.5μmであることがより好ましい。
ここで、円形、楕円形又は多角形にパターニングされたマスク層又は溝を用いることによって、結晶欠陥を低減した半導体積層構造については、数多くの提案が成されている。例えば、特開平11−238687号公報及び特表2001−520169号公報では、六角形や円形のマスク開口部から再成長させることにより、結晶欠陥や歪が低減されることが開示されている。しかしながら、個々の開口部から再成長した結晶層同士がマスク開口部以外で会合し、新たな結晶欠陥が発生するという問題がある。
また、特開2001−94216号公報及び特開2005−229134号公報では、六角形や円形の凸部から再成長させ、前記凸部表面では再成長結晶層が凸部中心で成長を終端するため結晶欠陥や歪が低減されることが開示されている。しかしながら、これらも上記と同様、凸部上部の結晶欠陥は低減されるが、個々の凸部から再成長した結晶層同士が凸部以外で会合し、新たな結晶欠陥が発生するという問題がある。
さらに、特開2002−208757号公報及び特開2003−282447号公報では、六角形や円形の溝から再成長させ、前記溝上部では再成長結晶層が溝中心で成長を終端するため結晶欠陥や歪が低減されることが開示されている。しかしながら、これらも上記と同様、溝上部の結晶欠陥は低減されるが、個々の溝から再成長した結晶層同士が溝以外で会合し、新たな結晶欠陥が発生するという問題がある。
上記に挙げた提案は全て、基板又は基板上の半導体層表面に、六角形や円形のマスク開口部や凸部又は溝を半導体表面に対して一様に配置したものであり、本実施形態のように、一直線上に数珠繋ぎとなったパターンとは明らかに異なる。
また、上記提案ではマスク開口部、凸部又は溝を半導体表面に対して一様に配置することによって、ストライプパターンを用いた横方向成長技術では得られない、均一な結晶欠陥密度の半導体表面を得ること及びウェハー全面への歪の分散を目的としている。
しかしながら、上述のように、再成長半導体層同士の会合部分は避けることができないため、均一な結晶欠陥密度が得られても結晶欠陥密度自体は決して満足できるものではない。
これに対して、本実施形態では、第1マスクが有する直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第2マスクを用いることで、基板表面に一次元的に限定された箇所に集中した、横方向成長の会合部分から発生する結晶欠陥を低減することができ、結晶欠陥密度が極めて少ない半導体積層構造を得ることができる。
第2マスク層32の直径は、第1マスク層31のストライプパターンの周期以下であればよいが、第1マスク層31のストライプパターンの周期の半分以下であることが好ましい。すなわち第1マスク層31の幅がe、第1マスク層31の開口部の幅がf、第2マスク層32の直径をgとすると、g<(e+f)を満たさなければならない。第2マスク層32の直径gは、1〜80μmであることが好ましく、2〜20μmであることがさらに好ましい。
次いで、前記の気相成長法により、窒化ガリウム層22の開口部から第3半導体層としての窒化ガリウム層23を主に横方向成長させ、第2マスク層32の中心付近で成長を終端させる。この時、できるだけ窒化ガリウムの横方向成長速度が面方位に因らないような成長条件で実施する。これにより、窒化ガリウム層22の会合部分に沿って形成されていた結晶欠陥を窒化ガリウム層23が覆い、新たな結晶欠陥の発生は第2マスク層32上の中心部だけとなり、半導体積層構造表面に向かう貫通転位を大幅に低減することができる。
[第2の実施形態]
本発明の好適な第2の実施形態について説明する。図2は本実施形態に係る第2の半導体積層構造を示す断面図である。第2マスク層32が窒化ガリウム層22の会合部分に沿って形成されるところまでは、第1の半導体積層構造と同様なので、それ以降について説明する。
本発明の好適な第2の実施形態について説明する。図2は本実施形態に係る第2の半導体積層構造を示す断面図である。第2マスク層32が窒化ガリウム層22の会合部分に沿って形成されるところまでは、第1の半導体積層構造と同様なので、それ以降について説明する。
図2に示すように、前記の気相成長法により、窒化ガリウム層22の開口部から第3半導体層としての窒化ガリウム層25を縦方向成長させる。窒化ガリウム層25の膜厚は特に限定されないが、0.5μm以上であることが好ましく、1.0μm以上であることがより好ましい。第2マスク層32上には窒化ガリウム層25が成長しないので、その上に第2マスク層32と同様の形状を有する溝26が形成される。
次いで、成長条件を変更し、窒化ガリウム層25の溝26の壁を核として第4半導体層としての窒化ガリウム層27を横方向成長させ、第2マスク層32を覆い、溝26の中心付近で成長を終端させる。この時、できるだけ窒化ガリウムの横方向成長速度が面方位に因らないような成長条件で実施する。これにより、窒化ガリウム層22の会合部分に沿って形成されていた結晶欠陥を窒化ガリウム層27が覆い、新たな結晶欠陥の発生は第2マスク層32上の中心部だけとなり、半導体積層構造表面に向かう貫通転位を大幅に低減することができる。
但し、この場合は、窒化ガリウム層27を溝26の中心で成長を終端した後も成長を続けると、窒化ガリウム層27が窒化ガリウム層25表面を覆い始め、ついには隣接する窒化ガリウム層27と会合する。この場合、新たな会合部分で結晶欠陥が発生するため、会合する前に成長を終了させる必要がある。
[第3の実施形態]
本発明の好適な第3の実施形態について説明する。図3は本実施形態に係る第3の半導体積層構造を示す断面図である。窒化ガリウム層22が横方向成長し、会合することで平坦な半導体積層構造が得られるところまでは第1、2の半導体積層構造と同様なので、それ以降について説明する。
本発明の好適な第3の実施形態について説明する。図3は本実施形態に係る第3の半導体積層構造を示す断面図である。窒化ガリウム層22が横方向成長し、会合することで平坦な半導体積層構造が得られるところまでは第1、2の半導体積層構造と同様なので、それ以降について説明する。
図3に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより、窒化ガリウム層22の会合部分上に点対称の形状を有する溝28を周期的に形成する。具体的には、溝28の形状は、孤立した形状において点対称である形状、すなわち円形、楕円形又は多角形であることが好ましく、前記点を中心点とした時、中心点から外周まで距離のうち、最も長いものをa、最も短いものをbとした時に、a≦10bを満たすような方向性の弱い形状であることがより好ましい。これらの形状のうち、円形が最も好ましいが、横方向成長条件によっては結晶方位により成長速度が異なる場合があり、このような時は楕円形を用いるのが好ましい。例えば、基板10面に沿った方向のうち、最も大きな横方向成長速度cを有する第1の方向と、基板10面に沿った第1の方向と直角である第2の方向の横方向成長速度dである成長条件下で横方向成長させる場合は、楕円率c/dを有する楕円形を第1の方向と長径が平行となるよう配置することが好ましい。また、多角形の場合には円形又は楕円形に近いほうがより好ましく、六以上の角を有する形状が好ましい。
溝28の深さは特に限定されず、好ましくは0.5μm以上であり、基板を露出させても構わないが、1.0〜5.0μmの深さがより好ましい。溝28の加工は一直線状に数珠繋ぎとなっていて窒化ガリウム層22の会合部分に沿って会合部分を覆うように形成される。ここで、一直線状や数珠繋ぎとは、複数の前記孤立した形状の配置に関するものであって、一次元的にある方向へ規則正しい周期で配置することをいう。また、個々の孤立した形状同士は接触はしていないが、会合部分の転位を低減するためにできるだけ距離は近いほうが好ましく、前記形状同士の間隔は0.1〜1μmであることが好ましく、0.2〜0.5μmであることがより好ましい。
溝28の直径は、第1マスク層31のストライプパターンの周期以下であればよいが、第1マスク層31のストライプパターンの周期の半分以下であることが好ましい。すなわち、第1マスク層31の幅がe、第1マスク層31の開口部の幅がf、溝28の直径をhとすると、h<(e+f)を満たさなければならない。溝28の直径hは、1〜80μmであることが好ましく、2〜20μmであることがさらに好ましい。
次いで、前記気相成長法により、窒化ガリウム層22の溝28の壁を核として窒化ガリウム層29を横方向成長させ、溝28の中心付近で成長を終端させる。この時、できるだけ窒化ガリウム層29の横方向成長速度が面方位に因らないような成長条件で実施する。これにより、窒化ガリウム層22の会合部分に沿って形成されていた結晶欠陥を窒化ガリウム層29が覆い、新たな結晶欠陥の発生は溝28の中心部だけとなり、半導体積層構造表面に向かう貫通転位を大幅に低減することができる。
この場合も第2の半導体積層構造と同様、窒化ガリウム層29を溝28の中心で成長を終端した後も成長を続けると、窒化ガリウム層29は窒化ガリウム層22表面を覆い始め、ついには隣接する窒化ガリウム層29と会合する。すると新たな会合部分に結晶欠陥が発生するため、会合する前に成長を終了させる必要がある。
図4(a)〜(d)は、本実施形態に係る横方向成長の会合部分に沿った、円形、楕円形又は多角形のパターンの一例を示す上面図である。図4(a)は結晶方位に因らず、一様な横方向成長速度を有する場合の円形パターンである。
図4(b)は基板面に沿った方向において、会合部分に平行な方向の横方向成長速度が、会合部分に垂直な方向の横方向成長速度よりも速い場合の、楕円形パターンを示す。
さらに、図4(c)は基板面に沿った方向において、会合部分に平行な方向の横方向成長速度が、会合部分に垂直な方向の横方向成長速度よりも遅い場合の、楕円形パターンを示す。
図4(d)は会合部分に沿った六角形のパターンを示す。六角形は角の部分が会合部分に沿った方向に配しても良く、また直線部分が会合部分に沿った方向に垂直であっても良い。あるいは基板面に沿った方向において、ランダムな方向とすることもでき、上述の円形パターンと同様に、会合部分に沿った方向とそれに垂直な方向の横方向成長速度に合わせて、縦長あるいは横長の六角形とすることもできる。
これまで第1〜3の半導体積層構造について説明した。従来の技術と異なる点は、横方向成長の会合部分上に周期的に形成された、点対称形状のマスク層や溝を用いて、横方向成長をマスク層上や溝の中心付近で終端させ、半導体表面に伝播する貫通転位を低減することにある。これにより極めて高品質の半導体積層構造が得られる。しかしながら、数珠繋ぎ状のマスク層や溝同士は接触しないので、僅かではあるが会合部分は完全には覆えない。従って、マスク層や溝の中心、及びマスク層や溝同士の会合部分に沿った方向の距離の分だけ、転位が残留する。
そこで上記プロセスを複数回繰り返し、会合部分の結晶欠陥をさらに低減することが可能である。この場合、会合部分に沿って実施したパターニングの位置を、その都度会合部分に沿った方向にずらせばよい。上述した半導体表面に一様に配した円形又は六角形のパターニングでも、特開2001−94216号公報、特開2003−282447号公報又は特開2005−229134号公報は、複数回プロセスを繰り返すことで、より結晶欠陥を低減することができることを開示している。
しかしながら、これらの技術においては、円形又は六角形のマスク開口部、凸部あるいは溝部内側では、半導体層の再成長が中心付近の一点で終端するため、パターン内側の結晶欠陥は低減することができるが、パターンの外側ではパターンの開口部、凸部あるいは溝部を核として再成長した半導体層同士が会合するので、何度プロセスを繰り返しても会合部分から結晶欠陥が発生するため、結晶欠陥を大幅に低減することができない。
一方、本実施形態では、残留する貫通転位はパターン中心部とパターン同士の間に限られるため、同プロセスを繰り返すことにより、パターン間の貫通転位は確実に低減することができる。なお、プロセスを繰り返すことはコスト面で不利となるため、繰り返し回数は目的に応じて適宜選択するればよい。
以上、横方向成長した半導体層同士が会合する部分から発生する結晶欠陥が基となり、半導体表面に達する貫通転位の数を低減する方法について述べた。本発明の好適な実施形態に係る第1〜3の半導体積層構造において、図1〜3の島状に形成された窒化ガリウム層21を、第1マスク層31で横方向成長を制限されたファセット成長としたが、平坦な表面を有する矩形とすることもできる。また、第1マスク層31を形成することなく、基板上に成長した平坦な窒化ガリウム層を窒化ガリウム層の途中、あるいは基板表面が露出するまでエッチングすることにより島状の窒化ガリウム層を形成することもできる。
さらにサファイア基板10の表面を凹凸加工することで、凹凸部から凹凸段差によって横方向成長を制限された島状の窒化ガリウム層を形成することができる。もちろん凹底部にマスク層を形成することも有効である。これらのストライプパターンを用いた島状の窒化ガリウム層の形成方法に関わらず、これを核として横方向成長し、直線状の会合部分を有する全ての半導体成長方法に、本実施形態に係る一直線状の数珠繋ぎとなったマスク層又は溝を適用することが可能である。
また、本発明の第1〜3半導体構造では、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛又は窒化ガリウムのいずれかの基板上にAlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)単層膜又は多層膜を成長したテンプレート基板上に、バッファー層を介して、あるいは直接AlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)の第1〜5半導体層を成長させることができる。基板の面方位は特に限定されなく、さらにジャスト基板でも良いし、オフ角を付与した基板であっても良い。前記バッファー層は気相成長において、低温又は高温の成長温度で基板上に成長した微結晶あるいはアモルファス窒化物半導体であって、燐や砒素を含んでいても構わない。またレーザーリフトオフを利用して基板と基板上に形成した半導体積層構造を剥離し、自立基板を作製することも可能である。あるいは酸を含む液体中に浸すことでエッチングにより半導体積層構造と基板が分離可能であるような金属窒化物とすることもできる。
前記第1〜5半導体層各層は、単層であっても良いし、組成又はキャリア濃度が異なる多層構造あるいは超格子構造と置き換えることもできる。また厚さ方向にグラジュアルもしくは階段状に組成又はキャリア濃度を変化することも可能である。
また、前記第1〜5半導体層は不純物を添加することによりn型あるいはp型とすることができる。p型の不純物としては、例えばマグネシウムや亜鉛又はカルシウム等が挙げられ、またn型不純物としては、例えばシリコン、硫黄、セレン、テルル又はゲルマニウム等が挙げられる。
前記半導体積層構造上に発光素子等のデバイスを作製する場合には、該半導体積層構造の表面に引き続き、発光素子の積層構造を成長しても良いし、前記第1〜5半導体層の全て、もしくは一部を発光素子のn型コンタクト層、n型クラッド層、p型コンタクト層又はp型クラッド層に置き換え、又は兼ねることも可能である。
また、マスク層は酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化ジルコニウム又は高融点金属膜を用いることができる。また、前記マスク層および溝は、フォトリソグラフィーとウェット又はドライエッチング技術、あるいはリフトオフを用いて形成されうる。
[応用例]
本発明の好適な実施形態に係る第1の半導体積層構造上に作製された半導体素子の一例を図5、6に示す。なお、半導体素子はこれに限定されず、例えばレーザーダイオード、発光ダイオード、電界効果トランジスタ、高周波デバイス又はハイパワーデバイス等が作製されうる。図5はInGaN半導体層を井戸層とした多重量子井戸構造の発光層を有した、近紫外線発光ダイオードの断面構造を示す。まず、窒化ガリウム層23の上に引き続き、同一気相成長装置内で厚さ5.0μmのシリコン添加n型窒化ガリウムコンタクト層121を成長させる。
本発明の好適な実施形態に係る第1の半導体積層構造上に作製された半導体素子の一例を図5、6に示す。なお、半導体素子はこれに限定されず、例えばレーザーダイオード、発光ダイオード、電界効果トランジスタ、高周波デバイス又はハイパワーデバイス等が作製されうる。図5はInGaN半導体層を井戸層とした多重量子井戸構造の発光層を有した、近紫外線発光ダイオードの断面構造を示す。まず、窒化ガリウム層23の上に引き続き、同一気相成長装置内で厚さ5.0μmのシリコン添加n型窒化ガリウムコンタクト層121を成長させる。
その上に、厚さ2.0μmのシリコン添加n型窒化ガリウムクラッド層122を成長させる。さらにその上に、厚さ20nmのシリコン添加n型窒化ガリウムガイド層123を成長させる。
次いで、成長温度を下げ、厚さ3.5nmのInGaN井戸層、厚さ5nmの窒化ガリウム障壁層からなる4周期の多重量子井戸層からなる発光層124を成長させる。InGaN井戸層を用いた場合、量子閉じ込めシュタルク効果のため、注入電流密度による発光波長のシフトや発光効率の低下が起こる。そのため窒化ガリウム障壁層へもシリコンを添加することで分極電場を一部遮蔽することで上記問題の解決を図る。但し過度のドーピングは結晶性の低下が懸念される。
再度成長温度を上げ、発光層の上に、厚さ20nmのマグネシウム添加p型窒化ガリウムガイド層125を成長させる。
さらにその上に、厚さ50nmのマグネシウム添加p型Al0.1GaNクラッド(電流ブロック)層126を形成する。p型クラッド(電流ブロック)層は互いに組成の異なる2層を繰り返して積層した超格子としても良い。引き続き、厚さ20nmのマグネシウム添加p型窒化ガリウムコンタクト層127を成長させる。
次いで、ウェハーを気相成長装置から取り出し、表面に所定の形状のマスクを形成し、ドライエッチング装置にてp型コンタクト層側からエッチングを行い、n型コンタクト層を露出させる。
次いで、p型コンタクト層上に透光性電極からなるオーミック電極131を形成する。また前記ドライエッチングにより露出されたn型コンタクト層にもTi/Alから成るオーミック電極132を形成する。
次いで、基板を研磨しシンニングした後、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、YAGレーザーやエキシマレーザーなどを用いた光学的又は熱的スクライブにより素子分離を行う。
以上、フェイスアップ実装する場合の発光ダイオード素子作製について述べたが、フリップチップ実装とすることもでき、この場合はp型電極を透光性とする必要は無い。また光取り出し効率を考慮すると、サファイア基板の表面に凹凸加工されていることが望ましい。
図6にはInGaN半導体層を井戸層とした、多重量子井戸構造の発光層を有した、近紫外線レーザーダイオードの断面構造を示す。窒化ガリウム層23の上に引き続き、気相成長装置内でシリコン添加n型窒化ガリウムコンタクト層221を成長させる。膜厚は例えば4.0μmとする。
次いで、厚さ0.2μmシリコン添加n型Al0.1GaNクラッド層222を厚成長させる。さらにその上に厚さ20nmのシリコン添加n型窒化ガリウムガイド層223を成長させる。
次いで、成長温度を下げ、厚さ4.0nmのアンドープInGaN井戸層、厚さ10nmのシリコン添加n型窒化ガリウム障壁層からなる3周期の多重量子井戸層からなる発光層224を成長させる。
再び成長温度を上げ、厚さ20nmのマグネシウム添加p型窒化ガリウムガイド層225を成長させる。
さらにこの上に、厚さ0.2μmのマグネシウム添加p型Al0.15GaNクラッド層226を成長させる。引き続き、厚さ20nmのマグネシウム添加p型窒化ガリウムコンタクト層227を成長させる。
次いで、気相成長装置から該半導体積層構造を取り出し、最上層のp型窒化ガリウムコンタクト層の表面に酸化シリコン保護膜を形成し、ドライエッチングによりn電極を形成するn型窒化ガリウムコンタクト層の表面を露出させ、該露出部にTi/Alから成るn側電極232を形成する。この時、共振器面となる活性層端面を露出させてエッチング端面を共振器端面とする。
次いで、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のp型コンタクト層の上に酸化シリコン保護膜を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチング技術により、p型コンタクト層及びp型クラッド層をエッチングし、ストライプ幅2μmのリッジ部を形成する。大電流を流すことでリッジ以下では電流が急激に横方向に広がる。そのためリッジを形成するためのエッチング深さはp型ガイド層225まであるのが好ましい。
リッジを形成するドライエッチング装置としては、例えば簡便なRIE(反応性イオンエッチング)やICP(誘導結合プラズマ)−RIEを用いることができる。この場合、Cl2やCCl4、SiCl4のような塩素系のガスが用いられる。
電流狭窄部を作製するには、上記の方法の他に、マスクやフォトレジストによって保護されたp型コンタクト層上から、p型クラッド層にかけて、例えばシリコンをイオン注入することで達成することができる。シリコン注入量はp型層のキャリア濃度よりも高濃度が好ましく、シリコンのドーズ量により制御可能である。また電流狭窄層の形成深さは、イオン注入の注入エネルギーによって制御することができる。
次いで、ストライプ状のリッジ導波路を形成した後、リッジ及びp側のエッチング露出面上に、酸化シリコンや金属酸化膜241を形成する。
次いで、p型コンタクト層表面を、例えばリフトオフやエッチングにより露出させ、p型コンタクト層及び電流ブロック層の上に、例えばNi/Auから成るp側電極231を形成する。さらに側面にも酸化シリコンから成る保護膜(図6には図示せず)を形成する。
次いで、基板を研磨しシンニングした後、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、YAGレーザーやエキシマレーザーなどを用いた光学的又は熱的スクライブによりウェハーをバー状に割る。
次いで、このバーをスパッタや蒸着装置にて、光反射側の共振器面、あるいは光反射側と光出射側に多層酸化膜から成る反射膜(図6には図示せず)を形成する。このようにして、素子分離しレーザーダイオードが得られる。
以上のように、本発明によれば、横方向に成長する半導体層同士が会合する部分から半導体表面にまで伝播する貫通転位を抑え、半導体表面の結晶欠陥数を低減することができる。そのため、結晶欠陥の少ない半導体積層構造、半導体基板、半導体テンプレート基板が得られる。又これらの上に発光素子等のデバイスを作製すれば、良好な素子特性を得ることが可能になる。さらに、従来の横方向成長技術では極端に低転位密度領域と高転位密度領域が分かれているため、その上に形成するデバイス設計に制約があったが、本発明ではそれを気にすることなく自由に設計することが可能である。
10…基板、21、22、23、24、25、27、29…半導体層、26、28…溝、31、32…マスク層、121、221…n型コンタクト層、122、222…n型クラッド層、123、223…n型ガイド層、124、224…多重量子井戸発光層、125、225…p型ガイド層、126、226…p型クラッド層、127、227…p型コンタクト層、131、231…p側電極、132、232…n側電極、241…酸化シリコン膜
Claims (11)
- 基板上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層と、
前記基板上の前記第1マスク層が形成されていない領域に島状に形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層から結晶成長して形成された第2半導体層と、
前記第2半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第2マスク層と、
前記第2半導体層から結晶成長して形成された第3半導体層と、
を備えることを特徴とする半導体積層構造。 - 前記第3半導体層は、前記第2半導体層から縦方向に結晶成長して形成され、
前記縦方向に結晶成長された第3半導体層から更に横方向に結晶成長して形成された第4半導体層を備えることを特徴とする請求項1に記載の半導体積層構造。 - 基板上に周期的に形成された、直線部を含む第1マスク層と、
前記基板上の前記第1マスク層が形成されていない領域上に島状に形成された第1半導体層と、
前記第1半導体層から結晶成長して形成された第2半導体層と、
前記第2半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された溝と、
前記第2半導体層から結晶成長して前記溝を埋め込むように形成された第5半導体層と、
を備えることを特徴とする半導体積層構造。 - 前記点対称の形状は、円形、楕円形及び多角形を含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体積層構造。
- 前記第1マスク層は、ストライプ状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体積層構造。
- 前記第1乃至第3半導体層は、AlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)であることを特徴とする請求項1に記載の半導体積層構造。
- 前記第4半導体層は、AlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)であることを特徴とする請求項2に記載の半導体積層構造。
- 前記第5半導体層は、AlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)であることを特徴とする請求項3に記載の半導体積層構造。
- 前記基板は、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛及び窒化ガリウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の半導体積層構造。
- 前記基板は、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛又は窒化ガリウムのいずれかを含む基板上に、バッファー層を介して又は直接に、単層若しくは多層のAlxInyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1)を結晶成長させたテンプレート基板であることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の半導体積層構造。
- 請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の半導体積層構造上に形成された半導体素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006001923A JP2007184433A (ja) | 2006-01-06 | 2006-01-06 | 半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006001923A JP2007184433A (ja) | 2006-01-06 | 2006-01-06 | 半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007184433A true JP2007184433A (ja) | 2007-07-19 |
Family
ID=38340255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006001923A Withdrawn JP2007184433A (ja) | 2006-01-06 | 2006-01-06 | 半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007184433A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011074534A1 (ja) * | 2009-12-17 | 2011-06-23 | 昭和電工株式会社 | 基板、テンプレート基板、半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子を用いた照明装置および電子機器 |
KR101250475B1 (ko) | 2011-12-26 | 2013-04-08 | 전자부품연구원 | 절연체 패턴을 갖는 이종 기판 및 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 |
CN105576013A (zh) * | 2014-10-31 | 2016-05-11 | 精工爱普生株式会社 | 带碳化硅膜基板及其制造方法、以及半导体装置 |
JP2016088836A (ja) * | 2014-10-31 | 2016-05-23 | セイコーエプソン株式会社 | 炭化ケイ素膜付き基板、半導体装置および炭化ケイ素膜付き基板の製造方法 |
-
2006
- 2006-01-06 JP JP2006001923A patent/JP2007184433A/ja not_active Withdrawn
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2011074534A1 (ja) * | 2009-12-17 | 2011-06-23 | 昭和電工株式会社 | 基板、テンプレート基板、半導体発光素子、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子を用いた照明装置および電子機器 |
US9024331B2 (en) | 2009-12-17 | 2015-05-05 | Toyoda Gosei Co., Ltd. | Substrate, template substrate, semiconductor light emitting element, semiconductor light emitting element producing method, illumination device using semiconductor light emitting element and electronic device |
KR101250475B1 (ko) | 2011-12-26 | 2013-04-08 | 전자부품연구원 | 절연체 패턴을 갖는 이종 기판 및 그를 이용한 질화물계 반도체 소자 |
CN105576013A (zh) * | 2014-10-31 | 2016-05-11 | 精工爱普生株式会社 | 带碳化硅膜基板及其制造方法、以及半导体装置 |
JP2016088836A (ja) * | 2014-10-31 | 2016-05-23 | セイコーエプソン株式会社 | 炭化ケイ素膜付き基板、半導体装置および炭化ケイ素膜付き基板の製造方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1263058B1 (en) | Light-emitting element | |
JP3852000B2 (ja) | 発光素子 | |
JP4513446B2 (ja) | 半導体結晶の結晶成長方法 | |
JP5146481B2 (ja) | ナイトライド系iii−v族化合物半導体装置、及び半導体装置の製造方法 | |
JP5028640B2 (ja) | 窒化物半導体レーザ素子 | |
TW523799B (en) | Crystal film, crystal substrate and semiconductor device | |
JP2007184503A (ja) | 半導体部材及びその製造方法 | |
JP2010232464A (ja) | Iii族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにレーザダイオード | |
JP2008117922A (ja) | 半導体発光素子及びその製造方法 | |
US8866186B2 (en) | Group III nitride semiconductor light-emitting device | |
JP2010161386A (ja) | 半導体装置および半導体基板ならびに半導体基板の製造方法 | |
US20130193448A1 (en) | Patterned substrate and stacked light emitting diode | |
JP2003092426A (ja) | 窒化物系化合物半導体発光素子およびその製造方法 | |
JP4015865B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
JP2002280314A (ja) | Iii族窒化物系化合物半導体の製造方法、及びそれに基づくiii族窒化物系化合物半導体素子 | |
JP3926271B2 (ja) | Iii族窒化物半導体レーザ素子及びその製造方法 | |
JP4915009B2 (ja) | 半導体部材の製造方法 | |
JP2006165407A (ja) | 窒化物半導体レーザ素子 | |
JP2007184433A (ja) | 半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子 | |
JP2009141085A (ja) | 窒化物半導体素子 | |
JP2007095857A (ja) | 半導体レーザ | |
JP2007184644A (ja) | 半導体装置及びその製造方法 | |
EP3882989A1 (en) | Light emitting device and method of making the same | |
JP3562478B2 (ja) | 窒化物半導体の成長方法及びそれを用いた素子 | |
KR101265056B1 (ko) | 모래시계 구조를 갖는 발광소자 및 그 제조방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20090407 |