JP2009059740A - Group iii nitride semiconductor element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体素子、特にIII族窒化物半導体光素子およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a group III nitride semiconductor device, in particular, a group III nitride semiconductor optical device and a method for manufacturing the same.
III族窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。特に1990年代半ば頃より照明や各種ディスプレー用途に、このIII族窒化物半導体を用いた紫外から青、緑色の波長領域の発光ダイオード(Light Emitting Diode: LED)の性能が急激に向上した結果、同材料を用いたLEDの適用範囲は格段に広がり非常に大きな市場を形成している。また、次世代の高密度光ディスク用光源としても本材料は重要であり、発振波長405nmの半導体レーザ(Laser Diode: LD)の研究開発が精力的に進められ、既に製品化も始まっている。 The group III nitride semiconductor material has a sufficiently large forbidden band width and a direct transition type between band transitions. Therefore, application to a short wavelength light emitting element has been actively studied. In particular, since the mid-1990s, the performance of light emitting diodes (LEDs) in the ultraviolet, blue, and green wavelength regions using Group III nitride semiconductors for lighting and various display applications has been drastically improved. The range of application of LEDs using materials has greatly expanded to form a very large market. This material is also important as a light source for next-generation high-density optical discs, and research and development of a semiconductor laser (Laser Diode: LD) having an oscillation wavelength of 405 nm has been vigorously advanced, and commercialization has already started.
このIII族窒化物半導体発光素子においては、一般的に六方晶の(0001)極性面上に積層構造が形成されるため、ピエゾ分極や自発分極による内部電界の影響が無視できず発光効率を低下させる原因となっている。特にInGaNを活性層とする可視領域の発光素子では、In組成の増加とともに格子不整合歪も増加し上記内部電界の影響が増大するため、発光波長の長波化とともに発光効率は急激に低下してしまう。 In this group III nitride semiconductor light emitting device, since a laminated structure is generally formed on a hexagonal (0001) polar face, the influence of the internal electric field due to piezo polarization or spontaneous polarization cannot be ignored and the light emission efficiency is lowered. It is a cause. In particular, in a light emitting device in the visible region using InGaN as an active layer, the lattice mismatch strain increases with the increase of the In composition, and the influence of the internal electric field increases. Therefore, the emission efficiency rapidly decreases as the emission wavelength becomes longer. End up.
そこで、この内部電界の影響を回避するために、{1−100}または{11−20}無極性面や{1−101}または{11−22}などの半極性面上へのデバイス作製が試みられている。 Therefore, in order to avoid the influence of this internal electric field, device fabrication on a nonpolar plane such as {1-100} or {11-20} or a semipolar plane such as {1-101} or {11-22} is performed. Has been tried.
例えば、特許文献1に、{1−101}または{11−22}半極性面上の窒化物半導体を積層したLD構造について開示されている。図8に示すように、この構造では、まず基板11上に開口部13を有するSiO2などの選択マスク12を形成する。次に、この上にSiドープGaN層14、In0.05Ga0.95Nガイド層15、In0.2Ga0.8N活性層16、In0.05Ga0.95Nガイド層17、MgドープGaN層18、SiO2などの絶縁膜21を順次形成する。さらに、絶縁膜21の一部に開口部20を設けp側電極層19を形成し、断面三角形状の半導体層の傍らに、選択マスク12と絶縁膜21を開口して、n側電極層22が形成されている。
For example, Patent Document 1 discloses an LD structure in which nitride semiconductors on a {1-101} or {11-22} semipolar plane are stacked. As shown in FIG. 8, in this structure, a
また、例えば、特許文献2に、基板上に設けたGaN層にストライプ状リッジを形成し、再成長を行うことで形成される{1−101}面や{11−22}面などのファセット面上へのLD構造が開示されている。 Further, for example, in Patent Document 2, a faceted surface such as a {1-101} plane or a {11-22} plane formed by forming a striped ridge on a GaN layer provided on a substrate and performing regrowth An upward LD structure is disclosed.
しかしながら、図8に示したような構造においては、多結晶GaN等が選択マスク12上に堆積されるため、平坦性が良好な{1−101}面や{11−22}面の半極性面が得られず、さらに、結晶欠陥密度も高くなる。また、選択マスク材料からの不純物の湧き出し等により、高性能かつ高信頼な素子の作製が困難であった。
However, in the structure as shown in FIG. 8, since polycrystalline GaN or the like is deposited on the
また、本発明者らの検討結果によれば、単にGaNテンプレート上にストライプ状リッジを設け再成長を行っても、平坦性の良い{1−101}面や{11−22}面などのファセット面は得られず、(0001)面からの傾斜角度は連続的に変化しストライプ軸方向に大きなうねりを有する傾斜面となることがわかった。このような傾斜面にLD構造を作製しても、結晶欠陥密度が高く、高性能かつ高信頼な素子の作製は困難である。 Further, according to the examination results of the present inventors, facets such as {1-101} planes and {11-22} planes having good flatness can be obtained even if stripe ridges are simply provided on a GaN template and regrowth is performed. No surface was obtained, and it was found that the inclination angle from the (0001) plane was continuously changed, and an inclined surface having large waviness in the stripe axis direction was obtained. Even if an LD structure is manufactured on such an inclined surface, it is difficult to manufacture a high-performance and highly reliable device having a high crystal defect density.
以上のように、内部電界の影響を低減できたとしても、高品質な結晶が得られず、欠陥密度の増大などにより発光効率が低下し、現状では(0001)面上のデバイスを上回る特性を得ることが困難である。 As described above, even if the influence of the internal electric field can be reduced, a high-quality crystal cannot be obtained, and the luminous efficiency decreases due to an increase in defect density. It is difficult to obtain.
本発明の目的は、上述した課題である、結晶欠陥や不純物が極めて少ない高品質な結晶を実現し、高性能かつ高信頼なIII族窒化物半導体素子およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a high-performance and high-reliability group III nitride semiconductor device and a method for manufacturing the same, realizing a high-quality crystal with very few crystal defects and impurities, which is the above-described problem.
本発明によれば、基板と、III族窒化物半導体層とから構成され、リッジ部が設けられた構造体の上に、
レーザー構造をなす多層膜が積層されたIII族窒化物半導体素子であって、
前記リッジ部は、(0001)面を有する頂面と、側面と、前記頂面と、前記側面とを結ぶ斜面とにより形成され、
前記側面と前記斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、以下の(a)または(b)のいずれかであり、
(a)前記側面が{1−100}面、前記斜面が{1−101}面
(b)前記側面が{11−20}面、前記斜面が{11−22}面
前記リッジ部の前記斜面及び前記側面の少なくともいずれか一方に発光領域が形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体素子が提供される。
According to the present invention, on the structure formed of the substrate and the group III nitride semiconductor layer and provided with the ridge portion,
A group III nitride semiconductor device in which a multilayer film having a laser structure is laminated,
The ridge portion is formed by a top surface having a (0001) surface, a side surface, and a slope connecting the top surface and the side surface,
The combination of the respective plane orientations of the side surface and the slope is either of the following (a) or (b):
(A) The side is a {1-100} plane, the slope is a {1-101} plane (b) The side is a {11-20} plane, and the slope is a {11-22} plane The slope of the ridge portion And a Group III nitride semiconductor device, wherein a light emitting region is formed on at least one of the side surfaces.
本発明のIII族窒化物半導体素子は、リッジ部が、(0001)面を有する頂面と、側面と、頂面と、側面とを結ぶ斜面とにより形成されており、側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)前記側面が{1−100}面、前記斜面が{1−101}面または(b)前記側面が{11−20}面、前記斜面が{11−22}面のいずれかである。リッジ部をこのような形状にすることにより、結晶性の良好な半極性面の斜面及び無極性面の側面が得られ、斜面及び側面の少なくともいずれか一方に発光領域を形成することにより、良好な発光効率を示す高性能かつ高信頼のIII族窒化物半導体素子を得る。また、リッジ部は、基板と、III族窒化物半導体層とから構成され、選択マスクを含まないため、不純物汚染などの影響を抑制することができる。 In the group III nitride semiconductor device of the present invention, the ridge portion is formed by a top surface having a (0001) plane, a side surface, and a slope connecting the top surface and the side surface. (A) the side surface is a {1-100} plane, the slope is a {1-101} plane, or (b) the side surface is a {11-20} plane, and the slope is {11-22. } Is one of the faces. By making the ridge part into such a shape, a semipolar plane slope and a nonpolar side face with good crystallinity are obtained, and by forming a light emitting region on at least one of the slope and side face, it is good A high-performance and highly reliable group III nitride semiconductor device exhibiting excellent luminous efficiency is obtained. Further, the ridge portion is composed of a substrate and a group III nitride semiconductor layer and does not include a selection mask, so that the influence of impurity contamination and the like can be suppressed.
本発明によれば、基板を選択的にエッチングして(0001)面を有する頂面と、側面とからなる凸部を形成する工程と、
前記基板上にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、(0001)面を有する頂面と、側面と、前記頂面と、前記側面とを結ぶ斜面とにより形成され、
前記側面と前記斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、以下の(a)または(b)のいずれかであるリッジ部を有する構造体を形成する工程と、
(a)前記側面が{1−100}面、前記斜面が{1−101}面
(b)前記側面が{11−20}面、前記斜面が{11−22}面
前記構造体の上に、レーザー構造をなす多層膜を積層する工程と、
前記リッジ部の前記斜面及び前記側面の少なくともいずれか一方に発光領域を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体素子の製造方法が提供される。
According to the present invention, a step of selectively etching the substrate to form a convex portion including a top surface having a (0001) surface and side surfaces;
By epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer on the substrate, a top surface having a (0001) plane, a side surface, and a slope connecting the top surface and the side surface are formed.
Forming a structure having a ridge portion in which the combination of the plane orientations of the side surface and the slope is any of the following (a) or (b):
(A) The side is a {1-100} plane, the slope is a {1-101} plane (b) The side is a {11-20} plane, and the slope is a {11-22} plane Above the structure A step of laminating a multilayer film having a laser structure;
Forming a light emitting region on at least one of the slope and the side surface of the ridge portion;
There is provided a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device comprising:
本発明によれば、基板を選択的にエッチングして形成した、(0001)面を有する頂面と、側面とからなる凸部にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、上記のような形状のリッジ部を有する構造体を形成することができる。これにより、結晶性の良好な半極性面の斜面及び無極性面の側面が得られ、斜面及び側面の少なくともいずれか一方に発光領域を形成することにより、良好な発光効率を示すIII族窒化物半導体素子を得る。また、III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる際に、選択マスクを必要としないため、マスク材料からの不純物汚染などの影響を抑制することができる。 According to the present invention, a group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown on a convex portion formed by selectively etching a substrate and having a (0001) plane top surface and side surfaces. A structure having a shaped ridge portion can be formed. Thereby, a semipolar plane slope and a nonpolar plane side face with good crystallinity are obtained, and a group III nitride exhibiting good luminous efficiency by forming a light emitting region on at least one of the slope face and the side face A semiconductor element is obtained. In addition, when the group III nitride semiconductor layer is epitaxially grown, since no selection mask is required, the influence of impurity contamination from the mask material can be suppressed.
本発明によれば、結晶欠陥や不純物が極めて少ない高品質な結晶が実現され、高性能かつ高信頼なIII族窒化物半導体素子およびその製造方法を提供する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high quality crystal | crystallization with very few crystal defects and impurities is implement | achieved, and a high performance and highly reliable group III nitride semiconductor element and its manufacturing method are provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(第一の実施形態)
本実施形態におけるIII族窒化物半導体素子について、図1を参照して説明する。本実施形態におけるIII族窒化物半導体素子は、基板(GaN基板101)と、III族窒化物半導体層(n型GaN層102、n型クラッド層104、n型光閉じ込め層106)とから構成され、リッジ部140が設けられた構造体の上部に、レーザー構造をなす多層膜が積層されている。リッジ部140は、(0001)面を有する頂面と、側面と、頂面と、側面とを結ぶ斜面とにより形成され、側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)側面が{1−100}面、斜面が{1−101}面または(b)側面が{11−20}面、斜面が{11−22}面のいずれかである。
リッジ部140の斜面及び側面の少なくともいずれか一方に発光領域が形成されている。
(First embodiment)
The group III nitride semiconductor device in this embodiment will be described with reference to FIG. The group III nitride semiconductor device according to this embodiment includes a substrate (GaN substrate 101) and a group III nitride semiconductor layer (n-
A light emitting region is formed on at least one of the slope and the side surface of the
本実施形態においては、リッジ部140の斜面に発光領域を形成したLDに適用した例について説明する。
(0001)GaN基板101の表面に、側面が{1−100}面または{11−20}面からなる凸部150が、それぞれ<11−20>方向または<1−100>方向にストライプ状に形成されている。ここで、{h,k,l,m}面は(h,k,l,m)面と等価な全ての面を表す。
この凸部150は、例えば幅2μm、高さ7μmに形成されている。その上に、Siドープn型GaN層102、n型クラッド層104、n型光閉じ込め層106が形成され、リッジ部140が設けられている。さらに、活性層となる多重量子井戸(MQW)層108、キャップ層(不図示)、p型GaNガイド層110が積層した構造を有する。
In this embodiment, an example applied to an LD in which a light emitting region is formed on the slope of the
On the surface of the (0001)
The
ここで、基板は、GaN基板としたが、ウルツ鉱型のIII族窒化物半導体層を成長できる基板であればよい。Siドープn型GaN層102は、例えばSi濃度4×1017cm−3、厚さ1μmとすることができる。n型クラッド層104は、Si濃度4×1017cm−3、厚さ2μmのSiドープn型Al0.07Ga0.93Nにより構成される層とすることができる。n型光閉じ込め層106は、Si濃度4×1017cm−3、厚さ0.1μmのSiドープn型GaNにより構成される層とすることがきでる。さらに、多重量子井戸(MQW)層108は、例えば厚さ3nmのIn0.2Ga0.8N井戸層と厚さ10nmのアンドープIn0.02Ga0.08Nバリア層とから構成される2周期多重量子井戸層とすることができる。キャップ層として、例えば、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nにより構成される層とすることができ、p型GaNガイド層110は、Mg濃度1×1019cm−3、厚さ0.1μmのMgドープp型GaNにより構成される層とすることができる。各層の不純物濃度と層厚は全て{1−101}面または{11−22}面上での値である。
Here, the substrate is a GaN substrate, but any substrate that can grow a wurtzite group III nitride semiconductor layer may be used. The Si-doped n-
また、リッジ部140は、(0001)面を有する頂面と、側面と、頂面と、側面とを結ぶ斜面とにより形成され、側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)側面が{1−100}面、斜面が{1−101}面または(b)側面が{11−20}面、斜面が{11−22}面のいずれかである。
The
リッジ部140の側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)の組み合わせである場合、リッジ部140を<11−20>方向にストライプ状に形成する。
また、リッジ部140の側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(b)の組み合わせである場合、リッジ部140を<1−100>方向にストライプ状に形成する。
When the combination of the surface orientations of the side surface and the slope of the
Further, when the combination of the surface orientations of the side surface and the slope of the
また、リッジ部140において、側面の<0001>方向への幅wが、5μm≦w≦30μmであることが好ましい。幅wを5μm以上とすることにより、原子レベルで平坦な、結晶性の良好な{1−101}面または{11−22}面である斜面を得ることができる。また、幅wは、生産性の観点から30μm以下とすることが好ましい。
Further, in the
さらに、p型GaNガイド層110の上に、AlNからなる電流狭窄層112、p型クラッド層114、p型コンタクト層116が積層している。この積層構造の上部に、絶縁層117を介して、p型電極118が設けられ、GaN基板101の裏面にn型電極119が設けられている。ここで、電流狭窄層112は、低温堆積により非結晶層を形成した後、エッチングによりリッジ部斜面の非結晶層に開口部120を設け、その後p型クラッド層114よりも上部の層を形成する過程での高温熱処理で、非結晶層を結晶層に変換し形成される。
Further, a
ここで、p型クラッド層114は、例えばMg濃度1×1019cm−3、厚さ0.5μmのMgドープp型Al0.07Ga0.93Nにより構成される層とすることができる。p型コンタクト層116は、Mg濃度2×1020cm−3以下、厚さ0.02μmのMgドープp型GaNにより構成される層とすることができる。
Here, the p-
電流狭窄層112の斜面上の開口部120は、光露光または電子線露光などのリソグラフィーと、例えば特開2003−78215に開示されている燐酸系含有液等による選択エッチングによって、ストライプ状の開口部120を形成する。
The
このように、リッジ部140の上に発光層となる多重量子井戸層108が形成されており、発光層を覆うように電流狭窄層112が形成され、開口部120に対応する領域の多重量子井戸層108が発光領域となる。
As described above, the multiple
ここで、図6に示すように、リッジ部140の斜面には、リッジ部140の延在方向に垂直に伸びる複数のストライプ状の周期的な溝部170を平行に形成することができる。周期的な溝部は、III族窒化物半導体層の成長条件を制御して形成される。こうすることにより、溝部170が形成されたリッジ部140上に活性層の成長を行う際、多重量子井戸層108が細線状に分割された活性層109を形成することができる。図6では、斜面に形成された活性層109のみ図示している。個々の細線同士は周期溝によって分離されているために欠陥の増殖が抑制され、良好な結晶性を示す発光層を得ることができる。この細線状の活性層109は、原料の拡散により、溝部170の底部において原料濃度が高くなるため、溝部170の個々の周期溝に選択的に形成することができる。
Here, as shown in FIG. 6, a plurality of stripe-shaped
次に、本実施形態のIII族窒化物半導体素子の製造方法について詳細に説明する。
図2および図3は、本実施形態のIII族窒化物半導体素子の製造方法を示す工程断面図である。本実施形態のIII族窒化物半導体素子の製造方法は、基板101を選択的にエッチングして(0001)面を有する頂面と、側面とからなる凸部150を形成する工程と、基板101上にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長により、(0001)面を有する頂面と、側面と、頂面と、側面とを結ぶ斜面とにより形成され、側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)側面が{1−100}面、斜面が{1−101}面または(b)側面が{11−20}面、斜面が{11−22}面のいずれかであるリッジ部140を有する構造体を形成する工程と、該構造体の上に、レーザー構造をなす多層膜を積層する工程と、リッジ部の斜面及び側面の少なくともいずれか一方に発光領域を形成する工程とを含む。
Next, the manufacturing method of the group III nitride semiconductor device of this embodiment will be described in detail.
2 and 3 are process cross-sectional views illustrating the method for manufacturing the group III nitride semiconductor device of this embodiment. In the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to the present embodiment, a step of selectively etching the
以下、本実施形態のIII族窒化物半導体素子の各工程について詳述する。 Hereinafter, each process of the group III nitride semiconductor device of this embodiment is explained in full detail.
初めに、GaN基板101上にCVDによりSiO2膜を形成した後、リソグラフィー工程により幅2μm程度のSiO2ストライプ160をGaN基板101面内の<11−20>もしくは<1−100>方向に形成する(図2(a))。
次に、これをマスクとしてドライエッチング装置によって高さ7μm、幅2μmの<11−20>方向もしくは<1−100>方向の凸部150を形成する(図2(b))。
First, after a SiO 2 film is formed on the
Next, using this as a mask, a
次に、GaN基板101上にn型GaN層102、n型クラッド層104、n型光閉じ込め層106を、たとえば、有機金属気相成長法(以下MOVPE法)により積層する。
これにより、(0001)面を有する頂面と、側面と、頂面と、側面とを結ぶ斜面とにより形成されたリッジ部140を得る。このリッジ部140において、側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせは、(a)側面が{1−100}面、斜面が{1−101}面または(b)側面が{11−20}面、斜面が{11−22}面のいずれかとなる。
また、リッジ部140の側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)の組み合わせである場合、リッジ部140は、<11−20>方向にストライプ状に形成する。
リッジ部140の側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(b)の組み合わせである場合、リッジ部140が<1−100>方向にストライプ状に形成する。
Next, the n-
As a result, the
Further, when the combination of the surface orientations of the side surface and the slope of the
When the combination of the surface orientations of the side surface and the slope of the
さらに、リッジ部140の上に、活性層となる多重量子井戸層108、キャップ層(不図示)、p型GaNガイド層110を順次堆積する。
Further, a multiple
これらの構造を堆積後、非結晶AlN層(後に結晶化して電流狭窄層112となる)の堆積を行う(図2(c))。
次に、斜面上の非結晶AlN層にストライプ状の開口部120を形成する。非結晶AlN層上にSiO2を100nm堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅1.5μmのストライプパターンを{1−101}面または{11−22}面である斜面に形成する。
次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてSiO2をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行う。非結晶AlN層は、バッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはない。
After depositing these structures, an amorphous AlN layer (later crystallized to become the current confinement layer 112) is deposited (FIG. 2 (c)).
Next, a stripe-shaped
Next, after etching SiO 2 using buffered hydrofluoric acid as a mask, the resist is removed with an organic solvent and washed with water. The amorphous AlN layer is not etched or damaged in each step of buffered hydrofluoric acid, organic solvent, and water washing.
次に、SiO2をマスクとして非結晶AlN層のエッチングを行う。エッチング液には、例えばリン酸と硫酸を体積比1:1の割合で混合した溶液を用いることができる。SiO2マスクでカバーされていない領域の非結晶AlN層は、例えば90℃に保持した前記溶液中で8.5分間のエッチングにより除去され、{1−101}面または{11−22}面である斜面上にストライプ状の開口部120を得ることができる。その後、さらにマスクとして用いたSiO2をバッファードフッ酸で除去し、{1−101}面または{11−22}面である斜面の非結晶AlN層に1.5μm幅のストライプ状の逆メサ状(不図示)の開口部120を有する構造を得る(図3(a))。
Next, the amorphous AlN layer is etched using SiO 2 as a mask. As the etching solution, for example, a solution in which phosphoric acid and sulfuric acid are mixed at a volume ratio of 1: 1 can be used. The amorphous AlN layer in the region not covered with the SiO 2 mask is removed by, for example, etching for 8.5 minutes in the solution kept at 90 ° C., and the {1-101} plane or the {11-22} plane is used. A stripe-shaped
以上により得られた{1−101}面または{11−22}面である斜面上にストライプ状の開口部120を有する構造に対し、p型クラッド層114の埋め込み再成長を行い、さらにp型コンタクト層116を積層する。p型クラッド層114及びp型コンタクト層116は、例えばMOVPE法により形成する。このクラッド層の再成長過程における高温熱処理の影響により、非結晶AlN層が熱結晶化され電流狭窄層112を得る(図3(b))。以上の処理により得られたLDウエハに対し、開口部120に対応する領域を開口した絶縁層117を形成し、絶縁層117の上にp型電極118を例えば真空蒸着法により形成する。また、GaN基板101の裏面には、n型電極119を例えば真空蒸着法により形成する(図3(c))。
The p-
以下、本実施形態の効果について説明する。
本発明のIII族窒化物半導体素子は、リッジ部140が、(0001)面を有する頂面と、側面と、頂面と、側面とを結ぶ斜面とにより形成されており、側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)側面が{1−100}面、斜面が{1−101}面または(b)側面が{11−20}面、斜面が{11−22}面のいずれかである。リッジ部140をこのような形状にすることにより、結晶性の良好な半極性面の斜面及び無極性面の側面が得られる。この半極性面の斜面に発光層となる多重量子井戸層108が形成されており、これにより良好な発光効率を示す高信頼のIII族窒化物半導体素子を得ることができる。また、III族窒化物半導体層を成長させるための選択マスクを含まないため、マスク材料からの不純物汚染などの影響を抑制することができる。
Hereinafter, the effect of this embodiment will be described.
In the group III nitride semiconductor device of the present invention, the
さらに、{1−100}面または{11−20}面の<0001>方向への幅wが5μm≦w≦30μmの範囲とすることで、例えば、(0001)面上の結晶成長の影響を受けにくくなるため原子レベルで平坦な{1−101}または{11−22}半極性面、{1−100}、{11−20}無極性面が容易に得られ、デバイスの歩留まりが向上し生産性が向上する。 Furthermore, by setting the width w in the <0001> direction of the {1-100} plane or the {11-20} plane in the range of 5 μm ≦ w ≦ 30 μm, for example, the influence of crystal growth on the (0001) plane Since it becomes difficult to receive, {1-101} or {11-22} semipolar plane, {1-100}, {11-20} nonpolar plane flat at the atomic level can be easily obtained, and the device yield is improved. Productivity is improved.
また、{1−101}面、{11−22}面または{1−100}面、{11−20}面上に(0001)面との交線と直行する方向に伸びた複数の周期的な溝部に活性層が埋め込まれた構造とすることで、活性層中に形成される結晶欠陥数が抑制されるため発光効率や信頼性を向上させることができる。 A plurality of periodic lines extending in a direction perpendicular to the intersection line with the (0001) plane on the {1-101} plane, the {11-22} plane, the {1-100} plane, and the {11-20} plane. By adopting a structure in which the active layer is embedded in the groove, the number of crystal defects formed in the active layer is suppressed, so that the light emission efficiency and reliability can be improved.
(第二の実施形態)
本実施形態におけるIII族窒化物半導体素子について、図4乃至図7を参照して説明する。
本実施形態におけるIII族窒化物半導体素子は、発光領域がリッジ部の側面である{1−100}面または{11−20}面に設ける点で、第一の実施形態と異なり、その他の構成は第1の実施形態と同様である。
図4に示すように、(0001)GaN基板201の表面に、側面が{1−100}面または{11−20}面からなる凸部250が、それぞれ<11−20>方向または<1−100>方向にストライプ状に形成されている。その上に、n型GaN層202、n型クラッド層204、n型光閉じ込め層206が形成され、リッジ部240が設けられている。さらに、2周期多重量子井戸(MQW)層208、キャップ層(不図示)、p型ガイド層210が積層した構造を有する。
(Second embodiment)
The group III nitride semiconductor device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
The group III nitride semiconductor device according to the present embodiment is different from the first embodiment in that the light emitting region is provided on the {1-100} plane or the {11-20} plane that is the side surface of the ridge portion. Is the same as in the first embodiment.
As shown in FIG. 4,
ここで、リッジ部240は、(0001)面を有する頂面と、側面と、頂面と、側面とを結ぶ斜面とにより形成され、側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)側面が{1−100}面、斜面が{1−101}面または(b)側面が{11−20}面、斜面が{11−22}面のいずれかである。
Here, the
リッジ部240の側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(a)の組み合わせである場合、リッジ部240は、<11−20>方向にストライプ状に形成する。
また、リッジ部240の側面と斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、(b)の組み合わせである場合、リッジ部240を<1−100>方向にストライプ状に形成する。
When the combination of the surface orientations of the side surface and the slope of the
Further, when the combination of the surface orientations of the side surface and the slope of the
また、リッジ部240において、側面の<0001>方向への幅wが、5μm≦w≦30μmであることが好ましい。幅wを5μm以上とすることにより、原子レベルで平坦な、結晶性の良好な{1−101}面または{11−22}面である斜面を得ることができる。また、幅wは、生産性の観点から30μm以下とすることが好ましい。
In the
さらに、p型ガイド層210の上に、電流狭窄層212、p型クラッド層214、p型コンタクト層216が積層している。この積層構造の上部に、絶縁層217を介して、p型電極218および基板201の裏面にn型電極219が設けられている。ここで、電流狭窄層212は、低温堆積により非結晶層を形成した後、エッチングによりリッジ部側面の非結晶層に開口部220を設け、その後、p型クラッド層214よりも上部の層を形成する過程の高温熱処理で、非結晶層を結晶層に変換し形成される。
Further, a
このように、リッジ部240の上に発光層となる多重量子井戸層208が形成されており、発光層を覆うように電流狭窄層212が形成され、開口部220に対応する領域の多重量子井戸層208が発光領域となる。
As described above, the multiple
ここで、図7に示すように、リッジ部240の側面には、リッジ部240の延在方向に垂直に伸びる複数のストライプ状の周期的な溝部を平行に形成することができる。周期的な溝部は、III族窒化物半導体層の成長条件を制御して形成される。こうすることにより、溝部270が形成されたリッジ部240上に活性層の成長を行う際、多重量子井戸層207が細線状に分割された活性層209を形成することができる。図7では、斜面に形成された活性層209のみ図示している。個々の細線同士は周期溝によって分離されているために欠陥の増殖が抑制され、良好な結晶性を示す発光層を得ることができる。この細線状の活性層209は、原料の拡散により、溝部270の底部において原料濃度が高くなるため、溝部270の個々の周期溝に選択的に形成することができる。
Here, as shown in FIG. 7, a plurality of striped periodic grooves extending perpendicularly to the extending direction of the
次に、p型ガイド層210形成までは、第一の実施形態で図2を用いて説明した工程と同様であるため説明を省略する。
p型ガイド層210を形成後、リッジ部140の側面上の非結晶AlN層に、ストライプ状の開口部220を形成する。非結晶AlN層上にSiO2を100nm堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅1.5μmのストライプパターンを{1−100}面または{11−20}面である側面に形成する。
Next, the processes up to the formation of the p-type guide layer 210 are the same as those described in the first embodiment with reference to FIG.
After forming the p-type guide layer 210, a stripe-shaped
次に、例えば、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてSiO2をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行う。
次に、SiO2をマスクとして非結晶AlN層のエッチングを行う。これにより、{1−100}面または{11−20}面である側面上にストライプ状の開口部220を得る。その後、さらにマスクとして用いたSiO2をバッファードフッ酸で除去し、{1−100}面または{11−20}面である側面の非結晶AlN層に1.5μm幅のストライプ状の逆メサ状(不図示)の開口部220を有する構造を得る(図5(a))。
Next, for example, after etching SiO 2 using buffered hydrofluoric acid as a mask, the resist is removed with an organic solvent and washed with water.
Next, the amorphous AlN layer is etched using SiO 2 as a mask. Thereby, the stripe-shaped
以上により得られた{1−100}面または{11−20}面である側面上にストライプ状の開口部220を有する構造に対し、p型クラッド層214の埋め込み再成長を行い、さらにp型コンタクト層216を積層する。p型クラッド層214及びp型コンタクト層216は、例えばMOVPE法により形成する。このクラッド層の再成長過程における高温熱処理の影響により、非結晶AlN層が熱結晶化され電流狭窄層212を得る。以上の処理により得られたLDウエハに対し、開口部220に対応する領域を開口した絶縁層217を形成し、絶縁層217の上にp型電極218を例えば真空蒸着法により形成する。また、GaN基板201の裏面には、n型電極219を例えば真空蒸着法により形成する。
本実施形態においても、第一の実施形態と同様の作用効果が得られる。
The p-
Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
たとえば、以上の実施形態においては、リッジ部140の斜面または側面に発光領域を形成したが、斜面及び側面の両方に形成してもよい。また、斜面または側面に複数の発光領域を形成してもよい。
For example, in the above embodiment, the light emitting region is formed on the slope or side surface of the
第一の実施形態と同様のIII族窒化物半導体素子を作製した。まず、GaN基板101として、n型キャリア濃度が1x1018cm−3程度のn型GaN(0001)基板を用いた。GaN基板101の表面の凸部150の形成には、ドライエッチング装置を用い、エッチングガスには塩素(Cl2)を用いた。また、この基板上への素子構造の作製には、400hPaの減圧MOVPE装置を用いた。キャリアガスには水素と窒素の混合ガスを用い、Ga、Al、Inソースとしてそれぞれトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルアルミニウム(TMA)、トリメチルインジウム(TMIn)、n型ドーパントにシラン(SiH4)、p型ドーパントにビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を用いた。
A group III nitride semiconductor device similar to that of the first embodiment was produced. First, as the
初めに、n型のGaN基板101上に高さ7μmのリッジストライプ(凸部150)を形成する。以下この工程を「リッジストライプ形成工程」と呼ぶ。GaN基板101上にCVDによりSiO2膜を形成した後、リソグラフィー工程により幅2μm程度のSiO2ストライプをGaN基板101面内の<11−20>方向に形成した(図2(a))。
次に、これをマスクとしてドライエッチング装置によって高さ7μm、幅2μmの<11−20>方向の凸部150を形成した(図2(b))。
First, a ridge stripe (projection 150) having a height of 7 μm is formed on an n-
Next, using this as a mask, a
次に、GaN基板101上にn型GaN層102、n型クラッド層104、n型光閉じ込め層106、多重量子井戸層108、p型ガイド層110、電流狭窄のための非結晶AlN成長を行う。以下この工程を「活性層成長工程」という。
Next, an n-
凸部150を形成したGaN基板101を成長装置に投入後、NH3を供給しながら基板を昇温し、成長温度まで達した時点で成長を開始した。Siドープn型GaN層102(Si濃度4×1017cm−3、厚さ1μm)、Siドープn型Al0.07Ga0.93N(Si濃度4×1017cm−3、厚さ2μm)からなるn型クラッド層104、Siドープn型GaN(Si濃度4×1017cm−3、厚さ0.1μm)からなるn型光閉じ込め層106を形成した。これにより、(0001)面を有する頂面と、{1−100}面の側面と、頂面と、側面とを結ぶ{1−101}面の斜面とにより形成されたリッジ部140を得た。
After the
さらに、リッジ部140の上に、In0.2Ga0.8N(厚さ3nm)井戸層とアンドープIn0.02Ga0.08N(厚さ10nm)バリア層からなる2周期多重量子井戸層108、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nからなるキャップ層(不図示)、Mgドープp型GaN(Mg濃度2×1019cm−3、厚さ0.1μm)からなるp型ガイド層110を順次堆積する(図2(c))。
Further, a two-period multiple quantum well comprising an In 0.2 Ga 0.8 N (thickness 3 nm) well layer and an undoped In 0.02 Ga 0.08 N (thickness 10 nm) barrier layer on the
ここで、GaN成長は基板温度1080℃、TMG供給量58μmol/min、NH3供給量0.36mol/min、AlGaN成長は、基板温度1080℃、TMA供給量49μmol/min、TMG供給量58μmol/min、NH3供給量0.36mol/minとした。InGaN成長(MQW成長)は、基板温度800℃、TMG供給量8μmol/min、NH3供給量0.36mol/minとし、TMI供給量は、井戸層で48μmol/min、バリア層で3μmol/minとした。 Here, the substrate temperature is 1080 ° C., the TMG supply amount is 58 μmol / min, the NH 3 supply amount is 0.36 mol / min, and the AlGaN growth is the substrate temperature 1080 ° C., the TMA supply amount is 49 μmol / min, and the TMG supply amount is 58 μmol / min. The NH 3 supply rate was 0.36 mol / min. InGaN growth (MQW growth) was performed at a substrate temperature of 800 ° C., a TMG supply rate of 8 μmol / min, and an NH 3 supply rate of 0.36 mol / min. The TMI supply rate was 48 μmol / min for the well layer and 3 μmol / min for the barrier layer. did.
これらの構造を堆積後、基板温度を400℃程度まで降温し、非結晶AlN層(後に結晶化して電流狭窄層112となる)の堆積を行った。非結晶AlN層堆積時のTMAおよびNH3供給量は、それぞれ36μmol/min、0.36mol/minとし、堆積膜厚は0.1μmとした。ここで、上記各層の不純物濃度、厚さは全て斜面上での値である。 After depositing these structures, the substrate temperature was lowered to about 400 ° C., and an amorphous AlN layer (which was later crystallized to become the current confinement layer 112) was deposited. The supply amounts of TMA and NH 3 during deposition of the amorphous AlN layer were 36 μmol / min and 0.36 mol / min, respectively, and the deposited film thickness was 0.1 μm. Here, the impurity concentration and thickness of each of the layers are all values on the slope.
次に、斜面上の非結晶AlN層にストライプ状の開口部120を形成する。以下この工程を「ストライプ形成工程」という。非結晶AlN層上にSiO2を100nm堆積し、レジストを塗布した後、フォトリソグラフィーにより幅1.5μmのストライプパターンを{1−101}面である斜面に形成した。
次に、バッファードフッ酸によりレジストをマスクとしてSiO2をエッチング後、レジストを有機溶媒により除去し、水洗を行った。ここで、非結晶AlN層は、バッファードフッ酸、有機溶媒、水洗の各工程でエッチングまたは損傷を受けることはない。
Next, a stripe-shaped
Next, SiO 2 was etched using buffered hydrofluoric acid as a mask, after which the resist was removed with an organic solvent and washed with water. Here, the amorphous AlN layer is not etched or damaged in each step of buffered hydrofluoric acid, organic solvent, and water washing.
次に、SiO2をマスクとして非結晶AlN層のエッチングを行った。エッチング液には、リン酸と硫酸を体積比1:1の割合で混合した溶液を用いることができる。SiO2マスクでカバーされていない領域の非結晶AlN層は、90℃に保持した溶液中8.5分間のエッチングにより除去され、{1−101}面である斜面上にストライプ状の開口部120を得た。その後、さらにマスクとして用いたSiO2をバッファードフッ酸で除去し、{1−101}面である斜面の非結晶AlN層に1.5μm幅のストライプ状の逆メサ状(不図示)の開口部120を有する構造を得た(図3(a))。
Next, the amorphous AlN layer was etched using SiO 2 as a mask. As the etching solution, a solution in which phosphoric acid and sulfuric acid are mixed at a volume ratio of 1: 1 can be used. The amorphous AlN layer in the region not covered with the SiO 2 mask is removed by etching for 8.5 minutes in a solution maintained at 90 ° C., and the stripe-shaped
以上により得られた{1−101}面である斜面上にストライプ状の開口部を有する構造に対し、p型AlGaNクラッド層の埋め込み再成長を行う。以下この工程を「p型クラッド層再成長工程」という。MOVPE装置に投入後、NH3供給量0.36mol/minにて、成長温度である1100℃まで昇温した。1100℃に達した後、Mgドープp型Al0.07Ga0.93N(Mg濃度1×1019cm−3、厚さ0.5μm)からなるp型クラッド層114を堆積し、基板温度を1080℃に下げてからMgドープp型GaN(Mg濃度1×1020cm−3、厚さ0.02μm)からなるp型コンタクト層116を堆積した。このクラッド層の再成長過程における高温熱処理の影響により、非結晶AlN層が熱結晶化され電流狭窄層112を得る。AlGaN、GaNの堆積条件はドーパントの違いを除き、上述の活性層成長工程と同様とした。以上の処理により得られたLDウエハに対し、p型電極118およびn型電極119を真空蒸着法により形成した。
電極形成後は、LDウエハをストライプに垂直な方向に劈開し、素子長は、500μmとした。こうして得られたアンコートLDチップを、ヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、波長450nm、電流密度3.0kA/cm2、電圧4.5Vでレーザ発振した。また500mW出力時の平均寿命は10,000時間以上であった。
The p-type AlGaN cladding layer is regrowth regrowth with respect to the structure having the stripe-shaped opening on the slope that is the {1-101} plane obtained as described above. Hereinafter, this process is referred to as a “p-type cladding layer regrowth process”. After charging the MOVPE apparatus, the temperature was raised to 1100 ° C., which is the growth temperature, at a NH 3 supply rate of 0.36 mol / min. After reaching 1100 ° C., a p-
After electrode formation, the LD wafer was cleaved in the direction perpendicular to the stripe, and the element length was 500 μm. The uncoated LD chip thus obtained was fused to a heat sink and examined for light emission characteristics. As a result, laser oscillation occurred at a wavelength of 450 nm, a current density of 3.0 kA / cm 2 , and a voltage of 4.5 V. The average life at 500 mW output was 10,000 hours or more.
一方、GaN基板101上に形成した凸部150の高さが3μm程度で、リッジ部140の{1−100}面または{11−20}面の<0001>方向への幅wが2μmの場合には、(0001)面からの角度が連続的に変化し、かつストライプ軸方向に大きなうねりを有する斜面が出現し、平坦性の良い{1−101}面は得られなかった。また、LDチップを作製して電流を注入してもLD発振させることはできなかった。
On the other hand, when the height of the
11 基板
12 選択マスク
13 開口部
14 SiドープGaN層
15 In0.05Ga0.95Nガイド層
16 In0.2Ga0.8N活性層
17 In0.05Ga0.95Nガイド層
18 MgドープGaN層
19 p側電極層
20 開口部
21 絶縁膜
22 n側電極層
101 GaN基板
102 n型GaN層
104 n型クラッド層
106 n型光閉じ込め層
108 多重量子井戸層
109 細線状活性層
110 p型GaNガイド層
112 電流狭窄層
114 p型クラッド層
116 p型コンタクト層
117 絶縁層
118 p型電極
119 n型電極
120 開口部
140 リッジ部
150 凸部
160 SiO2ストライプ
170 溝部
201 GaN基板
202 n型GaN層
204 n型クラッド層
206 n型光閉じ込め層
208 多重量子井戸層
209 細線状活性層
210 p型ガイド層
212 電流狭窄層
214 p型クラッド層
216 p型コンタクト層
217 絶縁層
218 p型電極
219 n型電極
220 開口部
240 リッジ部
250 凸部
270 溝部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
Claims (12)
レーザー構造をなす多層膜が積層されたIII族窒化物半導体素子であって、
前記リッジ部は、(0001)面を有する頂面と、側面と、前記頂面と、前記側面とを結ぶ斜面とにより形成され、
前記側面と前記斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、以下の(a)または(b)のいずれかであり、
(a)前記側面が{1−100}面、前記斜面が{1−101}面
(b)前記側面が{11−20}面、前記斜面が{11−22}面
前記リッジ部の前記斜面及び前記側面の少なくともいずれか一方に発光領域が形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体素子。 Constructed from a substrate and a group III nitride semiconductor layer, on a structure provided with a ridge portion,
A group III nitride semiconductor device in which a multilayer film having a laser structure is laminated,
The ridge portion is formed by a top surface having a (0001) surface, a side surface, and a slope connecting the top surface and the side surface,
The combination of the respective plane orientations of the side surface and the slope is either of the following (a) or (b):
(A) The side is a {1-100} plane, the slope is a {1-101} plane (b) The side is a {11-20} plane, and the slope is a {11-22} plane The slope of the ridge portion And a Group III nitride semiconductor device, wherein a light emitting region is formed on at least one of the side surfaces.
前記基板上にIII族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、(0001)面を有する頂面と、側面と、前記頂面と、前記側面とを結ぶ斜面とにより形成され、
前記側面と前記斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、以下の(a)または(b)のいずれかであるリッジ部を有する構造体を形成する工程と、
(a)前記側面が{1−100}面、前記斜面が{1−101}面
(b)前記側面が{11−20}面、前記斜面が{11−22}面
前記構造体の上に、レーザー構造をなす多層膜を積層する工程と、
前記リッジ部の前記斜面及び前記側面の少なくともいずれか一方に発光領域を形成する工程と、
を含むIII族窒化物半導体素子の製造方法。 A step of selectively etching the substrate to form a convex portion including a top surface having a (0001) plane and a side surface;
By epitaxially growing a group III nitride semiconductor layer on the substrate, a top surface having a (0001) plane, a side surface, and a slope connecting the top surface and the side surface are formed.
Forming a structure having a ridge portion in which the combination of the plane orientations of the side surface and the slope is any of the following (a) or (b):
(A) The side is a {1-100} plane, the slope is a {1-101} plane (b) The side is a {11-20} plane, and the slope is a {11-22} plane Above the structure A step of laminating a multilayer film having a laser structure;
Forming a light emitting region on at least one of the slope and the side surface of the ridge portion;
A method for manufacturing a group III nitride semiconductor device comprising:
前記リッジ部の上に発光層を形成し、前記発光層を覆うように電流狭窄層を形成し、
発光領域を形成する前記工程において、前記リッジ部の前記斜面及び前記側面の少なくともいずれか一方の前記電流狭窄層に開口部を設ける請求項7に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。 In the step of laminating the multilayer film,
Forming a light emitting layer on the ridge, and forming a current confinement layer so as to cover the light emitting layer;
8. The method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to claim 7, wherein in the step of forming the light emitting region, an opening is provided in the current confinement layer on at least one of the inclined surface and the side surface of the ridge portion.
前記リッジ部における前記側面の<0001>方向への幅wが、5μm≦w≦30μmである請求項8に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。 In the step of forming the structure having the ridge portion,
The method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to claim 8, wherein a width w of the side surface in the ridge portion in the <0001> direction is 5 μm ≦ w ≦ 30 μm.
前記リッジ部の前記斜面または前記側面に、前記リッジ部の延在方向に垂直に伸びる複数のストライプ状の周期的な溝部を平行に設け、
多層膜を積層する前記工程において、
前記リッジ部の前記溝部に細線状の前記発光層を形成することを特徴とする請求項9に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。 In the step of forming the structure having the ridge portion,
A plurality of striped periodic grooves extending in a direction perpendicular to the extending direction of the ridge portion are provided in parallel on the slope or the side surface of the ridge portion,
In the step of laminating the multilayer film,
The method for manufacturing a group III nitride semiconductor device according to claim 9, wherein the light emitting layer having a thin line shape is formed in the groove portion of the ridge portion.
前記リッジ部の前記側面と前記斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、前記(a)の組み合わせであって、前記リッジ部を<11−20>方向にストライプ状に形成する請求項10に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。 In the step of forming the structure having the ridge portion,
The combination of the surface orientations of the side surface and the slope of the ridge portion is the combination of (a), and the ridge portion is formed in a stripe shape in the <11-20> direction. A method for producing a group III nitride semiconductor device of
前記リッジ部の前記側面と前記斜面とのそれぞれの面方位の組み合わせが、前記(b)の組み合わせであって、前記リッジ部を<1−100>方向にストライプ状に形成する請求項10に記載のIII族窒化物半導体素子の製造方法。 In the step of forming the structure having the ridge portion,
The combination of the surface orientations of the side surface and the inclined surface of the ridge portion is the combination of (b), and the ridge portion is formed in a stripe shape in the <1-100> direction. A method for producing a group III nitride semiconductor device of
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