JP2009141085A - 窒化物半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】格子欠陥が集中する領域を極力小さくし、どのようなデバイスにも適用できるようにした窒化物半導体素子を提供する。
【解決手段】成長用基板１上に選択成長用マスク１１及びＡｌＮバッファ層２が形成され、さらにノンドープＧａＮ層３、ｎ型ＧａＮ層４、ＭＱＷ活性層５、ｐ型ＧａＮ層６が順に積層されている。成長用基板１上に形成される選択成長用マスク１１は、円形状又は多角形状の形状を有しており、選択成長用マスク１１の周囲が成長用基板１で囲まれた島状に複数形成されている。このようにすることで、格子欠陥が集中する領域を極力小さくすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、選択成長用マスクを備えた窒化物半導体素子に関する。

窒化ガリウム系化合物半導体、いわゆるIII−V族窒化物半導体（以下、窒化物半導体という）と呼ばれる半導体素子の開発が盛んである。窒化物半導体は、照明、バックライト等用の光源として使われる青色ＬＥＤ、多色化で使用されるＬＥＤ、ＬＤ等に用いられている。窒化物半導体は、バルク単結晶の製造が困難なために、サファイア、ＳｉＣ等の異種基板の上にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）を利用してＧａＮを成長させることが行われている。サファイア基板は、エピタキシャル成長工程の高温アンモニア雰囲気中の安定性にすぐれているので、成長用基板として特に用いられる。

ＭＯＣＶＤ法によって窒化物半導体を製造する場合には、例えば、成長用基板としてサファイア基板を設置した反応室内に、反応ガスとして有機金属化合物ガスを供給し、結晶成長温度をおよそ９００℃〜１１００℃の高温で保持して、サファイア基板上にＧａＮ半導体結晶のエピタキシャル層を成長させる。

しかし、サファイア基板等の成長用基板とＧａＮとでは、格子定数が異なるため、成長用基板上に成長させたＧａＮ系半導体層においては、基板から上下方向に伸びる転位（格子欠陥）が存在している。この転位は、成長用基板上のＧａＮにのみ発生するのではなく、ＧａＮ上に形成される窒化物半導体層に伝播していき、積層欠陥を発生させてしまう。これらの格子欠陥は、ｐ−ｎ接合リーク、キャリア寿命の短縮、半導体層間に発生する応力によるクラックの発生等、デバイスに悪影響を及ぼす。

そこで、上記のような転位を低減する方法として、例えば、特許文献１に示されるように、選択横方向成長（ＥＬＯ：Epitaxial Lateral Overgrowth）が良く知られている。ＥＬＯは、図１１（ａ）に示すように、成長用基板３１上にストライプ状の選択成長用マスク３２ａを形成し、ＧａＮ系半導体層を開口部に結晶成長させるものである。図１１は、半導体層の積層方向の上面から見た図を示し、図１１（ａ）は、多数形成されている選択成長用マスクのうち、便宜的に２つの選択成長用マスクのみを表わしている。

図１１（ａ）の状態で、選択成長用マスク３２ａ上には結晶成長が行われないため、図の矢印で示すように、開口部から選択成長用マスク３２ａ上を横方向に成長する作用が発生し、基板中の貫通転位の上方伝播は阻止されるので、成長用基板３１上に結晶成長させたＧａＮ系半導体層の積層方向の結晶性を高めることができる。

上記ＥＬＯを用い転位密度を十分に低下させたＧａＮを形成し、横方向成長を利用して、広い面積の成長結晶層を得るようにし、この半導体層上にＧａＮ系半導体層を積層して、デバイスを構成することが行われている。しかし、図１２（ａ）に示すように、成長用基板３１上のＧａＮ層３３は、連続して１つの半導体層となるが、開口部から横方向に成長してきた結晶同士が合わさる面に格子欠陥が集中してしまう。この格子欠陥が集中する面は、ストライプ状の選択成長用マスク３２ａを用いているため、ストライプ状に分布することになる。

これは、へき開やスクライブにより、１枚のウエハから複数のデバイスに分離する場合、ＬＤ（レーザダイオード）のようなストライプ構造のデバイスには適しているが、ＬＥＤのような円形状や四角形状のデバイスでは、分離するときに欠陥が集中する領域が含まれる確率が高くなり、デバイスに悪影響を及ぼす。
特開２０００−６８５９９号公報

一方、格子欠陥の集中を分散させるために、三角形や六角形の開口パターンを有する選択成長用マスクを用いることが提案されている。図１１（ｂ）は、六角形の開口パターンを有する選択成長用マスクを用いる例で、便宜的に２つの開口部のみを示している。成長用基板３１上に開口部３０を有する選択成長用マスク３２ｂを形成し、開口部３０から結晶成長が開始される。開口部３０の形状は六角形であるので、ＥＬＯを行った場合、横方向の成長は図の矢印で示すように、六角形の各辺にほぼ直角方向に成長していくので、２つの開口部３０の間に位置し、相対する六角形の辺の中央部分に位置する境界面３３ｂに向かって、右方向からの結晶成長と左方向からの結晶成長とが行われ、広い面積のＧａＮ層３３が得られる。

この場合、図１１（ａ）と異なり、境界面３３ｂは分散されるので、格子欠陥が集中する面は長い直線状のものとならず、格子欠陥集中面の面積は小さく分散され、ほぼ同形状になる。したがって、ＬＥＤや電子デバイスのようなデバイスに分離する場合には、図１１（ａ）の場合よりは好ましい状態にはなるものの、図１２（ｂ）に示されるように、ＧａＮ層３３の境界面３３ｂに格子欠陥が集中することは変わらず、境界面３３ｂの面積はある程度の大きさを有しており、また、成長条件等により、連続したＧａＮ層とならない場合が多い。したがって、一枚のウエハから多数のデバイスに分離したときに、格子欠陥が集中する境界面３３等を避けることは困難であることが多く、格子欠陥集中面が含まれる確率は高い。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、格子欠陥が集中する領域を極力小さくし、どのようなデバイスにも適用できるようにした窒化物半導体素子を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、成長用基板上に円形状又は多角形状の選択成長用マスクを、該選択成長用マスクの周囲が前記成長用基板で囲まれた島状に複数形成し、ＧａＮ系半導体結晶が前記選択成長用マスクを覆うように形成したことを特徴とする窒化物半導体素子である。

また、請求項２記載の発明は、前記選択成長用マスクの形状は三角形又は六角形であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子である。

また、請求項３記載の発明は、前記三角形又は六角形の一辺は、成長用基板のＡ面と平行に形成されていることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体素子である。

また、請求項４記載の発明は、前記成長用基板とＧａＮ系半導体結晶との間には、前記選択成長用マスクの直上を除き、ＡｌＮバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子である。

また、請求項５記載の発明は、前記ＡｌＮバッファ層は、９００℃以上の温度で形成されることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体素子である。

本発明によれば、成長用基板上に円形状又は多角形状の選択成長用マスクを、該選択成長用マスクの周囲が前記成長用基板で囲まれた島状に複数形成し、ＧａＮ系半導体結晶が前記選択成長用マスクを覆うように形成しているので、選択成長によって成長したＧａＮ系半導体結晶が、選択成長用マスクの中央部に向かって横方向成長する。すると、選択成長用マスクの中央部に転位又は格子欠陥が集まり、転位密度が高い領域をかなり小さくすることができるので、１枚のウエハから多数のデバイスに分離する場合でも、転位密度の高い領域を含まないように分離することが容易になる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の１枚のウエハからなる窒化物半導体素子の断面構造の一例を示す。

窒化物半導体素子を構成する窒化物半導体は、既知のＭＯＣＶＤ法等によって形成する。ここで、窒化物半導体は、ＡｌＧａＩｎＮ４元混晶を表し、いわゆるIII−V族窒化物半導体と呼ばれるもので、Ａｌ_ｘＧａ_ｙＩｎ_ｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表すことができる。また、ＧａＮ系半導体とは、ＧａＮのみからなる半導体、又は構成材料にＧａＮを含む半導体であり、上記ＡｌＧａＩｎＮ４元混晶において、０＜ｙ≦１で表わされる。

成長用基板１上に選択成長用マスク１１とＡｌＮバッファ層２を積層し、それらの上にＧａＮ系半導体結晶を結晶成長させるものである。成長用基板１上にＡｌＮバッファ層２、ノンドープＧａＮ層３、Ｓｉドープのｎ型ＧａＮ層４、ＭＱＷ活性層５、Ｍｇドープのｐ型ＧａＮ層６が順に積層されており、これらの各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法によって形成される。また、ＭＱＷ活性層は、ＧａＮからなる障壁層と、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１）からなる井戸層との多重量子井戸構造で構成される。ここで、ＧａＮ系半導体結晶には、ノンドープＧａＮ層３〜ｐ型ＧａＮ層６までの各半導体層が各々相当する。また、成長用基板１としてはサファイア基板等が用いられるが、その他にも六方晶構造（ウルツ鉱構造）を持つ基板であれば良い。

図２は、図１における成長用基板１と選択成長用マスク１１との関係を詳しく示したものである。本発明で特徴的なのは、成長用基板１上に形成される選択成長用マスク１１は、従来のように開口部を有するのではなく、閉じた形状であり、成長用基板１よりも面積の小さな選択成長用マスク１１が、成長用基板１上に点在し、選択成長用マスク１１の周囲が成長用基板１の露出した面で囲まれた島状に形成されていることである。また、選択成長用マスク１１は、円形状や多角形状に形成される。図２は六角形状の選択成長用マスクの例を示している。また、選択成長用マスク１１には、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２等の絶縁膜が用いられる。

ＥＬＯを行った場合、選択成長用マスク１１の周囲が、成長用基板１の露出した面で囲まれていることにより、成長用基板１の露出した面から結晶成長が起こり、横方向へ成長が進むので、例えば、図４（ａ）のように成長が行われる。図４（ａ）は、図１の六角形状の選択成長用マスク１１のうちの１つのマスクのみを代表的に取り出して、選択成長によって発生する作用を模式的に示したものである。

図４（ａ）に基づき説明すると、成長用基板１の露出した面から結晶成長が起こり、横方向に成長が進む。横方向の成長は、六角形の各辺に対しておよそ直角方向に発生するので、横方向成長の方向は２０ａのようになる。２０ａの横方向成長は、六角形の各辺すべてに対して発生するために図のようになる。すると、格子欠陥は横方向成長の方向２０ａに進んでいくので、最終的には、六角形のほぼ中心部に集約され、点線の部分で示すように、転位や欠陥が集束した領域（以下、転位束という）が形成される。このようにして、図２では、点在する選択成長用マスク１１のすべてに対して六角形の中心部に転位が転位束として集約されるので、極めて狭い領域に格子欠陥を集中させることができ、転位密度が高い領域を狭い領域に閉じ込めることができる。

図３は、選択成長用マスク１１の形状を三角形状にした場合の配置例を示す。成長用基板１上に選択成長用マスク１１が複数形成されており、三角形状の選択成長用マスク１１で囲まれた領域も三角形状になるように形成配置され、かつ、各選択成長用マスク１１は接触しないように形成されている。すなわち、各選択成長用マスク１１の周囲は、必ず、成長用基板１の露出した面で囲まれる島状に形成される。

図４（ｂ）に、三角形状の選択成長用マスク１１のうちの１つのマスクのみを取り出して、選択成長によって発生する作用を模式的に示す。選択成長用マスクの周囲は、成長用基板１の露出した面で囲まれているため、その領域から結晶成長が起こり、横方向に成長が進む。横方向の成長は、三角形の各辺に対しておよそ直角方向に発生するので、横方向成長の方向は２０ｂのようになる。２０ｂの横方向成長は、三角形の各辺すべてに対して発生するために図のようになる。したがって、図４（ａ）と同様、三角形の選択成長用マスク１１の中心に転位が集束し、転位束が形成される。

ところで、図２では六角形状の選択成長用マスクのみを、図３では三角形状の選択成長用マスクのみを形成しているが、これら２種類の形状を混合したマスクパターンを形成するようにしても良い。また、図４で説明した作用に基づけば、選択成長用マスク１１の形状は、図２、３に示す六角形状や三角形状だけでなく、円形状又は多角形状であれば良いことがわかる。円形状又は多角形状であれば、選択成長用マスクの中心領域に転位を集束させることができる。この場合でも、一種類の形状の選択成長用マスクパターンとするのではなく、円形と三角形、三角形と四角形と六角形といったように、複数種類の形状を混合した合成マスクパターンとしても良い。

次に、選択成長用マスク１１の形状としては、三角形状と六角形状が特に良いことを説明する。１枚のウエハを分割して多数のデバイスにするには、選択成長により成長用基板１上に形成される半導体層は繋がっていなければならないが、成長条件によっては図１２（ｂ）に示すように、隙間が開いてしまうことがある。確実に半導体層を連続した結晶構造とするために、縦方向の成長レートよりも横方向の成長レートが大きくなるように設定しておきたい。

ＧａＮ系半導体は、（０００１）方位のウルツ鉱型（六方晶）の結晶構造（図８の結晶構造）を持ち、Ｇａのカチオン元素が成長表面方向になる結晶極性（ｃ軸方向に成長）を有している。したがって、成長用基板としてのサファイア基板のＣ面（０００１）に積層されたＧａＮ系半導体層は、すべてＣ面が成長表面方向となる。その場合、図２の六角形状の選択成長用マスクであれば、六角形の一辺Ｌ１をＡ面と平行になるように、図３の三角形状の選択成長用マスクであれば、三角形の一辺Ｌ２をＡ面と平行になるように配置すれば、選択成長によって成長する結晶は、ほとんど横方向にのみ成長を行うので、全体が一つに繋がり、連続した半導体層になる。

ここで、図８に示されるように、Ａ面とは六角柱の上面又は底面の六角形の頂点を１つ置きに結んだ線に沿って垂直方向に切り出した面になるので、３つのＡ１方向と３つのＡ２方向が存在する。したがって、上記の六角形の一辺Ｌ１をＡ面と平行になるように、三角形の一辺Ｌ２をＡ面と平行になるように配置するとは、例えば、図２のＬ１方向と図８のＡ１方向又はＡ２方向とを平行にすれば良い。または、図３のＬ２方向と図８のＡ１方向又はＡ２方向とを平行にすれば良い。

上記のように配置すると、選択成長用マスクが三角形状の場合、図８のＡ１方向又はＡ２方向からわかるように、選択成長用マスクの各辺がすべてＡ面に平行となる。一方、選択成長用マスクが六角形状の場合、ＧａＮ系半導体結晶やサファイア基板の結晶構造は、図８に示されるように、六角柱形状なので、Ｃ面成長とすると、やはり、六角形状の選択成長用マスクの各辺がすべてＡ面に平行となる。なお、選択成長用マスクの形状は、転位束の形成や各辺をＡ面に平行にするためには、正六角形又は正三角形とすることがさらに望ましい。

以上のように構成することで、転位や欠陥を狭い領域に集束させることができるとともに、確実に連続した１枚のウエハを形成することができるので、１枚のウエハから転位や欠陥が高密度に分布している領域を避けて、ＬＥＤデバイスや電子デバイス、さらにはＬＤデバイス等の各デバイスについて、多数のデバイスを分離作製できる。

次に、図１の窒素物半導体素子の製造方法を説明する。まず、成長用基板１としてサファイア基板１をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）装置に入れ、水素ガスを流しながら、１０５０℃程度まで温度を上げ、サファイア基板１をサーマルクリーニングする。次に、選択成長用マスク１１を形成する。選択成長用マスク１１はＳｉＯ_２等の絶縁膜で形成され、スパッタにより絶縁膜をサファイア基板１に形成した後、フォトリソグラフィにより、所定の形状（六角形や三角形等）にレジストを所定個数形成し、ＣＦ４ガスを４０ｃｃ／分で流し、プラズマ出力３００Ｗ、圧力３パスカルでプラズマを発生させてドライエッチングを行った後、レジストを除去して所定形状の選択成長用マスク１１を図５のように形成する。選択成長用マスク１１の配置位置は前述した通り、図２又は３のように配置し、一辺がＡ面に平行になるようにする。

その後、再びＭＯＣＶＤ装置に入れ、９００℃以上の適切な温度に設定し、高温ＡｌＮバッファ層２を例えば膜厚３０Å程度成長させる。低温ＡｌＮバッファ層ではなく、高温ＡｌＮバッファ層とすると、ＡｌＮバッファ層２の横方向成長は起こらないので、選択成長用マスク１１上へは、ＡｌＮバッファ層２は堆積せずに、図６に示すように選択成長用マスク１１の間を埋めるように形成される。

ＡｌＮバッファ層２の作製については、ＡｌＮバッファ層２上に表面モフォロジーの良いＧａＮ系半導体結晶を形成するために、例えば、ＡｌＮバッファ層２のＡｌ原料として用いるトリメチルガリウム（ＴＭＡ）を先に反応室に供給して連続的に流しておき、その後、Ｎ原料として用いるアンモニア（ＮＨ_３）を間欠的に供給するようにしても良い。このとき、ＮＨ_３／ＴＭＡのモル比はいずれも約２６００とする。

その後、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃にし、ＴＭＡの供給を停止し、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を２０μモル／分供給し、ノンドープＧａＮ層３を積層する。その後、ｎ型ドーパントガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）を供給してｎ型ＧａＮ層４を成長させる。次に、ＴＭＧａ、シランの供給を停止し、アンモニアと水素の混合雰囲気中で基板温度を７００℃〜８００℃の間に下げて、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を２００μモル／分、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を２０μモル／分供給して、ＭＱＷ活性層５のＩｎＧａＮ井戸層を積層し、ＴＭＩｎの供給のみを停止してアンドープＧａＮからなる障壁層を積層する。そして、ＧａＮ障壁層とＩｎＧａＮ井戸層との繰り返しにより多重量子井戸構造とする。

ＭＱＷ活性層５成長後、成長温度を１０２０℃〜１０４０℃に上昇させて、Ｇａ原子の原料ガスであるトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素原子の原料ガスであるアンモニア（ＮＨ_３）、ｐ型不純物Ｍｇのドーパント材料であるＣＰ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエチルマグネシウム）を供給し、ｐ型ＧａＮ層６を成長させる。

各半導体層の製造については、キャリアガスの水素又は窒素とともに、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ_３）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）などの各半導体層の成分に対応する反応ガス、ｎ型にする場合のドーパントガスとしてのシラン（ＳｉＨ_４）、ｐ型にする場合のドーパントガスとしてのＣＰ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）等の必要なガスを供給して、７００℃〜１２００℃程度の範囲で順次成長させることにより、所望の組成で、所望の導電型の半導体層を、必要な厚さに形成することができる。

図９は、図３のように、三角形状の選択成長用マスク１１をサファイア基板上に配置して、上記の製造方法のように、ＡｌＮバッファ層２を形成した後、ノンドープＧａＮ層３を選択成長させた。選択成長用マスク１１にはＳｉＯ_２を用いた。図９（ａ）は、サファイア基板上に選択成長用マスク１１を形成した後に、６μｍ四方の視野で、撮影した光学顕微鏡画像である。白っぽい領域がサファイア基板が露出している部分を表わし、黒っぽい領域が選択成長用マスクの部分を表わす。図９（ｂ）はノンドープＧａＮ層３を選択成長させた後に、２０μｍ四方の視野で撮影した光学顕微鏡画像である。この画像からわかるようにやや濃淡に差ができているものの、ノンドープＧａＮ層３はすべて繋がって連続している。

一方、図１０は、図１１（ｂ）のように、三角形状の開口部を有する選択成長マスクをサファイア基板上に形成し、ＡｌＮバッファ層を形成した後、ノンドープＧａＮ層を選択成長させた従来の方法によるものである。図１０（ａ）は、サファイア基板上に選択成長用マスクを形成した後に、６μｍ四方の視野で、撮影した光学顕微鏡画像である。白っぽい領域がサファイア基板が露出している部分を表わし、黒っぽい領域が選択成長用マスクの部分を表わす。図９（ａ）と比較して濃淡が逆転していることがわかる。図１０（ｂ）はノンドープＧａＮ層を選択成長させた後に、２０μｍ四方の視野で撮影した光学顕微鏡画像である。この画像では非常に黒っぽい部分が現われており、これが隙間を表わす。したがって、従来の手法では連続したＧａＮ系半導体層を形成することが困難であることがわかる。

本発明の方法で作製した窒化物半導体素子から分離して１個のデバイスとした例を図７に示す。図７は、図１のウエハを分割し、ｐ電極７とｎ電極８を形成してＬＥＤとした例の拡大図であるが、図に示すように、選択成長用マスク１１の転位が集中する転位束を避けて、選択成長用マスク１１の一部を切り取るような形状に分離することが容易に行える。

本発明の窒化物半導体素子の断面構造の一例を示す図である。 成長用基板上の選択成長用マスクの形状と配置例を示す図である。 成長用基板上の選択成長用マスクの形状と配置例を示す図である。 図２、３の構成における選択成長時の結晶成長方向を示す模式図である。 本発明の窒化物半導体素子の製造方法の一製造工程を示す図である。 本発明の窒化物半導体素子の製造方法の一製造工程を示す図である。 本発明の窒化物半導体素子から得られたデバイスの構成例を示す図である。 六方晶の結晶構造を示す模式図である。 本発明により形成された選択成長用マスク形成時とＧａＮ系半導体層形成時の光学顕微鏡画像を示す図である。 従来法により形成された選択成長用マスク形成時とＧａＮ系半導体層形成時の光学顕微鏡画像を示す図である。 従来法により選択成長を行う場合の結晶成長方向を示す模式図である。 従来法により選択成長を行った場合の成長結晶の状態を示す模式図である。

符号の説明

１ 成長用基板
２ ＡｌＮバッファ層
３ ノンドープＧａＮ層
４ ｎ型ＧａＮ層
５ 活性層
６ ｐ型ＧａＮ層

Claims (5)

1. 成長用基板上に円形状又は多角形状の選択成長用マスクを、該選択成長用マスクの周囲が前記成長用基板で囲まれた島状に複数形成し、ＧａＮ系半導体結晶が前記選択成長用マスクを覆うように形成したことを特徴とする窒化物半導体素子。
2. 前記選択成長用マスクの形状は三角形又は六角形であることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体素子。
3. 前記三角形又は六角形の一辺は、成長用基板のＡ面と平行に形成されていることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体素子。
4. 前記成長用基板とＧａＮ系半導体結晶との間には、前記選択成長用マスクの直上を除き、ＡｌＮバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の窒化物半導体素子。
5. 前記ＡｌＮバッファ層は、９００℃以上の温度で形成されることを特徴とする請求項４記載の窒化物半導体素子。