JP2010114238A - Method of manufacturing group iii nitride semiconductor, method of manufacturing group iii nitride semiconductor element, and group iii nitride semiconductor and group iii nitride semiconductor element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、III族窒化物半導体の製造方法、III族窒化物半導体素子の製造方法、III族窒化物半導体およびIII族窒化物半導体素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride semiconductor, a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device, a group III nitride semiconductor, and a group III nitride semiconductor device.
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等の優れた性質を有する。このため、III族窒化物半導体は、短波長発光素子等の各種半導体素子への適用が盛んに検討されている。例えば、III族窒化物半導体を用いた紫外から青および緑色の波長領域の発光ダイオード(Light Emitting Diode: LED)は、1990年代半ば頃から性能が急激に向上した。このため、前記LEDは、照明や各種ディスプレイ用途等への適用範囲が格段に広がり、非常に大きな市場を形成している。また、III族窒化物半導体は、例えば、高密度光ディスク用光源やディスプレイに用いる半導体レーザ用の材料としても重要である。なお、半導体レーザは、Semiconductor LaserまたはLaser Diodeとも呼ばれ、「LD」と略称されることもある。 Group III nitride semiconductor materials have excellent properties such as a sufficiently large forbidden band width and direct transition between bands. For this reason, group III nitride semiconductors are actively studied for application to various semiconductor elements such as short wavelength light emitting elements. For example, the performance of light emitting diodes (LEDs) in the ultraviolet to blue and green wavelength regions using Group III nitride semiconductors has improved dramatically since the mid-1990s. For this reason, the application range of the LED to illumination, various display uses, etc. is remarkably widened, forming a very large market. The group III nitride semiconductor is also important as a material for a semiconductor laser used for, for example, a light source for a high-density optical disk and a display. The semiconductor laser is also referred to as a semiconductor laser or laser diode, and may be abbreviated as “LD”.
半導体レーザ等の半導体素子にIII族窒化物半導体を用いる場合、しばしば、III族窒化物半導体を含む層の一部を除去することがある。一例として、特許文献1〜5等に記載のインナーストライプ型レーザが挙げられる。このインナーストライプ型レーザは、レーザビーム形状制御性と横モード制御性に優れた高出力レーザとして用いることができる。前記インナーストライプ型レーザは、例えば、活性層と、p型クラッド層と、電流狭窄層とを含む。前記電流狭窄層は、前記活性層の上に設けられている。前記電流狭窄層の一部はエッチング等により除去されている。前記p型クラッド層は、前記電流狭窄層および前記電流狭窄層除去部分の上に設けられている。前記電流狭窄層除去部分の上では、前記p型クラッド層が前記電流狭窄層除去部分に埋め込まれ、前記p型クラッド層が前記活性層上面に接している。前記電流狭窄層は、例えば、低屈折率でかつ絶縁性に優れたAlN等から形成されている。例えば特許文献1には、2.0μm程度の開口幅(ストライプ幅)を有するAlNがp型クラッド層の下に電流狭窄および横モード制御のために埋め込まれたインナーストライプ型GaN系レーザが記載されている。 When a group III nitride semiconductor is used for a semiconductor element such as a semiconductor laser, a part of the layer containing the group III nitride semiconductor is often removed. As an example, an inner stripe type laser described in Patent Documents 1 to 5 and the like can be given. This inner stripe type laser can be used as a high-power laser excellent in laser beam shape controllability and transverse mode controllability. The inner stripe laser includes, for example, an active layer, a p-type cladding layer, and a current confinement layer. The current confinement layer is provided on the active layer. A part of the current confinement layer is removed by etching or the like. The p-type cladding layer is provided on the current confinement layer and the current confinement layer removal portion. On the current confinement layer removal portion, the p-type cladding layer is embedded in the current confinement layer removal portion, and the p-type cladding layer is in contact with the upper surface of the active layer. The current confinement layer is made of, for example, AlN having a low refractive index and excellent insulating properties. For example, Patent Document 1 describes an inner stripe type GaN-based laser in which AlN having an opening width (stripe width) of about 2.0 μm is embedded under a p-type cladding layer for current confinement and lateral mode control. ing.
III族窒化物半導体層の一部を除去する方法としては、例えば以下のような方法がある(特許文献1〜3)。すなわち、まず、前記活性層の上に、低温(例えば200〜700℃)で、III族窒化物(例えばAlN)の非結晶層を堆積させる。つぎに、エッチング(例えばフォトリソグラフィーとウェットエッチング)によって前記III族窒化物非結晶層の一部を除去し、開口部(ストライプ)を形成する。続いて前記III族窒化物非結晶層を高温(例えば700〜1300℃)で熱処理し、III族窒化物を非結晶から半導体結晶に変換してIII族窒化物半導体結晶層とする。その後、前記III族窒化物半導体結晶層および前記開口部の上に、前記p型クラッド層(例えばp型AlGaNクラッド層)を形成(再成長)する。この方法によれば、III族窒化物半導体層をまず非結晶層として形成してからエッチングし、それから結晶化させるので、結晶層を直接エッチングするよりもエッチング速度が速くて加工しやすい。このため、製造効率(歩留まり)が良く、エッチングの際の制御性にも優れるという利点がある。 As a method for removing a part of the group III nitride semiconductor layer, for example, there are the following methods (Patent Documents 1 to 3). That is, first, an amorphous layer of a group III nitride (eg, AlN) is deposited on the active layer at a low temperature (eg, 200 to 700 ° C.). Next, a part of the group III nitride non-crystalline layer is removed by etching (for example, photolithography and wet etching) to form openings (stripes). Subsequently, the group III nitride non-crystalline layer is heat-treated at a high temperature (eg, 700 to 1300 ° C.) to convert the group III nitride from an amorphous state to a semiconductor crystal to form a group III nitride semiconductor crystal layer. Thereafter, the p-type cladding layer (eg, p-type AlGaN cladding layer) is formed (regrown) on the group III nitride semiconductor crystal layer and the opening. According to this method, since the group III nitride semiconductor layer is first formed as an amorphous layer and then etched and then crystallized, the etching rate is faster and easier to process than direct etching of the crystalline layer. For this reason, there are advantages that manufacturing efficiency (yield) is good and controllability at the time of etching is excellent.
前記特許文献1〜3に示す方法においては、高温での熱処理によりIII族窒化物半導体層を非結晶から結晶に変換する際、マストランスポート(熱により半導体表面の原子が移動して形状が変化する現象)により表面平坦性が悪化する可能性がある。これを防止するために、特許文献1においては、前記熱処理による結晶化に先立ち、前記III族窒化物非結晶層の表面を酸化する工程を採用することで、マストランスポートの抑制を図っている。 In the methods shown in Patent Documents 1 to 3, when a group III nitride semiconductor layer is converted from amorphous to crystalline by heat treatment at a high temperature, mass transport (atom on the semiconductor surface moves due to heat and the shape changes). The surface flatness may deteriorate. In order to prevent this, in Patent Document 1, mass transport is suppressed by adopting a step of oxidizing the surface of the group III nitride amorphous layer prior to crystallization by the heat treatment. .
しかしながら、前記特許文献1〜3の方法では、III族窒化物非結晶層の表面を酸化した際に、酸素濃度が不均一になり、半導体素子の品質低下につながるおそれがある。例えば、AlN非結晶層表面における酸素濃度が不均一であると、前記熱処理による結晶化の際にAlN表面に形成される酸窒化アルミニウム(AlNxO1−x)の組成に斑(むら)が発生する。この上にp型クラッド層等の半導体層を堆積させると、AlNxO1−xの酸素濃度の高い領域と低い領域とで成長速度に差が生じ、ピットや凹凸の原因となるおそれがある。 However, in the methods of Patent Documents 1 to 3, when the surface of the group III nitride non-crystalline layer is oxidized, the oxygen concentration becomes non-uniform, which may lead to deterioration of the quality of the semiconductor element. For example, if the oxygen concentration on the surface of the AlN non-crystalline layer is non-uniform, the composition of aluminum oxynitride (AlN x O 1-x ) formed on the AlN surface during crystallization by the heat treatment is uneven. appear. If a semiconductor layer such as a p-type cladding layer is deposited thereon, the growth rate differs between the high and low oxygen concentration regions of AlN x O 1-x , which may cause pits and irregularities. .
また、半導体レーザ以外の半導体素子でも、III族窒化物非結晶層表面の不純物濃度を改善できれば、半導体素子の品質向上につながると考えられる。しかし、そのためには、半導体素子の製造において前記不純物濃度を制御する必要がある。この不純物濃度の制御工程が煩雑であると、製造効率および製造コストの低下につながる。 Further, even in a semiconductor element other than the semiconductor laser, it is considered that if the impurity concentration on the surface of the group III nitride amorphous layer can be improved, the quality of the semiconductor element is improved. However, for that purpose, it is necessary to control the impurity concentration in the manufacture of a semiconductor device. If the impurity concentration control process is complicated, the manufacturing efficiency and the manufacturing cost are reduced.
本発明は、上述の課題を解決するために、III族窒化物半導体の結晶層を含む半導体素子において品質低下を防止可能であり、かつ製造効率に優れたIII族窒化物半導体の製造方法、III族窒化物半導体素子の製造方法、III族窒化物半導体およびIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention is capable of preventing deterioration in quality in a semiconductor element including a crystal layer of a group III nitride semiconductor, and a method for manufacturing a group III nitride semiconductor having excellent manufacturing efficiency, III It is an object to provide a method for manufacturing a group nitride semiconductor device, a group III nitride semiconductor, and a group III nitride semiconductor device.
前記目的を達成するために、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、
下地層の上面にIII族窒化物の非結晶層を形成する非結晶層形成工程と、
前記非結晶層の上面に保護層を形成する保護層形成工程と、
前記非結晶層の一部をエッチングにより除去するエッチング工程と、
前記保護層が形成された状態で前記非結晶層を熱処理して結晶化することによりIII族窒化物半導体の結晶層に変換する半導体結晶層形成工程と、を含むことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention comprises:
An amorphous layer forming step of forming a group III nitride amorphous layer on the upper surface of the underlayer;
A protective layer forming step of forming a protective layer on the upper surface of the amorphous layer;
An etching step of removing a part of the amorphous layer by etching;
A semiconductor crystal layer forming step of converting the amorphous layer into a crystal layer of a group III nitride semiconductor by crystallizing the amorphous layer by heat treatment in a state in which the protective layer is formed.
また、本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法は、III族窒化物半導体を含む半導体素子の製造方法であり、前記本発明のIII族窒化物半導体の製造方法により前記III族窒化物半導体を製造することを特徴とする。 The method for producing a group III nitride semiconductor device of the present invention is a method for producing a semiconductor device including a group III nitride semiconductor, and the group III nitride semiconductor is produced by the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention. It is characterized by manufacturing.
さらに、本発明のIII族窒化物半導体は、III族窒化物半導体の結晶層を含み、前記結晶層は一部が除去されており、前記結晶層が不純物を含み、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が内部の不純物濃度の平均値以下であり、前記本発明のIII族窒化物半導体の製造方法により製造されることを特徴とする。 Further, the group III nitride semiconductor of the present invention includes a crystal layer of a group III nitride semiconductor, the crystal layer is partially removed, the crystal layer includes an impurity, and an impurity on an upper surface portion of the crystal layer The average value of the concentration is equal to or less than the average value of the internal impurity concentration, and is manufactured by the method for manufacturing a group III nitride semiconductor of the present invention.
さらに、本発明のIII族窒化物半導体素子は、前記本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法により製造され、前記本発明のIII族窒化物半導体を含むことを特徴とする。 Furthermore, the group III nitride semiconductor device of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device of the present invention, and includes the group III nitride semiconductor of the present invention.
本発明によれば、III族窒化物半導体の結晶層を含む半導体素子において、品質低下を防止可能であり、かつ製造効率に優れたIII族窒化物半導体素子を製造することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the group III nitride semiconductor element which can prevent a quality fall and is excellent in manufacturing efficiency can be manufactured in the semiconductor element containing the crystal layer of a group III nitride semiconductor.
以下、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法、本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法、本発明のIII族窒化物半導体および本発明のIII族窒化物半導体素子について、さらに詳細に説明する。 Hereinafter, the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention, the method for producing a group III nitride semiconductor device of the present invention, the group III nitride semiconductor of the present invention and the group III nitride semiconductor device of the present invention will be described in more detail. explain.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、前述の通り、
下地層の上面にIII族窒化物の非結晶層を形成する非結晶層形成工程と、
前記非結晶層の上面に保護層を形成する保護層形成工程と、
前記非結晶層の一部をエッチングにより除去するエッチング工程と、
前記保護層が形成された状態で前記非結晶層を熱処理して結晶化することによりIII族窒化物半導体の結晶層に変換する半導体結晶層形成工程と、を含むことを特徴とする。これ以外には、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、特に制限されないが、例えば、以下の通りである。
The manufacturing method of the group III nitride semiconductor of the present invention is as described above.
An amorphous layer forming step of forming a group III nitride amorphous layer on the upper surface of the underlayer;
A protective layer forming step of forming a protective layer on the upper surface of the amorphous layer;
An etching step of removing a part of the amorphous layer by etching;
A semiconductor crystal layer forming step of converting the amorphous layer into a crystal layer of a group III nitride semiconductor by crystallizing the amorphous layer by heat treatment in a state in which the protective layer is formed. Other than this, the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention is not particularly limited, but for example, is as follows.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記半導体結晶層形成工程後、前記保護層を除去する保護層除去工程をさらに含むことが好ましい。また、前記保護層除去工程が、熱エッチングで前記保護層を除去する工程であることがより好ましい。前記保護層除去工程における熱エッチング温度は、前記半導体結晶層形成工程における熱処理温度よりも高温であることがさらに好ましい。 The method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention preferably further includes a protective layer removing step of removing the protective layer after the semiconductor crystal layer forming step. The protective layer removing step is more preferably a step of removing the protective layer by thermal etching. More preferably, the thermal etching temperature in the protective layer removing step is higher than the heat treatment temperature in the semiconductor crystal layer forming step.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記保護層がIII族窒化物から形成された層であることが好ましい。また、前記結晶層が、InaGabAl1−a−bN(0≦a<1、0≦b<1、0≦a+b<1)の組成を有するIII族窒化物半導体から形成され、前記保護層が、IncGadAl1−c−dN(0≦c≦1、0≦d≦1、0<c+d≦1)の組成を有するIII族窒化物から形成され、かつ、前記結晶層のIn組成比aと前記保護層のIn組成比cとが、下記数式(1)および(2)の少なくとも一方を満たすことが好ましい。
In the group III nitride semiconductor manufacturing method of the present invention, the protective layer is preferably a layer formed of group III nitride. The crystal layer is formed of a group III nitride semiconductor having a composition of In a Ga b Al 1-ab N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b <1, 0 ≦ a + b <1), the protective layer is formed of a group III nitride having a composition of in c Ga d Al 1-c -d N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 <c + d ≦ 1), and the It is preferable that the In composition ratio a of the crystal layer and the In composition ratio c of the protective layer satisfy at least one of the following mathematical formulas (1) and (2).
a=0 (1)
a<c (2)
a = 0 (1)
a <c (2)
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記保護層が、InxGa1−xN(0≦x≦1)の組成を有するIII族窒化物から形成されていることが好ましい。また、前記保護層が、InNから形成されていることが特に好ましい。前記結晶層は、AlNから形成されていることが特に好ましい。 In the Group III nitride semiconductor manufacturing method of the present invention, it is preferable that the protective layer is formed of a Group III nitride having a composition of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). The protective layer is particularly preferably made of InN. The crystal layer is particularly preferably made of AlN.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記結晶層が、2層以上の層を含むことが好ましい。また、前記結晶層が、AlNから形成された下層とGaNから形成された上層とを含むことがより好ましい。 In the group III nitride semiconductor manufacturing method of the present invention, the crystal layer preferably includes two or more layers. More preferably, the crystal layer includes a lower layer formed of AlN and an upper layer formed of GaN.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記結晶層が不純物を含む場合、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が内部の不純物濃度の平均値以下であることが好ましい。前記結晶層において、前記上面部は、例えば前記結晶層の上面から深さ50nmまでの部分であり、前記内部は、例えば前記上面部以外の部分である。前記不純物は、特に制限されないが、例えば酸素である。また、前記結晶層において、前記上面部の酸素濃度の平均値が5×1018cm−3以下であることがさらに好ましい。 In the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention, when the crystal layer contains impurities, it is preferable that the average value of the impurity concentration of the upper surface portion of the crystal layer is equal to or less than the average value of the internal impurity concentration. In the crystal layer, the upper surface portion is, for example, a portion from the upper surface of the crystal layer to a depth of 50 nm, and the inside is, for example, a portion other than the upper surface portion. The impurity is not particularly limited and is, for example, oxygen. In the crystal layer, it is more preferable that an average value of oxygen concentration in the upper surface portion is 5 × 10 18 cm −3 or less.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、前記結晶層の上に、他のIII族窒化物半導体含有層を形成する他のIII族窒化物半導体含有層形成工程をさらに含むことが好ましい。この場合において、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、前記半導体結晶層形成工程後、前記保護層を除去する保護層除去工程を含み、前記保護層除去工程が、熱エッチングで前記保護層を除去する工程であり、前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程において、前記保護層除去工程における熱エッチング温度以上の温度で前記他のIII族窒化物半導体含有層を形成することがより好ましい。 The group III nitride semiconductor manufacturing method of the present invention preferably further includes another group III nitride semiconductor-containing layer forming step of forming another group III nitride semiconductor-containing layer on the crystal layer. In this case, the method for producing a group III nitride semiconductor according to the present invention includes a protective layer removing step of removing the protective layer after the semiconductor crystal layer forming step, and the protective layer removing step includes the protection by thermal etching. Forming the other group III nitride semiconductor-containing layer at a temperature equal to or higher than the thermal etching temperature in the protective layer removing step in the step of forming the other group III nitride semiconductor-containing layer. More preferred.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、前記下地層が、III族窒化物半導体を含む層であることが好ましい。 In the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention, the underlayer is preferably a layer containing a group III nitride semiconductor.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法において、前記保護層に代えてIII族窒化物から形成された層を形成しても良い。この場合において、前記III族窒化物から形成された層の機能はなんら制限されず、例えば、保護層としての機能を有していなくても良い。 In the group III nitride semiconductor manufacturing method of the present invention, a layer made of group III nitride may be formed instead of the protective layer. In this case, the function of the layer formed from the group III nitride is not limited at all, and may not have a function as a protective layer, for example.
次に、本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法は、前述の通り、III族窒化物半導体を含む半導体素子の製造方法であり、前記本発明の半導体の製造方法により前記III族窒化物半導体を製造することを特徴とする。 Next, as described above, the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including a group III nitride semiconductor, and the group III nitride is manufactured by the method for manufacturing a semiconductor of the present invention. It is characterized by manufacturing a semiconductor.
本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法において、前記III族窒化物半導体素子は、特に制限されないが、例えば、半導体レーザ、電界効果トランジスタ、またはフォトニック結晶面発光レーザであることが好ましい。例えば、前記III族窒化物半導体素子が、半導体レーザであり、前記結晶層が、電流狭窄層であることがより好ましい。また、例えば、前記III族窒化物半導体素子が、電界効果トランジスタであり、前記結晶層が、コンタクト層であることがより好ましい。また、例えば、前記III族窒化物半導体素子が、フォトニック結晶面発光レーザであり、前記結晶層が、フォトニック結晶層であることがより好ましい。 In the method for producing a group III nitride semiconductor device of the present invention, the group III nitride semiconductor device is not particularly limited, but is preferably, for example, a semiconductor laser, a field effect transistor, or a photonic crystal surface emitting laser. For example, the group III nitride semiconductor device is preferably a semiconductor laser, and the crystal layer is more preferably a current confinement layer. Further, for example, it is more preferable that the group III nitride semiconductor element is a field effect transistor, and the crystal layer is a contact layer. In addition, for example, it is more preferable that the group III nitride semiconductor element is a photonic crystal surface emitting laser, and the crystal layer is a photonic crystal layer.
次に、本発明のIII族窒化物半導体は、前述の通り、III族窒化物半導体の結晶層を含み、前記結晶層は一部が除去されており、前記結晶層が不純物を含み、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が内部の不純物濃度の平均値以下であり、前記本発明のIII族窒化物半導体の製造方法により製造されることを特徴とする。前記上面部は、例えば、前記結晶層の上面から深さ50nmまでの部分であり、前記内部は、例えば、前記上面部以外の部分である。前記不純物は、特に制限されないが、例えば酸素である。また、前記結晶層において、前記上面部の酸素濃度の平均値が5×1018cm−3以下であることがより好ましい。 Next, as described above, the group III nitride semiconductor of the present invention includes a crystal layer of a group III nitride semiconductor, the crystal layer is partially removed, the crystal layer includes an impurity, and the crystal The average value of the impurity concentration of the upper surface portion of the layer is equal to or less than the average value of the internal impurity concentration, and is manufactured by the Group III nitride semiconductor manufacturing method of the present invention. The upper surface portion is, for example, a portion from the upper surface of the crystal layer to a depth of 50 nm, and the inside is, for example, a portion other than the upper surface portion. The impurity is not particularly limited and is, for example, oxygen. In the crystal layer, it is more preferable that an average value of oxygen concentration in the upper surface portion is 5 × 10 18 cm −3 or less.
本発明のIII族窒化物半導体において、前記結晶層が、AlNから形成された層であることが好ましい。また、前記結晶層が、2層以上の層を含むことが好ましい。さらに、前記結晶層が、AlNから形成された下層とGaNから形成された上層とを含むことがより好ましい。 In the group III nitride semiconductor of the present invention, it is preferable that the crystal layer is a layer formed of AlN. The crystal layer preferably includes two or more layers. Furthermore, it is more preferable that the crystal layer includes a lower layer formed of AlN and an upper layer formed of GaN.
本発明のIII族窒化物半導体は、例えば、前記結晶層の上に、他のIII族窒化物半導体含有層をさらに含んでいても良い。また、本発明のIII族窒化物半導体は、前記下地層をさらに含んでいても良い。前記下地層は、III族窒化物半導体を含む層であることが好ましい。 The group III nitride semiconductor of the present invention may further include, for example, another group III nitride semiconductor-containing layer on the crystal layer. The group III nitride semiconductor of the present invention may further include the underlayer. The underlayer is preferably a layer containing a group III nitride semiconductor.
次に、本発明のIII族窒化物半導体素子は、前述のとおり、前記本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法により製造され、前記本発明のIII族窒化物半導体を含むことを特徴とする。 Next, as described above, the group III nitride semiconductor device of the present invention is manufactured by the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device of the present invention, and includes the group III nitride semiconductor of the present invention. To do.
本発明のIII族窒化物半導体素子は、特に制限されないが、例えば、半導体レーザ、電界効果トランジスタ、またはフォトニック結晶面発光レーザである。例えば、本発明のIII族窒化物半導体素子が半導体レーザであり、前記結晶層が、電流狭窄層であることが好ましい。また、例えば、本発明のIII族窒化物半導体素子が電界効果トランジスタであり、前記結晶層が、コンタクト層であることが好ましい。また、例えば、本発明のIII族窒化物半導体素子がフォトニック結晶面発光レーザであり、前記結晶層が、フォトニック結晶層であることが好ましい。 The group III nitride semiconductor device of the present invention is not particularly limited, and is, for example, a semiconductor laser, a field effect transistor, or a photonic crystal surface emitting laser. For example, the group III nitride semiconductor device of the present invention is preferably a semiconductor laser, and the crystal layer is preferably a current confinement layer. For example, the group III nitride semiconductor device of the present invention is preferably a field effect transistor, and the crystal layer is preferably a contact layer. In addition, for example, the group III nitride semiconductor device of the present invention is preferably a photonic crystal surface emitting laser, and the crystal layer is preferably a photonic crystal layer.
[実施形態1]
次に、本発明の実施形態についてさらに詳しく説明する。なお、以下において、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法および本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法を、まとめて「本発明の製造方法」ということがある。
[Embodiment 1]
Next, embodiments of the present invention will be described in more detail. In the following, the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention and the method for producing a group III nitride semiconductor device of the present invention may be collectively referred to as “the manufacturing method of the present invention”.
本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、前述の通りである。すなわち、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法は、下記工程(A)〜(D)を含む製造方法である。なお、以下、本発明のIII族窒化物半導体の製造方法における各工程、または本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法における各工程に、便宜上、(A)、(B)、(C)、(D)などの符号を付して説明する場合がある。 The method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention is as described above. That is, the group III nitride semiconductor manufacturing method of the present invention is a manufacturing method including the following steps (A) to (D). Hereinafter, for convenience, each step in the method for producing a group III nitride semiconductor of the present invention or each step in the method for producing a group III nitride semiconductor device of the present invention will be described with reference to (A), (B), (C). , (D) or the like may be used for explanation.
(A)下地層の上面にIII族窒化物の非結晶層を形成する非結晶層形成工程
(B)前記非結晶層の上面に保護層を形成する保護層形成工程
(C)前記非結晶層の一部をエッチングにより除去するエッチング工程
(D)前記保護層が形成された状態で前記非結晶層を熱処理して結晶化することによりIII族窒化物半導体の結晶層に変換する半導体結晶層形成工程
(A) Non-crystalline layer forming step of forming a non-crystalline layer of group III nitride on the upper surface of the underlayer (B) Protective layer forming step of forming a protective layer on the upper surface of the non-crystalline layer (C) The non-crystalline layer (D) Formation of a semiconductor crystal layer that is converted into a group III nitride semiconductor crystal layer by crystallizing the amorphous layer by heat treatment in a state where the protective layer is formed. Process
本発明の製造方法では、前述の通り、保護層をIII族窒化物非結晶層の上面に別途形成し、その状態で前記非結晶層を熱処理して前記III族窒化物半導体結晶層に変換する。このためIII族窒化物非結晶層表面における酸素等の不純物濃度の不均一に起因してピットや凹凸等が生じることがない。これにより、III族窒化物半導体素子の特性のばらつきや寿命の低下を防止することが可能である。すなわち、本発明の製造方法によれば、不純物濃度の制御等に煩雑な操作やチェックを要することなくピットや凹凸の発生等の品質低下を抑制することができるので、品質の良いIII族窒化物半導体素子を効率よく製造することができる。なお、本発明において、前記保護層は特に制限されない。好ましくは、前記保護層は、マストランスポート防止層としての機能を有する。前記保護層がマストランスポート防止層としての機能を有することにより、例えば、前記III族窒化物半導体結晶層の表面平坦性悪化を防止することができる。 In the manufacturing method of the present invention, as described above, a protective layer is separately formed on the upper surface of the group III nitride amorphous layer, and in this state, the amorphous layer is heat-treated to convert it to the group III nitride semiconductor crystal layer. . For this reason, pits and irregularities do not occur due to non-uniform concentration of impurities such as oxygen on the surface of the group III nitride amorphous layer. As a result, it is possible to prevent variations in characteristics and lifetime of the group III nitride semiconductor device. That is, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to suppress quality degradation such as generation of pits and irregularities without requiring complicated operations and checks for controlling the impurity concentration, etc. A semiconductor element can be manufactured efficiently. In the present invention, the protective layer is not particularly limited. Preferably, the protective layer functions as a mass transport prevention layer. When the protective layer has a function as a mass transport prevention layer, for example, deterioration of surface flatness of the group III nitride semiconductor crystal layer can be prevented.
前記工程(A)〜(D)を含むこと以外には、本発明の製造方法は特に制限されないが、例えば以下の通りである。 The production method of the present invention is not particularly limited except that the steps (A) to (D) are included, but for example, as follows.
図1の断面図に、前記工程(A)〜(D)を模式的に示す。図1(A)は前記非結晶層形成工程(A)を示し、図1(B)は前記保護層形成工程(B)を示し、図1(C)は前記エッチング工程(C)を示し、図1(D)は前記半導体結晶層形成工程(D)を示す。すなわち、まず、図1(A)に示すとおり、下地層11の上面にIII族窒化物非結晶層12’を形成する(前記工程(A))。つぎに、図1(B)に示すとおり、非結晶層12’の上面に保護層13を形成する(前記工程(B))。さらに、図1(C)に示すとおり、非結晶層12’の一部をエッチングにより除去する(前記工程(C))。これにより、同図に示すとおり、開口部12Aが形成される。なお、図1(C)では、非結晶層12’の除去部分の上面に形成された保護層13も、非結晶層12’の一部とともにエッチングで除去している。そして、保護層13が形成された状態で非結晶層12’を熱処理してIII族窒化物半導体結晶層12に変換する(前記工程(D))。このようにして、図1(D)に示すように、III族窒化物半導体を含む構造体10を製造することができる。図示の通り、この構造体10は、下地層11の上面にIII族窒化物半導体結晶層12および保護層13がこの順番で積層され、結晶層12および保護層13の一部はエッチングで除去されて開口部12Aが形成されている。
The cross-sectional view of FIG. 1 schematically shows the steps (A) to (D). 1A shows the amorphous layer forming step (A), FIG. 1B shows the protective layer forming step (B), FIG. 1C shows the etching step (C), FIG. 1D shows the semiconductor crystal layer forming step (D). That is, first, as shown in FIG. 1A, a group III nitride amorphous layer 12 'is formed on the upper surface of the foundation layer 11 (step (A)). Next, as shown in FIG. 1B, a
なお、本発明において、Xという構成要素とYという構成要素が存在する場合、「Xの上にY」は、特に断らない限り、Xの上面にYが直接接触している状態でも良いし、Xの上面とYとの間に他の構成要素等が存在し、Xの上面とYとが直接接触していない状態でも良い。同様に、「Xの下にY」は、特に断らない限り、Xの下面にYが直接接触している状態でも良いし、Xの下面とYとの間に他の構成要素等が存在し、Xの下面とYとが直接接触していない状態でも良い。また、「Xの上面にY」は、Xの上面にYが直接接触している状態を指す。同様に、「Xの下面にY」は、Xの下面にYが直接接触している状態を指す。 In the present invention, when there is a component called X and a component called Y, “Y on X” may be in a state where Y is in direct contact with the upper surface of X, unless otherwise specified. There may be other components or the like between the upper surface of X and Y, and the upper surface of X and Y may not be in direct contact. Similarly, “Y under X” may be in a state where Y is in direct contact with the lower surface of X unless otherwise specified, and there are other components or the like between the lower surface of X and Y. The lower surface of X and Y may not be in direct contact. Further, “Y on the upper surface of X” indicates a state where Y is in direct contact with the upper surface of X. Similarly, “Y on the lower surface of X” indicates a state where Y is in direct contact with the lower surface of X.
本発明においては、前記III族窒化物非結晶層上面と前記保護層とは直接接触しており、前記下地層上面と前記III族窒化物非結晶層とは直接接触している。また、本発明のIII族窒化物半導体および本発明のIII族窒化物半導体素子において、前記保護層の上および前記下地層の下には、それぞれ他の層などの任意の構成要素が存在していても良いし、存在していなくても良い。 In the present invention, the upper surface of the Group III nitride amorphous layer and the protective layer are in direct contact, and the upper surface of the base layer and the Group III nitride amorphous layer are in direct contact. Further, in the group III nitride semiconductor of the present invention and the group III nitride semiconductor device of the present invention, arbitrary components such as other layers exist above the protective layer and the underlying layer, respectively. It may or may not exist.
また、本発明の製造方法、本発明のIII族窒化物半導体およびIII族窒化物半導体素子において、III族窒化物非結晶層またはIII族窒化物半導体結晶層の一部が除去されている状態は、例えば以下の状態を指す。すなわち、例えば図1(C)および(D)に示すように、前記除去部分において、III族窒化物非結晶層またはIII族窒化物半導体結晶層が完全に除去され、貫通口が形成された状態でも良い。また、例えば、前記除去部分において、III族窒化物非結晶層またはIII族窒化物半導体結晶層の下部が除去されずに残った状態でも良い。これらは、例えば、製造されるIII族窒化物半導体素子に必要な特性等に応じて適宜選択することができる。 In addition, in the manufacturing method of the present invention, the group III nitride semiconductor of the present invention, and the group III nitride semiconductor device, a state in which a part of the group III nitride amorphous layer or the group III nitride semiconductor crystal layer is removed is For example, the following states are indicated. That is, for example, as shown in FIGS. 1C and 1D, in the removed portion, the group III nitride non-crystalline layer or the group III nitride semiconductor crystal layer is completely removed and a through hole is formed. But it ’s okay. Further, for example, in the removed portion, the lower part of the group III nitride non-crystalline layer or the group III nitride semiconductor crystal layer may be left without being removed. These can be appropriately selected according to, for example, characteristics required for the group III nitride semiconductor device to be manufactured.
図1(D)に示す構造体10は、そのままIII族窒化物半導体素子として使用可能であれば、そのまま用いても良い。例えば、保護層13を電極金属と合金化させるなどにより、図1(D)に示す構造体10をそのまま電界効果トランジスタとして用いることができる。この場合、III族窒化物半導体結晶層12は、例えば、前記電界効果トランジスタのコンタクト層となる。
The
また、図1(D)に示す構造体10は、前記工程(A)〜(D)以外の他の工程によってさらに処理し、目的とするIII族窒化物半導体またはIII族窒化物半導体素子を製造しても良い。すなわち、本発明の製造方法は、前記工程(A)〜(D)以外の工程を含んでいても良いし、含んでいなくても良い。前記工程(A)〜(D)以外の工程としては、特に制限されないが、例えば、後述する保護層の除去、他の層の積層等が挙げられる。また、前記工程(A)〜(D)以外の工程は、必要に応じ、前記工程(A)〜(D)の前に実施しても、後に実施しても、同時に実施しても良い。
Further, the
下地層11は、特に制限されないが、例えば、III族窒化物半導体を含む層であっても良い。下地層11は、例えば、製造されるIII族窒化物半導体またはIII族窒化物半導体素子の一部を構成しても良い。また、下地層11の下には、前述の通り、さらに他の層が存在していても存在していなくても良い。前記他の層は、製造されるIII族窒化物半導体またはIII族窒化物半導体素子の一部を構成しても良いし、構成しなくても良い。また、結晶層12は、特に制限されないが、例えば、半導体レーザの電流狭窄層であることが好ましい。結晶層12は、例えば、電界効果トランジスタのコンタクト層、フォトニック結晶面発光レーザのフォトニック結晶層等であっても良い。
The
なお、図1では、前記保護層形成工程(B)を前記エッチング工程(C)よりも先に実施しているが、本発明の製造方法では、前記工程(B)と前記工程(C)とは、どちらを先に実施しても良い。しかしながら、例えば後述する理由により、前記工程(B)を前記工程(C)よりも先に実施することが好ましい。 In FIG. 1, the protective layer forming step (B) is performed prior to the etching step (C). However, in the manufacturing method of the present invention, the steps (B), (C), and Either may be implemented first. However, for example, the step (B) is preferably performed before the step (C) for reasons described later.
本発明の製造方法は、例えば、前記半導体結晶層形成工程(D)後、前記保護層を除去する工程(E)をさらに含むことが好ましい。前記保護層除去工程(E)は、特に制限されないが、例えば、熱エッチングで前記保護層を除去する工程であることがより好ましい。また、前記保護層除去工程(E)における熱エッチング温度が、前記半導体結晶層形成工程(D)における熱処理温度よりも高温であれば、前記工程(D)の後、温度上昇によりスムーズに前記工程(E)に移行できるため、特に好ましい。前記半導体結晶層形成工程(D)における熱処理温度は、特に制限されないが、例えば500〜900℃、好ましくは600〜800℃、より好ましくは650〜750℃である。また、前記保護層除去工程(E)における熱エッチング温度は、特に制限されないが、例えば700〜1300℃、好ましくは800〜1200℃、より好ましくは900〜1100℃である。 The production method of the present invention preferably further includes, for example, a step (E) of removing the protective layer after the semiconductor crystal layer forming step (D). Although the said protective layer removal process (E) is not restrict | limited in particular, For example, it is more preferable that it is a process of removing the said protective layer by thermal etching. In addition, if the thermal etching temperature in the protective layer removing step (E) is higher than the heat treatment temperature in the semiconductor crystal layer forming step (D), the step is smoothly performed by the temperature increase after the step (D). Since it can transfer to (E), it is especially preferable. Although the heat processing temperature in the said semiconductor crystal layer formation process (D) is not restrict | limited in particular, For example, it is 500-900 degreeC, Preferably it is 600-800 degreeC, More preferably, it is 650-750 degreeC. In addition, the thermal etching temperature in the protective layer removing step (E) is not particularly limited, but is, for example, 700 to 1300 ° C, preferably 800 to 1200 ° C, and more preferably 900 to 1100 ° C.
また、本発明の製造方法は、例えば、前記結晶層の上に、他のIII族窒化物半導体含有層を形成する他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F)をさらに含むことが好ましい。前記他のIII族窒化物半導体含有層としては、特に制限されないが、例えば、p型クラッド層等が挙げられる。また、本発明の製造方法が前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F)を含む場合、例えば、前記保護層除去工程(E)をさらに含み、その後に前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F)を実施することが好ましい。この場合、各工程における温度は特に制限されない。しかしながら、例えば、前記工程(F)において、前記工程(E)における熱エッチング温度以上の温度で前記他のIII族窒化物半導体含有層を形成すると、より好ましい。このようにすれば、前記工程(E)から前記工程(F)にスムーズに移行することができるためである。ただし、これに限定されず、例えば、前記工程(E)における熱エッチング温度の方が前記工程(F)における前記他のIII族窒化物半導体含有層形成温度より高くても良い。前記保護層除去工程(E)における熱エッチング温度は、特に制限されないが、例えば前述の通りである。また、前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F)における熱処理温度は、特に制限されないが、例えば700〜1300℃、好ましくは800〜1200℃、より好ましくは900〜1100℃である。 The production method of the present invention preferably further includes, for example, another group III nitride semiconductor-containing layer forming step (F) for forming another group III nitride semiconductor-containing layer on the crystal layer. . The other group III nitride semiconductor-containing layer is not particularly limited, and examples thereof include a p-type cladding layer. Further, when the production method of the present invention includes the other group III nitride semiconductor-containing layer forming step (F), for example, the method further includes the protective layer removing step (E), and then the other group III nitride It is preferable to implement a semiconductor content layer formation process (F). In this case, the temperature in each step is not particularly limited. However, for example, in the step (F), it is more preferable to form the other group III nitride semiconductor-containing layer at a temperature equal to or higher than the thermal etching temperature in the step (E). By doing so, it is possible to smoothly shift from the step (E) to the step (F). However, it is not limited to this, For example, the thermal etching temperature in the said process (E) may be higher than the said other group III nitride semiconductor containing layer formation temperature in the said process (F). The thermal etching temperature in the protective layer removing step (E) is not particularly limited, and is as described above, for example. The heat treatment temperature in the other group III nitride semiconductor-containing layer forming step (F) is not particularly limited, but is, for example, 700 to 1300 ° C, preferably 800 to 1200 ° C, more preferably 900 to 1100 ° C.
なお、前記保護層形成工程(B)を前記エッチング工程(C)よりも先に実施することが好ましい理由は、例えば以下の通りである。すなわち、まず、前記エッチング工程(C)を実施する方法は、特に制限されないが、例えば、一般的なエッチング方法と同様、前記III族窒化物非結晶層上にSiO2などのマスクを形成して実施することが好ましい。このとき、前記非結晶層上に直接マスクを形成すると、ケイ素、炭素等の元素が前記非結晶層上面に不純物として残留する可能性がある。これら残留不純物の濃度に斑(むら)が発生すると、それが原因でIII族窒化物半導体素子の性能が低下するおそれがある。例えば、前記工程(F)により他のIII族窒化物半導体含有層を形成する場合、前記残留不純物濃度の分布に起因して前記結晶層表面での二次元結晶核の発生頻度に斑(むら)が生じ、ピットや凹凸の原因となる可能性がある。このため、前記エッチング工程(C)において、前記III族窒化物非結晶層上にSiO2などのマスクを直接形成した場合は、マスク除去後に、前記非結晶層上の残留不純物をも十分に除去することが好ましい。 The reason why the protective layer forming step (B) is preferably performed before the etching step (C) is, for example, as follows. That is, first, the method for performing the etching step (C) is not particularly limited. For example, a mask such as SiO 2 is formed on the group III nitride non-crystalline layer as in the general etching method. It is preferable to implement. At this time, if a mask is directly formed on the amorphous layer, elements such as silicon and carbon may remain as impurities on the upper surface of the amorphous layer. If unevenness occurs in the concentration of these residual impurities, the performance of the group III nitride semiconductor device may be deteriorated due to this. For example, when another group III nitride semiconductor-containing layer is formed by the step (F), unevenness occurs in the frequency of occurrence of two-dimensional crystal nuclei on the crystal layer surface due to the distribution of the residual impurity concentration. May cause pits and irregularities. For this reason, in the etching step (C), when a mask such as SiO 2 is directly formed on the group III nitride non-crystalline layer, residual impurities on the non-crystalline layer are sufficiently removed after the mask is removed. It is preferable to do.
しかしながら、前記保護層形成工程(B)を先に実施し、その後に前記エッチング工程(C)を実施すれば、前記保護層の上にマスクを形成してエッチングを実施することができる。すなわち、前記マスクを前記III族窒化物非結晶層上に直接形成するのを回避することができる。このため、前記マスク由来の不純物が前記マスク除去後に前記III族窒化物非結晶層上に残留することを、防止することが可能である。したがって、前記不純物に起因するピットや凹凸の問題をも防止できる。 However, if the protective layer forming step (B) is performed first and then the etching step (C) is performed, etching can be performed by forming a mask on the protective layer. That is, it is possible to avoid forming the mask directly on the group III nitride non-crystalline layer. For this reason, it is possible to prevent impurities derived from the mask from remaining on the group III nitride amorphous layer after the mask removal. Therefore, problems of pits and unevenness due to the impurities can be prevented.
なお、前記エッチング工程(C)におけるエッチング方法は、特に制限されず、例えば、ウェットエッチングでも良いし、ドライエッチングでも良い。しかしながら、ウェットエッチングの方が、例えば非結晶層と結晶層の間でのエッチング選択性が良く、エッチング深さの制御がしやすい等の理由により好ましい。すなわち、ウェットエッチングによれば、例えば前記下地層がIII族窒化物半導体結晶から形成された層である場合、前記下地層の好ましくないエッチングを防止し、その上面に形成された前記III族窒化物非結晶層を選択的にエッチングしやすい。 The etching method in the etching step (C) is not particularly limited, and may be wet etching or dry etching, for example. However, wet etching is preferable because, for example, the etching selectivity between the amorphous layer and the crystalline layer is good and the etching depth is easily controlled. That is, according to wet etching, for example, when the underlayer is a layer formed of a group III nitride semiconductor crystal, undesirable etching of the underlayer is prevented, and the group III nitride formed on the upper surface thereof is prevented. It is easy to selectively etch the amorphous layer.
本発明の製造方法では、例えば、前記III族窒化物半導体の結晶層が不純物を含む場合、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が前記結晶層内部の不純物濃度の平均値以下(内部の不純物濃度の平均値と同等か、それよりも小さい)であることが好ましい。前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が前記結晶層内部の不純物濃度の平均値以下であれば、例えば、前記結晶層上に他のIII族窒化物含有層を形成する際に、二次元結晶核の発生頻度の斑(むら)が抑制されピットや凹凸が発生しにくい。また、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が前記結晶層内部の不純物濃度の平均値以下であれば、前記結晶層開口部を前記他のIII族窒化物含有層で埋め込んで開口埋め込み部とした際に、埋め込み形状が安定する。例えば、前記結晶層上に、前記他のIII族窒化物含有層を形成する直前まで前記保護層を除去せずに配置しておくことにより、前記結晶層上面部の不純物による汚染をきわめて効果的に防止することができる。前記不純物は、特に制限されないが、例えば酸素である。前記III族窒化物の結晶層において、上面部の酸素濃度の平均値が内部の酸素濃度の平均値以下であると、前記上面部において酸素濃度の斑(むら)が発生しにくいため、前記のような効果が特に得られやすい。さらに好ましくは、前記結晶層において、前記上面部の酸素濃度が5×1018cm−3以下である。前記上面部の酸素濃度が5×1018cm−3以下であると、前記他のIII族窒化物半導体含有層の成長速度が酸素濃度分布の影響をほとんど受けなくなるため、平坦性が向上し、前記結晶層開口埋め込み部の埋め込み形状の安定化に極めて効果的である。前記III族窒化物半導体結晶層上面部の不純物濃度を高くしないためには、例えば、前記III族窒化物非結晶層を酸化しないことや、前記エッチング用のマスクを前記III族窒化物非結晶層の上に直接形成しないことにより、不純物の残留を防げば良い。 In the manufacturing method of the present invention, for example, when the crystal layer of the group III nitride semiconductor contains impurities, the average value of the impurity concentration of the upper surface portion of the crystal layer is equal to or less than the average value of the impurity concentration inside the crystal layer (internal It is preferably equal to or smaller than the average value of the impurity concentration. If the average value of the impurity concentration of the upper surface portion of the crystal layer is equal to or less than the average value of the impurity concentration inside the crystal layer, for example, when forming another group III nitride-containing layer on the crystal layer, two-dimensional The occurrence of crystal nuclei (unevenness) is suppressed and pits and irregularities are hardly generated. Further, if the average value of the impurity concentration of the upper surface portion of the crystal layer is equal to or lower than the average value of the impurity concentration inside the crystal layer, the crystal layer opening is embedded with the other group III nitride-containing layer, In this case, the embedding shape is stabilized. For example, by disposing the protective layer on the crystal layer without removing the protective layer until just before forming the other group III nitride-containing layer, contamination by impurities on the upper surface of the crystal layer is extremely effective. Can be prevented. The impurity is not particularly limited and is, for example, oxygen. In the group III nitride crystal layer, if the average value of the oxygen concentration in the upper surface portion is equal to or less than the average value of the internal oxygen concentration, unevenness of oxygen concentration (unevenness) hardly occurs in the upper surface portion. Such an effect is particularly easy to obtain. More preferably, in the crystal layer, the upper surface portion has an oxygen concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less. When the oxygen concentration of the upper surface portion is 5 × 10 18 cm −3 or less, the growth rate of the other group III nitride semiconductor-containing layer is hardly affected by the oxygen concentration distribution, so that the flatness is improved. This is extremely effective for stabilizing the embedded shape of the crystal layer opening embedded portion. In order not to increase the impurity concentration of the upper surface portion of the group III nitride semiconductor crystal layer, for example, the group III nitride amorphous layer is not oxidized, or the etching mask is used as the group III nitride amorphous layer. It is only necessary to prevent impurities from remaining by not forming directly on the substrate.
なお、前記結晶層において、前記「上面部」は、例えば前記結晶層の上面から深さ50nmまでの部分であり、好ましくは前記上面から深さ30nmまでの部分であり、より好ましくは前記上面から深さ20nmまでの部分である。前記「内部」は、例えば前記「上面部」以外の部分である。また、本発明において、「酸素濃度」は、特に断らない限り、単体としての酸素(O2)の濃度ではなく、酸素原子の濃度(単位体積当たりの酸素原子の個数)をいう。例えば、前記結晶層において「酸素濃度の平均値が5×1018cm−3以下である」は、前記結晶層1cm3中に存在する酸素原子の個数が5×1018個以下であることを指す。酸素以外の元素の濃度についても同様である。 In the crystal layer, the “upper surface portion” is, for example, a portion from the upper surface of the crystal layer to a depth of 50 nm, preferably a portion from the upper surface to a depth of 30 nm, and more preferably from the upper surface. It is a portion up to a depth of 20 nm. The “inside” is, for example, a portion other than the “upper surface portion”. In the present invention, “oxygen concentration” refers to the concentration of oxygen atoms (the number of oxygen atoms per unit volume), not the concentration of oxygen (O 2 ) as a single substance, unless otherwise specified. For example, “the average value of the oxygen concentration is 5 × 10 18 cm −3 or less” in the crystal layer means that the number of oxygen atoms present in the crystal layer 1 cm 3 is 5 × 10 18 or less. Point to. The same applies to the concentration of elements other than oxygen.
前記III族窒化物半導体の結晶層およびその上に形成される前記保護層の組成は、特に制限されない。前記保護層は、好ましくは、III族窒化物から形成された層である。前記保護層がIII族窒化物から形成された層であれば、例えば、本発明におけるIII族窒化物半導体素子製造工程において、前記保護層が不純物としてIII族窒化物半導体素子中に拡散しない等の効果を得ることができる。また、本発明の製造方法では、例えば、前述の通り、前記保護層に代えて、III族窒化物から形成された層を形成しても良い。前記保護層に代えてIII族窒化物から形成された層を形成する場合、その層の機能は何ら制限されず、例えば保護層としての機能を有していなくても良い。 The composition of the crystal layer of the group III nitride semiconductor and the protective layer formed thereon is not particularly limited. The protective layer is preferably a layer formed from a group III nitride. If the protective layer is a layer formed from a group III nitride, for example, in the group III nitride semiconductor device manufacturing process of the present invention, the protective layer does not diffuse as an impurity into the group III nitride semiconductor device. An effect can be obtained. In the production method of the present invention, for example, as described above, a layer made of group III nitride may be formed instead of the protective layer. In the case of forming a layer formed of a group III nitride instead of the protective layer, the function of the layer is not limited at all, and may not have a function as a protective layer, for example.
また、本発明においては、例えば前述のとおり、
前記III族窒化物半導体の結晶層が、InaGabAl1−a−bN(0≦a<1、0≦b<1、0≦a+b<1)の組成を有するIII族窒化物半導体から形成され、
前記保護層が、IncGadAl1−c−dN(0≦c≦1、0≦d≦1、0<c+d≦1)の組成を有するIII族窒化物から形成され、かつ、
前記結晶層のIn組成比aと前記保護層のIn組成比cとが、下記数式(1)および(2)の少なくとも一方を満たすことが好ましい。
In the present invention, for example, as described above,
Group III nitride semiconductor wherein the group III nitride semiconductor crystal layer has a composition of In a Ga b Al 1-ab N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b <1, 0 ≦ a + b <1). Formed from
The protective layer is formed of a group III nitride having a composition of In c Ga d Al 1-c -d N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 <c + d ≦ 1), and,
It is preferable that the In composition ratio a of the crystal layer and the In composition ratio c of the protective layer satisfy at least one of the following mathematical formulas (1) and (2).
a=0 (1)
a<c (2)
前記式(1)および(2)の少なくとも一方を満たすことは、すなわち、前記III族窒化物半導体結晶層のIn組成比が、ゼロであるか、または前記保護層のIn組成比よりも小さいことを意味する。この組成であれば、例えば前記結晶層およびその上に形成された前記保護層をともに加熱した場合、後者の方が蒸発しやすいので、後者を選択的に熱エッチングで除去することができる(前記工程(E))。なお、熱エッチングする場合、前記保護層由来の不純物が前記結晶層上面に残留しなくなるまで十分に熱処理することが好ましい。このようにすれば、例えば、前記結晶層の上に、他のIII族窒化物半導体含有層を形成した場合に(前記工程(F))、前記不純物に起因するピットや凹凸の問題をも防止することができる。また、前記結晶層が熱エッチングされにくいため、前記結晶層の層厚および開口埋め込み部の埋め込み形状も安定する。
a = 0 (1)
a <c (2)
Satisfying at least one of the formulas (1) and (2) means that the In composition ratio of the group III nitride semiconductor crystal layer is zero or smaller than the In composition ratio of the protective layer. Means. With this composition, for example, when the crystal layer and the protective layer formed thereon are heated together, the latter is more easily evaporated, and the latter can be selectively removed by thermal etching (see above). Step (E)). Note that when thermal etching is performed, it is preferable to sufficiently perform heat treatment until impurities derived from the protective layer do not remain on the upper surface of the crystal layer. In this way, for example, when another group III nitride semiconductor-containing layer is formed on the crystal layer (step (F)), the problem of pits and unevenness due to the impurities is also prevented. can do. Further, since the crystal layer is difficult to be thermally etched, the thickness of the crystal layer and the embedded shape of the opening embedded portion are also stabilized.
また、前記保護層は、InxGa1−xN(0≦x≦1)の組成を有するIII族窒化物から形成されていると熱エッチング速度がさらに高く、InNから形成されていると特に熱エッチング速度が高くなる。前記保護層の熱エッチング速度が高いことにより、前記保護層の熱エッチングによる除去効率がさらに向上し、前記保護層由来不純物の除去効率もさらに高くなる。また、前記保護層の熱エッチング速度が高いと、熱エッチングの選択性(熱エッチング速度の選択比)もさらに高くなる。熱エッチングの選択性が高いと、前記結晶層がさらに熱エッチングされにくく、前記結晶層の層厚および開口埋め込み部の埋め込み形状もさらに安定する。また、前記結晶層がAlNから形成されていると、特に熱エッチングされにくいため、前記結晶層の層厚および開口埋め込み部の埋め込み形状も特に安定する。前記結晶層は、AlN以外には、例えば、GaN、AlGaInN混晶等であっても良い。 The protective layer has a higher thermal etching rate if it is made of a group III nitride having a composition of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1), and particularly if it is made of InN. The thermal etching rate is increased. Since the thermal etching rate of the protective layer is high, the removal efficiency of the protective layer by thermal etching is further improved, and the removal efficiency of the protective layer-derived impurities is further increased. In addition, when the thermal etching rate of the protective layer is high, the thermal etching selectivity (thermal etching rate selection ratio) is further increased. When the thermal etching selectivity is high, the crystal layer is more difficult to be thermally etched, and the layer thickness of the crystal layer and the embedded shape of the opening embedded portion are further stabilized. In addition, when the crystal layer is made of AlN, it is particularly difficult to perform thermal etching, so that the layer thickness of the crystal layer and the embedded shape of the opening embedded portion are particularly stable. The crystal layer may be, for example, GaN, AlGaInN mixed crystal or the like other than AlN.
本発明の製造方法において、前記III族窒化物非結晶層の組成は特に制限されないが、例えば、前記III族窒化物半導体結晶層の組成と同じで良い。前記III族窒化物非結晶層の組成をそのままの組成で結晶化させれば、前記III族窒化物半導体結晶層に変換することができるからである。 In the production method of the present invention, the composition of the group III nitride amorphous layer is not particularly limited, but may be the same as the composition of the group III nitride semiconductor crystal layer, for example. This is because if the composition of the group III nitride amorphous layer is crystallized as it is, it can be converted into the group III nitride semiconductor crystal layer.
また、本発明の製造方法においては、前記III族窒化物非結晶層またはそれを前記工程(D)において結晶化させて得られる前記III族窒化物半導体結晶層は、1層でも良いが、2層以上の層を含んでいても良い。すなわち、例えば前記工程(A)において前記III族窒化物非結晶層を2層以上形成し、前記工程(B)において保護層を前記2層以上の非結晶層の上に形成し、前記工程(C)において前記2層以上の非結晶層をまとめてエッチングし、前記工程(D)において前記2層以上の非結晶層をまとめて結晶層に変換しても良い。前記非結晶層(前記工程(D)において結晶層に変換する)を2層以上とすることにより、III族窒化物半導体素子の品質をさらに向上させることができる。具体的には、例えば、エッチングにより形成される開口部幅のばらつきや、前記工程(F)において前記開口部の上に形成する他のIII族窒化物半導体含有層の層厚のばらつきをさらに抑える等の効果を得ることも可能である。前記非結晶層または前記結晶層が2層以上である場合、その組成は特に制限されないが、例えば、AlNから形成された下層とGaNから形成された上層とを含んでいても良い。例えば、前記非結晶層または前記結晶層は、AlNから形成された下層とGaNから形成された上層のみからなっていても良いし、他の層を適宜含んでいても良い。 In the production method of the present invention, the group III nitride non-crystalline layer or the group III nitride semiconductor crystal layer obtained by crystallizing it in the step (D) may be a single layer. The layer more than the layer may be included. That is, for example, two or more Group III nitride amorphous layers are formed in the step (A), and a protective layer is formed on the two or more amorphous layers in the step (B). In C), the two or more amorphous layers may be etched together, and in the step (D), the two or more amorphous layers may be collectively converted into a crystalline layer. By making the amorphous layer (converted into a crystalline layer in the step (D)) into two or more layers, the quality of the group III nitride semiconductor device can be further improved. Specifically, for example, the variation in the width of the opening formed by etching and the variation in the layer thickness of the other group III nitride semiconductor-containing layer formed on the opening in the step (F) are further suppressed. It is also possible to obtain effects such as. In the case where the amorphous layer or the crystalline layer is two or more layers, the composition is not particularly limited. For example, the amorphous layer or the crystalline layer may include a lower layer formed of AlN and an upper layer formed of GaN. For example, the non-crystalline layer or the crystalline layer may be composed of only a lower layer made of AlN and an upper layer made of GaN, or may appropriately include other layers.
なお、本発明における前記結晶層、前記保護層等の各構成要素において、例えば「InxGa1−xN(0≦x≦1)の組成を有するIII族窒化物から形成されている」は、本発明の目的および効果を達成することができる限り、In、GaおよびN以外の元素(不純物)を含んでいても良い。前記各構成要素がInxGa1−xN(0≦x≦1)以外の他の組成を有する場合においても同様である。さらに、同様に、前記各構成要素が、例えば「InNから形成されている」は、本発明の目的および効果を達成することができる限り、InおよびN以外の元素(不純物)を含んでいても良い。前記各構成要素がInN以外から形成されている場合においても同様である。なお、前記III族窒化物半導体の結晶層においては、前述の通り、上面部の不純物濃度の平均値が内部の不純物濃度の平均値以下(内部の不純物濃度の平均値と同等か、それよりも小さい)であることが好ましい。それ以外の各構成要素がIII族窒化物半導体から形成されている場合、導電性、絶縁性等の観点から、不純物を適宜ドープしても良いし、逆に、なるべく不純物を少なくするようにしても良い。 In each constituent element such as the crystal layer and the protective layer in the present invention, for example, “formed of a group III nitride having a composition of In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1)” As long as the objects and effects of the present invention can be achieved, elements (impurities) other than In, Ga, and N may be included. The same applies to the case where each of the components has a composition other than In x Ga 1-x N (0 ≦ x ≦ 1). Further, similarly, each of the above-described constituent elements, for example, “formed from InN” includes elements (impurities) other than In and N as long as the object and effect of the present invention can be achieved. good. The same applies to the case where each of the constituent elements is formed of other than InN. In the group III nitride semiconductor crystal layer, as described above, the average value of the impurity concentration of the upper surface portion is equal to or less than the average value of the internal impurity concentration (is equal to or more than the average value of the internal impurity concentration). Small). When each other component is formed of a group III nitride semiconductor, impurities may be appropriately doped from the viewpoint of conductivity, insulation, etc., and conversely, impurities should be reduced as much as possible. Also good.
つぎに、本発明のIII族窒化物半導体素子は、前述の通り、前記本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体素子であり、III族窒化物半導体の結晶層を含み、前記結晶層は一部が除去されており、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が内部の不純物濃度の平均値以下である。すなわち、本発明のIII族窒化物半導体素子は、前記本発明の製造方法により製造されることで、前記III族窒化物半導体結晶層は一部が除去されており、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が内部の不純物濃度の平均値以下であるという構成を得ることができる。しかしながら、本発明のIII族窒化物半導体素子は、この構成を有する限り、製造方法は特に制限されず、どのような方法でも良い。ただし、前記本発明の製造方法により製造することが、前述した品質向上等の観点から好ましい。また、前記本発明の製造方法は、前述の通り、前記工程(A)〜(D)を含む以外は特に制限されない。すなわち、本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体素子の構成は特に制限されず、どのような構成でも良い。ただし、前記III族窒化物半導体結晶層は一部が除去されており、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が前記結晶層内部の不純物濃度の平均値以下であるという前述の構成を有していることが好ましい。 Next, as described above, the group III nitride semiconductor device of the present invention is a group III nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention, and includes a crystal layer of a group III nitride semiconductor, A part of the layer is removed, and the average value of the impurity concentration of the upper surface portion of the crystal layer is equal to or less than the average value of the internal impurity concentration. That is, the group III nitride semiconductor device of the present invention is manufactured by the manufacturing method of the present invention, so that the group III nitride semiconductor crystal layer is partially removed, and the impurity on the upper surface of the crystal layer It is possible to obtain a configuration in which the average value of the concentration is equal to or less than the average value of the internal impurity concentration. However, as long as the group III nitride semiconductor device of the present invention has this configuration, the manufacturing method is not particularly limited, and any method may be used. However, it is preferable to manufacture by the manufacturing method of the present invention from the viewpoint of the quality improvement described above. Further, as described above, the production method of the present invention is not particularly limited except that it includes the steps (A) to (D). That is, the configuration of the group III nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention is not particularly limited, and any configuration may be used. However, the group III nitride semiconductor crystal layer is partially removed, and has the above-described configuration in which the average impurity concentration in the upper surface portion of the crystal layer is equal to or less than the average impurity concentration in the crystal layer. It is preferable.
本発明のIII族窒化物半導体素子の前記結晶層において、前記「上面部」は、例えば前記結晶層の上面から深さ50nmまでの部分であり、好ましくは前記上面から深さ30nmまでの部分であり、より好ましくは前記上面から深さ20nmまでの部分である。前記「内部」は、例えば前記上面部以外の部分である。前記不純物は、特に制限されないが、例えば酸素である。また、前記結晶層において、前記上面部の酸素濃度の平均値は、好ましくは、5×1018cm−3以下である。 In the crystal layer of the group III nitride semiconductor device of the present invention, the “upper surface portion” is, for example, a portion from the upper surface of the crystal layer to a depth of 50 nm, preferably a portion from the upper surface to a depth of 30 nm. More preferably, it is a portion from the upper surface to a depth of 20 nm. The “inside” is, for example, a portion other than the upper surface portion. The impurity is not particularly limited and is, for example, oxygen. Moreover, in the crystal layer, the average value of the oxygen concentration in the upper surface portion is preferably 5 × 10 18 cm −3 or less.
前記III族窒化物半導体結晶層は、特に制限されないが、例えば半導体レーザの電流狭窄層が好ましい。また、前記結晶層の組成も特に制限されないが、AlNから形成された層であることが特に好ましい。前記結晶層がAlNから形成されていると、絶縁性が高いため電流狭窄層として優れる等の効果が得られる。 Although the group III nitride semiconductor crystal layer is not particularly limited, for example, a current confinement layer of a semiconductor laser is preferable. The composition of the crystal layer is not particularly limited, but is particularly preferably a layer formed from AlN. When the crystal layer is made of AlN, an effect such as excellent current confinement layer can be obtained due to high insulation.
また、本発明のIII族窒化物半導体素子は、前記III族窒化物半導体結晶層以外の構成要素を適宜含んでいても良い。具体的には、例えば、前記結晶層の上に、他のIII族窒化物半導体含有層をさらに含んでいても良い。また、例えば、前記本発明の製造方法により製造される場合には、前記下地層を、本発明のIII族窒化物半導体素子の一部としてさらに含んでいても良い。前記下地層は、例えば、III族窒化物半導体を含む層であっても良い。 In addition, the group III nitride semiconductor device of the present invention may appropriately include components other than the group III nitride semiconductor crystal layer. Specifically, for example, another group III nitride semiconductor-containing layer may be further included on the crystal layer. For example, when manufactured by the manufacturing method of the present invention, the foundation layer may further be included as a part of the group III nitride semiconductor device of the present invention. The underlayer may be, for example, a layer containing a group III nitride semiconductor.
前記本発明のIII族窒化物半導体、本発明のIII族窒化物半導体素子、または前記本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体もしくはIII族窒化物半導体素子は、例えば、以下のような構成を有していても良い。すなわち、前記III族窒化物半導体またはIII族窒化物半導体素子は、例えば、第一の層(例えば前記下地層)、第二の層(前記「III族窒化物半導体結晶層」)、および第三の層(前記「他のIII族窒化物半導体含有層」)を少なくとも含み、前記第一、第二および第三の層は、それぞれIII族窒化物半導体を含んでいても良い。前記第二の層(前記「III族窒化物半導体結晶層」)は、前記第一の層(例えば前記下地層)上に設けられ、一部が除去されている。前記第二の層の一部が除去されている状態は、前述のように、前記除去部分において、前記第二の層が完全に除去され、貫通口が形成された状態でも良いし、前記第二の層の下部が除去されずに残った状態でも良い。第三の層(前記「他のIII族窒化物半導体含有層」)は、前記第二の層および前記開口部の上に設けられている。前記開口部は前記第三の層により埋め込まれて開口埋め込み部となっている。前記開口埋め込み部においては、例えば目的とする半導体素子の特性等に応じて、前記第三の層が前記第一の層の上面に接していても良いし、接していなくても良い。ただし、この構成は例示であり、前記本発明のIII族窒化物半導体、本発明のIII族窒化物半導体素子、または前記本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体もしくはIII族窒化物半導体素子は、この構成に限定されない。なお、このような構成を有するIII族窒化物半導体素子としては、特に制限されないが、例えば、インナーストライプ型GaN系レーザ、フォトニック結晶面発光レーザ等が挙げられる。 Examples of the group III nitride semiconductor of the present invention, the group III nitride semiconductor device of the present invention, or the group III nitride semiconductor or group III nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention are as follows. You may have the structure. That is, the Group III nitride semiconductor or Group III nitride semiconductor element includes, for example, a first layer (for example, the base layer), a second layer (the “Group III nitride semiconductor crystal layer”), and a third layer. (The “other group III nitride semiconductor-containing layer”) at least, and the first, second and third layers may each include a group III nitride semiconductor. The second layer (the “Group III nitride semiconductor crystal layer”) is provided on the first layer (for example, the base layer), and a part thereof is removed. The state in which a part of the second layer is removed may be a state in which the second layer is completely removed and a through hole is formed in the removed portion, as described above. The lower layer may be left without being removed. The third layer (the “other group III nitride semiconductor-containing layer”) is provided on the second layer and the opening. The opening is embedded by the third layer to form an opening embedded portion. In the opening buried portion, the third layer may or may not be in contact with the upper surface of the first layer, for example, depending on the characteristics of the target semiconductor element. However, this configuration is merely an example, and the group III nitride semiconductor of the present invention, the group III nitride semiconductor device of the present invention, or the group III nitride semiconductor or group III nitride produced by the production method of the present invention The semiconductor element is not limited to this configuration. The group III nitride semiconductor device having such a configuration is not particularly limited, and examples thereof include an inner stripe type GaN-based laser and a photonic crystal surface emitting laser.
前記III族窒化物半導体結晶層の直下の層(前記「下地層」または「第一の層」)および直上の層(前記「他のIII族窒化物半導体含有層」または「第三の層」)もIII族窒化物半導体から形成されていれば、III族窒化物半導体素子の製造工程において、前記III族窒化物半導体結晶層または非結晶層が不純物となって拡散することがない。また、前記第一の層および前記第三の層がIII族窒化物半導体から形成されていれば、熱処理による前記非結晶層の結晶化(前記工程(D))も比較的容易に行なうことができる。さらに、前述の通り、保護層もIII族窒化物から形成された層とすることで、保護層が不純物として拡散することがない。また、これにより、熱処理による保護層除去(前記工程(E))を比較的容易に実施することができる。 The layer immediately below the group III nitride semiconductor crystal layer (the “underlying layer” or “first layer”) and the layer immediately above (the “other group III nitride semiconductor-containing layer” or “third layer”) ) Is also formed from a group III nitride semiconductor, the group III nitride semiconductor crystal layer or amorphous layer does not diffuse as an impurity in the manufacturing process of the group III nitride semiconductor device. In addition, if the first layer and the third layer are formed of a group III nitride semiconductor, the amorphous layer can be crystallized by heat treatment (the step (D)) relatively easily. it can. Furthermore, as described above, the protective layer is also formed of a group III nitride so that the protective layer does not diffuse as an impurity. This also makes it possible to remove the protective layer by heat treatment (the step (E)) relatively easily.
本発明のIII族窒化物半導体素子または本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体素子は、例えば、半導体レーザ、電界効果トランジスタ、またはフォトニック結晶面発光レーザであるが、これに限定されず、どのようなIII族窒化物半導体素子でも良い。 The group III nitride semiconductor device of the present invention or the group III nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention is, for example, a semiconductor laser, a field effect transistor, or a photonic crystal surface emitting laser, but is not limited thereto. Instead, any group III nitride semiconductor device may be used.
[実施形態2]
次に、本発明の別の実施形態について説明する。具体的には、本実施形態においては、半導体レーザおよびその製造方法の例について説明する。本実施形態では、インナーストライプ型半導体レーザおよびその製造方法の例について特に詳しく説明する。
[Embodiment 2]
Next, another embodiment of the present invention will be described. Specifically, in this embodiment, an example of a semiconductor laser and a manufacturing method thereof will be described. In this embodiment, an example of an inner stripe type semiconductor laser and a manufacturing method thereof will be described in detail.
図2は、本発明の製造方法によるIII族窒化物半導体素子の製造の一例を示す模式図である。同図(a)〜(d)に示す順で製造工程を進行させ、同図(d)に示すIII族窒化物半導体素子を製造する。図2(a)は、活性層の成長工程における断面図である。図2(b)は、開口部(ストライプ)を形成する工程における断面を示す図である。図2(c)は、p型クラッド層を再成長させる工程を示す断面図である。図2(d)は、電極形成工程を経て完成したIII族窒化物半導体素子を示す断面図である。なお、同図に示すIII族窒化物半導体素子は、半導体レーザである。 FIG. 2 is a schematic view showing an example of the production of a group III nitride semiconductor device by the production method of the present invention. The manufacturing process proceeds in the order shown in FIGS. 4A to 4D to manufacture the group III nitride semiconductor device shown in FIG. FIG. 2A is a cross-sectional view in the active layer growth step. FIG. 2B is a view showing a cross section in the step of forming the opening (stripe). FIG. 2C is a cross-sectional view showing a process of regrowing the p-type cladding layer. FIG. 2D is a cross-sectional view showing the group III nitride semiconductor device completed through the electrode formation step. The group III nitride semiconductor device shown in the figure is a semiconductor laser.
まず、図2(d)に示す半導体レーザ(III族窒化物半導体素子)について説明する。この半導体レーザは、前記本発明のIII族窒化物半導体素子である。また、この半導体レーザは、後述するように、前記本発明の製造方法にしたがって製造することができる。図示のとおり、この半導体レーザ100は、それぞれIII族窒化物半導体層である第一の層(p型GaNガイド層107)と、第二の層(電流狭窄層114)と、第三の層(p型クラッド層108)とを主要構成要素とする。第一の層(p型GaNガイド層107)は、前記「下地層」に相当する。第二の層(電流狭窄層114)は、前記「III族窒化物半導体の結晶層」に相当する。第三の層(p型クラッド層108)は、前記「他のIII族窒化物半導体含有層」に相当する。第二の層(電流狭窄層114)は、第一の層(p型GaNガイド層107)の上に設けられ、開口埋め込み部114A’が形成されている。第三の層(p型クラッド層108)は、第二の層(電流狭窄層114)および開口埋め込み部114A’の上に設けられている。開口埋め込み部114A’の上では、第三の層(p型クラッド層108)が開口埋め込み部114A’に埋め込まれ、第三の層(p型クラッド層108)が第一の層(p型GaNガイド層107)上面に接している。すなわち、第三の層(p型クラッド層108)と第一の層(p型GaNガイド層107)との界面は、開口埋め込み部114A’底部に存在する。第三の層(p型クラッド層108)と第一の層(p型GaNガイド層107)との界面は、第二の層(電流狭窄層114)と第一の層(p型GaNガイド層107)との界面と、ほぼ同一平面上にある。また、p型クラッド層108の上面(後述するp型コンタクト層109側の面)は、ほぼ平坦である。第二の層(電流狭窄層114)上面部(第二の層上の第三の層との界面)の不純物濃度の平均値は、第二の層内部の不純物濃度の平均値と同等またはそれ以下である。
First, the semiconductor laser (group III nitride semiconductor device) shown in FIG. This semiconductor laser is the group III nitride semiconductor device of the present invention. The semiconductor laser can be manufactured according to the manufacturing method of the present invention, as will be described later. As shown, the
つぎに、この半導体レーザ100の全体の構成について説明する。図2(d)に示すとおり、この半導体レーザ100は、101、102、103、104、105、106、107、114、108および109の符合で表される各層が、この順番で下から上に積層されている。より具体的には、半導体レーザ100は、半導体基板としてのn型GaN基板101と、n型GaN基板101上に設けられたSiドープn型GaN層102と、Siドープn型GaN層102上に設けられたn型クラッド層103と、n型クラッド層103上に設けられたn型光閉じ込め層104と、n型光閉じ込め層104上に設けられた活性層としての3周期多重量子井戸(MQW)層105と、3周期多重量子井戸(MQW)層105上に設けられたキャップ層106と、キャップ層106上に設けられたp型GaNガイド層107と、p型GaNガイド層107上に設けられた電流狭窄層114と、電流狭窄層114上に設けられたp型クラッド層108と、p型クラッド層108上に設けられたp型コンタクト層109とを有する。主要構成要素である第一の層(下地層、p型GaNガイド層107)、第二の層(III族窒化物半導体の結晶層、電流狭窄層114)および第三の層(他のIII族窒化物半導体含有層、p型クラッド層108)の位置および結合関係は、前述の通りである。さらに、n型GaN基板101の下面(裏面)側にはn電極112が設けられ、p型コンタクト層109上には、p電極113が設けられている。
Next, the overall configuration of the
前述の通り、n型GaN基板101の表面(上面)側には各半導体層102、103、104、105、106、107、114、108および109がこの順番で積層され、裏面(下面)側にはn電極112が設けられている。Siドープn型GaN層102は、例えば、Si濃度4×1017cm−3であり、厚さは、1μmである。n型クラッド層103は、例えば、Siドープn型Al0.05Ga0.95Nから構成される層であり、例えば、Si濃度4×1017cm−3、厚さ2μmである。n型光閉じ込め層104は、例えば、Siドープn型GaNから形成され、例えば、Si濃度4×1017cm−3、厚さ0.1μmである。さらに、3周期多重量子井戸(MQW)層105は、例えば、In0.1Ga0.9N(たとえば、厚さ3nm)井戸層とアンドープGaN(例えば、厚さ10nm)バリア層とを含んで構成される。キャップ層106は、例えば、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nから形成されている。p型GaNガイド層107は、例えば、Mgドープp型GaNから形成され、例えば、Mg濃度1×1019cm−3、厚さ0.1μmである。電流狭窄層114およびp型クラッド層108の組成および厚さについては後述する。p型コンタクト層109は、Mgドープp型GaN(例えば、Mg濃度2×1020cm−3以下、厚さ0.02μm)から形成されている層である。このp型コンタクト層109上には、前述の通り、p電極113が設けられている。
As described above, the semiconductor layers 102, 103, 104, 105, 106, 107, 114, 108, and 109 are stacked in this order on the front surface (upper surface) side of the n-
つぎに、この半導体レーザ(III族窒化物半導体素子)100を製造する方法について、図2(a)〜(d)に基づき説明する。 Next, a method for manufacturing this semiconductor laser (group III nitride semiconductor device) 100 will be described with reference to FIGS.
本発明の前記工程(A)〜(F)の実施に先立ち、基板上に、前記「下地層」およびその他の層を積層させる。すなわち、まず、n型GaN基板101上に、Siドープn型GaN層102、n型クラッド層103、n型光閉じ込め層104、3周期多重量子井戸(MQW)層105、キャップ層106、p型GaNガイド層107を、例えば、有機金属気相成長法(以下MOVPE法)により積層する。前述の通り、p型GaNガイド層107が「下地層」となる。
Prior to the implementation of the steps (A) to (F) of the present invention, the “underlayer” and other layers are laminated on a substrate. That is, first, on an n-
次に、図2(a)に示すとおり、p型GaNガイド層107(下地層)上に、III族窒化物非結晶層114’を形成し(前記工程(A))、さらにその上に、保護層115を形成する(前記工程(B))。 Next, as shown in FIG. 2A, a group III nitride amorphous layer 114 ′ is formed on the p-type GaN guide layer 107 (underlying layer) (the step (A)), and further, A protective layer 115 is formed (the step (B)).
III族窒化物非結晶層114’の組成は特に制限されないが、前述の通り、例えばInaGabAl1−a−bN(0≦a<1、0≦b<1、0≦a+b<1)の組成を有するIII族窒化物半導体から形成されていることが好ましい。保護層115の組成も特に制限されないが、前述の通り、例えばIncGadAl1−c−dN(0≦c≦1、0≦d≦1、0<c+d≦1)の組成を有するIII族窒化物半導体から形成されていることが好ましい。非結晶層114’のIn組成比は、前述の通り、ゼロまたは保護層115のIn組成比よりも小さいことが好ましい。例えば、非結晶層114’は、例えば厚さ0.1μmのAlN層であっても良く、保護層115は、例えば厚さ0.01μmのInNであっても良い。 The composition of the group III nitride amorphous layer 114 ′ is not particularly limited. As described above, for example, In a Ga b Al 1-ab N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b <1, 0 ≦ a + b < It is preferably formed from a group III nitride semiconductor having the composition of 1). Is not particularly limited composition of the protective layer 115 has previously described, for example, the composition of In c Ga d Al 1-c -d N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 <c + d ≦ 1) It is preferably formed from a group III nitride semiconductor. As described above, the In composition ratio of the amorphous layer 114 ′ is preferably zero or smaller than the In composition ratio of the protective layer 115. For example, the amorphous layer 114 ′ may be an AlN layer having a thickness of 0.1 μm, for example, and the protective layer 115 may be InN having a thickness of 0.01 μm, for example.
非結晶層114’(例えば非結晶AlN)および保護層115(例えば非結晶InN)は、例えば、有機金属気相成長法(以下MOVPE法)により600℃以下の低温で堆積させる。なお、例えばMOVPE法によりp型GaNガイド層107上に高温で単結晶AlN層を作製すると、堆積時にAlN層にクラックが発生しやすい。本発明では、III族窒化物半導体層(AlN等)を、下地層の上に非結晶層として形成し、エッチング後に結晶化させるので、このようなクラック発生が起こりにくく、エッチングもしやすいという利点がある。
The amorphous layer 114 ′ (for example, amorphous AlN) and the protective layer 115 (for example, amorphous InN) are deposited at a low temperature of 600 ° C. or less by, for example, a metal organic chemical vapor deposition method (hereinafter, MOVPE method). For example, if a single crystal AlN layer is formed on the p-type
保護層115の堆積温度は特に制限されず、例えば、非結晶層114’の堆積温度より高く設定しても良い。ただし、保護層115の堆積温度が高すぎると、非結晶層114’(例えば非結晶AlN)の結晶化が進み次のエッチング工程(C)でのエッチング速度が低下する可能性がある。したがって、保護層115の堆積温度は、例えば前述の通り、600℃以下が好ましい。 The deposition temperature of the protective layer 115 is not particularly limited, and may be set higher than the deposition temperature of the amorphous layer 114 ′, for example. However, if the deposition temperature of the protective layer 115 is too high, the crystallization of the amorphous layer 114 ′ (for example, amorphous AlN) proceeds and the etching rate in the next etching step (C) may decrease. Therefore, the deposition temperature of the protective layer 115 is preferably 600 ° C. or lower as described above, for example.
さらに、保護層115(例えば非結晶InN)の上に、SiO2などのマスク(図示せず)を形成する。そして、図2(b)に示すとおり、前記マスクでカバーされていない領域の保護層115および非結晶層114’をエッチングにより除去し、開口部114Aを設ける(前記工程(C))。エッチング方法は特に制限されないが、例えば、フォトリソグラフィーとウェットエッチング等により実施することができる。エッチング液も特に制限されず、例えば、リン酸含有液等、一般的なエッチング液を適宜用いることができる。前記エッチング液は、例えば、リン酸と硫酸を体積比1:1の割合で混合した90℃の溶液であっても良い。エッチングマスクも特に制限されないが、エッチング液等により侵されにくい材料が好ましい。前記エッチングマスクとしては、SiO2以外には、例えば、SiNxや、レジストを含む有機物等が挙げられる。
Further, a mask (not shown) such as SiO 2 is formed on the protective layer 115 (for example, amorphous InN). Then, as shown in FIG. 2B, the protective layer 115 and the amorphous layer 114 ′ in the region not covered with the mask are removed by etching, and an
つぎに、図2(b)に示す積層体(半導体レーザウェハ)をMOVPE炉に再投入し、徐々に基板温度を上昇させる。昇温中にIII族窒化物非結晶層114’は結晶層(電流狭窄層)114に変換される(前記工程(D))。このとき、電流狭窄層114の表面は保護層115で保護されているため、マストランスポート等による表面平坦性の悪化を防止することができる。電流狭窄層114の結晶化がある程度進んだ後、さらにp型クラッド層108の成長温度まで昇温すると、保護層115は蒸発する(前記保護層除去工程(E))。このように、p型クラッド層108の再成長を開始するまでの間に保護層115を熱エッチングによって除去することで、極めて清浄な電流狭窄層114表面が現れる。この上にp型クラッド層108の再成長を実施することができるため、ピットや凹凸のない極めて平坦なp型クラッド層108を得ることができる。なお、例えば、電流狭窄層114が結晶化した後、p型クラッド層の再成長開始前にH2ガスを導入して熱処理することは、熱エッチングの効率向上や残留不純物濃度低減に有効である。
Next, the laminated body (semiconductor laser wafer) shown in FIG. 2B is again put into the MOVPE furnace, and the substrate temperature is gradually raised. During the temperature increase, the group III nitride amorphous layer 114 ′ is converted into a crystalline layer (current confinement layer) 114 (step (D)). At this time, since the surface of the current confinement layer 114 is protected by the protective layer 115, deterioration of surface flatness due to mass transport or the like can be prevented. After the current confinement layer 114 has been crystallized to some extent, when the temperature is further raised to the growth temperature of the p-
さらに、図2(c)に示すとおり、保護層115を完全に除去した清浄な電流狭窄層114の表面上にp型クラッド層108を積層し(前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F))、さらに、p型コンタクト層109を積層する。p型クラッド層108は、開口部114Aを埋め込んで開口埋め込み部114A’を形成するように積層(再成長)させる。p型クラッド層108は、例えば、Mgドープp型Al0.05Ga0.95Nから形成されている層であり、例えば、Mg濃度1×1019cm−3、厚さ0.5μmとする。
Further, as shown in FIG. 2C, a p-
その後さらに、図2(d)に示すとおり、p型コンタクト層109の上にp電極113を設け、n型GaN基板101裏面(下面)にn電極112を設ける。これにより、半導体レーザ100を得ることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 2D, a p-
このような半導体レーザ100では、例えば、電流狭窄層114とp型クラッド層108との界面に珪素、酸素、炭素などの残留不純物が少なく、電流狭窄層114内部の不純物濃度の平均値以下であることが好ましい。より具体的には、例えば、電気狭窄層上面部における酸素濃度の平均値、珪素濃度の平均値、炭素濃度の平均値がいずれも5×1018cm−3程度以下であることがより好ましい。これによれば、電流狭窄層114表面にp型クラッド層108を再成長させる場合、二次元結晶核の発生頻度の斑(むら)が抑制されピットや凹凸が発生しにくく、厚みのばらつきが抑制された非常に平坦なp型クラッド層108を得ることができる。p型クラッド層108が非常に平坦であることで、半導体レーザ100の動作電圧のばらつきを防止することができる。さらに、p型クラッド層108の開口埋め込み部114A’近傍の厚みおよび埋め込み形状のばらつきが防止できるので、光閉じ込め構造の設計とのずれを防止することができ、閾値や、キンクレベルなどの特性のばらつきを抑制することができる。
In such a
インナーストライプ型GaNレーザにおいて、特にAlN開口埋め込み部近傍にピットが発生すると、ピット部で未消費の成長原料が表面拡散などによりその周辺部へ供給される。このため、前記AlN開口埋め込み部の層厚が部分的に増大し、前記AlN開口埋め込み部の埋め込み形状がばらつく一因となってしまう。前記AlN開口埋め込み部の埋め込み形状がばらつくと、動作電圧等のLD特性が悪化したり、レーザ光の放射角や放射パターンが変化するため、わずかな成長条件やプロセス条件のずれによってLDの歩留まりが悪化したりするおそれがある。しかしながら、本発明によれば、これらの問題を効果的に解決することができる。本発明によるこれらの問題の解決は、GaNレーザ以外のインナーストライプ型レーザにも、電流狭窄層がAlN以外の材質から形成されている場合にも、効果的である。さらに、本発明によれば、インナーストライプ型レーザにおいて、電流狭窄層を一部除去した部分(開口埋め込み部)の埋め込み形状が安定化することにより、素子抵抗の増大を抑制することも可能である。インナーストライプ型レーザの素子抵抗増大が抑制されれば、素子の発熱も抑制され、これによりキャリアのオーバーフロー等も抑制することができる。したがって、本発明によれば、インナーストライプ型レーザのキャリアの注入効率を高め、これにより前記インナーストライプ型レーザの高出力化の効果を得ることも可能である。 In the inner stripe type GaN laser, particularly when a pit is generated in the vicinity of the AlN opening buried portion, unconsumed growth raw material is supplied to the peripheral portion by surface diffusion or the like. For this reason, the layer thickness of the AlN opening burying part partially increases, which causes a variation in the filling shape of the AlN opening burying part. If the embedded shape of the AlN opening embedded portion varies, the LD characteristics such as the operating voltage deteriorate, and the laser beam emission angle and the emission pattern change. It may get worse. However, according to the present invention, these problems can be effectively solved. The solution of these problems by the present invention is effective both in the inner stripe type laser other than the GaN laser and in the case where the current confinement layer is formed of a material other than AlN. Furthermore, according to the present invention, in the inner stripe type laser, it is also possible to suppress an increase in element resistance by stabilizing the embedding shape of the portion where the current confinement layer is partially removed (opening embedding portion). . If the increase in the element resistance of the inner stripe laser is suppressed, the heat generation of the element can also be suppressed, thereby suppressing the carrier overflow and the like. Therefore, according to the present invention, it is possible to increase the carrier injection efficiency of the inner stripe laser, thereby obtaining the effect of increasing the output of the inner stripe laser.
なお、電流狭窄層114としては、前述の通りAlN層が特に好ましい。電流狭窄層114を2元化合物とすることで、多元混晶と比べて、結晶化した際に平坦な表面が得られやすい。また、AlNは、III族窒化物半導体中で最も大きなバンドギャップと、最も小さな屈折率とを有するため、高い絶縁性能と、充分な光閉じ込め性能を有する電流狭窄層を実現することができる。 The current confinement layer 114 is particularly preferably an AlN layer as described above. By using the current confinement layer 114 as a binary compound, a flat surface can be easily obtained when crystallized as compared with a multi-element mixed crystal. Moreover, since AlN has the largest band gap and the smallest refractive index among the group III nitride semiconductors, a current confinement layer having high insulation performance and sufficient optical confinement performance can be realized.
また、保護層115としては、特に好ましいのは、前述の通りInN層である。InNは、III族窒化物半導体中でもっとも容易に熱分解し、またH2雰囲気下での熱エッチング速度が非常に速い。このため、保護層115がInN層であると、電流狭窄層114の結晶化工程後にp型クラッド層108の再成長温度まで昇温した際に、キャリアガスにH2を導入することなどにより完全に再蒸発させることができる。したがって、極めて清浄な電流狭窄層114表面上に再成長をおこなうことが出来るため、極めて平坦性の良いp型クラッド層108が形成できる。
The protective layer 115 is particularly preferably an InN layer as described above. InN decomposes most easily among group III nitride semiconductors and has a very high thermal etching rate in an H 2 atmosphere. For this reason, when the protective layer 115 is an InN layer, when the temperature is raised to the regrowth temperature of the p-
さらに、開口埋め込み部(ストライプ)114A’の幅は、特に制限されないが、例えば2μm以下が好ましい。これにより、開口部114Aを埋め込んで開口埋め込み部114A’とする際に容易に埋め込まれ、より厚みのばらつきが少なく表面が平坦なp型クラッド層108が得られやすい。
Further, the width of the opening embedded portion (stripe) 114A ′ is not particularly limited, but is preferably 2 μm or less, for example. As a result, the p-
なお、本発明において、半導体レーザの構造は、特に制限されず、どのような構造でも良い。電流狭窄層を有する半導体レーザすなわちインナーストライプ型半導体レーザの場合は、例えば、基板の上に、n型クラッド層、活性層、電流狭窄層およびp型クラッド層がこの順番で積層され、前記電流狭窄層は一部が除去され、除去部分が前記p型クラッド層により埋め込まれて開口埋め込み部が形成され、前記基板の下および前記p型クラッド層の上にそれぞれ電極が形成されていても良い。前記基板は、例えばn型基板である。前記基板の下の電極は、例えばn電極である。前記p型クラッド層の上の電極は、例えばp電極である。前記各層は、それらの間に他の構成要素が存在せず、直接接触していても良いし、前記各層の間に他の層等の構成要素がさらに存在していても良い。このようなインナーストライプ型半導体レーザの構造の一例としては、前述の図1(D)に示した構造がある。さらに、本発明において、インナーストライプ型半導体レーザの構造は、これに限定されず、どのような構造でも良い。 In the present invention, the structure of the semiconductor laser is not particularly limited, and any structure may be used. In the case of a semiconductor laser having a current confinement layer, that is, an inner stripe type semiconductor laser, for example, an n-type clad layer, an active layer, a current confinement layer, and a p-type clad layer are laminated in this order on a substrate. A part of the layer may be removed, and the removed portion may be filled with the p-type cladding layer to form an opening buried portion, and electrodes may be formed under the substrate and on the p-type cladding layer, respectively. The substrate is, for example, an n-type substrate. The electrode under the substrate is, for example, an n electrode. The electrode on the p-type cladding layer is, for example, a p-electrode. Each of the layers may be in direct contact with no other component between them, or another component such as another layer may further exist between the layers. An example of the structure of such an inner stripe type semiconductor laser is the structure shown in FIG. Furthermore, in the present invention, the structure of the inner stripe type semiconductor laser is not limited to this, and any structure may be used.
[実施形態3]
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。具体的には、本実施形態においては、電界効果トランジスタ(以下、FETという)およびその製造方法の例について説明する。
[Embodiment 3]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. Specifically, in the present embodiment, an example of a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) and a manufacturing method thereof will be described.
本発明において、III族窒化物半導体素子がFETである場合、その構造は特に制限されない。前記FETの構造は、例えば、前記実施形態1で述べた構造(図1(D))でも良いし、その他の任意の構造でも良い。前記FETは、例えば、以下、本実施形態において述べるような構造でも良い。 In the present invention, when the group III nitride semiconductor device is an FET, its structure is not particularly limited. The structure of the FET may be, for example, the structure described in the first embodiment (FIG. 1D) or any other structure. For example, the FET may have a structure described below in the present embodiment.
図5に、本実施形態に係るFETの断面の構造を模式的に示す。図示の通り、このFET400は、基板401、バッファ層402、キャリア走行層403、スペーサ層404およびキャリア供給層405が下から上にこの順番で積層され、その上に、さらに、ショトキ層406、ソース電極407、ドレイン電極408、ゲート電極409、およびコンタクト層410を有する。コンタクト層410は、キャリア供給層405上の左右に1つずつ配置されている。左側のコンタクト層410の上にはソース電極407が配置され、右側のコンタクト層410上にはドレイン電極408が配置されている。左右のコンタクト層410の間の中央部分は、コンタクト層410が除去されて開口部410Aが形成され、キャリア供給層405の上面が露出している。ショトキ層406は、開口部410Aにおけるキャリア層405の上に配置され、ゲート電極409は、ショトキ層406の上に配置されている。すなわち、同図に示すFETは、ソース電極407およびドレイン電極408の直下に、それぞれコンタクト層410を設けた、いわゆるワイドリセス構造を採用している。各層の材質等は特に制限されないが、例えば、基板401としてc面((0001)面)サファイア基板を用い、バッファ層402としてAlN低温成長バッファ層(膜厚20nm)、キャリア走行層403としてGaN動作層(膜厚1500nm)、スペーサ層404としてAlGaNスペーサ層(膜厚5nm)、キャリア供給層405としてAlGaN層(Al組成比0.2、膜厚20nm、Si添加量5×1018cm−3)、ショットキ層406としてInGaN(In組成比0.05、膜厚10nm)、コンタクト層410としてGaN層(膜厚20nm)をそれぞれ用いてもよい。
FIG. 5 schematically shows a cross-sectional structure of the FET according to this embodiment. As shown in the figure, the
例えば、プレーナ型のトランジスタでは、ソース・ドレイン電極直下のコンタクト層がゲート電極下にも延在して形成される。このため、ソース・ドレイン電極下のキャリア濃度を高くしてコンタクト抵抗を低減しようとすると、同時にゲート電極下のキャリア濃度も高くなってしまい、設計通りの素子特性を得ることが困難となる場合がある。これに対してワイドリセス構造を採用した場合、ソース・ドレイン電極直下のコンタクト層はゲート電極下には存在しない形態となり、コンタクト層のキャリア濃度を、ゲート電極下の層とは独立に自由に設定できる。このため、コンタクト層の導電性を改善し、コンタクト抵抗を有効に低減することができる。また、ワイドリセスの採用により、ゲート電極下の電界集中を緩和でき、トランジスタの耐圧特性等を改善することができる。 For example, in a planar type transistor, a contact layer directly under a source / drain electrode is formed so as to extend under a gate electrode. Therefore, if the carrier concentration under the source / drain electrodes is increased to reduce the contact resistance, the carrier concentration under the gate electrode also increases at the same time, and it may be difficult to obtain the element characteristics as designed. is there. On the other hand, when the wide recess structure is adopted, the contact layer directly under the source / drain electrode does not exist under the gate electrode, and the carrier concentration of the contact layer can be freely set independently of the layer under the gate electrode. . For this reason, the conductivity of the contact layer can be improved and the contact resistance can be effectively reduced. Further, by adopting a wide recess, electric field concentration under the gate electrode can be relaxed, and the breakdown voltage characteristics and the like of the transistor can be improved.
本実施形態において、図5における前記各層の形成方法は、特に制限されないが、例えば、前記実施形態2と同様、有機金属気相エピタキシャル(MOVPE)法により形成することができる。この場合、MOVPE法による成長温度は、特に制限されないが、例えば以下の通りである。
バッファ層401:400〜500℃(例えば450℃)
スペーサ層404、キャリア供給層405(AlGaN層):1040〜1100℃(例えば1080℃)
ショットキ層406(InGaN層):800〜900℃(例えば840℃)
コンタクト層410(GaN層):200〜500℃(例えば350℃)
In the present embodiment, the method for forming each layer in FIG. 5 is not particularly limited, but for example, it can be formed by a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method as in the second embodiment. In this case, the growth temperature by the MOVPE method is not particularly limited, but is as follows, for example.
Buffer layer 401: 400 to 500 ° C. (for example, 450 ° C.)
Schottky layer 406 (InGaN layer): 800 to 900 ° C. (for example, 840 ° C.)
Contact layer 410 (GaN layer): 200 to 500 ° C. (eg, 350 ° C.)
図5に示すFETは、より具体的には、例えば、以下のようにして製造することができる。すなわち、まず、基板401上に、バッファ層402、キャリア走行層403、スペーサ層404およびキャリア供給層405を、下から上にこの順番で積層させる。次に、キャリア供給層405を下地層とし、その上面の全体に、III族窒化物の非結晶層を形成する(前記非結晶層形成工程(A))。この非結晶層が、コンタクト層410の前駆層となる。前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)の形成方法は特に制限されないが、例えば、成膜温度を200〜500℃、好ましくは300〜400℃としてGaNの非結晶層を低温成長させ、これを前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)としても良い。次に、前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)の上面全体に、保護層(図示せず)を形成する(前記保護層形成工程(B))。前記保護層の材質は特に制限されないが、III族窒化物から形成されることが好ましく、例えば、熱エッチングの選択性の観点から、前記実施形態2で述べた材質と同様の材質がより好ましい。
More specifically, the FET shown in FIG. 5 can be manufactured as follows, for example. That is, first, the
次に、前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)と前記保護層の一部をエッチングにより除去して開口部410Aを形成する(前記エッチング工程(C))。エッチング方法は特に制限されず、ウェットエッチングでもドライエッチングでも良いが、例えば、フォトリソグラフィー(フォトレジストを塗布し、露光および現像によりエッチングパターンを形成する方法)およびウェットエッチングを用いた方法が好ましい。エッチング液としてはリン酸含有液が好ましく、適宜硫酸等の他の酸を混合してもよい。リン酸含有量は特に制限されないが、例えば、エッチング液全体に対し、体積基準で10〜90%とする。エッチング後、前記保護層が形成された状態で、前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)を熱処理してIII族窒化物半導体結晶層(コンタクト層410)に変換する(前記半導体結晶層形成工程(D))。前記熱処理の温度は特に制限されないが、前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)がGaNの場合、例えば700〜1300℃、好ましくは900〜1200℃である。
Next, the amorphous layer (
例えば、前記保護層を形成せずに、前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)をエッチングして開口部を形成すると、開口部形成工程中に、前記非結晶層(コンタクト層410前駆層)表面が不純物により汚染されるおそれがある。前記不純物汚染が起こると、FETのコンタクト層上面に不純物濃度のばらつきが生じ、それによりコンタクト抵抗の上昇やばらつき等の問題が発生する可能性がある。しかし、本発明によれば、不純物濃度に起因するそれらの問題を解決し、優れた品質を有するワイドリセス型FETを製造することができる。
For example, when the opening is formed by etching the amorphous layer (
そして、前記半導体結晶層形成工程(D)によりコンタクト層410を形成した後、前記保護層を、熱エッチングにより除去する(前記保護層除去工程(E))。前記熱エッチングの温度も特に制限されないが、例えば、前記実施形態2と同様でも良い。さらに、開口部410Aにおけるキャリア供給層405上面にショトキ層406を形成する。そして、左側のコンタクト層410の上面にソース電極407を、右側のコンタクト層410の上面にドレイン電極408を、ショトキ層406の上面にゲート電極409をそれぞれ形成し、図5に示すワイドリセス型FET(電界効果トランジスタ)を製造することができる。
Then, after forming the
なお、ショトキ層406の形成方法は特に制限されないが、例えば、開口部410Aを全て埋め込むようにIII族窒化物半導体層(InGaN層等)を形成した後、不要部分を除去し、残った部分をショトキ層406としても良い。前記不要部分の除去方法も特に制限されないが、例えば、Cl2ガスを用いたドライエッチング(ECR法)でも良い。ソース電極407、ドレイン電極408およびゲート電極409の形成方法も特に制限されないが、例えば以下のようにする。すなわち、まず、ショトキ層406形成後、第一の金属としてTi/Al(Ti層の膜厚10nm、Al層の膜厚200nm)を、電子銃蒸着により、左右のコンタクト層410の上面に形成する。その第一の金属層をしてソース電極407およびドレイン電極408を形成する。第二の金属としてNi/Au(Ni層の膜厚10nm、Au層の膜厚200nm)を電子銃蒸着によりショトキ層406上面に形成し、リフトオフすることによりゲート電極409を形成する。
Although the method for forming the
図5に示すようなワイドリセス型FETは、プレーナ型のFETよりもコンタクト層の導電性が優れている。このため、ワイドリセス型FETによれば、例えば、コンタクト抵抗が顕著に低減する、ゲート電極下の電界集中が有効に緩和され、耐圧特性等が改善される、等の効果を得ることができる。さらに、ワイドリセス型FETを本発明のIII族窒化物半導体素子の製造方法で製造することにより、あるいはワイドリセス型FETが本発明のIII族窒化物半導体素子であることにより、前述の通り、コンタクト層上面不純物濃度に起因するコンタクト抵抗の上昇やばらつき等の問題を解決できる。 A wide recess type FET as shown in FIG. 5 has better contact layer conductivity than a planar type FET. For this reason, according to the wide recess type FET, for example, it is possible to obtain such effects that the contact resistance is remarkably reduced, the electric field concentration under the gate electrode is effectively relaxed, and the withstand voltage characteristics are improved. Further, as described above, the wide recess type FET is manufactured by the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device of the present invention, or the wide recess type FET is the group III nitride semiconductor device of the present invention. It is possible to solve problems such as an increase and variation in contact resistance caused by the impurity concentration.
なお、本発明において、電界効果トランジスタ(FET)の構造は、特に制限されない。ワイドリセス型FETの場合は、例えば、下地層の上にコンタクト層が形成され、前記コンタクト層の一部が除去されて開口部が形成され、前記コンタクト層の上に電極が形成されていれば良い。すなわち、図5において、キャリア供給層405およびその下の層は、他の任意の構造に置き換えても良い。ショトキ層406およびゲート電極409も、他の任意の構造に置き換えても良いし、または省略しても良い。さらに、本発明において、ワイドリセス型FETの構造は、これに限定されず、どのような構造でも良い。
In the present invention, the structure of the field effect transistor (FET) is not particularly limited. In the case of a wide recess type FET, for example, a contact layer is formed on an underlayer, a part of the contact layer is removed to form an opening, and an electrode is formed on the contact layer. . That is, in FIG. 5, the
[実施形態4]
次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。本実施形態では、具体的には、フォトニック結晶面発光レーザの例について説明する。
[Embodiment 4]
Next, still another embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, specifically, an example of a photonic crystal surface emitting laser will be described.
図6に、本実施形態のフォトニック結晶面発光レーザの断面の構造を模式的に示す。図示の通り、このフォトニック結晶面発光レーザ500は、基板501の上に、n型クラッド層502、活性層503、フォトニック結晶層505およびp型クラッド層508がこの順番で積層されている。フォトニック結晶層505は、一部がエッチングにより除去され、多数の開口埋め込み部505A’が規則的に形成されている。開口埋め込み部505A’は、p型クラッド層508により埋め込まれている。基板501の下には、電極512が形成されている。p型クラッド層508の上には、電極513が形成されている。基板501は、例えばn型基板である。基板501の下の電極512は、例えばn電極である。p型クラッド層508の上の電極513は、例えばp電極である。
FIG. 6 schematically shows a cross-sectional structure of the photonic crystal surface emitting laser of the present embodiment. As shown in the figure, in this photonic crystal
なお、図6においては、開口埋め込み部505A’は、フォトニック結晶層505下部を完全に除去せずに残している。活性層503とp型クラッド層508とは直接接触しておらず、フォトニック結晶層505により隔てられている。しかし、本発明のフォトニック結晶面発光レーザの構造はこれに限定されず、例えば、開口埋め込み部においてフォトニック結晶層が完全に除去されて貫通口が形成され、活性層(下地層)上面とp型クラッド層とが直接接触していても良い。
In FIG. 6, the opening buried
本実施形態において、図6における前記各層の材質、厚み等は特に制限されず、例えば、既存のフォトニック結晶面発光レーザ等に準じて適宜選択することができる。図6における各層の形成方法も特に制限されないが、例えば、前記各実施形態と同様、有機金属気相エピタキシャル(MOVPE)法により形成することができる。MOVPE法による成長温度も特に制限されず、適宜設定することができる。 In the present embodiment, the material, thickness, and the like of each layer in FIG. 6 are not particularly limited, and can be appropriately selected according to, for example, an existing photonic crystal surface emitting laser. The formation method of each layer in FIG. 6 is not particularly limited, but can be formed by, for example, a metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) method as in the above embodiments. The growth temperature by the MOVPE method is not particularly limited and can be set as appropriate.
図6に示すフォトニック結晶面発光レーザは、より具体的には、例えば、以下のようにして製造することができる。すなわち、まず、基板501の上に、n型クラッド層502および活性層503をこの順番で積層させる。次に、活性層503を下地層とし、その上面の全体に、III族窒化物の非結晶層を形成する(前記非結晶層形成工程(A))。この非結晶層が、フォトニック結晶層505の前駆層となる。前記非結晶層(フォトニック結晶層505前駆層)の形成方法も特に制限されないが、例えば、前記各実施形態におけるGaNの非結晶層と同様でも良い。次に、前記非結晶層(フォトニック結晶層505前駆層)の上面全体に、保護層(図示せず)を形成する(前記保護層形成工程(B))。前記保護層の材質は特に制限されないが、III族窒化物から形成されることが好ましい。前記保護層の材質は、例えば、熱エッチングの選択性の観点から、前記実施形態2で述べた材質と同様の材質がより好ましい。
More specifically, the photonic crystal surface emitting laser shown in FIG. 6 can be manufactured as follows, for example. That is, first, the n-
次に、前記非結晶層(フォトニック結晶層505前駆層)と前記保護層の一部をエッチングにより除去して開口部を形成する(前記エッチング工程(C))。エッチング方法は特に制限されず、ウェットエッチングでもドライエッチングでも良いが、例えば、フォトリソグラフィーおよびウェットエッチングを用いた方法が好ましい。エッチング液その他のエッチング条件も特に制限されないが、例えば、前記各実施形態と同様でも良い。エッチング後、前記保護層が形成された状態で、前記非結晶層(フォトニック結晶層505前駆層)を熱処理してIII族窒化物半導体結晶層(コンタクト層410)に変換する(前記半導体結晶層形成工程(D))。前記熱処理の温度は特に制限されないが、例えば、前記各実施形態と同様でも良い。
Next, the amorphous layer (
例えば、前記保護層を形成せずに、前記非結晶層(フォトニック結晶層505前駆層)をエッチングして開口部を形成すると、開口部形成工程中に、前記非結晶層(フォトニック結晶層505前駆層)表面が不純物により汚染されるおそれがある。前記不純物汚染が起こると、フォトニック結晶面発光レーザのフォトニック結晶層上面に不純物濃度のばらつきが生じ、それにより発光特性の低下等の問題が発生する可能性がある。しかし、本発明によれば、不純物濃度に起因するそれらの問題を解決し、優れた品質を有するフォトニック結晶面発光レーザを製造することができる。
For example, if the opening is formed by etching the amorphous layer (
そして、前記半導体結晶層形成工程(D)によりフォトニック結晶層505を形成した後、前記保護層を、熱エッチングにより除去する(前記保護層除去工程(E))。前記熱エッチングの温度も特に制限されないが、例えば、前記各実施形態と同様でも良い。さらに、フォトニック結晶層505上面の全体にp型クラッド層508を形成する。前記開口部は、p型クラッド層508により埋め込まれ、開口埋め込み部505A’となる。そして、基板501の下に電極512を、p型クラッド層513の上に電極513をそれぞれ形成し、図6に示すフォトニック結晶面発光レーザを形成することができる。
Then, after forming the
なお、本発明において、フォトニック結晶面発光レーザの構造は、特に制限されない。例えば、図6における各層は、それらの間に他の構成要素が存在せず、直接接触していても良いし、前記各層の間に他の層等の構成要素がさらに存在していても良い。さらに、本発明において、フォトニック結晶面発光レーザの構造は、これに限定されず、どのような構造でも良く、例えば、従来のフォトニック結晶面発光レーザの構造に適宜準じた構造でも良い。 In the present invention, the structure of the photonic crystal surface emitting laser is not particularly limited. For example, each layer in FIG. 6 may be in direct contact with no other component between them, or another component such as another layer may exist between the layers. . Furthermore, in the present invention, the structure of the photonic crystal surface-emitting laser is not limited to this, and may be any structure, for example, a structure that conforms appropriately to the structure of a conventional photonic crystal surface-emitting laser.
前記実施形態1〜4で説明したようにして本発明を実施することができるが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、適宜変更を加えても良い。具体的には、例えば、前記各実施形態の製造方法における処理温度、エッチング液組成等の各種条件はどのように変更しても良く、前記工程(A)〜(D)を含む限り本発明の製造方法に含まれる。本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体またはIII族窒化物半導体素子の構成も、前記各実施形態の構成に限定されず、前述の通りどのような構成でも良い。例えば、前記各層の厚さ、層の数、組成等は、必要に応じ適宜変更しても良い。なお、本発明のIII族窒化物半導体およびIII族窒化物半導体素子は、前述の通り、III族窒化物半導体の結晶層を含み、前記結晶層は一部が除去されており、前記結晶層上面部の不純物濃度の平均値が内部の不純物濃度の平均値以下である。これ以外には、本発明のIII族窒化物半導体およびIII族窒化物半導体素子の構成は限定されず、どのような構成でも良いし、また、どのような方法により製造しても良い。 Although the present invention can be implemented as described in the first to fourth embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and modifications may be made as appropriate. Specifically, for example, various conditions such as the processing temperature and the etching solution composition in the manufacturing method of each embodiment may be changed in any way, and as long as the steps (A) to (D) are included, Included in the manufacturing method. The configuration of the group III nitride semiconductor or group III nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention is not limited to the configuration of each of the above embodiments, and may be any configuration as described above. For example, the thickness of each layer, the number of layers, the composition, and the like may be appropriately changed as necessary. The group III nitride semiconductor and group III nitride semiconductor device of the present invention include a crystal layer of a group III nitride semiconductor as described above, and the crystal layer is partially removed, and the upper surface of the crystal layer The average value of the impurity concentration of the portion is not more than the average value of the internal impurity concentration. Other than this, the configurations of the group III nitride semiconductor and the group III nitride semiconductor device of the present invention are not limited, and any configuration may be used, and any method may be used.
本発明は、例えば、前述の通りインナーストライプ型半導体レーザに適用可能であり、特に、前記実施形態2において説明したようなインナーストライプ型GaN系レーザに好ましく適用することができる。インナーストライプ型レーザは、横シングルモード光出力の上限を支配するストライプ形状の制御性や放熱性、電気抵抗などの面でドライエッチングを用いたリッジストライプ型レーザに比べ優れている。このため、インナーストライプ型レーザは、高出力レーザ向きの構造として非常に有望である。しかしながら、本発明は、インナーストライプ型半導体レーザに限定されず、あらゆるIII族窒化物半導体素子に適用可能である。例えば、リッジストライプ型レーザに本発明を適用しても良い。また、本発明は、半導体レーザには限定されず、前述のように、電界効果トランジスタ、フォトニック結晶面発光レーザ等にも適用可能である。電界効果トランジスタとしては、例えば、実施形態3において説明したようなワイドリセス型トランジスタでも良いし、その他にも、プレーナ型等、どのようなトランジスタでも良い。さらに、本発明は、これら以外のどのようなIII族窒化物半導体素子にも適用することができる。 The present invention can be applied to, for example, an inner stripe type semiconductor laser as described above, and in particular, can be preferably applied to an inner stripe type GaN laser as described in the second embodiment. The inner stripe type laser is superior to the ridge stripe type laser using dry etching in terms of controllability of the stripe shape that dominates the upper limit of the transverse single mode light output, heat dissipation, and electrical resistance. For this reason, the inner stripe type laser is very promising as a structure suitable for a high-power laser. However, the present invention is not limited to the inner stripe type semiconductor laser, and can be applied to any group III nitride semiconductor device. For example, the present invention may be applied to a ridge stripe laser. Further, the present invention is not limited to a semiconductor laser, and can be applied to a field effect transistor, a photonic crystal surface emitting laser, and the like as described above. As the field effect transistor, for example, a wide recess type transistor as described in the third embodiment may be used, or any other transistor such as a planar type may be used. Furthermore, the present invention can be applied to any group III nitride semiconductor device other than these.
本発明のIII族窒化物半導体素子、または本発明の製造方法により製造されるIII族窒化物半導体素子の適用用途としては、特に制限されず、どのような用途でもよい。例えば、半導体レーザの場合、光ディスク用光源に用いる半導体レーザ、ディスプレイ用光源に用いる半導体レーザ等、あらゆる用途に用いることができる。光ディスク用光源としては、次世代の高密度光ディスク用光源に特に有用であり、例えば、発振波長405nmの半導体レーザ(LD)に用いても良い。ディスプレイ用としては、例えば、青色(波長:約450nm)、緑色(波長:約530nm)領域で発振するIII族窒化物半導体レーザとして用いても良い。 The application of the group III nitride semiconductor device of the present invention or the group III nitride semiconductor device manufactured by the manufacturing method of the present invention is not particularly limited and may be any application. For example, in the case of a semiconductor laser, it can be used for all purposes such as a semiconductor laser used for an optical disk light source and a semiconductor laser used for a display light source. As a light source for optical disks, it is particularly useful as a light source for next-generation high-density optical disks. For display, for example, a group III nitride semiconductor laser that oscillates in a blue (wavelength: about 450 nm) or green (wavelength: about 530 nm) region may be used.
光ディスク応用における書き込み速度の高速化には、LDの高出力化が重要である。またレーザビームをスポット状に絞り込むためにビーム形状を整える必要があり、横モードの制御が重要となる。さらに、光ディスクの転送速度高速化にともない高周波特性が重要となっており、素子抵抗の低減とともに素子の寄生容量をできるだけ小さくする必要もある。ディスプレイにおいては、大画面化に対応するためにLDの高出力化が求められる他、レーザビーム形状制御の点で横モード制御が重要である。本発明によれば、前述の通り、ピットや凹凸の発生等を抑制し、品質の良いIII族窒化物半導体素子を効率よく製造することができるので、これらの要求を適宜充足することが可能である。 In order to increase the writing speed in optical disc applications, it is important to increase the output of the LD. Further, in order to narrow the laser beam into a spot shape, it is necessary to adjust the beam shape, and control of the transverse mode is important. Furthermore, high-frequency characteristics have become important as the transfer speed of optical discs increases, and it is necessary to reduce the element resistance and reduce the parasitic capacitance of the element as much as possible. In the display, in order to cope with the enlargement of the screen, the output of the LD is required to be high, and the transverse mode control is important in terms of laser beam shape control. According to the present invention, as described above, generation of pits and irregularities can be suppressed, and a high-quality group III nitride semiconductor device can be efficiently manufactured. Therefore, these requirements can be satisfied as appropriate. is there.
次に、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されない。 Next, examples of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
前述の図2(a)〜(d)に示した工程に従い、同図(d)に示す構造のIII族窒化物半導体素子(半導体レーザ)を製造した。基板にはn型キャリア濃度が1×1018cm−3程度のn型GaN(0001)基板101を用いた。素子構造の作製には300hPa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。
Example 1
In accordance with the steps shown in FIGS. 2A to 2D, a group III nitride semiconductor device (semiconductor laser) having the structure shown in FIG. An n-type GaN (0001)
まず、図2(a)に示したとおり、活性層、n型クラッド層、n型およびp型クラッド層、電流狭窄層となるIII族窒化物非結晶層の各層の成長を実施した。以下、これらの工程をまとめて「活性層成長工程」という。 First, as shown in FIG. 2A, the active layer, the n-type clad layer, the n-type and p-type clad layers, and the group III nitride amorphous layer that becomes the current confinement layer were grown. Hereinafter, these steps are collectively referred to as an “active layer growth step”.
すなわち、まず、n型GaN基板101を減圧MOVPE装置に投入後、NH3を供給しながらn型GaN基板101を昇温し、成長温度まで達した時点で前記各層の成長を開始した。これにより、Siドープn型GaN層102(Si濃度4×1017cm−3、厚さ1μm)、Siドープn型Al0.05Ga0.95N(Si濃度4×1017cm−3、厚さ2μm)から形成されているn型クラッド層103、Siドープn型GaN(Si濃度4×1017cm−3、厚さ0.1μm)から形成されているn型光閉じ込め層104、In0.1Ga0.9N(厚さ3nm)井戸層およびアンドープGaN(厚さ10nm)バリア層から形成されている3周期多重量子井戸(MQW)層105、Mgドープp型Al0.2Ga0.8Nから形成されているキャップ層106、Mgドープp型GaN(Mg濃度2×1019cm−3、厚さ0.1μm)から形成されているp型GaNガイド層107を順次堆積した。GaN成長は基板温度1080℃、TMG供給量58μmol/min、NH3供給量0.36mol/minで実施し、AlGaN成長は、基板温度1080℃、TMA供給量36μmol/min、TMG供給量58μmol/min、NH3供給量0.36mol/minで実施した。InGaN MQW成長は、基板温度850℃、TMG供給量8μmol/min、NH3供給量0.36mol/minで実施した。なお、TMIn供給量は井戸層で48μmol/minとした。
That is, first, after the n-
つぎに、基板温度を400℃程度まで降温し、前記p型GaNガイド層107(下地層)の上に非結晶AlN層114’(後に結晶化して電流狭窄層114となる)を堆積させた(前記非結晶層形成工程(A))。さらに、その上に、非結晶InN層(保護層)115を堆積させた(前記保護層形成工程(B))。非結晶AlN層114’堆積時のTMAおよびNH3供給量はそれぞれ36μmol/min、0.36mol/minであり、堆積膜厚は0.1μmであった。また非結晶InN層(保護層)115堆積時のTMIおよびNH3供給量はそれぞれ96μmol/min、0.36mol/minであり、堆積膜厚は0.01μmであった。 Next, the substrate temperature is lowered to about 400 ° C., and an amorphous AlN layer 114 ′ (later crystallized to become the current confinement layer 114) is deposited on the p-type GaN guide layer 107 (underlying layer) ( The amorphous layer forming step (A)). Further, an amorphous InN layer (protective layer) 115 was deposited thereon (the protective layer forming step (B)). When the amorphous AlN layer 114 ′ was deposited, the supply amounts of TMA and NH 3 were 36 μmol / min and 0.36 mol / min, respectively, and the deposited film thickness was 0.1 μm. Further, the TMI and NH 3 supply amounts during deposition of the amorphous InN layer (protective layer) 115 were 96 μmol / min and 0.36 mol / min, respectively, and the deposited film thickness was 0.01 μm.
以上のようにして、図2(a)に示した活性層成長工程を実施した。 As described above, the active layer growth step shown in FIG.
次に、図2(b)に示すとおり、非結晶AlN層114’および非結晶InN層(保護層)115の一部をエッチングにより除去してストライプ状の開口部114Aを形成した。この工程は、前記エッチング工程(C)に相当するが、以下、「ストライプ形成工程」とも言うことがある。
Next, as shown in FIG. 2B, a part of the amorphous AlN layer 114 'and the amorphous InN layer (protective layer) 115 was removed by etching to form a stripe-shaped
すなわち、まず、非結晶InN層(保護層)115上にSiO2を100nm堆積し、SiO2層を形成した。このSiO2層上面に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前記レジスト上に形成した。次に、バッファードフッ酸により前記レジストをマスクとして前記SiO2層をエッチングした。その後、前記レジストを有機溶媒により除去し、水洗した。非結晶InN層(保護層)115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かった。次に、前記SiO2層をマスクとして非結晶InN層(保護層)115および非結晶AlN層114’のエッチングを実施した。エッチング液としては、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た。具体的には、前記SiO2マスクでカバーされていない領域の非結晶InN層(保護層)115および非結晶AlN層114’を、90℃に保持した前記溶液中で9分間のエッチングにより除去した。これにより、開口部114Aが形成された。その後、マスクとして用いた前記SiO2層をバッファードフッ酸で除去した。このようにして、ストライプ形成工程(エッチング工程(C))を実施することができた。
That is, first, SiO 2 was deposited to a thickness of 100 nm on the amorphous InN layer (protective layer) 115 to form a SiO 2 layer. After applying a resist on the upper surface of the SiO 2 layer, a stripe pattern having a width of 1.5 μm was formed on the resist by photolithography. Next, the SiO 2 layer was etched with buffered hydrofluoric acid using the resist as a mask. Thereafter, the resist was removed with an organic solvent and washed with water. The amorphous InN layer (protective layer) 115 was not etched or damaged in each step of buffered hydrofluoric acid, organic solvent, and water washing. Next, the amorphous InN layer (protective layer) 115 and the amorphous AlN layer 114 ′ were etched using the SiO 2 layer as a mask. As an etching solution, a solution in which phosphoric acid and sulfuric acid were mixed at a volume ratio of 1: 1 was used. Specifically, the non-crystalline InN layer (protective layer) 115 and the non-crystalline AlN layer 114 ′ in the region not covered with the SiO 2 mask were removed by etching for 9 minutes in the solution maintained at 90 ° C. . Thereby, the
なお、本実施例では、非結晶InN層(保護層)115上のエッチングマスクとしてSiO2を用いた。しかしながら、このエッチングマスクは、非結晶InNおよび非結晶AlNのウェットエッチング時にエッチング液に侵されない材料であれば特に制限されない。例えば、前述のように、SiNxやレジストを含む有機物をエッチングマスクとして用いても良い。 In this example, SiO 2 was used as an etching mask on the amorphous InN layer (protective layer) 115. However, the etching mask is not particularly limited as long as it is a material that is not affected by the etchant during wet etching of amorphous InN and amorphous AlN. For example, as described above, an organic material containing SiNx or a resist may be used as an etching mask.
つぎに、前記非結晶AlN層114’を熱処理により結晶層(電流狭窄層)114に変換した(前記半導体結晶層形成工程(D))。さらに、保護層115を熱エッチングにより除去した(前記保護層除去工程(E))。その後、図2(c)に示すとおり、前記ストライプ形成工程(前記エッチング工程(C))により形成された開口部114Aを埋め込んで開口埋め込み部114A’を形成するようにp型クラッド層108を積層し(前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F))、さらにp型コンタクト層109を堆積した。以下、これらの工程をまとめて「p型クラッド再成長工程」ということがある。
Next, the amorphous AlN layer 114 'was converted into a crystalline layer (current confinement layer) 114 by heat treatment (the semiconductor crystal layer forming step (D)). Further, the protective layer 115 was removed by thermal etching (the protective layer removing step (E)). Thereafter, as shown in FIG. 2C, the p-
すなわち、まず、前記ストライプ形成工程(前記エッチング工程(C))により開口部114Aが形成された半導体レーザウェハを、MOVPE装置に投入した。続いて、前記MOVPE装置内部を、NH3供給量0.36mol/min、N2キャリアガス供給量0.9mol/minで700℃程度まで昇温した。そのまま700℃で10分間アニールすることにより、前記非結晶AlN層114’を結晶層(電流狭窄層)114に変換した(前記半導体結晶層形成工程(D))。その後、キャリアガスの一部をH2に切り換え、NH3供給量0.36mol/min、N2キャリアガス供給量0.45mol/min、H2ガス供給量0.45mol/minでp型クラッド層の成長温度である1100℃まで再び昇温した。この昇温工程が熱エッチングの役割をして保護層115は蒸発により除去され(前記保護層除去工程(E))、極めて清浄な電流狭窄層114表面が現れた。その後、基板温度を1100℃に保ったまま、Mgドープp型Al0.05Ga0.95N(Mg濃度1×1019cm−3、厚さ0.5μm)から形成されているp型クラッド層108を堆積した(前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F))。そして、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)から形成されているp型コンタクト層109を堆積した。なお、AlGaN、GaNの堆積条件は、ドーパントの違いを除いて前記活性層成長工程と同様とした。このようにして、p型クラッド再成長工程を実施することができた。
That is, first, the semiconductor laser wafer in which the
なお、前記p型クラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、開口埋め込み部114A’上でもAlN電流狭窄層114上でも、埋め込み再成長表面には、クラックやピットなどの欠陥は見られなかった。すなわち、AlN層(電流狭窄層114)が結晶化し、p型クラッド層108により、平坦に埋め込まれていたことが確認できた。なお、AlN電流狭窄層114上の埋め込み再成長表面をさらに詳しく観察すると、うねりの様なモフォロジーがごくわずかに観測されたが、実用上全く問題のないレベルであった。このモフォロジーの原因は明らかではないが、例えば、AlN電流狭窄層114とp型AlGaNクラッド層108間の格子不整合を緩和するために発生した転位等によるものと推察される。さらに、二次イオン質量分析装置を用いてp型クラッド層から電流狭窄層114にかけての残留不純物の分析を行った。その結果、電流狭窄層114中の酸素濃度は3×1018cm−3程度で、p型クラッド層108との界面(電流狭窄層114上面)近傍でもほぼ一定のままであった。
When the scanning electron microscope was observed after the p-type cladding regrowth step, defects such as cracks and pits were found on the buried regrowth surface, both on the opening buried
以上のようにして得られた構造体は、図2(c)に示すとおり、n型GaN基板101、Siドープn型GaN層102、n型クラッド層103、n型光閉じ込め層104、3周期多重量子井戸(MQW)層105、キャップ層106、p型GaNガイド層107、電流狭窄層114、p型クラッド層108、p型コンタクト層109を有する。
The structure obtained as described above includes an n-
この図2(c)の構造体のn型GaN基板101裏面(下面)にn電極112を、p型コンタクト層109上面にp電極113を、それぞれ真空蒸着法により形成した(図2(d))。以下、この工程を「電極形成工程」ということがある。そして、電極形成工程後の試料(構造体)を、開口埋め込み部(ストライプ)114A’の長手方向に直交する方向に劈開し、III族窒化物半導体素子100とした。なお、素子長は500μmとした。
An n-
前記III族窒化物半導体素子100をヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、平均で電流密度2.8kA/cm2、電圧4.1Vでレーザ発振した。また、250mW出力時の平均寿命は10000時間以上であった。すなわち、本実施例で製造したIII族窒化物半導体素子100は、良好な特性を有し、しかも長寿命であった。
When the group III
以上の通り、本実施例によれば、特性が良好で寿命が長い高品質のIII族窒化物半導体素子を、効率よく(高い歩留まりで)製造することができた。 As described above, according to this example, a high-quality group III nitride semiconductor device having good characteristics and a long life could be manufactured efficiently (with a high yield).
(実施例2)
本実施例では、前述の図2(a)〜(d)に示した工程に従い、同図(d)に示す構造のIII族窒化物半導体素子(半導体レーザ)100を製造した。製造条件は、下記(i)および(ii)以外は実施例1と同様にした。
(i)保護層115として、非結晶InN層に代えて非結晶In0.5Ga0.5N層を非結晶AlN層114’の上に堆積させた。
(ii)半導体結晶層形成工程(D)における非結晶AlN層114’の熱処理温度を750℃とした。
(Example 2)
In this example, a group III nitride semiconductor device (semiconductor laser) 100 having the structure shown in FIG. 2D was manufactured according to the steps shown in FIGS. The production conditions were the same as in Example 1 except for the following (i) and (ii).
(I) As the protective layer 115, an amorphous In 0.5 Ga 0.5 N layer was deposited on the amorphous AlN layer 114 ′ instead of the amorphous InN layer.
(Ii) The heat treatment temperature of the amorphous AlN layer 114 ′ in the semiconductor crystal layer forming step (D) was set to 750 ° C.
すなわち、まず、図2(a)に示す、活性層、n型クラッド層、n型およびp型クラッド層、電流狭窄層となるIII族窒化物非結晶層の各層の成長を実施した(活性層成長工程)。この活性層成長工程は、前記条件(i)以外は、実施例1と全く同様の条件で実施した。 That is, first, growth of each of the active layer, the n-type cladding layer, the n-type and p-type cladding layers, and the group III nitride amorphous layer that becomes the current confinement layer shown in FIG. Growth process). This active layer growth step was performed under the same conditions as in Example 1 except for the condition (i).
つぎに、図2(b)に示すとおり、実施例1と同様の「ストライプ形成工程(前記エッチング工程(C))を行い、非結晶AlN層114’および非結晶In0.5Ga0.5N層(保護層)115に、ストライプ状の開口部114Aを形成した。この「ストライプ形成工程」は、実施例1と全く同様の条件で実施した。
Next, as shown in FIG. 2B, the same “strip formation step (the etching step (C)) as in Example 1 is performed, and the amorphous AlN layer 114 ′ and the amorphous In 0.5 Ga 0.5 are formed. A stripe-shaped
つぎに、実施例1と同様の「p型クラッド再成長工程」を実施した。このp型クラッド再成長工程は、前記条件(ii)以外は、実施例1と全く同様の条件で実施した。 Next, the same “p-type cladding regrowth process” as in Example 1 was performed. This p-type cladding regrowth step was performed under the same conditions as in Example 1 except for the condition (ii).
前記p型クラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、実施例1と同様、開口埋め込み部114A’上でもAlN電流狭窄層114上でも、埋め込み再成長表面には、クラックやピットなどの欠陥は見られなかった。すなわち、AlN層(電流狭窄層114)が結晶化し、p型クラッド層108により、平坦に埋め込まれていたことが確認できた。なお、AlN電流狭窄層114上の埋め込み再成長表面をさらに詳しく観察すると、うねりの様なモフォロジーがごくわずかに観測されたが、実用上全く問題のないレベルであった。このモフォロジーの原因については明らかではないが、実施例1で述べたように推察される。さらに、二次イオン質量分析装置を用いてp型クラッド層から電流狭窄層114にかけての残留不純物の分析を行った。その結果、電流狭窄層114中の酸素濃度は3×1018cm−3程度で、p型クラッド層108との界面(電流狭窄層114上面)近傍でもほぼ一定のままであった。
When the scanning electron microscope was observed after the p-type cladding regrowth step, cracks, pits, etc. were found on the surface of the regrowth regrowth surface, both on the opening buried
以上のようにして得られた構造体は、図2(c)に示す構造を有する。図2(c)の構造については、実施例1で説明した通りである。 The structure obtained as described above has a structure shown in FIG. The structure in FIG. 2C is as described in the first embodiment.
さらに、前記構造体に対し、実施例1と同様にして図2(d)に示す「電極形成工程」を実施した。そして、電極形成工程後の試料(構造体)を、開口埋め込み部(ストライプ)114A’の長手方向に直交する方向に劈開し、III族窒化物半導体素子(半導体レーザ)100とした。なお、素子長は500μmとした。 Further, the “electrode formation step” shown in FIG. 2D was performed on the structure in the same manner as in Example 1. Then, the sample (structure) after the electrode formation step was cleaved in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the opening embedded portion (stripes) 114 </ b> A ′, so that a group III nitride semiconductor device (semiconductor laser) 100 was obtained. The element length was 500 μm.
III族窒化物半導体素子(半導体レーザ)100をヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、平均で電流密度2.8kA/cm2、電圧4.1Vでレーザ発振した。また、250mW出力時の平均寿命は10000時間以上であった。 When the group III nitride semiconductor device (semiconductor laser) 100 was fused to a heat sink and the light emission characteristics were examined, laser oscillation occurred at an average current density of 2.8 kA / cm 2 and a voltage of 4.1 V. Moreover, the average life at the time of 250 mW output was 10,000 hours or more.
(実施例3)
本実施例では、前述の図2(a)〜(d)に示した工程に従い、同図(d)に示す構造のIII族窒化物半導体素子(半導体レーザ)100を製造した。製造条件は、下記(iii)〜(v)以外は実施例1と同様にした。
(iii)III族窒化物非結晶層114’として、非結晶AlN層に代えて非結晶Al0.9Ga0.1N層をp型GaNガイド層107の上に堆積させた。
(iv)保護層115として、非結晶InNに代えて非結晶In0.5Ga0.5N層を前記非結晶Al0.9Ga0.1N層114’の上に堆積させた。
(v)半導体結晶層形成工程(D)における前記非結晶Al0.9Ga0.1N層114’の熱処理温度を750℃とした。
(Example 3)
In this example, a group III nitride semiconductor device (semiconductor laser) 100 having the structure shown in FIG. 2D was manufactured according to the steps shown in FIGS. The production conditions were the same as in Example 1 except for the following (iii) to (v).
(Iii) As the group III nitride amorphous layer 114 ′, an amorphous Al 0.9 Ga 0.1 N layer was deposited on the p-type
(Iv) As the protective layer 115, an amorphous In 0.5 Ga 0.5 N layer was deposited on the amorphous Al 0.9 Ga 0.1 N layer 114 ′ instead of the amorphous InN.
(V) The heat treatment temperature of the amorphous Al 0.9 Ga 0.1 N layer 114 ′ in the semiconductor crystal layer forming step (D) was 750 ° C.
すなわち、まず、図2(a)に示す、活性層、n型クラッド層、n型およびp型クラッド層、電流狭窄層となるIII族窒化物非結晶層の各層の成長を実施した(活性層成長工程)。この活性層成長工程は、前記条件(iii)および(iv)以外は実施例1と同様にした。 That is, first, growth of each of the active layer, the n-type cladding layer, the n-type and p-type cladding layers, and the group III nitride amorphous layer that becomes the current confinement layer shown in FIG. Growth process). This active layer growth step was performed in the same manner as in Example 1 except for the conditions (iii) and (iv).
つぎに、図2(b)に示すとおり、実施例1と同様の「ストライプ形成工程(前記エッチング工程(C))を行い、非結晶Al0.9Ga0.1N層114’および非結晶In0.5Ga0.5N層(保護層)115に、ストライプ状の開口部114Aを形成した。この「ストライプ形成工程」は、実施例1と全く同様の条件で実施した。
Next, as shown in FIG. 2B, the same “strip formation step (etching step (C)) as in Example 1 is performed, and an amorphous Al 0.9 Ga 0.1 N layer 114 ′ and an amorphous layer are formed.
つぎに、実施例1と同様の「p型クラッド再成長工程」を実施した。このp型クラッド再成長工程は、前記条件(v)以外は実施例1と全く同様の条件で実施した。 Next, the same “p-type cladding regrowth process” as in Example 1 was performed. This p-type cladding regrowth step was performed under the same conditions as in Example 1 except for the condition (v).
前記p型クラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、開口埋め込み部114A’上でもAl0.9Ga0.1N電流狭窄層114上でも、埋め込み再成長表面には、クラックやピットなどの欠陥は見られなかった。すなわち、Al0.9Ga0.1N層(電流狭窄層114)が結晶化し、p型クラッド層108により、平坦に埋め込まれていたことが確認できた。また、Al0.9Ga0.1N電流狭窄層114上の埋め込み再成長表面をさらに詳しく調べると、実施例1および実施例2の場合と比べてうねりの様なモフォロジーがさらに低減されており、より平坦性が改善されている様子が観察された。この原因は明らかではないが、例えば、電流狭窄層114がAl0.9Ga0.1Nに変更されたことにより、電流狭窄層114とp型AlGaNクラッド層108との間の格子不整合度の緩和のために発生する転位等が、低減したためと推察される。さらに、二次イオン質量分析装置を用いてp型クラッド層から電流狭窄層114にかけての残留不純物の分析を行った。その結果、電流狭窄層114中の酸素濃度は2.7×1018cm−3程度で、p型クラッド層108との界面(電流狭窄層114上面)近傍でもほぼ一定のままであった。
Scanning electron microscope observation was performed after the p-type cladding regrowth process, and as a result, cracks and cracks were found on the buried regrowth surface, both on the opening buried
以上のようにして得られた構造体は、図2(c)に示す構造を有する。図2(c)の構造については、実施例1で説明した通りである。 The structure obtained as described above has a structure shown in FIG. The structure in FIG. 2C is as described in the first embodiment.
さらに、前記構造体に対し、実施例1と同様にして図2(d)に示す「電極形成工程」を実施した。そして、電極形成工程後の試料(構造体)を、開口埋め込み部(ストライプ)114A’の長手方向に直交する方向に劈開し、III族窒化物半導体素子(半導体レーザ)100とした。なお、素子長は500μmとした。 Further, the “electrode formation step” shown in FIG. 2D was performed on the structure in the same manner as in Example 1. Then, the sample (structure) after the electrode formation step was cleaved in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the opening embedded portion (stripes) 114 </ b> A ′, so that a group III nitride semiconductor device (semiconductor laser) 100 was obtained. The element length was 500 μm.
本実施例の半導体素子100をヒートシンクに融着し発光特性を調べたところ、平均で電流密度2.8kA/cm2、電圧4.1Vでレーザ発振した。また、250mW出力時の平均寿命は10000時間以上であった。
When the
(実施例4)
本実施例では、図3(d)に示す半導体レーザ200を製造した。この半導体レーザ200は、電流狭窄層が、下部層(AlN結晶層)214および上部層(GaN結晶層)215の2層の積層構造からなる以外は実施例1の半導体レーザ100と同様である。
Example 4
In this example, the
この半導体レーザ200は、図3(a)〜(d)の模式図(断面図)に示す製造方法に基づいて製造した。具体的には以下の通りである。
This
まず、図3(a)に示すとおり、活性層、n型クラッド層、n型およびp型クラッド層、電流狭窄層となるIII族窒化物非結晶層の各層の成長を実施した(活性層成長工程)。すなわち、まず、実施例1と同様に、n型GaN基板101上に、Siドープn型GaN層102、n型クラッド層103、n型光閉じ込め層104、3周期多重量子井戸(MQW)層105、キャップ層106、p型GaNガイド層107を堆積した。次に、p型GaNガイド層107(下地層)上に、非結晶AlN層214’(後に結晶化し電流狭窄層の下部層214となる)を堆積し、続けて、非結晶AlN層214’と同じ成長温度で非結晶GaN層215’(後に結晶化し電流狭窄層の上部層215となる)を堆積した(前記非結晶層形成工程(A))。さらにその上に、非結晶InN層(保護層)216の堆積を実施した(前記保護層形成工程(B))。なお、非結晶AlN層214’の成長条件は、実施例1における非結晶AlN層114’と同じである。また、非結晶GaN堆積時のTMGおよびNH3供給量はそれぞれ12μmol/min、0.36mol/min、堆積膜厚は0.01μmとした。非結晶InN層(保護層)の成長条件は、実施例1と同じである。
First, as shown in FIG. 3 (a), each of an active layer, an n-type cladding layer, an n-type and p-type cladding layer, and a group III nitride amorphous layer to be a current confinement layer was grown (active layer growth). Process). That is, first, similarly to Example 1, an Si-doped n-
次に、図3(b)に示すとおり、実施例1と同様の「ストライプ形成工程(前記エッチング工程(C))」を行い、非結晶AlN層214’、非結晶GaN層215’および非結晶InN層(保護層)216に、ストライプ状の開口部214Aを形成した。
Next, as shown in FIG. 3B, the same “stripe formation step (etching step (C))” as in Example 1 is performed, and the
すなわち、まず、非結晶InN層(保護層)216上にSiO2を100nm堆積し、SiO2層を形成した。このSiO2層上面に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前記レジスト上に形成した。次に、バッファードフッ酸により前記レジストをマスクとして前記SiO2層をエッチングした。その後、前記レジストを有機溶媒により除去し、水洗した。非結晶AlN層214’、非結晶GaN層215’、および非結晶InN層216は、いずれも、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かった。次に前記SiO2層をマスクとして非結晶InN層216、非結晶GaN層215’および非結晶AlN層214’のエッチングを実施した。エッチング液としては、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た。具体的には、前記SiO2マスクでカバーされていない領域の非結晶InN層216、非結晶GaN層215’および非結晶AlN層214’を、90℃に保持した前記溶液中での10分間のエッチングにより除去した。これにより、開口部114Aが形成された。その後、マスクとして用いた前記SiO2層をバッファードフッ酸で除去した。このようにして、ストライプ形成工程(前記エッチング工程(C))を実施することができた。
That is, first, SiO 2 was deposited to a thickness of 100 nm on the amorphous InN layer (protective layer) 216 to form a SiO 2 layer. After applying a resist on the upper surface of the SiO 2 layer, a stripe pattern having a width of 1.5 μm was formed on the resist by photolithography. Next, the SiO 2 layer was etched with buffered hydrofluoric acid using the resist as a mask. Thereafter, the resist was removed with an organic solvent and washed with water. None of the
なお、エッチングマスクは、実施例1で述べた通り、特に制限されず、例えば、前述のように、SiNxやレジストを含む有機物をエッチングマスクとして用いても良い。 The etching mask is not particularly limited as described in the first embodiment. For example, as described above, an organic material including SiNx or a resist may be used as the etching mask.
つぎに、前記非結晶AlN層214’および前記非結晶GaN層215’を熱処理により結晶層(電流狭窄層)214および215に変換した(前記半導体結晶層形成工程(D))。さらに、保護層216を熱エッチングにより除去した(前記保護層除去工程(E))。その後、図3(c)に示すとおり、前記ストライプ形成工程(前記エッチング工程(C))により形成された開口部214Aを埋め込んで開口埋め込み部214A’を形成するようにp型クラッド層108を積層し(前記他のIII族窒化物半導体含有層形成工程(F))、さらにp型コンタクト層109を堆積した。これら「p型クラッド再成長工程」は、実施例1と全く同様の条件で実施した。
Next, the amorphous AlN layer 214 'and the amorphous GaN layer 215' were converted into crystalline layers (current confinement layers) 214 and 215 by heat treatment (the semiconductor crystal layer forming step (D)). Further, the
p型クラッド再成長工程後に走査型電子顕微鏡観察を行なった。その結果、実施例1の場合と同様に、表面にクラックやピットなどの欠陥は見られず、AlN結晶層(下部層)214およびGaN結晶層(上部層)215は、ともに結晶化し平坦に埋め込まれていることが確認できた。GaN結晶層(上部層)215上の埋め込み再成長表面をさらに詳しく観察すると、実施例1および実施例2の場合と比べてうねりの様なモフォロジーがいっそう低減されており、より平坦性が改善されている様子が観測された。この原因は明らかではないが、例えば、AlN電流狭窄層(下部層)214とp型AlGaNクラッド層108の間にGaN結晶層(上部層)215が挿入されたことにより、格子不整合度がいっそう小さくなり、緩和のために発生する転位等の欠陥がさらに低減したためと推察される。
Scanning electron microscope observation was performed after the p-type cladding regrowth step. As a result, as in Example 1, no defects such as cracks and pits were observed on the surface, and the AlN crystal layer (lower layer) 214 and the GaN crystal layer (upper layer) 215 were both crystallized and embedded flatly. It was confirmed that When the buried regrowth surface on the GaN crystal layer (upper layer) 215 is observed in more detail, the swell-like morphology is further reduced as compared with the case of Example 1 and Example 2, and the flatness is further improved. Was observed. Although the cause of this is not clear, for example, the GaN crystal layer (upper layer) 215 is inserted between the AlN current confinement layer (lower layer) 214 and the p-type
さらに、二次イオン質量分析装置を用いてp型クラッド層108からAlN結晶層下部層214にかけての残留不純物の分析を行った。その結果、電流狭窄層214および215のうち、AlN結晶層(下部層)214中の酸素濃度は3×1018cm−3程度と一定であった。さらに、GaN結晶層(上部層)215中の酸素濃度は1×1018cm−3以下であり、p型クラッド層108との界面近傍でも1×1018cm−3以下のままであった。
Furthermore, the residual impurities from the p-
さらに、実施例1と同様にして「電極形成工程」を実施した。すなわち、n型GaN基板101裏面(下面)にn電極112を、p型コンタクト層109上面にp電極113を、それぞれ真空蒸着法により形成した(図3(d))。そして、電極形成工程後の試料(構造体)を、開口埋め込み部(ストライプ)214A’の長手方向に直交する方向に劈開し、III族窒化物半導体素子200とした。なお、素子長は500μmとした。
Further, the “electrode formation step” was performed in the same manner as in Example 1. That is, an n-
このIII族窒化物半導体素子200の特性を実施例1と同様に確認したところ、閾電流密度、動作電圧、出力光の放射角ともに実施例1と同等であり、良好であった。さらに、III族窒化物半導体素子200全体での特性のばらつきは、実施例1の場合に比べてさらに約2割改善されていることが確認できた。この原因は明らかではないが、例えば、GaN結晶層(上部層)215の導入により、「p型クラッド再成長工程」における開口部214Aでのp型クラッド層108の再成長層厚や開口埋め込み部214A’の幅のばらつきのウエハ面内分布がさらに改善されたためと考えられる。
The characteristics of group III
以上の通り、本実施例によれば、実施例1と同様に、特性が良好で寿命が長い高品質のIII族窒化物半導体素子を、効率よく(高い歩留まりで)製造することができた。また、III族窒化物半導体素子の特性のばらつきを実施例1よりもさらに改善することができた。 As described above, according to this example, as in Example 1, a high-quality group III nitride semiconductor device having good characteristics and a long life could be manufactured efficiently (with a high yield). Further, the variation in characteristics of the group III nitride semiconductor device could be further improved as compared with Example 1.
(比較例)
図4(d)に示す半導体レーザ300を製造した。この半導体レーザ300は、実施例1の電流狭窄層114が314に置き換わっているが、電流狭窄層314は、電流狭窄層114と同じくAlN結晶層である。それ以外の各構成要素の材質、位置関係等も実施例1の半導体レーザ100と同様であるが、図示の通り、電流狭窄層314の上層の平坦性が悪く、また、ピット110等の欠陥が存在した。
(Comparative example)
A semiconductor laser 300 shown in FIG. 4D was manufactured. In this semiconductor laser 300, the current confinement layer 114 of Example 1 is replaced with 314, and the
この半導体レーザ300は、図4(a)〜(d)の模式図に示す工程に従って製造した。製造条件は実施例1とほぼ同じであるが、非結晶AlN層314’(結晶化により電流狭窄層314となる)の上に保護層を形成せずに製造した点で大きく異なっていた。
This semiconductor laser 300 was manufactured according to the steps shown in the schematic diagrams of FIGS. The manufacturing conditions were almost the same as in Example 1, but differed in that they were manufactured without forming a protective layer on the amorphous AlN layer 314 '(which becomes the
半導体レーザ300の製造は、より具体的には、以下のようにした。すなわち、まず、図4(a)に示したとおり、活性層、n型クラッド層、n型およびp型クラッド層、電流狭窄層の各層の成長を実施した。非結晶AlN層314’の上に保護層を形成しなかった以外は、実施例1における前記「活性層成長工程」(図2(a))と全く同様であった。なお、非結晶AlN層314’は、図2(a)の非結晶AlN層114’と全く同じ層であり、その他の各構成要素も図2(a)と全く同じである。 More specifically, the semiconductor laser 300 was manufactured as follows. That is, first, as shown in FIG. 4A, the active layer, the n-type cladding layer, the n-type and p-type cladding layers, and the current confinement layer were grown. Except that no protective layer was formed on the amorphous AlN layer 314 ', the process was exactly the same as the "active layer growth step" in Example 1 (FIG. 2A). The non-crystalline AlN layer 314 'is the same layer as the non-crystalline AlN layer 114' in FIG. 2A, and the other components are exactly the same as in FIG.
つぎに、図4(b)に示すとおり、非結晶AlN層314’の一部をエッチングし、開口部(ストライプ)314Aを形成した。具体的には、非結晶AlN層314’上に直接SiO2マスクを形成し、リン酸と硫酸を体積比1:1の割合で混合した溶液により90℃で8.5分間のエッチングを行い、開口部314Aを形成した。その他の条件は、実施例1における前記「ストライプ形成工程」(図2(b))と同様である。
Next, as shown in FIG. 4B, a part of the
さらに、図4(c)に示すとおり、電流狭窄層314および開口部314Aの上に、開口部314Aを埋め込んで開口埋め込み部314A’を形成するようにp型クラッド層108を積層し、さらにp型コンタクト層109を積層した。具体的には、前記エッチングにより開口部314Aが形成された試料(図4(b))をMOVPE装置に投入後、NH3供給量0.36mol/min、N2キャリアガス供給量0.45mol/min、H2ガス供給量0.45mol/minのガス条件下で昇温を開始し、途中待機することなくp型クラッド層の成長温度である1100℃まで昇温した。他の条件は、実施例1における前記「p型クラッド再成長工程」と同様である。
Further, as shown in FIG. 4C, a p-
p型クラッド層108およびp型コンタクト層109形成後に走査型電子顕微鏡観察を行なったところ、AlN電流狭窄層314上の埋め込み再成長表面には、ところどころにピットなどの欠陥がみられた。特に、開口埋め込み部314A’近傍の埋め込み再成長表面には、図4(c)に示すとおり多数のピット110が観測された。また、開口埋め込み部314A’付近は、図4(c)に示すとおり、AlN電流狭窄層314上に比べて埋め込み層厚が厚くなり、平坦性が悪いことが確認された。
Observation with a scanning electron microscope after formation of the p-
次に、二次イオン質量分析装置を用いてp型クラッド層108から電流狭窄層314にかけての残留不純物の分析を行った。その結果、電流狭窄層314中の酸素濃度は、p型GaNガイド層107側の界面近傍では3×1018cm−3程度であったが、p型クラッド層108側の界面近傍では1×1020cm−3以上に跳ね上がっていることが確認された。この不純物濃度の高さの原因は明らかではないが、例えば、AlN電流狭窄層314表面が酸窒化アルミニウム(AlNxO1−x)になっているためと考えられる。すなわち、p型クラッド層再成長前の昇温時にAlNxO1−xの組成斑が発生し、上記ピット100の原因となったと推察される。
Next, analysis of residual impurities from the p-
さらに、実施例1における前記「電極形成工程」と同様にして、n型GaN基板101裏面(下面)にn電極112を、p型コンタクト層109上面にp電極113を、それぞれ真空蒸着法により形成した(図4(d))。そして、電極形成工程後の試料(構造体)を、開口埋め込み部(ストライプ)314A’の長手方向に直交する方向に劈開し、III族窒化物半導体素子300とした。しかしながら、比較例の半導体レーザ300は、平均の閾電流密度は3.2kA/cm2、平均の閾値電圧4.5V、250mW出力時の平均寿命は2000時間程度と、その特性が実施例1〜4の半導体レーザに比べ大幅に劣っていた。さらに、比較例の半導体レーザ300は、素子特性のばらつきが実施例1〜4の半導体レーザの倍以上大きく、信頼性が大きく劣っていた。
Further, in the same manner as in the “electrode formation step” in the first embodiment, an
11 下地層
12’ III族窒化物非結晶層
12 III族窒化物半導体結晶層
13 保護層(またはIII族窒化物から形成された層)
100、200、300 半導体レーザ(III族窒化物半導体素子)
101 基板
102 GaN層
103 n型クラッド層
104 n型光閉じ込め層
105 多重量子井戸層
106 キャップ層
107 p型GaNガイド層(下地層または第一の層)
108 p型クラッド層(他のIII族窒化物半導体含有層または第三の層)
109 p型コンタクト層
110 ピット
112 n電極
113 p電極
114A、214A、314A、414A 開口部
114A’、214A’、314A’、514A’ 開口埋め込み部
114、314 電流狭窄層(III族窒化物半導体結晶層または第二の層)
115、216 保護層(またはIII族窒化物から形成された層)
214 電流狭窄層(III族窒化物半導体結晶層または第二の層)の下部層
215 電流狭窄層(III族窒化物半導体結晶層または第二の層)の上部層
114’ III族窒化物非結晶層
214’ III族窒化物非結晶層の下部層
215’ III族窒化物非結晶層の上部層
400 電界効果トランジスタ(III族窒化物半導体素子)
401 基板
402 バッファ層
403 キャリア走行層
404 スペーサ層
405 キャリア供給層
406 ショトキ層
407 ソース電極
408 ドレイン電極
409 ゲート電極
410 コンタクト層
500 フォトニック結晶面発光レーザ(III族窒化物半導体素子)
501 基板
502 n型クラッド層
503 活性層
505 フォトニック結晶層
508 p型クラッド層
11
100, 200, 300 Semiconductor laser (Group III nitride semiconductor device)
101
108 p-type cladding layer (another group III nitride semiconductor-containing layer or a third layer)
109 p-
115, 216 Protective layer (or layer formed from group III nitride)
214
401
501 Substrate 502 n-
Claims (39)
前記非結晶層の上面に保護層を形成する保護層形成工程と、
前記非結晶層の一部をエッチングにより除去するエッチング工程と、
前記保護層が形成された状態で前記非結晶層を熱処理して結晶化することによりIII族窒化物半導体の結晶層に変換する半導体結晶層形成工程と、を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。 An amorphous layer forming step of forming a group III nitride amorphous layer on the upper surface of the underlayer;
A protective layer forming step of forming a protective layer on the upper surface of the amorphous layer;
An etching step of removing a part of the amorphous layer by etching;
A semiconductor crystal layer forming step of converting the amorphous layer into a crystal layer of a group III nitride semiconductor by heat-treating and crystallizing the amorphous layer in a state in which the protective layer is formed. A method for manufacturing a semiconductor.
前記保護層が、IncGadAl1−c−dN(0≦c≦1、0≦d≦1、0<c+d≦1)の組成を有するIII族窒化物から形成され、かつ、
前記結晶層のIn組成比aと前記保護層のIn組成比cとが、下記数式(1)および(2)の少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
a=0 (1)
a<c (2) The crystal layer is formed of a group III nitride semiconductor having a composition of In a Ga b Al 1-ab N (0 ≦ a <1, 0 ≦ b <1, 0 ≦ a + b <1);
The protective layer is formed of a group III nitride having a composition of In c Ga d Al 1-c -d N (0 ≦ c ≦ 1,0 ≦ d ≦ 1,0 <c + d ≦ 1), and,
The In composition ratio a of the crystal layer and the In composition ratio c of the protective layer satisfy at least one of the following mathematical formulas (1) and (2). The manufacturing method of the group III nitride semiconductor of description.
a = 0 (1)
a <c (2)
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JP2008285107A JP2010114238A (en) | 2008-11-06 | 2008-11-06 | Method of manufacturing group iii nitride semiconductor, method of manufacturing group iii nitride semiconductor element, and group iii nitride semiconductor and group iii nitride semiconductor element |
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