JP2023172556A - 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 - Google Patents
窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023172556A JP2023172556A JP2022084457A JP2022084457A JP2023172556A JP 2023172556 A JP2023172556 A JP 2023172556A JP 2022084457 A JP2022084457 A JP 2022084457A JP 2022084457 A JP2022084457 A JP 2022084457A JP 2023172556 A JP2023172556 A JP 2023172556A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- nitride semiconductor
- semiconductor light
- light emitting
- convex portion
- layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 53
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 22
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 43
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 claims abstract description 4
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 30
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 8
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 abstract description 22
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 abstract description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 4
- 101100152879 Arabidopsis thaliana CYP708A2 gene Proteins 0.000 abstract 1
- GULNIHOSWFYMRN-UHFFFAOYSA-N N'-[(4-methoxyphenyl)methyl]-N,N-dimethyl-N'-(2-pyrimidinyl)ethane-1,2-diamine Chemical compound C1=CC(OC)=CC=C1CN(CCN(C)C)C1=NC=CC=N1 GULNIHOSWFYMRN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 24
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 13
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005136 cathodoluminescence Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 2
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001443 photoexcitation Effects 0.000 description 1
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 1
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Weting (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
【課題】品質が良好な窒化物半導体発光素子の製造方法、及び品質が良好な窒化物半導体発光素子を提供する。【解決手段】窒化物半導体発光素子１の製造方法は、誘導結合プラズマエッチングを実行し、第２ＡｌＮ層１１の表面に積層方向に延びる複数の凸部１１Ａを形成する凸部形成工程と、凸部形成工程の後にＴＨＡＨ水溶液を用いたウェットエッチングを実行し、凸部１１Ａが有する積層方向に延びる外面１１Ｄを所定の結晶面に整える整形工程と、を備える。【選択図】図１
Description
特許法第３０条第２項適用申請有り 令和４年２月２５日、第６９回 応用物理学会 春季学術講演会の予稿集に要約として、窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子に関する研究について公開した。 令和４年３月２６日、第６９回 応用物理学会 春季学術講演会において、窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子に関する研究について公開した。
本発明は窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子に関するものである。
紫外発光デバイスは、絶縁性を有するサファイア基板、又はＡｌＮ基板を下地層として用い、下地層に成長させたＡｌＧａＮ系窒化物半導体結晶を用いて作製されることが知られている。例えば、非特許文献１には、サファイア基板の表面にＡｌＮ層を形成した後、ＡｌＮ層の表面に誘導結合プラズマエッチングによって複数の凸部を形成した基板を用いることによって、ＡｌＮ層に積層されるＡｌＧａＮ層の上部における転位密度を低下させる一方で、不規則に現れる大型のヒロックやＶ字型のピットの形成を抑制することが開示されている。
:Shunya Tanaka et al"AlGaN-based UV-B laser diode with a wavelength of 290 nm on 1 μm periodic concavo?convex pattern AlN on a sapphire substrate"、Appl.Phys.Express 14 055505（2021）
ここで、さらに転位密度を低減させるには、凸部の間にボイドを形成することが有効であることが知られている。具体的には、凸部を形成する際に深くエッチングをして、その上にＡｌＧａＮ層を積層させてボイドを形成することによって転位密度を低減し得る。しかしながら、ボイドを形成すると、大型のヒロックやＶ字型のピットが増加することがわかった。誘導結合プラズマエッチングによって深くエッチングして形成された複数の凸部を観察すると、各凸部における積層方向に延びる外面が曲面状をなしており、特定の結晶面以外の様々な結晶面が表れた状態になっているものと考えられる。そして、外面がこのような状態であることが、ＡｌＮ層に積層されるＡｌＧａＮ層に少なからず影響を与え、ヒロックやＶ字型ピットの発生によるＡｌＧａＮ層表面の平坦性を悪化させる要因であると考えられる。このため、複数の凸部における外面を整える手法の確立が望まれている。
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、品質が良好な窒化物半導体発光素子の製造方法、及び品質が良好な窒化物半導体発光素子を提供することを解決すべき課題としている。
第１発明の窒化物半導体発光素子の製造方法は、
ドライエッチングを実行し、下地層の表面に積層方向に延びる複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記凸部形成工程の後にアルカリ性を有する液体を用いたウェットエッチングを実行し、前記凸部が有する前記積層方向に延びる面を所定の結晶面に整える整形工程と、
を備える。
ドライエッチングを実行し、下地層の表面に積層方向に延びる複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記凸部形成工程の後にアルカリ性を有する液体を用いたウェットエッチングを実行し、前記凸部が有する前記積層方向に延びる面を所定の結晶面に整える整形工程と、
を備える。
この構成によれば、凸部形成工程において、効率よく凸部のおおよその形状を形成し、整形工程において、凸部の積層方向に延びる面を所定の結晶面に整えることができるので、効率よく所定の結晶面に整えられた凸部を形成することができる。ここでいう所定の結晶面とは、凸部の積層方向に直線状をなして延びる結晶面であり、単一の結晶面だけでなく、複数の結晶面が積み重なった状態において、各結晶面の端部が階段状に露出して形成された面も含む。
第２発明の窒化物半導体発光素子は、
積層方向に延びる複数の凸部が形成された下地層を備え、
前記凸部は、基端から先端にかけて積層方向に延びる所定の結晶面を有している。
積層方向に延びる複数の凸部が形成された下地層を備え、
前記凸部は、基端から先端にかけて積層方向に延びる所定の結晶面を有している。
この構成によれば、凸部は、積層方向に延びる所定の結晶面を有しているので、凸部を核として結晶成長する場合に、ヒロックやＶ字型ピットの発生を抑制して結晶表面の平坦性を向上させた結晶成長が行い易い。
本発明における好ましい実施の形態を説明する。
第１発明において、アルカリ性を有する液体は、ＴＭＡＨ水溶液であり、
整形工程において、下地層の凸部の頂部の表面は、ＳｉＯ2に覆われ得る。ＴＭＡＨ水溶液を用いたエッチングは、従来、表面がＩＩＩ族極性面の表面の場合、エッチングされないことが知られている。しかしながら、凸部頂部の表面がＩＩＩ族極性面であってもＳｉＯ2膜で覆われていないと、ＴＭＡＨ水溶液でエッチングした場合、横方向からのエッチングが進行するため、凸部は徐々に消滅していく。しかし、この構成によれば、整形工程において凸部の頂部の表面がＳｉＯ2で覆われているため、凸部の頂部の横方向からのエッチングを抑制することができる。これにより、凸部の上部からのエッチングを防ぐことができ、ＴＭＡＨ水溶液を用いて積層方向に延びる面を所定の結晶面に整えることができる。
整形工程において、下地層の凸部の頂部の表面は、ＳｉＯ2に覆われ得る。ＴＭＡＨ水溶液を用いたエッチングは、従来、表面がＩＩＩ族極性面の表面の場合、エッチングされないことが知られている。しかしながら、凸部頂部の表面がＩＩＩ族極性面であってもＳｉＯ2膜で覆われていないと、ＴＭＡＨ水溶液でエッチングした場合、横方向からのエッチングが進行するため、凸部は徐々に消滅していく。しかし、この構成によれば、整形工程において凸部の頂部の表面がＳｉＯ2で覆われているため、凸部の頂部の横方向からのエッチングを抑制することができる。これにより、凸部の上部からのエッチングを防ぐことができ、ＴＭＡＨ水溶液を用いて積層方向に延びる面を所定の結晶面に整えることができる。
第１発明において、凸部は、柱状をなしており、整形工程を実行した後における凸部の基端の外径は、１００ｎｍから５００ｎｍであり得る。この構成によれば、微細な構造を保ちつつ、柱状に延びる凸部を折損し難くすることができる。
第１発明において、凸部の基端から先端までの長さは、７００ｎｍから２０００ｎｍであり得る。この構成によれば、凸部を折損し難くすることができる。
第２発明において、凸部は柱状をなしており、凸部の基端の外径は、１００ｎｍから５００ｎｍであり得る。この構成によれば、微細な構造を保ちつつ、柱状に延びる凸部を折損し難くすることができる。
第２発明において、凸部の基端から先端までの長さは、７００ｎｍから２０００ｎｍであり得る。この構成によれば、凸部を折損し難くすることができる。
次に、第１発明の窒化物半導体発光素子の製造方法、及び第２発明の窒化物半導体発光素子を具体化した実施例１について、図面を参照しつつ説明する。
＜実施例１＞
実施例１の窒化物半導体発光素子１は、図１に示すように、サファイア基板１０Ａ、第１ＡｌＮ層１０Ｂ、第２ＡｌＮ層１１、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａ、ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂ、第１ガイド層１３Ａ、二重量子井戸活性層１３Ｂ、及び第２ガイド層１３Ｃを備えている。実施例１の窒化物半導体発光素子１は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて積層して結晶成長する。
実施例１の窒化物半導体発光素子１は、図１に示すように、サファイア基板１０Ａ、第１ＡｌＮ層１０Ｂ、第２ＡｌＮ層１１、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａ、ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂ、第１ガイド層１３Ａ、二重量子井戸活性層１３Ｂ、及び第２ガイド層１３Ｃを備えている。実施例１の窒化物半導体発光素子１は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて積層して結晶成長する。
サファイア基板１０ＡはＣ面（（０００１）面）が表面（表は図１における上側である、以下同じ）である。第１ＡｌＮ層１０Ｂは、サファイア基板１０Ａの表面に、スパッタ法を用いて積層される。第１ＡｌＮ層１０Ｂは、下地層である。第１ＡｌＮ層１０Ｂは、ＡｌＮを含む。第１ＡｌＮ層１０ＢのＡｌＮのモル分率は、１００％である。第１ＡｌＮ層１０Ｂの厚みは４５０ｎｍである。第１ＡｌＮ層１０Ｂを積層したところで、Ｎ2（窒素）雰囲気中で１７００℃、３時間アニールを行う。こうして、サファイア基板１０Ａ、及び第１ＡｌＮ層１０Ｂを有するスパッタ法を用いたＡｌＮテンプレート基板１０を作製する。その後、ＭＯＣＶＤ法を用いて層構造を形成する。
ＭＯＣＶＤ法を実行することができる反応炉（以下、単に、反応炉ともいう）内にＡｌＮテンプレート基板１０を配置し、ＡｌＮテンプレート基板１０の表面（第１ＡｌＮ層１０Ｂの表面）にＮ（窒素）原料であるＮＨ3（アンモニア）を流しながら（以下、供給は停止しない）、Ｈ2（水素）雰囲気中で、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１２００℃まで昇温した後、１０分間保持する。
次に、第１ＡｌＮ層１０Ｂの表面に第２ＡｌＮ層１１を積層して結晶成長する。第２ＡｌＮ層１１の厚みは１５５０ｎｍである。第２ＡｌＮ層１１は、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１２００℃にした状態で、Ａｌ（アルミニウム）原料のＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）を反応炉内に供給して形成する。第２ＡｌＮ層１１のＡｌＮのモル分率は、１００％である。第２ＡｌＮ層１１は、ＡｌＮを含む。第２ＡｌＮ層１１は、下地層である。第１ＡｌＮ層１０Ｂと第２ＡｌＮ層１１との厚みの合計（すなわち下地層の厚み）は２０００ｎｍである。
[凸部形成工程について]
次に、第２ＡｌＮ層１１（下地層）の表面に積層方向に柱状をなして延びる複数の凸部１１Ａを形成する凸部形成工程を実行する。具体的には、第２ＡｌＮ層１１の表面にスパッタ装置を用いてＳｉＯ2層を４２０ｎｍ積層させる。そして、ＳｉＯ2層の表面にレジストを塗布してレジスト膜を形成した後に、ナノインプリント装置を用いて、ピッチ１０００ｎｍ、外径５００ｎｍの微細なパターンをレジスト膜に形成する。この微細なパターンよりも外側の部分は、ＳｉＯ2層の表面が露出する。そして、ＩＣＰ装置を用いて、露出したＳｉＯ2層をＣＦ４ガスにてドライエッチングである誘導結合プラズマエッチングを実行し、続いて、バッファードフッ酸を用いて、ＳｉＯ2層の残渣を除去する。そして、Ｃｌ2ガスを用いて、第２ＡｌＮ層１１の表面側を１０００ｎｍの深さになるように誘導結合プラズマエッチングを施した。こうして、図２に示すように、第２ＡｌＮ層１１の表面側に、ピッチがおよそ１０００ｎｍ、先端における外径がおよそ４１６ｎｍから４３５ｎｍ、高さがおよそ９２４ｎｍの凸部１１Ａを複数形成する。こうして、凸部形成工程を実行する。つまり、第２ＡｌＮ層１１は、積層方向に延びる複数の凸部が形成されている。
次に、第２ＡｌＮ層１１（下地層）の表面に積層方向に柱状をなして延びる複数の凸部１１Ａを形成する凸部形成工程を実行する。具体的には、第２ＡｌＮ層１１の表面にスパッタ装置を用いてＳｉＯ2層を４２０ｎｍ積層させる。そして、ＳｉＯ2層の表面にレジストを塗布してレジスト膜を形成した後に、ナノインプリント装置を用いて、ピッチ１０００ｎｍ、外径５００ｎｍの微細なパターンをレジスト膜に形成する。この微細なパターンよりも外側の部分は、ＳｉＯ2層の表面が露出する。そして、ＩＣＰ装置を用いて、露出したＳｉＯ2層をＣＦ４ガスにてドライエッチングである誘導結合プラズマエッチングを実行し、続いて、バッファードフッ酸を用いて、ＳｉＯ2層の残渣を除去する。そして、Ｃｌ2ガスを用いて、第２ＡｌＮ層１１の表面側を１０００ｎｍの深さになるように誘導結合プラズマエッチングを施した。こうして、図２に示すように、第２ＡｌＮ層１１の表面側に、ピッチがおよそ１０００ｎｍ、先端における外径がおよそ４１６ｎｍから４３５ｎｍ、高さがおよそ９２４ｎｍの凸部１１Ａを複数形成する。こうして、凸部形成工程を実行する。つまり、第２ＡｌＮ層１１は、積層方向に延びる複数の凸部が形成されている。
凸部形成工程を実行した後の凸部１１Ａが有する積層方向に延びる外面１１Ｄは、図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、径方向内向きに湾曲しており、基端から先端にかけて外径が徐々に小さくなっている。凸部１１Ａの外面１１Ｄと、外面１１Ｄの基端に連続する周辺の底面１１Ｅとは、なだらかに連続しており、凸部１１Ａの基端と、基端に連続する周辺の底面との境界が明瞭でない（図２（Ｂ）参照）。
［整形工程について］
凸部形成工程の後に整形工程を実行する。具体的には、アルカリ性を有する液体である２５％のＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）水溶液を用いて、複数の凸部１１Ａが形成された第２ＡｌＮ層１１（下地層）の表面に対して５分間ウェットエッチングを実行する。ＴＭＡＨ水溶液の温度は、８５℃である。整形工程において、凸部１１Ａ（第２ＡｌＮ層１１（下地層））の頂部の表面は、ＳｉＯ2で覆われている。このため、凸部１１Ａの頂部は、横方向からのエッチングが抑制される。これにより、凸部１１Ａの上部からのエッチングを防ぐことができる。その後、マスクとして利用したＳｉＯ2層及びレジスト膜をバッファードフッ酸を用いて除去する。
凸部形成工程の後に整形工程を実行する。具体的には、アルカリ性を有する液体である２５％のＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）水溶液を用いて、複数の凸部１１Ａが形成された第２ＡｌＮ層１１（下地層）の表面に対して５分間ウェットエッチングを実行する。ＴＭＡＨ水溶液の温度は、８５℃である。整形工程において、凸部１１Ａ（第２ＡｌＮ層１１（下地層））の頂部の表面は、ＳｉＯ2で覆われている。このため、凸部１１Ａの頂部は、横方向からのエッチングが抑制される。これにより、凸部１１Ａの上部からのエッチングを防ぐことができる。その後、マスクとして利用したＳｉＯ2層及びレジスト膜をバッファードフッ酸を用いて除去する。
整形工程を実行した後の凸部１１Ａが有する積層方向に延びる外面１１Ｂは、図３（Ｂ）に示すように、基端から先端にかけて概ね直線状をなし、且つ基端から先端に向かうにつれて外径が徐々に大きくなっている。また、凸部１１Ａの外面１１Ｂと、外面１１Ｂに連続する周辺の底面１１Ｃとの境界が明瞭に表れている。凸部１１Ａの外面１１Ｂは、基端から先端にかけて特定の結晶面が明瞭に形成されている。そして、底面１１Ｃは、特定の結晶面であるＣ面等が明瞭に形成されている。つまり、整形工程は、凸部１１Ａが有する積層方向に延びる面を所定の結晶面に整える。こうして、図３に示すように、第２ＡｌＮ層１１の表面側にピッチがおよそ１０００ｎｍ、先端の外径がおよそ３７５ｎｍから３９０ｎｍ、基端の外径がおよそ３０８ｎｍから３１３ｎｍ、高さがおよそ１２８０ｎｍの凸部１１Ａを複数形成する。つまり、凸部１１Ａは、基端から先端にかけて積層方向に延びる所定の結晶面を有している。なお、凸部１１Ａの基端の外径は、１００ｎｍから５００ｎｍでもよく、好ましくは、２００ｎｍから４００ｎｍであり、より好ましくは、２００ｎｍから３００ｎｍである。また、凸部１１Ａの基端から先端までの長さは、７００ｎｍから２０００ｎｍでもよく、好ましくは、８００ｎｍから１５００ｎｍであり、より好ましくは、８００ｎｍから１２００ｎｍである。
次に、凸部１１Ａを形成した第２ＡｌＮ層１１の表面にｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａを積層して結晶成長させる。具体的には、凸部１１Ａを形成したＡｌＮテンプレート基板１０を再び反応炉に配置する。そして、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１２００℃まで昇温し、所定の温度に達したら、ＡｌＮのモル分率が６８％になるようにＨ2、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3を反応炉内に供給する。反応炉内の圧力は、７ｋＰａである。ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの厚みは、５μｍである。ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの厚みを５μｍにすることによって、凸部１１Ａが形成された第２ＡｌＮ層１１の表面を埋め込んで平坦化させることができる。ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａには、ＳｉやＭｇ等の不純物を添加していないが、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａに変えて、Ｓｉなどをドーピングしたｎ－ＡｌＧａＮ層としても良い。ここで、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの厚みは、凸部１１Ａの基端からｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの表面までの寸法である。
次に、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａの表面に、ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂを積層して結晶成長させる。具体的には、Ｈ2、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌ、ＮＨ3の反応炉内への供給を継続しつつ、ＳｉＨ4を反応炉内に供給する。ｎ－ＡｌＧａＮ層１２ＢにおけるＳｉの添加濃度は６×１０18ｃｍ-3になるように原料の供給流量を調整する。ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂの厚みは４μｍである。ｎ－ＡｌＧａＮ層１２ＢのＡｌＮのモル分率は、６２％である。
次に、ｎ－ＡｌＧａＮ層１２Ｂの表面に第１ガイド層１３Ａ、二重量子井戸活性層１３Ｂ、第２ガイド層１３Ｃを積層して結晶成長させる。具体的には、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度を１０５０℃まで降温し、反応炉内の圧力を３０ｋＰａにする。そして、ＴＭＧａからＴＥＧａ（トリエチルガリウム）に切り替える。そして、ＡｌＮテンプレート基板１０の温度が所定の温度に達したら、１５０ｎｍの厚みの第１ガイド層１３Ａ（ＡｌＮのモル分率は、４８％）、４ｎｍの厚みの井戸層（ＡｌＮのモル分率は、３０％）及び８ｎｍの厚みの障壁層（ＡｌＮのモル分率は、４８％）が２組積層された二重量子井戸活性層１３Ｂ、及び１５０ｎｍの厚みの第２ガイド層１３Ｃ（ＡｌＮのモル分率は、４８％）の順に積層して結晶成長させる。
そして、ＴＭＧａ、及びＴＭＡｌの反応炉内への供給を停止して、結晶成長を終了させ、Ｈ2とＮＨ3を反応炉内に流しながら室温までＡｌＮテンプレート基板１０の温度を降温する。ＡｌＮテンプレート基板１０の温度が室温になった後、反応炉のパージを十分行い、ＡｌＮテンプレート基板１０を反応炉から取り出す。こうして、図１に示す層構造を有する窒化物半導体発光素子１が完成する。
ここで、実施例１の窒化物半導体発光素子１の作製手順の内の整形工程を実行しない比較例１のサンプルを作製した。図４に示すように、実施例１の窒化物半導体発光素子１の表面（第２ガイド層１３Ｃの表面）は、比較例１のサンプルに比べて、ピットの密度が小さく、凹凸が少ない（すなわち、表面状態が良好である）ことがわかった。
図５に示すように、実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１のサンプルの凸部１１Ａの基端部の周囲には、ともに空間Ｖo（ボイド）が形成されている。実施例１の窒化物半導体発光素子１は、空間Ｖoに臨む凸部１１Ａの外面１１Ｂ、及び底面１１Ｃを覆うようにｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａが形成されている（図５（Ａ）参照）。比較例１のサンプルは、空間Ｖoに臨む凸部１１Ａの外面１１Ｄ、及び底面１１Ｅを覆うようにｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａが形成されている（図５（Ｂ）参照）。実施例１と比較例１とは、空間Ｖｏ（ボイド）の形状は異なるものの平坦性につながると思われる形状の違いは明確ではない。但し、実施例１と比較例１の凸部１１Ａの外面の形状が異なることによって、外面からの結晶の成長形状が異なり、これによって、ｕ－ＡｌＧａＮ層１２Ａで埋め込んだ時の表面形状が異なってくることが影響していると考えられる。また、比較例１の凸部１１Ａの外面１１Ｄの形状は、実施例１の凸部１１Ａの外面１１Ｂより形状ばらつきが大きいことも影響していると考えられる。
次に、実施例１の窒化物半導体発光素子１及び比較例１のサンプルの各々に共振器長３００μｍの光励起レーザ構造（図示せず）を作製し、ＹＡＧレーザの４倍高調波（λ＝２６６ｎｍ）を用いて光励起レーザの評価を室温にて行った結果を図６に示す。
実施例１の窒化物半導体発光素子１、及び比較例１のサンプルともに、波長約３００ｎｍにてレーザ発振することがわかった。レーザ発振の閾値励起光強度は、実施例１の窒化物半導体発光素子１において２３ｋＷ／ｃｍ2であり、比較例１のサンプルにおいて６３ｋＷ／ｃｍ2であった。つまり、整形工程を実行することによって、レーザ発振の閾値励起光強度をおよそ１／３にすることができ、大幅に特性が改善することがわかった。
カソードルミネッセンスによる暗点密度を測定した結果、実施例１の窒化物半導体発光素子１は、３．８×１０8／ｃｍ2であり、比較例１のサンプルは、３．４×１０8／ｃｍ2であることがわかった（図視せず）。すなわち、実施例１の窒化物半導体発光素子１におけるカソードルミネッセンスによる暗点密度の測定結果は、比較例１のサンプルのものと同等であり、有意な差が認められないことがわかった。
この結果から、実施例１の窒化物半導体発光素子１における閾値励起光強度が、比較例１のサンプルのものより良好となった原因は、ウエハ（下地層）の表面状態に起因するものと考えられる。例えば、誘導結合プラズマエッチングのみで凸部１１Ａを形成した場合、凸部１１Ａの外面１１Ｄや、底面１１Ｅの形状にばらつきが生じる（図２（Ｂ）参照）。これに対して、整形工程を実行すると、凸部１１Ａの外面１１Ｂや底面１１Ｃにおいて、明瞭な結晶面が表れる（図３（Ｂ）参照）。これによって、均一に結晶成長することができ、内部ロスが低減し、閾値励起光強度が低減できたと考えられる。
次に、上記実施例における作用を説明する。
この窒化物半導体発光素子の製造方法は、誘導結合プラズマエッチングを実行し、第２ＡｌＮ層１１の表面に積層方向に延びる複数の凸部１１Ａを形成する凸部形成工程と、凸部形成工程の後にＴＭＡＨ水溶液（アルカリ性を有する液体）を用いたウェットエッチングを実行し、凸部１１Ａが有する積層方向に延びる外面１１Ｄを所定の結晶面に整える整形工程と、を備える。この構成によれば、凸部形成工程において、効率よく凸部１１Ａのおおよその形状を形成し、整形工程において、凸部１１Ａの積層方向に延びる外面１１Ｄを所定の結晶面に整えることができるので、効率よく所定の結晶面に整えられた凸部１１Ａを形成することができる。
窒化物半導体発光素子１は、積層方向に延びる複数の凸部１１Ａが形成された第２ＡｌＮ層１１を備え、凸部１１Ａは、基端から先端にかけて積層方向に延びる所定の結晶面を有している。この構成によれば、凸部１１Ａは、積層方向に延びる所定の結晶面を有しているので、凸部１１Ａを核として結晶成長する場合に、ヒロックやＶ字型ピットの発生を抑制して結晶表面の平坦性を向上させた結晶成長が行い易い。
アルカリ性を有する液体は、ＴＭＡＨ水溶液であり、整形工程において、第２ＡｌＮ層１１の凸部１１Ａの頂部の表面は、ＳｉＯ2で覆われている。ＴＭＡＨ水溶液を用いたエッチングは、従来、ＩＩＩ族極性面の表面の場合、エッチングされないことが知られている。しかしながら、凸部頂部の表面がＩＩＩ族極性面であってもＳｉＯ2膜で覆われていないと、ＴＭＡＨ水溶液でエッチングした場合、横方向からのエッチングが進行するため、凸部は徐々に消滅していく。しかし、この構成によれば、凸部１１Ａの頂部の表面がＳｉＯ2で覆われているため、凸部１１Ａの頂部の横方向からのエッチングを抑制することができる。これにより、凸部１１Ａの上部からのエッチングを防ぐことができ、ＴＭＡＨ水溶液を用いて積層方向に延びる面を所定の結晶面に整えることができる。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、凸部１１Ａは、柱状をなしており、整形工程を実行した後における凸部１１Ａの基端の外径は、１００ｎｍから５００ｎｍである。この構成によれば、微細な構造を保ちつつ、柱状に延びる凸部１１Ａを折損し難くすることができる。
本発明の窒化物半導体発光素子の製造方法において、凸部１１Ａの基端から先端までの長さは、７００ｎｍから２０００ｎｍである。この構成によれば、凸部１１Ａを折損し難くすることができる。
本発明の窒化物半導体発光素子１において、凸部１１Ａは柱状をなしており、凸部１１Ａの基端の外径は、１００ｎｍから５００ｎｍである。この構成によれば、微細な構造を保ちつつ、柱状に延びる凸部１１Ａを折損し難くすることができる。
本発明の窒化物半導体発光素子において、凸部１１Ａの基端から先端までの長さは、７００ｎｍから２０００ｎｍである。この構成によれば、凸部１１Ａを折損し難くすることができる。
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施例１に限定されるものではなく、例えば次のような実施例も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）実施例１では、ｎ型不純物としてＳｉを添加してｎ－ＡｌＧａＮ層としているが、これに限らず、ｎ型不純物である、Ｇｅ、Ｔｅ等であっても良い。また、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等を添加して、ｐ－ＡｌＧａＮ層としてもよい。また、初期にｕ－ＡｌＧａＮ層を成長し、その後にｎ－ＡｌＧａＮ層を用いる構造でも良い。
（２）実施例１ではサファイア基板を使用しているが、ＡｌＮ基板等の他の基板にＡｌＮ層を積層して結晶成長しても良い。
（３）実施例１では、下地層として第１ＡｌＮ層、第２ＡｌＮ層を用いているが、下地層にＡｌＧａＮを用いてもよい。つまり、下地層は、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのいずれかで形成されていればよい。
（４）実施例１では、下地層にスパッタで作製したＡｌＮ層を含めているが、スパッタに変えて、ＭＯ―ＶＰＥ成長のＡｌＮ層のみでも良い。
（５）実施例１に限らず、外面を有する凸部を含んだ構成を用いる場合に、凸部形成工程と整形工程とを実行して外面が整えられた凸部を形成してもよい。すなわち、窒化物半導体発光素子以外の半導体素子構造を製造する場合にも本発明を適用することができる。
（６）ＴＭＡＨ水溶液に代えて、ＫＯＨ水溶液を用いてもよい。ＴＭＡＨ水溶液、及びＫＯＨ水溶液は、ともにアルカリ性を有した液体である。
（７）誘導結合プラズマエッチングに代えて、ＥＣＲプラズマエッチングなど、他の反応性イオンエッチング法を実行してもよい。
（８）窒化物半導体のドライエッチングのマスクとしてＳｉＯ2を用いたが、Ｎｉ、Ａｌ2Ｏ3を用いてもよい。
（１）実施例１では、ｎ型不純物としてＳｉを添加してｎ－ＡｌＧａＮ層としているが、これに限らず、ｎ型不純物である、Ｇｅ、Ｔｅ等であっても良い。また、ｐ型不純物としてＭｇ、Ｚｎ，Ｂｅ、Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ等を添加して、ｐ－ＡｌＧａＮ層としてもよい。また、初期にｕ－ＡｌＧａＮ層を成長し、その後にｎ－ＡｌＧａＮ層を用いる構造でも良い。
（２）実施例１ではサファイア基板を使用しているが、ＡｌＮ基板等の他の基板にＡｌＮ層を積層して結晶成長しても良い。
（３）実施例１では、下地層として第１ＡｌＮ層、第２ＡｌＮ層を用いているが、下地層にＡｌＧａＮを用いてもよい。つまり、下地層は、ＡｌＧａＮ及びＡｌＮのいずれかで形成されていればよい。
（４）実施例１では、下地層にスパッタで作製したＡｌＮ層を含めているが、スパッタに変えて、ＭＯ―ＶＰＥ成長のＡｌＮ層のみでも良い。
（５）実施例１に限らず、外面を有する凸部を含んだ構成を用いる場合に、凸部形成工程と整形工程とを実行して外面が整えられた凸部を形成してもよい。すなわち、窒化物半導体発光素子以外の半導体素子構造を製造する場合にも本発明を適用することができる。
（６）ＴＭＡＨ水溶液に代えて、ＫＯＨ水溶液を用いてもよい。ＴＭＡＨ水溶液、及びＫＯＨ水溶液は、ともにアルカリ性を有した液体である。
（７）誘導結合プラズマエッチングに代えて、ＥＣＲプラズマエッチングなど、他の反応性イオンエッチング法を実行してもよい。
（８）窒化物半導体のドライエッチングのマスクとしてＳｉＯ2を用いたが、Ｎｉ、Ａｌ2Ｏ3を用いてもよい。
１…窒化物半導体発光素子
１１…第２ＡｌＮ層（下地層）
１１Ａ…凸部
１１Ｄ…外面（凸部が有する積層方向に延びる面）
１１Ｅ…底面（凸部の基端に連続する底面）
１１…第２ＡｌＮ層（下地層）
１１Ａ…凸部
１１Ｄ…外面（凸部が有する積層方向に延びる面）
１１Ｅ…底面（凸部の基端に連続する底面）
Claims (7)
- ドライエッチングを実行し、下地層の表面に積層方向に延びる複数の凸部を形成する凸部形成工程と、
前記凸部形成工程の後にアルカリ性を有する液体を用いたウェットエッチングを実行し、前記凸部が有する前記積層方向に延びる面を所定の結晶面に整える整形工程と、
を備える窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記アルカリ性を有する液体は、ＴＭＡＨ水溶液であり、
前記整形工程において、前記下地層の前記凸部の頂部の表面は、ＳｉＯ2に覆われている請求項１に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記凸部は、柱状をなしており、
前記整形工程を実行した後における前記凸部の基端の外径は、１００ｎｍから５００ｎｍである請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。 - 前記凸部の基端から先端までの長さは、７００ｎｍから２０００ｎｍである請求項１又は請求項２に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
- 積層方向に延びる複数の凸部が形成された下地層を備え、
前記凸部は、基端から先端にかけて前記積層方向に延びる所定の結晶面を有している窒化物半導体発光素子。 - 前記凸部は柱状をなしており、前記凸部の基端の外径は、１００ｎｍから５００ｎｍである請求項５に記載の窒化物半導体発光素子。
- 前記凸部の基端から先端までの長さは、７００ｎｍから２０００ｎｍである請求項５又は請求項６に記載の窒化物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022084457A JP2023172556A (ja) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022084457A JP2023172556A (ja) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023172556A true JP2023172556A (ja) | 2023-12-06 |
Family
ID=89029133
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2022084457A Pending JP2023172556A (ja) | 2022-05-24 | 2022-05-24 | 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023172556A (ja) |
-
2022
- 2022-05-24 JP JP2022084457A patent/JP2023172556A/ja active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3785970B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造方法 | |
| KR100634340B1 (ko) | 질화물 반도체 소자 및 그 제조방법 | |
| JP7062757B2 (ja) | 材料および半導体構造を多孔質化する方法 | |
| KR100710435B1 (ko) | 반도체소자 및 반도체소자의 제조 방법 | |
| US6927149B2 (en) | Nitride semiconductor device and fabrication method thereof, and method for forming nitride semiconductor substrate | |
| US8012780B2 (en) | Method of fabricating semiconductor laser | |
| JP2010232464A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子及びその製造方法、並びにレーザダイオード | |
| JP3712770B2 (ja) | ３族窒化物半導体の製造方法及び半導体素子 | |
| KR19980079320A (ko) | 고품질 쥐에이엔계층의 선택성장방법, 고품질 쥐에이엔계층 성장기판 및 고품질 쥐에이엔계층 성장기판상에 제작하는 반도체디바이스 | |
| US20120280212A1 (en) | Semi-Polar Nitride-Based Light Emitting Structure and Method of Forming Same | |
| JP6269368B2 (ja) | 窒化ガリウム基板 | |
| JP4581478B2 (ja) | 窒化物半導体の製造方法 | |
| JP2010272593A (ja) | 窒化物半導体発光素子及びその製造方法 | |
| KR100639747B1 (ko) | 반도체 레이저, 반도체 장치 및 이들의 제조 방법 | |
| JP3900196B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子 | |
| JP4211358B2 (ja) | 窒化物半導体、窒化物半導体素子及びそれらの製造方法 | |
| JP2003243702A (ja) | 半導体発光素子およびその製造方法 | |
| JP2009064978A (ja) | ＧａＮ系化合物半導体発光装置およびその製造方法 | |
| JP2023172556A (ja) | 窒化物半導体発光素子の製造方法、及び窒化物半導体発光素子 | |
| JP4712241B2 (ja) | 半導体レーザ素子およびその製造方法 | |
| JP3888386B2 (ja) | 窒化物半導体基板およびそれを用いた窒化物半導体素子 | |
| JPH11274556A (ja) | 半導体発光素子及びその製造方法 | |
| JP5341353B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子およびｉｉｉ族窒化物半導体素子の製造方法 | |
| JP2001308464A (ja) | 窒化物半導体素子、窒化物半導体結晶の作製方法および窒化物半導体基板 | |
| JP4049200B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体光素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20220524 |