JP3036495B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法 - Google Patents

窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般式Alx Gay In
1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化ガリ
ウム系化合物半導体とその製造方法に関する。特に、基
板上に横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）を用いた方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化ガリウム系化合物半導体は、発光ス
ペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半
導体であり、発光ダイオード(LED) やレーザダイオード
(LD)等の発光素子に応用されている。この窒化ガリウム
系化合物半導体では、通常、サファイア上に形成してい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術では、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物
半導体を形成すると、サファイアと窒化ガリウム系化合
物半導体との熱膨張係数差により、半導体層にクラッ
ク、そりが発生し、ミスフットにより転位が発生し、こ
のため素子特性が良くないという問題がある。
【０００４】従って、本発明の目的は、上記課題に鑑
み、クラック、転位のない窒化ガリウム系半導体層を形
成することで、素子特性を向上させると共に、効率のよ
い製造方法を実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用効果】上記の課題
を解決するために、請求項１に記載の手段は、基板上に
第１の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ、その
後、その第１の窒化ガリウム系化合物半導体を、基板の
露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子
状等の島状態にエッチングし、その後、島状態の第１の
窒化ガリウム系化合物半導体を核として成長するが、基
板の露出部を核としてはエピタキシャル成長しない第２
の窒化ガリウム系化合物半導体を成長させ、基板の露出
面上は横方向成長により形成することを特徴とする窒化
ガリウム系化合物半導体の製造方法である。
【０００６】尚、ここでいう横方向とは、基板の面方向
を意味する。これにより、第２の窒化ガリウム系化合物
半導体は、基板の露出部には成長せず、第１の窒化ガリ
ウム系化合物半導体上に３次元的、即、面方向にも成長
し、基板の上方向では一様に成長される。この結果、基
板と窒化ガリウム系化合物半導体との間のミスフィット
に基づく転位は縦方向に成長し、横方向へは成長しな
い。よって、基板の露出部上の第２の窒化ガリウム系化
合物半導体の縦方向の貫通転位はなくなり、第１の窒化
ガリウム系化合物半導体の上の部分だけ縦方向の貫通転
位が残る。この結果、第２の窒化ガリウム系化合物半導
体の縦方向の貫通転位の面密度が極めて減少する。従っ
て、第２の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性が向上
する。また、基板の露出部とその上の第２の窒化ガリウ
ム系化合物半導体とは化学的に接合していないので、第
２の窒化ガリウム系化合物半導体のそりが防止されると
共に応力歪みがその半導体に入ることが抑制される。
【０００７】請求項２の発明は、基板を、サファイア、
シリコン、又は、炭化珪素としたことであり、そられの
基板上で得られる第２の窒化ガリウム系化合物半導体の
結晶性を向上させることができる。
【０００８】請求項３の発明は、基板をシリコン、島状
態に形成される第１の窒化ガリウム系化合物半導体をア
ルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体、第２の
窒化ガリウム系化合物半導体をアルミニウムを含まない
窒化ガリウム系化合物半導体としたことを特徴とする。
アルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体はシリ
コン上にエピタキシャル成長するが、アルミニウムを含
まない窒化ガリウム系化合物半導体はシリコン上にエピ
タキシャル成長しない。よって、シリコン基板上に島状
態の第１の窒化ガリウム系化合物半導体を形成し、その
後、その第１の窒化ガリウム系化合物半導体上にはエピ
タキシャル成長するが、シリコン基板の露出部にはエピ
タキシャル成長しない第２の窒化ガリウム系化合物半導
体を形成することができる。これにより、シリコン基板
の露出部上は、第１の窒化ガリウム系化合物半導体を核
として、第２の窒化ガリウム系化合物半導体が横方向に
エピタキシャル成長することになり、結晶性の高い窒化
ガリウム系化合物半導体を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。 （第１実施例）図１は、本発明の第１実施例に係わる窒
化ガリウム系化合物半導体の断面構成を示した模式図で
ある。シリコン基板１の上には膜厚約1000ÅのAl0.15Ga
0.85N層（第１の窒化ガリウム系化合物半導体）２がス
トライプ状（図１（ｂ））又は格子状（図１（ｃ））に
形成されている。又、シリコン基板１上の層２を除いた
露出領域Ａ及び層２の上面領域Ｂには膜厚約10μｍのGa
N 層（第２の窒化ガリウム系化合物半導体）３が形成さ
れている。
【００１０】次に、このGaN 系化合物半導体の製造方法
について説明する。この半導体は、スパッタリング法及
び有機金属気相成長法（以下「MOVPE 」と略す）により
製造された。MOVPE で用いられたガスは、アンモニア(N
H3) 、キャリアガス(H2,N2) 、トリメチルガリウム(Ga
(CH3)3)（以下「TMG 」と記す）、トリメチルアルミニ
ウム(Al(CH3)3)（以下「TMA 」と記す）である。
【００１１】まず、フッ酸系溶液(HF:H2O=1:1)を用いて
洗浄した (111)面、 (100)面、又は、(110) 面を主面と
したｎ−シリコン基板１をＭＯＶＰＥ装置の反応室に載
置されたサセプタに装着する。次に、常圧でH2を流速2
liter/分で約10分間反応室に流しながら温度1150℃で基
板１をベーキングした。
【００１２】この後、基板１の温度を1150℃に保持し、
N2又はH2を10liter/分、NH3 を10liter/分、TMG を1.0
×10-4モル／分、トリメチルアルミニウム(Al(CH3)3)
（以下「TMA 」と記す）を1.0 ×10-5モル／分、H2ガス
により0.86ppm に希釈されたシランを20×10-8モル／分
で供給し、膜厚約1000Å、Si濃度1.0 ×1018/cm3のAl
0.15Ga0.85N 層２を形成した。
【００１３】次に、この層２の上に、一様に、SiO2層を
スパッタリングにより膜厚約2000Åに形成し、レジスト
を塗布して、フォトリソグラフィによりSiO2層を所定形
状にエッチングした。次に、この所定形状のSiO2層をマ
スクとして、Al0.15Ga0.85N層２をドライエッチングし
た。このようにして、層２の上部領域Ｂの幅ｂが約５μ
ｍ、基板１の露出領域Ａの間隔ａが約５μｍのストライ
プ状（図１（ｂ））又は格子状（図１（ｃ））に形成し
た。
【００１４】次に、MOVPE 法により基板１の温度を1100
℃にしてN2又はH2を20liter/分、NH3 を10liter/分、TM
G を1.0 ×10-4モル／分、H2ガスにより0.86ppm に希釈
されたシランを20×10-8モル／分で供給して、膜厚約10
μｍのGaN 層３をエピタキシャル成長させた。このと
き、GaN は、Al0.15Ga0.85N 層２の上に、このAl0.15Ga
0.85N を核として、エピタキシャル成長する。しかし、
シリコン基板１の露出領域Ａの上には、GaN はエピタキ
シャル成長しない。そして、シリコン基板１の露出領域
Ａでは、Al0.15Ga0.85N 層２上に成長したGaN を核とし
て、GaN が横方向、即ち、シリコン基板１の面方向に沿
ってエピタキシャル成長する。このGaN 層３は、Al0.15
Ga0.85N 層２の上部領域Ｂにだけ縦方向に転位が生じ、
シリコン基板１の露出領域Ａでは、横方向のエピタキシ
ャル成長であるために、転位は生じない。シリコン基板
１の露出領域Ａの面積をAl0.15Ga0.85N 層２の上部領域
Ｂの面積に比べて大きくすることで、広い面積に渡って
結晶性の良好なGaN 層３を形成することができる。ま
た、シリコン基板１とその上のGaN は化学的に結合して
いないために、GaN 層３のそり、応力歪みを極めて大き
く減少させることができる。
【００１５】尚、上記実施例において、ストライプ状又
は格子状に形成されたシリコン基板１の露出領域Ａの幅
ａを約５μｍとしたが、露出領域Ａの幅ａが10μｍを超
えると横方向の成長に長時間必要となり、シリコン基板
１の露出領域Ａの幅ａが１μｍ未満になると、良好なGa
N 膜の形成が困難となるので、望ましくは１〜10μｍの
範囲が良い。また、Al0.15Ga0.85N 層２の上部領域Ｂの
幅ｂを５μｍとしたが、Al0.15Ga0.85N 層２の上部領域
Ｂの幅ｂが10μｍを超えると転位発生の確率が増大し、
上部領域Ｂの幅ｂが１μｍ未満になると横方向の成長の
ための核形成が良好でできず、したがって、結晶性の良
い横方向のエピタキシャル成長が困難となる。よって、
望ましくは１〜10μｍの範囲が良い。また、層３の結晶
性の観点から、シリコン基板１の露出領域Ａの幅ａのAl
0.15Ga0.85N 層２の上部領域Ｂの幅ｂに対する割合ａ／
ｂは１〜10が望ましい。
【００１６】尚、上記実施例では、シリコン基板を用い
たが、他の導電性基板、サファイア基板、炭化珪素等を
用いることができる。導電性基板を用いた場合には、基
板の裏面と基板上に形成された素子層の最上層とに電極
を形成して、基板面に垂直に電流を流すことができ、発
光ダイオード、レーザ等における電流供給効率が向上す
る。本実施例では、層２の組成をAl0.15Ga0.85N とした
が、任意組成比の一般式Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x ≦1,
0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の窒化ガリウム系化合物半導体
を用いることができる。シリコン基板１上にエピタキシ
ャル成長させるには、Alx Ga1-x N(0 ＜x ≦1)（AlN を
含む) が望ましい。また、層３は、任意組成比の一般式
Alx Gay In1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)
の窒化ガリウム系化合物半導体を用いることができ、層
２と同一組成比であっても、異なる組成比であっても良
いが、基板に対してエピタキシャル成長しない組成比と
する必要がある。又、本実施例では、層２の膜厚を約10
00Åとしたが、層２は厚いとクラックが多くなり、薄い
と層２を核として層３が成長しない。よって、層２の厚
さは、500 Å〜2000Åが望ましい。
【００１７】（第２実施例）上述の第１実施例では、第
１の窒化ガリウム系化合物半導体として、Al0.15Ga0.85
N 層２を１層だけ設けられている。本実施例では、第１
の窒化ガリウム系化合物半導体として、Al0.15Ga0.85N
層２１とその上のGaN 層２２の２層で形成したことを特
徴とする。
【００１８】図２は、本発明の第２実施例に係わる窒化
ガリウム系化合物半導体の断面構成を示した模式図であ
る。シリコン基板１の上には膜厚約1000ÅのAl0.15Ga
0.85N層２１が形成され、この層２１上に、膜厚約1000
ÅのGaN 層２２が形成されている。層２１と層２２とで
第１の窒化ガリウム系化合物半導体が構成される。これ
らの層２１と層２２層は、第１実施例と同様にストライ
プ状又は格子状に形成されている。層２２及びシリコン
基板１の露出領域Ａ上には、膜厚約10μｍのGaN層３が
形成されている。
【００１９】この第２実施例の窒化ガリウム系化合物半
導体は、第１実施例において、層２１、層２２をシリコ
ン基板１上に一様に形成した後、所定パターンのSiO2層
をマスクにして、層２１、層２２をドライエッチングで
図１（ｂ）又は（ｃ）に示すように、ストライプ状又は
格子状にする。その後のGaN 層３の形成は第１実施例と
同一である。
【００２０】膜厚約10μｍのGaN 層３の成長過程は以下
の通りである。GaN は、GaN 層２２の上部領域ＢのGaN
を核として、面に垂直方向に成長する。そして、シリコ
ン基板１の露出領域Ａでは、層２２の露出領域Ｂ上に成
長したGaN を核として、GaNが横方向にエピタキシャル
成長する。このようにして、本実施例では、GaN がGaN
を核として縦方向にも横方向にもエピタキシャル成長す
るので、第１実施例よりも、さらに、結晶性の高いGaN
が得られる。
【００２１】尚、本実施例において、層２２と層３とを
GaN としたが、層２２と層３とを同一組成比の一般式Al
x Gay In1-x-y N(0 ≦x ≦1,0 ≦y ≦1,0 ≦x+y ≦1)の
窒化ガリウム系化合物半導体としても良い。但し、層２
は基板に対してエピタキシャル成長しない組成比とする
必要がある。基板にシリコンを用いた場合には、Alが含
まれない窒化ガリウム系化合物半導体を用いるのが良
い。勿論、層２２と層３との組成比を変化させても良
い。
【００２２】上記の全実施例において、シリコン基板１
又は、シリコン基板１から層２又は層２２までの部分Ｃ
を研磨又はエッチングにより除去することにより、無転
位のGaN 基板を得ることができる。上記の全実施例にお
いて、層３にGaN を用いたが、任意組成比のInGaN を用
いても良い。また、層３の上に、他の材料の半導体層を
形成しても良い。特に、窒化ガリウム系化合物半導体を
さらに成長させることで、発光ダイオード、レーザ等の
特性の良好な素子を得ることができる。また、上記の全
実施例において、基板１と層２、又は層２２の間に、任
意組成比のAlGaN のバッファ層や AlGaInNのバッファ層
を設けても良い。このバッファ層は層２、層２２の単結
晶成長温度よりも低温で形成されるアモルファス状又は
微結晶の混在したアモルファス等の結晶構造をしたもの
である。
【００２３】素子層としてＳＱＷ又はＭＱＷ等の量子構
造を有した発光ダイオード、レーザを形成することがで
きる。上記の全実施例において、MOVPE 法は常圧雰囲気
中で行われたが、減圧成長下で行っても良い。また、常
圧、減圧の組み合わせで行なって良い。本発明で得られ
たGaN 系化合物半導体は、ＬＥＤやＬＤの発光素子に利
用可能であると共に受光素子及び電子ディバイスにも利
用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係わる窒化ガリ
ウム系化合物半導体の構造を示した模式的断面図。
【図２】本発明の具体的な第２実施例に係わる窒化ガリ
ウム系化合物半導体の構造を示した模式的断面図。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ２ Al0.15Ga0.85N 層（第１の窒化ガリウム系化
合物半導体） ３ GaN 層（第２の窒化ガリウム系化合物半導
体） ２１ Al0.15Ga0.85N 層（第１の窒化ガリウム系化
合物半導体） ２２ GaN 層（第１の窒化ガリウム系化合物半導
体）
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 5/323 H01L 21/20 C30C 29/38 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に第１の窒化ガリウム系化合物半導
    体を成長させ、その後、その第１の窒化ガリウム系化合
    物半導体を、前記基板の露出部が散在するように、点
    状、ストライプ状又は格子状等の島状態にエッチング
    し、その後、前記島状態の前記第１の窒化ガリウム系化
    合物半導体を核として成長するが、前記基板の露出部を
    核としてはエピタキシャル成長しない第２の窒化ガリウ
    ム系化合物半導体を成長させ、前記基板の露出面上は横
    方向成長により形成することを特徴とする窒化ガリウム
    系化合物半導体の製造方法。
  2. 【請求項２】前記基板は、サファイア、シリコン、又
    は、炭化珪素であることを特徴とする請求項１に記載の
    窒化ガリウム系化合物半導体の製造方法。
  3. 【請求項３】前記基板はシリコンであり、前記島状態に
    形成される前記第１の窒化ガリウム系化合物半導体は、
    アルミニウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体であ
    り、前記第２の窒化ガリウム系化合物半導体はアルミニ
    ウムを含まない窒化ガリウム系化合物半導体であること
    を特徴とする請求項１に記載の窒化ガリウム系化合物半
    導体の製造方法。
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