JP3201475B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
青色レーザや高速動作トランジスタなどの窒化物半導体
装置に関するものである。
す。ただし、構造を明瞭に示すため、断面のハッチング
は省略している。図4において、サファイアで構成され
る基板1上にバッファ層1Aが設けられている。バッフ
ァ層1A上に、n型GaN層2、n型AlGaNクラッ
ド層3、n型GaN光ガイド層4、i型InGaNより
なる活性層5、p型GaN光ガイド層6、第1のp型A
lGaNクラッド層7、開口を有する電流狭窄層8、第
2のp型AlGaNクラッド層9およびp型GaNコン
タクト層10が順次形成されている。さらに、基板1に
はn型電極11、またp型GaNコンタクト層10には
p型電極12がそれぞれ取り付けられている。
aN層2の格子不整合を緩和し、結晶成長を容易にする
ために設けられたものであり、半導体素子の動作には直
接的には関係しない。
体であるために、n型電極11およびp型電極12に電
圧を印加することにより、青色の光を発振するレーザと
して使用することができる。
来の半導体装置では、図4に示すように基板1中に筋状
に存在する格子欠陥aが、n型GaN層2、n型AlG
aNクラッド層3などの成長とともに上方に延びて、半
導体レーザ素子の能動領域として働くi型GaN活性層
5における電流狭窄層8の開口部分に達している。
必要とする場合、格子欠陥の部分から劣化が始まり、半
導体装置の寿命や信頼性を著しく低下させてしまう。
活性層だけではなく、例えば高速動作する半導体トラン
ジスタ素子のゲート領域においても、このゲート領域に
存在する格子欠陥によってキャリアの移動度が低下する
ため、半導体トランジスタ素子の性能を低下させてしま
う。
や、トランジスタのゲート領域など、半導体素子の能動
領域を担う部分に存在する格子欠陥は、半導体素子の性
能劣化の原因となる。
陥を低減し、信頼性が高く、高性能な半導体装置を提供
することを目的とする。
表面に段差部を有する結晶性基板と、前記結晶性基板上
に形成されるとともに前記段差部の低い側に欠陥が集結
してなる高欠陥領域と、前記高欠陥領域の近傍に形成さ
れた低欠陥領域とを有するIII族窒化物半導体層とを有
し、前記低欠陥領域に能動領域が形成されたものであ
る。
族窒化物半導体層の成長が進み、これに応じて筋状の格
子欠陥の成長方向が、結晶性基板の主面の法線方向に対
して変化するため、III族窒化物半導体層には、部分的
に格子欠陥の密度が低い低欠陥領域が形成される。
て、図面を用いて説明する。
形態1における半導体装置の断面図である。図1におい
て、六方晶のn型GaN(0、0、0、1)基板から構
成され、筋状の格子欠陥aを有し、表面に段差を有する
基板1上に、厚さ5μmのn型GaN層2が形成されて
いる。また、n型GaN層2上に、厚さ0.5μmのn
型AlGaNクラッド層3(AlとGaの混晶比は1
0:90)、厚さ0.1μmのn型GaN光ガイド層
4、厚さ5nmのInGaN層(図示せず、InとGa
の混晶比は5:95)と厚さ5nmのInGaN層(図
示せず、InとGaの混晶比は15:85)とにより構
成されたInGaN量子井戸よりなる活性層5、厚さ
0.05μmのp型GaN光ガイド層6、厚さ0.05
μmの第1のp型AlGaNクラッド層7(AlとGa
の混晶比は10:90)、幅2μmの開口を有する厚さ
0.5μm電流狭窄層8を設ける。なお、InGaN量
子井戸よりなる活性層5における電流狭窄層8の開口部
近傍は、半導体レーザ素子の能動領域5aを構成する。
また、電流狭窄層8の導電型は、第1のp型AlGaN
クラッド層7とは逆の導電型あるいは高抵抗型のもので
あればよい。また、電流狭窄層8の材料として、Ga
N、AlGaNなどの半導体やAlN、SiO2などの
絶縁体を用いてもよい。さらに活性層5としてはInG
aN量子井戸よりなる活性層を用いたが、量子井戸とし
ては単一量子井戸でもよく、2重以上の多重量子井戸で
もよい。また、活性層5としてバルク活性層を用いても
よい。
p型AlGaNクラッド層9(AlとGaの混晶比は1
0:90)、厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層
10が順次形成されている。
aNコンタクト層10にはp型電極12がそれぞれ取り
付けられており、n型電極11とp型電極12との間に
電圧を印加することによりInGaN量子井戸よりなる
活性層5が発光する。
1の表面に段差を有するため、n型GaN層2の結晶成
長方向が、段差部分の傾きに応じて斜め方向となる。こ
のため、筋状の格子欠陥aも同様に斜め方向に成長し、
これにともないn型GaN層2には格子欠陥aが比較的
少ない領域である低欠陥領域bが形成されている。さら
に、n型GaN層2上に結晶成長するn型AlGaNク
ラッド層3、n型GaN光ガイド層4、およびInGa
N量子井戸よりなる活性層5におけるn型GaN層2の
低欠陥領域b上の部分も低欠陥領域bが形成されてい
る。ここで、能動領域5aは、InGaN量子井戸より
なる活性層5の低欠陥領域bに形成されているため、能
動領域5a中の格子欠陥aは少ない。これにより、この
半導体装置の信頼性が向上する。
子井戸よりなる活性層5の平坦な部分に形成することが
望ましいことは言うまでもない。
設ければ、基板1上に低欠陥領域bを周期的に形成する
ことができ、基板1上に周期的に半導体レーザ素子を形
成することができ、半導体レーザ素子を効率よく生産す
ることができる。
段差部分における基板1の表面の法線とがなす角の大き
さが90度以下となるように基板1の表面の段差を成形
すれば、n型GaN層2を容易に成長できる。ここで、
段差をこのように成形する方法について説明する。図2
は、基板1の表面を加工する工程を示す。まず、図2
(a)に示すように、基板1上の一部をマスク13で被
覆する。次に、図2(b−1)に示すように、サイドエ
ッチングの方法を用いて、マスク13に被覆されていな
い基板1の部分を除去する。また、別の方法として、図
2(a)に示すように基板1上の一部をマスク13で被
覆した後、図2(b−2)に示すようにマスク自身がエ
ッチングされるようなエッチングの条件を選択する方法
が考えられる。
(1、1、1)面、(−1、1、1)面、(1、−1、
1)面、(−1、−1、1)面、(1、1、−1)面、
(−1、1、−1)面、(1、−1、−1)面、(−
1、−1、−1)面、あるいは六方晶系半導体の(0、
0、0、1)面、(0、0、0、−1)面などを選択で
きる。
るための、結晶成長の方法としては、有機金属気相成長
(以下MOCVDという)法、分子線エピタキシャル成
長(以下MBEという)法、ハイドライド気相成長(以
下HVPEという)法、またはこれらの方法を組み合わ
せた方法を用いることができる。
よび従来の半導体装置について行ったライフテストの結
果について説明する。このライフテストは、温度100
℃で多数の半導体レーザ素子を定光出力動作させるもの
である。従来のレーザ素子は、ライフテスト開始後10
00時間で約半数が動作不能となり、残り半数の半導体
レーザ素子も、動作電流が平均50%上昇するなど、特
性の著しい劣化が見られた。一方、本実施の形態におけ
る半導体レーザ素子は、ライフテスト開始1000時間
後でも全数が動作し、動作電流の上昇は平均で2%であ
り、特性の飛躍的な向上が現れているといえる。
態2における半導体装置について、その製造方法ととも
に図3を用いて説明する。
ア(0、0、0、1)基板で構成された基板1上に、M
OCVD法を用い、温度条件1000℃で厚さ5μmの
AlN層14を形成する。AlN層14中には、AlN
とサファイアとの格子定数の違いにより発生する格子欠
陥aが存在している。
ィブイオンエッチングにより、AlN層14の表面に第
1の段差である凹凸14aを設ける。この凹凸14aの
周期は10μm、凸部の上面の幅は2μm、深さは3μ
mである。また、この凹凸14aによって紙面垂直方向
に形成される溝の方向は、<1、1、−2、0>であ
る。
14上にMOCVD法を用い、厚さ10μmのGaN層
15を形成する。このとき、AlN層14の凹部上のG
aN層15の格子欠陥aは、GaN層15の堆積の進行
とともにAlN層14の凹部中央に向かって集結し、や
がて1筋の格子欠陥aにまとまる。最終的にGaN層1
5の表面に存在する格子欠陥aは、AlN層14の凹部
中央付近と、AlN層14の表面の凸部上付近のみであ
り、その他の領域は低欠陥領域bとなる。
数をさらに減らす為に、図3(d)に示すように、リア
クティブイオンエッチングにより、GaN層15の低欠
陥領域bの一つおきに凸部ができるように、GaN層1
5に第2の段差である凹凸15aを設ける。この凹凸1
5aの周期、凸部の上面の幅、および深さは、それぞれ
凹凸14aのものと同じである。そして、図3(e)に
示すように、GaN層15上にHVPE法により厚さ2
0μmのGaN層16を形成する。このとき、AlN層
14の凹部上のGaN層16の格子欠陥aは、GaN層
16の堆積の進行とともにAlN層14の凹部中央に向
かって集結し、やがて1筋の格子欠陥aにまとまる。こ
れにより、格子欠陥aがさらに減少する。
層16の低欠陥領域b上にMOCVD法を用い、厚さ2
μmのアンドープGaN層17、厚さ100Åのn型G
aN層18を順次形成する。さらにこのn型GaN層1
8上に、ゲート電極19、ソース電極20、ドレイン電
極21をそれぞれ設けることにより半導体トランジスタ
素子を完成する。
Pt、Pdおよびそれらの合金、化合物など、仕事関数
が4.5eV以上、望ましくは5eV以上の導電体を用
いるのが良い。ソース電極20および、ドレイン電極2
1には、Al、Ti、In、TiNおよびそれらの合金
や化合物など、仕事関数が5eV以下、望ましくは4.
5eV以下の導電体を用いるのが良い。
素子のゲート領域であるn型GaN層18のゲート電極
19近傍は、低欠陥領域bで構成されるため、半導体ト
ランジスタ素子の高速動作特性が向上する。
装置と、低欠陥領域を有しない従来の半導体トランジス
タ素子についてカットオフ周波数を調べたところ、本実
施の形態における半導体トランジスタ素子は、従来の半
導体トランジスタ素子の4倍の周波数でも動作が可能で
あることがわかった。これは、半導体トランジスタ素子
の能動領域であるゲート領域の格子欠陥が低減されたこ
とによって電子の移動度が向上し、動作周波数が向上し
たものと考えられる。
ジスタ素子と、従来の半導体トランジスタ素子をそれぞ
れ温度条件700℃で動作テストを行った結果、動作テ
スト開始後1000時間で従来の半導体トランジスタ素
子は動作しなくなった。これに対して、本実施の形態に
おける半導体トランジスタ素子は、1000時間経って
高周波特性を維持した。
素子の凹凸14aにより形成される溝と、凹凸15aに
より形成される溝は、共に紙面鉛直方向であるが、凹凸
15aにより形成される溝を凹凸14aにより形成され
る溝に直交させれば、紙面鉛直方向にも格子欠陥aを集
結させることができる。
示した矩形の他、格子状、6角形のハニカム状、円形、
不定形などの形状を用いることができる。
凸の周期はできるだけ大きくする方がよい。
体レーザ素子の活性層や半導体トランジスタ素子のゲー
ト領域を設けることについて説明したが、発光ダイオー
ドの発光部またはバイポーラトランジスタのベース領域
を設けても、同様の効果を得ることができる。
形態3における半導体装置の断面図である。図5におい
て、六方晶のn型GaNよりなる、主面が(0、0、
0、1)である基板1から構成され、筋状の格子欠陥a
を有する。基板1の表面には、凸部が(0、0、0、
1)と同じ面方位を有さない凹凸構造が形成されてい
る。この凹凸構造を有する基板1上に、厚さ5μmのn
型GaN層2が形成されている。また、n型GaN層2
上に、厚さ0.5μmのn型AlGaNクラッド層3
(AlとGaの混晶比は10:90)、厚さ0.1μm
のn型GaN光ガイド層4、厚さ5nmのInGaN層
(図示せず、InとGaの混晶比は5:95)と厚さ5
nmのInGaN層(図示せず、InとGaの混晶比は
15:85)とにより構成されたInGaN量子井戸よ
りなる活性層5、厚さ0.05μmのp型GaN光ガイ
ド層6、厚さ0.05μmの第1のp型AlGaNクラ
ッド層7(AlとGaの混晶比は10:90)、幅2μ
mの開口を有する厚さ0.5μmの電流狭窄層8を設け
る。なお、InGaN量子井戸よりなる活性層5におけ
る電流狭窄層8の開口部近傍は、半導体レーザ素子の能
動領域5aを構成する。また、電流狭窄層8の導電型
は、第1のp型AlGaNクラッド層7とは逆の導電型
あるいは高抵抗型のものであればよい。また、電流狭窄
層8の材料として、GaN、AlGaNなどの半導体や
AlN、SiO2などの絶縁体を用いてもよい。
p型AlGaNクラッド層9(AlとGaの混晶比は1
0:90)、厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層
10が順次形成されている。
aNコンタクト層10にはp型電極12がそれぞれ取り
付けられており、n型電極11とp型電極12との間に
電圧を印加することによりInGaN量子井戸よりなる
活性層5が発光する。
が(0、0、0、1)である基板1の表面に凸部が
(0、0、0、1)と同じ面方位を有さない凹凸構造を
有するため、n型GaN層2の結晶成長方向が、段差部
分の傾きに応じて斜め方向となる。このため、筋状の格
子欠陥aも同様に斜め方向に成長し、これにともないn
型GaN層2には格子欠陥aが比較的少ない領域である
低欠陥領域bが形成されている。これは、基板1からの
(0、0、0、1)面に対し垂直方向に存在していた筋
状の格子欠陥aをn型GaN層2の結晶成長方向に曲げ
てやることにより低欠陥領域bが実現されている。ここ
で、能動領域5aを、低欠陥領域を含む部分に形成する
ことにより、能動領域5a中の格子欠陥の数を低減する
ことが可能となり、半導体装置の信頼性が向上する。な
お、能動領域5aが、すべて低欠陥領域内に含まれば好
ましいのは言うまでもない。例えば、能動領域5aを、
基板1上に形成された凸部と同じ位置に形成することに
より、能動領域5a中の格子欠陥aをなくすことが可能
となり、著しく半導体装置の信頼性が向上する。
設ければ、能動領域5aを周期的に形成することがで
き、基板1上に周期的に半導体レーザ素子を形成するこ
とができ、半導体レーザ素子を効率よく生産することが
できる。
は、(0、0、0、1)に相当する面)と同じ面方位を
有さない凸部を形成する方法について説明する。図6
は、基板1の表面を加工する工程を示す。まず、図6
(a)に示すように、基板1上の一部をマスク材13で
被覆する。ここで、マスク材13は、基板1の主平面と
平行な面を有さない。次に、図6(b)に示すように、
ドライエッチングにより基板1と同時にマスク材13も
エッチングする。この構成によりマスク材が完全にエッ
チングされた段階で図6(c)に示すように、凸部が基
板1の主平面と平行な面を有さない凹凸構造を基板1上
に形成することが可能となる。
(1、1、1)面、(−1、1、1)面、(1、−1、
1)面、(−1、−1、1)面、(1、1、−1)面、
(−1、1、−1)面、(1、−1、−1)面、(−
1、−1、−1)面、あるいは六方晶系半導体の(0、
0、0、1)面、(0、0、0、−1)面などを選択で
きる。
るための、結晶成長の方法としては、MOCVD法、M
BE法、HVPE法、またはこれらの方法を組み合わせ
た方法を用いることができる。
の形態1における半導体装置と同じライフテストの結
果、1000時間経過した後の電流の増加率が平均で2
%であり、信頼性の向上を確認できた。
態4における半導体装置について、その製造方法ととも
に図7を用いて説明する。
ア(0、0、0、1)基板で構成された基板1上に、M
OCVD法を用い、温度条件1000℃で厚さ5μmの
AlN層14を形成する。AlN層14中には、AlN
とサファイアとの格子定数の違いにより発生する格子欠
陥aが存在している。
ィブイオンエッチングにより、AlN層14の表面に第
1の段差である凹凸構造14aを設ける。この凹凸構造
の凸部は、AlN層14の(0、0、0、1)面を有す
ることなく形成される。この凹凸構造14aによって紙
面垂直方向に形成される溝の方向として、<1、1、−
2、0>を選択した。
14上にMOCVD法を用い、厚さ10μmのGaN層
15を形成する。このとき、AlN層14の凹部上のG
aN層15の格子欠陥aは、GaN層15の堆積の進行
とともにAlN層14の凹部中央に向かって集結し、や
がて1筋の格子欠陥aにまとまる。最終的にGaN層1
5の表面に存在する格子欠陥aは、AlN層14の凹部
中央付近のみであり、その他の領域は低欠陥領域bが形
成される。
数をさらに減らす為に、図7(d)に示すように、リア
クティブイオンエッチングにより、GaN層15の格子
欠陥aが凹部に位置するように凸部が(0、0、0、
1)面を有さない凹凸構造15aを形成する。この際凹
凸構造15aの周期は凹凸構造14aの周期の2倍とす
る。そして、図7(e)に示すように、GaN層15上
にHVPE法により厚さ20μmのGaN層16を形成
する。このとき、GaN層15の凹部上のGaN層16
の格子欠陥aは、GaN層16の堆積の進行とともにG
aN層15の凹部中央に向かって集結し、やがて1筋の
格子欠陥aにまとまる。これにより、格子欠陥aがさら
に減少する。
層16の低欠陥領域b上にMOCVD法を用い、厚さ2
μmのアンドープGaN層17、厚さ100Åのn型G
aN層18を順次形成する。さらにこのn型GaN層1
8上に、ゲート電極19、ソース電極20、ドレイン電
極21をそれぞれ設けることにより半導体トランジスタ
素子を完成する。
形態2における半導体装置と同等の最高動作周波数であ
り、従来の半導体装置に比べ、格子欠陥低減による最高
動作周波数向上の効果が得られた。
は、基板1の主平面と同じ平面を有さなければよく、尖
った形状や曲面形状あるいはそれらの組み合わせなど任
意の形状でも、同様の欠陥低減効果がある。また、凹部
の形状は平面、尖った形状、曲面あるいはそれらの組み
合わせなど、任意の形状でも同様の欠陥低減効果があ
る。
形態5における半導体装置の断面図である。図8におい
て、六方晶のn型GaN(0、0、0、1)基板1から
構成され、表面には基板1の(0、0、0、1)面の法
線と段差部分の表面の法線とのなす角の大きさが90度
以上となるように段差を成形し、その上に厚さ5μmの
n型GaN層2が形成されている。また、n型GaN層
2上に、厚さ0.5μmのn型AlGaNクラッド層3
(AlとGaの混晶比は10:90)、厚さ0.1μm
のn型GaN光ガイド層4、厚さ5nmのInGaN層
(図示せず、InとGaの混晶比は5:95)と厚さ5
nmのInGaN層(図示せず、InとGaの混晶比は
15:85)とにより構成されたInGaN量子井戸よ
りなる活性層5、厚さ0.05μmのp型GaN光ガイ
ド層6、厚さ0.05μmの第1のp型AlGaNクラ
ッド層7(AlとGaの混晶比は10:90)、幅2μ
mの開口を有する厚さ0.5μmの電流狭窄層8を設け
る。なお、InGaN量子井戸よりなる活性層5におけ
る電流狭窄層8の開口部近傍は、半導体レーザ素子の能
動領域5aを構成する。また、電流狭窄層8の導電型
は、第1のp型AlGaNクラッド層7とは逆の導電型
あるいは高抵抗型のものであればよい。また、電流狭窄
層8の材料として、GaN、AlGaNなどの半導体や
AlN、SiO2などの絶縁体を用いてもよい。
p型AlGaNクラッド層9(AlとGaの混晶比は1
0:90)、厚さ0.1μmのp型GaNコンタクト層
10が順次形成されている。
aNコンタクト層10にはp型電極12がそれぞれ取り
付けられており、n型電極11とp型電極12との間に
電圧を印加することによりInGaN量子井戸よりなる
活性層5が発光する。
面の法線と段差部分の表面の法線とのなす角の大きさが
90度以上となるような段差を有する凹凸構造が形成さ
れている。これにより、基板1に存在する筋状の格子欠
陥aが、成長方向に進行することが妨げられ、凹凸構造
の凹部からの格子欠陥を大幅に低減することができる。
これに伴い、n型GaN層2には格子欠陥aが比較的少
ない領域である低欠陥領域bが形成されている。さら
に、n型GaN層2上に結晶成長するn型AlGaNク
ラッド層3、n型GaN光ガイド層4、およびInGa
N量子井戸よりなる活性層5におけるn型GaN層2の
低欠陥領域b上の部分も低欠陥領域bが形成されてい
る。ここで、能動領域5aは、InGaN量子井戸より
なる活性層5の低欠陥領域bに形成されているため、能
動領域5a中の格子欠陥aは少ない。これにより、この
半導体装置の信頼性が向上する。
子井戸よりなる活性層5の平坦な部分に形成することが
望ましいことは言うまでもない。
設ければ、基板1上に低欠陥領域bを周期的に形成する
ことができ、基板1上に周期的に半導体レーザ素子を形
成することができ、半導体レーザ素子を効率よく生産す
ることができる。
(1、1、1)面、(−1、1、1)面、(1、−1、
1)面、(−1、−1、1)面、(1、1、−1)面、
(−1、1、−1)面、(1、−1、−1)面、(−
1、−1、−1)面、あるいは六方晶系半導体の(0、
0、0、1)面、(0、0、0、−1)面などを選択で
きる。
るための、結晶成長の方法としては、MOCVD法、M
BE法、HVPE法、またはこれらの方法を組み合わせ
た方法を用いることができる。
実施の形態1と同様のライフテストを行った結果、10
00時間後でも全数が動作し動作電流の上昇は平均で2
%であり、特性の飛躍的な向上が現れているといえる。
態6における半導体装置について、その製造方法ととも
に図9を用いて説明する。
ア(0、0、0、1)基板で構成された基板1上に、M
OCVD法を用い、温度条件1000℃で厚さ5μmの
AlN層14を形成する。AlN層14中には、AlN
とサファイアとの格子定数の違いにより発生する格子欠
陥aが存在している。
14の表面に基板1の(0、0、0、1)面の法線とな
す角の大きさが90度以上となるような段差を有する凹
凸構造14aを設ける。この凹凸構造14aの周期は1
0μm、凸部の上面の幅は2μm、深さは3μmであ
る。また、この凹凸構造14aによって紙面垂直方向に
形成される溝の方向は、<1、1、−2、0>である。
14上にMOCVD法を用い、厚さ10μmのGaN層
15を形成する。このとき、段差近傍の欠陥は成長方向
に進行することを妨げられ、GaN層15の表面に達し
ない。また、残りの凹部の欠陥はAlN層14の凹部上
のGaN層15の格子欠陥aは、GaN層15の堆積の
進行とともにAlN層14の凹部中央に向かって集結
し、やがて1筋の格子欠陥aにまとまる。最終的にGa
N層15の表面に存在する格子欠陥aは、AlN層14
の凹部中央付近と、AlN層14の表面の凸部中央付近
のみであり、その他の領域は低欠陥領域bとなる。
数をさらに減らす為に、図9(d)に示すように、Ga
N層15の低欠陥領域bの一つおきに凸部ができるよう
に、GaN層15に第2の段差である凹凸構造15aを
設ける。この凹凸構造15aの周期、凸部の上面の幅、
および深さは、それぞれ凹凸構造14aのものと同じで
ある。このとき、(0、0、0、1)面の法線と凹凸構
造の段差のなす角の大きさは90度以上であることが望
ましい。そして、図9(e)に示すように、GaN層1
5上にHVPE法により厚さ20μmのGaN層16を
形成する。このとき、AlN層14の凹部上にあるGa
N層16の格子欠陥aのうち、段差近傍の欠陥は成長方
向に進行することを妨げられる。また、残りの凹部の欠
陥は、GaN層16の堆積の進行とともにAlN層14
の凹部中央に向かって集結し、やがて1筋の格子欠陥a
にまとまる。これにより、格子欠陥aがさらに減少す
る。
層16の低欠陥領域b上にMOCVD法を用い、厚さ2
μmのアンドープGaN層17、厚さ100Åのn型G
aN層18を順次形成する。さらにこのn型GaN層1
8上に、ゲート電極19、ソース電極20、ドレイン電
極21をそれぞれ設けることにより半導体トランジスタ
素子を完成する。
作周波数は、実施の形態2における半導体装置と同等で
あり、実施の形態2と同様、格子欠陥が低減されたこと
によって電子の移動度が向上し、動作周波数が向上した
ものと考えられる。
態7における半導体レーザ装置について、図10を用い
て説明する。
0、0、1)基板1の上に、厚さ0.05μmのAlN
バッファ層22、厚さ1.0μmのn型GaN層23、
幅約1.5μmのストライプ状の窓部Aを有する厚さ
0.5μmの高抵抗Al0.2Ga0.8N電流ブロック層2
4が形成されている。AlNバッファ層22、n型Ga
N層23、電流ブロック層24の中にはほぼ基板1の法
線方向に沿った筋状の格子欠陥aが形成されている。電
流ブロック層24の窓部Aと上部Bには、n型Al0.1
Ga0.9Nクラッド層3が形成されている。また、クラ
ッド層3の上には、厚さ0.1μmのn型GaN光ガイ
ド層4、厚さ5nmのIn0.05Ga0.95N層(図示せ
ず)と厚さ5nmのIn0.15Ga0.85N層(図示せず)
とにより構成されたInGaN量子井戸よりなる活性層
5、厚さ0.05μmのp型GaN光ガイド層6、厚さ
0.8μmのp型Al0.1Ga0.9Nクラッド層7、厚さ
0.5μmのp型GaNコンタクト層10が形成されて
いる。また、n型GaN層23とp型GaNコンタクト
層10の上には、オーミック電極11および12がそれ
ぞれ形成されており、オーミック電極11とオーミック
電極12の間に電流を流すと、窓部Aの上部の活性層5
が能動領域として発光し、電流を増加させるとやがてレ
ーザ発振に至る。
24がその窓部Aにおいて段差を有するために、クラッ
ド層3の結晶成長方向が窓部Aの側面の傾きに応じて斜
め方向となる。このため、筋状の欠陥aも窓部Aにおい
ては斜め方向に成長し、欠陥の少ない領域bが形成され
るとともに、窓部Aの両側から斜めに成長してきた欠陥
どうしが窓部の中央付近で合流するため欠陥の本数が減
少する。この結果、発光部分である窓部Aの上部の活性
層を貫通する欠陥の本数が、窓部Aのない場合よりも大
幅に低減され、半導体レーザ装置の寿命が向上する。事
実、本実施の形態における半導体レーザ装置を、温度1
00℃、光出力30mWで定光出力連続動作させたとこ
ろ、ほとんどのレーザが約1000時間経過しても動作
電流の増加率2%以内の安定な動作を示し、信頼性の飛
躍的な向上を確認できた。
装置では、電流ブロック層24をクラッド層3よりもA
l組成の高いAlGaNで構成したが、電流ブロック層
24をクラッド層3と同じあるいはクラッド層3よりも
低いAl組成のAlGaNにしても、活性層を貫通する
欠陥の本数を同様に低減できるため、信頼性の向上を図
ることができる。しかしながら、本実施の形態のような
構成にすることにより、窓部Aの屈折率が電流ブロック
層24の屈折率よりも高くできるので、横方向にストラ
イプ部で凸の実効屈折率差が形成でき、活性層で発生し
た光を効率良くストライプ内に閉じ込めることができる
ため、しきい値電流を低減する上で望ましい。
装置では、電流ブロック層24を高抵抗層としたが、p
型層としてもよく、同様の効果を得ることができる。
わちGaN層23、クラッド層3をp型、電流ブロック
層24を高抵抗またはn型、クラッド層7、コンタクト
層10をn型の窒化物系化合物半導体で構成してもよ
い。
装置では、活性層をInGaN、それ以外の層をAlx
Ga1-xN(0≦x≦1)で構成したが、一般に各層を
BUAlVGaWIn1-U-V-WN(0≦U≦1、0≦V≦
1、0≦W≦1)で表される窒化物系化合物半導体を用
いても同様の効果を得ることができる。
の形態8における半導体基板の断面図である。この基板
の作製法を図12を用いて説明する。
GaN(0、0、0、1)基板であり、筋状の貫通転移
が1x108cm-2の密度で表面にまで達している。結
晶基板1上にフォトリソグラフィーにより形成したフォ
トレジストによるマスク13を設置する(図12
(b))。本実施の形態では、フォトレジストの幅を8
μm、開口部を16μmとする。BCl3ガスによる反
応性イオンエッチングを用いてマスクの開口部のみを深
さ1μmエッチングすることで、凸部の幅が7μm、凹
部の幅が17μm、高さ1μmのストライプ状の周期的
な段差を作製する(図12(c))。凸部の幅が、フォ
トレジストの幅より狭くなったのは、GaN基板1がサ
イドエッチングされたことによる。
被覆するGaN層25を成長する。成長法は特に限定す
るものではないが、本実施の形態では有機金属気相成長
装置を用い、原料にはトリメチルガリウムとアンモニ
ア、キャリアガスには水素を用いる。トリメチルガリウ
ムとアンモニアのモル供給比がGa:N=1:5500
となるように原料を流し、1000℃でGaNを成長す
る。この際の(0、0、0、1)面上の成長速度は毎時
2μmで、3時間成長を行う(図12(d))。以上の
成長によりGaN層25中の欠陥aは1筋にまとまり、
低欠陥領域bが形成されている。
の形態のフォトレジストの他、SiO2やAuなどが、
また、反応性イオンエッチングのガスには本実施の形態
のBCl3の他、Cl2やSiCl4等、塩素を含むガス
を用いることができる。
の形態9における半導体基板の断面図である。
様の方法で、凸部の幅が7μm、凹部の幅が17μm、
高さ1μmのストライプ状の周期的な第1の段差を形成
し、GaNよりなる半導体層25を3時間成長する。次
に、基板1に段差を設けたのと同じ方法で、GaNより
なる半導体層25に凸部の幅が7μm、凹部の幅が17
μm、高さ1μmのストライプ状の周期的な第2の段差
を形成する。この際、GaNよりなる半導体層25に形
成する段差は、段差の凸部が低欠陥領域を含むように形
成するか、好ましくは、凸部が完全に低欠陥領域内に収
まるようにする。本実施の形態では、第1の段差と第2
の段差を凹凸の周期方向に8μmずらすことで凸部が完
全に低欠陥領域内に収まるようにした。次に、GaNよ
りなる半導体層25の上にGaNよりなる半導体層26
を、GaNよりなる半導体層25と同じ条件で3時間成
長する。
ことで、GaN層26にはGaN層25に比べ、より広
い低欠陥領域が得られている。
施の形態10における結晶基板の断面図である。図14
の結晶基板の作製方法を図15を用いて説明する。
(0、0、0、1)基板である。結晶基板1上にAl
0.5Ga0.5N層27を1.5μm成長する(図15
(b))。この際の結晶成長方法は特に限定するもので
はないが、本実施の形態では実施の形態8と同様の有機
金属気相成長装置を用い、原料にトリメチルガリウムと
トリメチルアルミニウムとアンモニアを用いて、Gaと
AlとNのモル供給比がGa:Al:N=0.5:0.
5:5500となるようにした。このとき、Al0.5G
a0.5N層27はクラックなどの発生が無く平坦であ
る。つぎに、第8の実施の形態と全く同じ反応性イオン
エッチングにより、Al0.5Ga0.5N層27に高さ2μ
mの千鳥格子状の段差を形成する(図15(c−1)、
図15(c−2))。この段差は、Al0.5Ga0.5N層
27の厚さより深く、底部はGaN基板1まで達してい
る。Al0.5Ga0.5N結晶層27の上にAl0.5Ga0.5
N層28を30μm成長する(図15(d))。このと
き、Al0.5Ga0.5N層28には、実施の形態8と同
様、低欠陥領域bが形成される。
形成する段差の高さを1μmとする以外は全く同様の方
法で、Al0.5Ga0.5N層28を30μm成長した(図
示せず)。この場合、段差形成時の段差の底部はAl
0.5Ga0.5N層27であって、GaN基板1は露出して
いない。このとき、Al0.5Ga0.5N層28の表面に
は、Al0.5Ga0.5N層28が30μmと厚いために、
GaNとAl0.5Ga0.5Nの格子定数差により生じたク
ラックが存在している。
をAl0.5Ga0.5N層27を超えて形成することでクラ
ックが生じなくなる。段差をAl0.5Ga0.5N層27を
超えて形成した場合を詳細に調べると、図15(e)に
模式的に示すように、Al0.5Ga0.5N層27とGaN
基板1の格子不整合は、Al0.5Ga0.5N層27を格子
状としたことで、Al0.5Ga0.5N層27内で緩和され
ている。また、Al0.5Ga0.5N層27とAl0.5Ga
0.5N層28の界面では格子が整合しているのに対し、
GaN基板1とAl0.5Ga0.5N層28の界面で格子の
不整合が生じている。このように、段差をAl0.5Ga
0.5N層27を超えて形成することで、GaN基板1と
Al0.5Ga0.5N層28の格子定数差は緩和され、クラ
ックを防止する効果があると考えられる。なお、以上の
ようなメカニズムから、本実施の形態のGaN基板1お
よびAl 0.5 Ga 0.5 N層27、28の代わりに、AlG
aNの組成を変化させた層を用いた場合や、そのほかの
材料の組み合わせを用いた場合についても同様の効果が
得られる。
形態11について図16と図17を用いて説明する。
x108cm-2のGaN結晶基板、Al0.5Ga0.5N結
晶基板、AlN結晶基板を用い、半導体層25として、
GaN、Al0.5Ga0.5N、AlNを用いて、すべての
結晶基板と半導体層の組み合わせについて、実施の形態
1と同様の実験を行った。この際、半導体層25の成長
温度を700℃から1100℃まで変化させた。
25の成長温度が900℃を超えると図16(a)から
(c)に示すように、段差が平坦に埋め込まれていくと
ともに、欠陥が屈曲し、低欠陥領域が形成されるが、9
00℃以下では、図17(a)から(c)に示すように
段差が平坦にならず、また、半導体層25中では欠陥が
屈曲せず、欠陥の減少が見られない。以上のように、A
lGaNにより構成された基板1上に段差を形成しAl
GaNにより構成された半導体層25を成長する場合、
段差の埋め込みを行い、かつ欠陥を横方向に屈曲させる
為には、AlGaN層25の成長温度として900℃を
超える温度が必要である。
の形態12について図18を用いて説明する。
ある。本実施の形態では、サファイア基板1は表面が2
゜傾斜した(0、0、0、1)であるサファイアを、水
素ガスなどの還元雰囲気中で1300℃で10時間加熱
することで作製する。このように加熱することで、サフ
ァイア傾斜基板中の原子オーダーの微小なステップが結
合して、0.1μm以上の段差を有するステップとな
る。
半導体層29の成長温度を350℃から1000℃まで
変化させたところ、成長温度が400℃未満ではAl
0.5Ga0.5Nは成長しなかった。また、900℃を超え
る温度では、Al0.5Ga0.5Nは島状になってしまい、
一様な層が得られなかった。そこで、半導体層29の成
長温度は400℃以上900℃以下とする。
あるので、実施の形態11の図17に示したように、欠
陥の屈曲が行われず低欠陥領域は形成されない。そこ
で、半導体層29を成長させた後に、Al0.5Ga0.5N
よりなる半導体層25を900℃以上の温度で成長する
ことで、欠陥が屈曲し低欠陥領域が形成される。
中での加熱で形成したが、段差を実施の形態8と同様の
エッチング等の方法を用いて形成しても同様であり、エ
ッチング等の方法を用いれば、任意の面方位を有する基
板に任意の形状を有する段差を形成できる。なお、本実
施の形態では半導体層29および半導体層25としてA
l0.5Ga0.5Nを用いているが、半導体層29と半導体
層25の組み合わせについて、GaNやAlNや他の組
成のAlGaNの組み合わせを用いても同様の結果が得
られる。また、半導体層25の膜厚は半導体層25が連
続膜となればよく、好ましくは0.005μm以上あれ
ば良い。なお、本実施の形態ではAl0.5Ga0.5Nより
なる半導体層25はステップ状になるので、半導体装置
などで平坦な基板が必要な場合はAl0.5Ga0.5Nより
なる半導体層25を研磨するなどの方法により平坦化す
るなど行えばよい。
の形態13について説明する。
iC(0、0、0、1)、Si(1、1、1)、GaA
s(1、1、1)を用いる以外は実施の形態12と全く
同様にしてAl0.5Ga0.5Nよりなる半導体層29とA
l0.5Ga0.5Nよりなる半導体層25が順次成長した。
なお、SiC、Si、GaAsは半導体であるので、適
切なウェットエッチングで容易に段差を形成することが
可能である。
000℃まで変化させたところ、いずれの基板について
も成長温度が400℃未満ではAl0.5Ga0.5Nは成長
せず、900℃を超える温度では一様なAl0.5Ga0.5
N結晶層が得られなかった。そこで、半導体層29の成
長温度は400℃以上900℃以下とする。
あるので、実施の形態11に示したように、欠陥の屈曲
が行われず低欠陥領域は形成されない。そこで、半導体
層29を成長させた後に、Al0.5Ga0.5Nよりなる半
導体層25を900℃以上の温度で成長することで、欠
陥が屈曲し低欠陥領域が形成される。
の形態の様に特定の面方位を用いると、特定の面を有す
る半導体層を成長させることができるので好ましいが、
任意の面方位についても同様の結果が得られる。また、
SiCの結晶構造についても、6H−SiC以外にも、
4H−SiCや3C−SiC等、他の結晶構造を有する
SiCについても同様の結果が得られる。なお、本実施
の形態では半導体層29および半導体層25としてAl
0.5Ga0.5Nを用いているが、半導体層29と半導体層
25の組み合わせとして、GaNやAlNや他の組成の
AlGaNを用いても同様の結果が得られる。
の形態14について説明する。
GaN(0、0、0、1)基板上にストライプ状の周期
的な段差を作製する。
よりなる半導体層25が6μm成長する。Al0.2Ga
0.8Nよりなる半導体25の成長の際、原料にSiある
いはSeあるいはMgあるいはZnを含む原料を導入す
ることで、Al0.2Ga0.8Nよりなる半導体層25中に
不純物を導入した。本実施の形態では、実施の形態1と
同様有機金属気相成長装置を用い、不純物を含む原料と
してそれぞれ、モノシラン(SiH4)、セレン化水素
(H2Se)、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム
((C5H5)2Mg)、ジメチルジンク((CH3)
2Zn)を用いる。
の不純物濃度と段差上の表面状態との関係を調べた結
果、いずれの不純物の場合も不純物濃度を1×1021c
m-3より大きくすると、段差上の表面に数100nmオ
ーダーの凹凸が発生することが判明した。このような表
面の凹凸により、基板上に半導体装置を形成した場合の
膜の平坦性が悪く、所望の特性が得られないという問題
が起こる。そこで、半導体装置などに用いる基板の製造
方法としては、不純物密度1×1021cm-3以下とする
必要がある。
用いた原料に限らない。また、不純物に関しても、本実
施の形態のSiの他に、Ge等の他のIV族元素を用いた
場合や、本実施の形態のSeの他に、OやS等の他のVI
元素を用いた場合や、本実施の形態のMgやZnの他
に、Cd等の他のII族あるいは金属元素を用いた場合も
同様の結果が得られる。なお、本実施の形態では半導体
層25はAl0.2Ga0.8Nであるが、任意の組成のAl
GaNやGaNやAlNを用いても同様の結果が得られ
る。
の形態15について説明する。
GaN(0、0、0、1)基板上にストライプ状の周期
的な段差を作製する。
よりなる半導体層25を成長する。Al0.2Ga0.8Nよ
りなる半導体層25の成長の際、GaとAlのモル供給
量の和すなわちIII族のモル供給量と、Nのモル供給量
すなわちV族のモル供給量の比が、V族モル流量/III
族モル流量=100〜10000となるようにした。こ
の際III族モル流量は一定とした。成長温度は900℃
から1100℃である。
量(以下V/III比と表記)と、幅5μmの溝を平坦に
埋め込み成長するのに要する時間を調べた結果である。
いずれの成長温度においても、V/III比を下げると溝
を平坦に埋め込み成長するための時間が増大し、V/II
I比が200以下では図17と同様の成長様式となり、
溝が平坦に埋め込み成長されないことが判明した。溝が
平坦に埋め込み成長されない場合は、図17に示すよう
に低欠陥領域が形成されない。したがって、低欠陥領域
の形成にはV/III比が200より大きく、好ましくは
1000以上必要である。
てAl0.2Ga0.8Nを成長したが、他の組成のAlGa
NやGaN、AlNについても同様の結果が得られる。
低欠陥領域に半導体素子の能動領域を形成することによ
り、信頼性および性能を向上することができる。
面を示す図
びその製造方法を示す図
面を示す図
びその製造方法を示す図
面を示す図
びその製造方法を示す図
断面を示す図
示す図
製造方法を示す図
示す図
を示す図
作製プロセスを示す図
が900℃を超えるときの欠陥の挙動を示す図
が900℃以下のときの欠陥の挙動を示す図
を示す図
流量/III族モル流量比と、幅5μmの溝を平坦に埋め
込み成長するのに要する時間の関係を表した図
Claims (31)
- 【請求項1】 表面に段差部を有する結晶性基板と、前
記結晶性基板上に形成されるとともに前記段差部の低い
側に欠陥が集結してなる高欠陥領域と、前記高欠陥領域
の近傍に形成された低欠陥領域とを有するIII族窒化物
半導体層とを有し、前記低欠陥領域に能動領域が形成さ
れた半導体装置。 - 【請求項2】 前記結晶性基板の主平面の法線と、前記
段差部における表面の法線とがなす角の大きさが90度
以下である請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記段差部が前記結晶性基板に設けられ
た凸部、凹部をなす請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記凸部が順メサ構造をなす請求項3記
載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記凸部の断面が上に凸の三角形である
請求項3記載の半導体装置。 - 【請求項6】 前記段差部が周期的な構造を有する請求
項1記載の半導体装置。 - 【請求項7】 前記凸部、または前記凹部が周期的な構
造を有する請求項3記載の半導体装置。 - 【請求項8】 結晶性基板と、前記結晶性基板の上に形
成された第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に
形成された第2の半導体層と、前記第2の半導体層に形
成された能動領域とを有する半導体装置であって、前記
結晶性基板と前記第1の半導体層とはともに主平面内に
段差部を有する結晶面が形成され、前記第1の半導体層
および前記第2の半導体層はともにIII族窒化物半導体
よりなり、かつ前記第1の半導体層は前記段差部の低い
側に欠陥が集結してなる高欠陥領域を有する半導体装
置。 - 【請求項9】 前記結晶性基板または前記第1の半導体
層の段差部が前記結晶性基板に設けられた凸部、凹部を
なす請求項8記載の半導体装置。 - 【請求項10】 前記結晶性基板の段差部の上に前記第
1の半導体層の段差部が配置された請求項8記載の半導
体装置。 - 【請求項11】 前記凸部が順メサ構造をなす請求項9
記載の半導体装置。 - 【請求項12】 前記凸部の断面が上に凸の三角形であ
る請求項9記載の半導体装置。 - 【請求項13】 前記段差部が周期的な構造を有する請
求項8記載の半導体装置。 - 【請求項14】 前記凸部、または凹部が周期的な構造
を有する請求項9記載の半導体装置。 - 【請求項15】 前記能動領域がIII族窒化物よりな
り、かつ発光素子の発光領域である請求項1または8に
記載の半導体装置。 - 【請求項16】 前記能動領域がIII族窒化物よりな
り、かつ電界効果トランジスタのゲートである請求項1
または8に記載の半導体装置。 - 【請求項17】 前記能動領域がIII族窒化物よりな
り、かつバイポーラトランジスタのベースである請求項
1または8に記載の半導体装置。 - 【請求項18】 前記能動領域がIII族窒化物よりな
り、かつダイオードの接合領域である請求項1または8
に記載の半導体装置。 - 【請求項19】 基板の主平面に段差部を設ける工程
と、前記段差部が形成された基板の上にIII族窒化物よ
りなる半導体層を、前記段差部の低い側に欠陥を集結さ
せて高欠陥領域を形成させ、かつ前記高欠陥領域の近傍
に低欠陥領域を形成させるように設ける工程と、前記低
欠陥領域に能動領域を形成する工程とを有する半導体装
置の製造方法。 - 【請求項20】 前記結晶面を形成する工程が、基板の
上にマスクを形成し、前記基板の前記マスクで覆われて
いない部分を選択的にエッチングする工程である請求項
19記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項21】 前記基板がAlxGa1-xN(0≦x≦
1)よりなり、前記半導体層を形成する工程が900℃
以上の結晶成長温度でAlyGa1-yN(0≦y≦1)よ
りなる層を形成する工程である請求項19記載の半導体
装置の製造方法。 - 【請求項22】 前記基板がサファイア、炭化珪素、珪
素または砒化ガリウムよりなり、前記半導体層を形成す
る工程が900℃以上の結晶成長温度でAlaGa1-aN
(0≦a≦1)よりなる層を形成する工程であり、かつ
前記半導体層を形成する工程の前に400℃以上900
℃以下の結晶成長温度でAlbGa1-bN(0≦b≦1)
よりなる層を形成する工程を備えた請求項19記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項23】 前記半導体層を形成する工程におい
て、前記半導体層に1021cm-3以下の不純物を添加す
る請求項19記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項24】 前記半導体層を形成する工程におい
て、III族原料に対するV族原料のモル供給比が200
以上である請求項19記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項25】 基板の主平面に段差部を形成する工程
と、前記段差部が形成された基板の上に第1の半導体層
を、前記段差部の低い側に欠陥を集結させて高欠陥領域
を有するように形成する工程と、前記第1の半導体層の
主平面上に段差部を形成する工程と、前記段差部が形成
された第1の半導体層の上にIII族窒化物よりなる第2
の半導体層を形成する工程と、前記第2の半導体層に能
動領域を形成する工程とを有する半導体装置の製造方
法。 - 【請求項26】 前記第2の半導体層を形成する工程
が、前記第1の半導体層の上にマスクを形成し、前記第
1の半導体層の前記マスクで覆われていない部分を選択
的にエッチングする工程である請求項25記載の半導体
装置の製造方法。 - 【請求項27】 前記基板がAlxGa1-xN(0≦x≦
1)よりなり、前記第2の半導体層を形成する工程が9
00℃以上の結晶成長温度でAlyGa1-yN(0≦y≦
1)よりなる層を形成する工程である請求項25記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項28】 前記基板がサファイア、炭化珪素、珪
素または砒化ガリウムよりなり、前記第2の半導体層を
形成する工程が900℃以上の結晶成長温度でAlaG
a1-aN(0≦a≦1)よりなる層を形成する工程であ
り、かつ前記第2の半導体層を形成する工程の前に40
0℃以上900℃以下の結晶成長温度でAlbGa1-bN
(0≦b≦1)よりなるバッファ層を形成する工程を備
えた請求項25記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項29】 前記第2の半導体層を形成する工程に
おいて、前記第2の半導体層に1021cm-3以下の不純
物を添加する請求項25記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項30】 前記第2の半導体層を形成する工程に
おいて、III族原料に対するV族原料のモル供給比が2
00以上である請求項25記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項31】 前記結晶性基板の主平面の法線と、前
記段差部における表面の法線とがなす角の大きさが90
度より大きい請求項1記載の半導体装置。
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