JP3279528B2 - 窒化物系iii−v族化合物半導体の製造方法 - Google Patents
窒化物系iii−v族化合物半導体の製造方法Info
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族化合物半導体の気相成長方法及びこの方法を用いた半
導体素子の製造方法に関する。
N)はその禁制帯幅が3.4eVと大きく、かつ直接遷移型の
半導体であることから、青色発光素子材料として開発が
活発に行われている。ところで、この材料のエピタキシ
ャル成長には、ホモエピタキシャル基板の作製が困難な
ことから、通常はサファイア(Al2O3)基板、シリコンカ
ーバイド(SiC)基板、そしてMg2Al2O4等のスピネル型
結晶基板などが一般的に用いられている。その中でも、
廉価なこと、比較的結晶性の良いエピタキシャル層が成
長できることからサファイア基板がもっとも多く用いら
れている。
したような窒化物系半導体からなるレーザ構造が作製さ
れている(S.Nakamura et al, Jpn.J.Appl.Phys.,vo
l35,L74(1996))。この構造は、サファイア基板上61
に、まず、GaNの低温バッファー層62を成長させ、その
上に1000℃程度の高温でSiドープGaN層63を成長させ
る。さらにSiドープInGaN層64、SiドープAlGaNクラッド
層65、SiドープGaN光ガイド層66、InGaN井戸層、および
InGaNバリア層からなるInGaN多重量子井戸層67(レーザ
発光層となる)、Mgドープ型AlGaN層68、Mgドープp型G
aN光ガイド層69、Mgドープp型AlGaNクラッド層70、お
よび、MgドープGaNコンタクト層71を順次成長させる。
p電極72としてNi-Au、n型電極としてTi-Al電極73が広
く用いられている。
極を絶縁物質であるサファイア上に直接形成することが
できないためであり、そのためにドライエッチングなど
により成長層の一部をnGaN層までエッチングしてその
上に電極を形成する必要があった。このようなn型電極
構造では、電流パスがn型化合物半導体層(図中GaN層6
3)を横切る構造となっているため、横方向に長くなっ
た分だけ抵抗成分が増加して、発熱等を引き起こし、デ
バイス特性を悪化させる原因となっていた。
題に鑑みなされたものであり、第一に青色発光素子の従
来構造におけるn型化合物半導体層の低抵抗化を行い、
デバイス特性が劣化しない化合物半導体素子の製造方法
を提供することを目的とし、第二に、上記の抵抗成分増
加の問題を根本的に解決したn型、p型電極の対極構造
を有する半導体素子の製造方法を提供することを目的と
する。
I族元素のハロゲン化物と窒素元素を含む化合物を反応
させ、窒化物系III−V族化合物半導体層を気相成長さ
せる方法であって、該基板としてマスクパターンが形成
された基板を用い、該マスクパターン上にラテラル成長
により該半導体層を設け、かつ該気相成長時に、SiHxCl
4-X(x=1、2、3)をドーピング原料ガスとしてSiド
ーピングを行うことを特徴とする窒化物系III−V族化
合物半導体の気相成長方法に関する。
族化合物半導体の気相成長方法を用いた基板上への窒化
物系III−V族化合物半導体の気相成長方法であって、
前記基板が、サファイア基板、SiC基板、スピンネル基
板またはSi単結晶基板であることを特徴とする窒化物系
III−V族化合物半導体の気相成長方法に関する。
III−V族化合物半導体の気相成長方法を用いて、前記
基板上にSiをドープしながら窒化物系III−V族化合物
半導体層を形成する工程と、次いでこのSiがドープされ
た窒化物系III−V族化合物半導体層上に、半導体素子
構造を形成する工程とを有する窒化物系III−V族化合
物半導体素子の製造方法に関する。
族化合物半導体の気相成長方法を用いて、前記基板上に
Siをドープしながら窒化物系III−V族化合物半導体
層を形成する工程と、次いで該基板を除去し、窒化物系
III−V族化合物半導体層を分離する工程とを含むこと
を特徴とする窒化物系III−V族化合物半導体基板の製
造方法に関する。
化合物半導体基板の製造方法を用いて窒化物系III−V
族化合物半導体基板を形成する工程と、次いで該窒化物
系III−V族化合物半導体基板上に、半導体素子構造を
形成する工程とを有する窒化物系III−V族化合物半導
体素子の製造方法に関する。さらに本発明は、さきの記
載した窒化物系III−V族化合物半導体の気相成長方法
を、製造工程の一工程として用いた半導体レーザ、発光
ダイオード、電界トランジスタまたはバイポーラの半導
体素子の製造方法に関する。
しきい値、低電流、低電圧で動作する光素子を形成する
必要がある。例えば、図6のレーザ構造を用いて説明す
ると、n型GaN層63に存在する抵抗成分をでるだけ低減
する必要がある。このためには、n型GaN層を厚くする
ことが考えられるが、従来は有機金属熱分解法(metalo
rganic vapor phase epitaxy: MOVPE)法により成
長が行われているために、成長速度が遅いため、数μm
の厚さ以上に成長させることは困難であった。また、Ga
Nを厚く成長させると、熱歪みなどで、成長層内にクラ
ックが導入され、デバイス構造作製には極めて不都合と
なった。
元素のハロゲン化物をV族元素を含む化合物(本発明で
は窒素を含む化合物)と反応させ、基板上に気相成長を
行うハロゲン輸送法による気相成長(halogen-transpor
t vapor phase epitaxy:HVPE)を用いていることが
特徴である。すなわち、III族元素をGaClやInClのよう
な塩化物として、基板領域に輸送するもので、GaNにお
いては100μm/h以上の速い成長速度を実現すること
ができ、厚膜成長には非常に適した手法である。しか
も、ラテラル成長(epitaxial lateral overgrowth
:ELO)を用いることで、貫通転位を削減でき、しかも
数100μm厚の成長を行ってもクラックが入らないと
いう特徴がある(A. Usui et al., Jpn.J.Appl.Phy
s. Vol.36, L.899(1997))。
行ったas-grown結晶は室温で高抵抗を示す場合が多く、
このままでは、本発明の課題を解決することができなか
った。GaNのn型低抵抗結晶を得るためには、すでにMOV
PE法においては、SiH4を用いてSiのドーピングで実現さ
れている。ところが、HVPE法でSiH4を用いると、反応管
全体が抵抗加熱で熱せられているためにSiH4が分解し
て、基板領域に到達する前に分解し、実効的なSiのドー
ピングは不可能であることが判明した。
効的なSiドーピングが可能なドーピング原料ガスを鋭意
検討した結果、Clを含んだSiHxCl4-x(x=1、2、3)
がHVPEにおける窒化物系III−V族化合物半導体のn型
ドーピング原料ガスとして有効なことを見出し本発明に
到った。したがって、低抵抗のn型窒化物系III−V族
化合物半導体層を有する半導体素子を製造する事が可能
となる。
低抵抗化した窒化物系III−V族化合物半導体をn型低
抵抗基板として分離できることを見出した。この分離し
たn型低抵抗基板に半導体素子構造を形成することが可
能である。これにより半導体素子構造の設計の自由度
は、格段に向上する。
型のn層とp伝導型のp層で挟んだ構造を有するIII−
V族化合物半導体を用いた発光素子において、n型電極
とp型電極が対極した構造とすることができる。この構
造により電流パスが短く、半導体素子そのものも小型化
できる。さらに、従来構造と比較すると、成長層の一部
をメサエッチングする必要がなくなり、素子製造工程と
しても非常に簡略化でき有利な構造であるといえる。
半導体の気相成長方法を用いて、通常行われる方法によ
り半導体レーザ、発光ダイオードなどの発光素子、及び
電界効果トランジスタ、バイポーラなどのトランジスタ
を形成することが可能である。すなわち、窒化物系III
−V族化合物半導体を用いる半導体素子において、低抵
抗のn型層を形成する場合は、本発明の気相成長方法を
用いることができる。
におけるドーピングについて説明する。基板として図1
(a)に示したELO用の基板を準備した。この方法の詳細に
ついては、すでに既発表の文献(A. Usui et al.,
Jpn.J. Appl.Phys. Vol.36(1997) pp.L.899-L.902)
にあり公知技術である。すなわち、サファイア基板11を
用いて、薄いGaNエピタキシャル層12の上に、SiO2を用
いてストライプ状のマスクパターン13を形成したもので
ある。このELO用基板を図2に示したHVPE成長装置にセ
ットした。この装置では、III族元素のハロゲン化物で
あるGaClを基板に輸送できる装置であり、GaClは、Ga金
属21と導入管22からH2もしくはN2といったキャリアガス
とともに供給されるHClとの反応で生成される。基板領
域で、GaClと導入管23から供給されるNH3とが混合し、
反応しながら基板24上にGaNが気相成長する。基板領域
の温度は電気炉25で1000℃に設定した。また、原料とな
るGaCl分圧、NH3分圧を基板領域でそれぞれ、5×10-3at
m、0.3atmとした。この条件で成長速度は約50μm/h
である。また、ドーピング原料ガスであるSiH2Cl2は、
導入管26から基板領域に供給することでドーピングを行
った。図1(b)のような約100μm厚のSiをドープしたGaN
層14成長させた。図3に、ホール測定により調べたキャ
リア濃度とSiH2Cl2濃度との関係を示す。この図から、S
iH2Cl2の分圧を変化させることで、1017〜1019cm-3の広
い範囲で電子のキャリア濃度を再現性良く制御できるこ
とがわかった。すなわち、従来不可能であった実効的な
Siのドープが可能となり、これにより、HVPEにおいて、
デバイスを作製するために必要なn型厚膜低抵抗層の成
長が実現できた。
としてSiH2Cl2を用いたが、SiHCl3、SiH3Cl、SiCl4でも
n型ドーピングは可能であり、またそれらの混合物であ
っても良い。
で示したが、同様なドーピングは、InxGa1-xN(0≦x≦
1)、AlxGa1-xN(0≦x≦1)またはAlxInyGa1-x-yN(0≦x+y
≦1)のいずれかの窒化物系III−V族化合物半導体につ
いても実現できる。また、これらの層状構造でも実現で
きる。ここで、Alを含む場合は、Al金属を、Inを含む場
合は、In金属をHVPE装置の中に配置する以外は、GaNの
場合と全く同様の方法により、ドーピングすることが可
能である。また、層状とは、組成の異なるいくつかの層
を設けたことを意味する。この層構造を形成するために
は、Ga金属、Al金属、In金属とHClとの反応によって発
生するGaCl、AlCl3、InCl3の各ハロゲン化物の分圧を制
御することにより、経時的に層構造を変化させることが
可能であり、その際も、先に示したGaNの場合と同様な
方法でSiドーピングを行うことが可能である。
半導体が成長可能な基板では本発明の気相成長方法を適
用することは可能である。
は、本発明の一実施形態である半導体素子の製造方法と
して、実施例1で形成したn型厚膜低抵抗層上へのレー
ザ構造を形成する方法について図4を用いて説明する。
ア(0001)面基板結晶11上にHVPE法を用いて、図1(b)の
ようにSiH2Cl2をドーピング原料ガスとしてSiをドーピ
ングした100μm厚のGaN層14を成長させる。
て、成長温度は1000℃に設定し、原料となるGaCl分圧、
NH3分圧を基板領域でそれぞれ、5×10-3atm、0.3atmの
条件で成長を行う。同時にドーピング原料ガスであるSi
H2Cl2を、基板領域で、分圧が2×10-6atmとなるように
設定する。これにより、キャリア濃度として1×1018cm
-3が得られる。
引き続いてMOVPE反応管に設置する。水素気流中でNH3を
供給しながら昇温して、基板温度を1000℃に設定する。
続いて、図4(a)のように、キャリア濃度2×1018cm-3のS
iドープAlGaNクラッド層41、5×1017cm-3のSiドープGaN
光ガイド層42を形成する。次に、基板温度を750℃に設
定し、アンドープまたはSiを1×1018cm-3ドープしたInG
aN井戸層、アンドープまたはSiを1x×018cm-3ドープし
て、井戸層よりもInが少なく、アンドープまたはSiを1
×1018cm-3ドープしたInGaNバリア層からなる5周期の
多重量子井戸構造43を形成する。次に再び1000℃に成長
温度を設定して、キャリア濃度5×1017cm-3のMgドープG
aN光ガイド層44、キャリア濃度1×1017cm-3のMgドープA
lGaNクラッド層45、1×1018cm-3のMgドープGaNコンタク
ト層46を順次成長する。
ーザ構造を作製することができる。p型GaNコンタクト
層上には、Ni-Auからなる電極47を蒸着し、また、n側
の電極形成にはドライエッチング技術を用いて、HVPEで
作製したn型低抵抗GaN層が露出するまで結晶の一部を
エッチングする。その上に、Ti-Alからなる電極48を形
成する。また、レーザの共振器面は、へき開や、ドライ
エッチング技術を用いて作製する。
は、SiHxCl4-X(x=1、2、3)またこれらの混合物で
もよく、またSiドーピングを行う窒化物系III−V族化
合物半導体が、InxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦
1)またはAlxInyGa1-x-yN(0≦x+y≦1)のいずれの窒化物
系III−VV族化合物半導体でもよく、それらが層状構
造になったものでもよい。
イアC面を用いたが、他の結晶面を用いることもでき、
さらに、SiC基板やスピネル型結晶基板、Si単結晶基板
などの窒化物系III−V族半導体の単結晶成長が可能な
バルク結晶を用いることができる。
は、本発明の一実施形態である半導体素子の製造方法と
して、n型、p型電極を対極させた構造のレーザ構造を
形成する方法について、図5を用いて説明する。この構
造の素子は、実施例1で形成したn型厚膜低抵抗層を基
板から分離することにより製造が可能となる。
ア(0001)面基板結晶11上にHVPE法を用いて、図1(b)の
ようにSiH2Cl2をドーピング原料ガスとしてSiをドーピ
ングした200μm厚のGaN結晶14を成長させる。
て、成長温度は1000℃に設定し、原料となるGaCl分圧、
NH3分圧を基板領域でそれぞれ、1×10-2atm、0.3atmの
条件で成長を行う。この条件で成長速度は約100μm/
hである。同時にドーピング原料ガスであるSiH2Cl
2を、基板領域で、分圧が2×10-6atmとなるように設定
する。これにより、キャリア濃度として1×1018cm-3が
得られる。つぎに、この結晶から、図5(a)破線部から
下の部分すなわちサファイア部分及び一部Siがドープさ
れたGaN層14を含む形で除去し、n型III−V族化合物半
導体基板のみを分離する。除去方法については、例え
ば、機械的研磨または、強アルカリ性、あるいは強酸性
薬品によりエッチングすることが可能である。また、荷
電ビームあるいは中性ビームによって物理的エッチング
を行っても良い。このようにして、n型GaNの単体結晶5
1を得る。
する。水素気流中でNH3を供給しながら昇温して、基板
温度を1000℃に設定する。続いて、図5(b)のようにキャ
リア濃度2×1018cm-3のSiドープAlGaNクラッド層52、5
×1017cm-3のSiドープGaN光ガイド層53を形成する。次
に、基板温度を750℃に設定し、アンドープまたはSiを1
×1018cm-3ドープしたInGaN井戸層、井戸層よりもInが
少なく、アンドープまたはSiを1×1018cm-3ドープしたI
nGaNバリア層からなる5周期の多重量子井戸構造54を形
成する。次に再び1000℃に成長温度を設定して、キャリ
ア濃度5×1017cm-3のMgドープGaN光ガイド層55、キャリ
ア濃度1×1017cm-3のMgドープAlGaNクラッド層56、1×1
018cm-3のMgドープGaNコンタクト層57を順次成長する。
この成長結晶を用いて、図5(c)のようなレーザ構造を作
製することができる。p型GaNコンタクト層上には、Ni-
Auからなら電極58を蒸着し、また、結晶の裏面を構成し
ているHVPE法で成長させたn側GaN上に、Ti-Alからなる
電極59を形成する。また、レーザの共振器面は、結晶の
へき開を用いて作製する。
は、SiHxCl4-X(x=1、2、3)またこれらの混合物で
もよく、またSiドーピングを行う窒化物系III−V族化
合物半導体が、InxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN(0≦x≦
1)またはAlxInyGa1-x-yN(0≦x+y≦1)のいずれの窒化物
系III−V族化合物半導体でもよく、それらが層状構造
になったものでもよい。
イアC面を用いたが、他の結晶面を用いることもでき、
さらに、SiCやスピネル型結晶、Siなどの窒化物系III−
V族半導体の単結晶成長が可能なバルク結晶を用いるこ
とができる。
膜低抵抗層の気相成長が可能となり、発光素子等の発熱
等のデバイス特性悪化の原因を取り除くことが可能とな
った。さらに、このn型厚膜低抵抗層は、窒化物系III
−V族化合物半導体基板として分離することが可能であ
り、これを素子裏面に用いることにより、発熱等の問題
を根本的に解決するとともに、素子作製のプロセスを大
幅に削減できる。本発明の方法は、半導体レーザはもと
より、その他の発光素子、またトランジスタ等にも応用
可能であり、産業上の利用価値は極めて高いと思われ
る。
断面図である。
である。
のSiH2Cl2分圧とキャリア濃度の関係を示す。測定は、
ホール測定により行った。
製方法を示す工程順断面図を示す。
製方法を示す工程順断面図を示す。
の構造を示す断面図である。
子井戸構造 44 MgドープGaN光ガイド層 45 MgドープAlGaNクラッド層 46 MgドープGaNコンタクト層 47 Ni-Auからなら電極 48 Ti-Alからなる電極 51 サファイア基板から剥離したGaN結晶 52 SiドープAlGaNクラッド層 53 SiドープGaN光ガイド層 54 InGaN井戸層、およびInGaNバリア層からなる多重量
子井戸構造 55 MgドープGaN光ガイド層 56 MgドープAlGaNクラッド層 57 MgドープGaNコンタクト層 58 Ni-Auからなら電極 59 Ti-Alからなる電極 61 サファイア基板 62 GaNバッファー層 63 SiドープGaN層 64 SiドープInGaN層 65 SiドープAlGaNクラッド層 66 GaN光ガイド層 67 InGaN井戸層、およびInGaNバリア層からなる多重量
子井戸構造 68 Mgドープ型AlGaN層 69 Mgドープp型GaN光ガイド層 70 Mgドープp型AlGaNクラッド層 71 Mgドープp型GaNコンタクト層 72 Ni-Auからならp型電極 73 Ti-Alからなるn型電極
Claims (10)
- 【請求項1】 基板上に、III族元素のハロゲン化物と
窒素元素を含む化合物を反応させ、窒化物系III−V族
化合物半導体層を気相成長させる方法であって、該基板
としてマスクパターンが形成された基板を用い、該マス
クパターン上にラテラル成長により該半導体層を設け、
かつ該気相成長時に、SiHxCl4-X(x=1、2、3)をド
ーピング原料ガスとしてSiドーピングを行うことを特徴
とする窒化物系III−V族化合物半導体の気相成長方
法。 - 【請求項2】 前記Siドーピングを行う窒化物系III−
V族化合物半導体が、InxGa1-xN(0≦x≦1)、AlxGa1-xN
(0≦x≦1)またはAlxInyGa1-x-yN(0≦x+y≦1)のいずれか
の窒化物系III−V族化合物半導体であることを特徴と
する請求項1記載の窒化物系III−V族化合物半導体の
気相成長方法。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の窒化物系III−
V族化合物半導体の気相成長方法を用いた基板上への窒
化物系III−V族化合物半導体の気相成長方法であっ
て、前記基板が、サファイア基板、SiC基板、スピネル
型結晶基板またはSi単結晶基板であることを特徴とする
窒化物系III−V族化合物半導体の気相成長方法。 - 【請求項4】 請求項3記載の窒化物系III−V族化合
物半導体の気相成長方法を用いて、前記基板上にSiをド
ープしながら窒化物系III−V族化合物半導体層を形成
する工程と、次いでこのSiがドープされた窒化物系III
−V族化合物半導体層上に、半導体素子構造を形成する
工程とを有する窒化物系III−V族化合物半導体素子の
製造方法。 - 【請求項5】 前記半導体素子構造を形成する工程が、
前記Siがドープされた窒化物系III−V族化合物半導体
層上に、順次クラッド層、光ガイド層、多重量子井戸
層、クラッド層を積層する工程であることを特徴とする
請求項4記載の窒化物系III−V族化合物半導体素子の
製造方法。 - 【請求項6】 請求項1記載の窒化物系III−V族化合
物半導体の気相成長方法を用いて、前記基板上にSiを
ドープしながら窒化物系III−V族化合物半導体層を形
成する工程と、次いで該基板を除去し、窒化物系III−
V族化合物半導体層を分離する工程とを含むことを特徴
とする窒化物系III−V族化合物半導体基板の製造方
法。 - 【請求項7】 前記Siドーピングを行う窒化物系III−
V族化合物半導体が、In x Ga 1-x N(0≦x≦1)、Al x Ga 1-x N
(0≦x≦1)またはAl x In y Ga 1-x-y N(0≦x+y≦1)のいずれか
の窒化物系III−V族化合物半導体である請求項6記載
の窒化物系III−V族化合物半導体基板の製造方法。 - 【請求項8】 請求項6または7記載の窒化物系III−
V族化合物半導体基板の製造方法を用いて窒化物系III
−V族化合物半導体基板を形成する工程と、次いで該窒
化物系III−V族化合物半導体基板上に、半導体素子構
造を形成する工程とを有する窒化物系III−V族化合物
半導体素子の製造方法。 - 【請求項9】 前記半導体素子構造を形成する工程が、
前記窒化物系III−V族化合物半導体基板上に、順次ク
ラッド層、光ガイド層、多重量子井戸層、クラッド層を
積層する工程であることを特徴とする請求項8記載の窒
化物系III−V族化合物半導体素子の製造方法。 - 【請求項10】 請求項1〜3いずれかに記載の気相成
長方法を、製造工程の一工程として用いた半導体レー
ザ、発光ダイオード、電界効果トランジスタまたはバイ
ポーラの半導体素子の製造方法。
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