JP3460581B2 - 窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体素子 - Google Patents
窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体素子Info
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Description
XAlYGa1-X-YN、0≦X、0≦Y、X+Y≦1)の成長
方法に係り、特に窒化物半導体よりなる基板の成長方法
に関する。また、本発明は、前記窒化物半導体よりなる
基板を用い発光ダイオード、レーザダイオード等の発光
素子、太陽電池、光センサー等の受光素子、あるいはF
ET、HEMTなどのトランジスタなどの電子デバイス
に使用される窒化物半導体(InXAlYGa1-X-YN、
0≦X、0≦Y、X+Y≦1)よりなる窒化物半導体素子に
関する。
色の発光ダイオード、レーザダイオードが実用化された
り実用可能になっている。このような窒化物半導体素子
は、現在のところ窒化物半導体と完全に格子整合する基
板が未だ開発されていないために、格子定数が異なるサ
ファイアの上に窒化物半導体層を強制的に成長させて形
成されている。そのためサファイア基板上に成長された
窒化物半導体の結晶には、格子整合した基板上に成長さ
れた赤色レーザ素子等と比べると、非常に多くの結晶欠
陥が発生する。
る窒化物半導体の結晶成長方法として、窒化物半導体と
異なる異種基板上にGaN基板を形成し、そのGaN基
板上に素子構造を形成することにより、波長約400n
m、光出力2mWで連続発振約1万時間を達成できる窒
化物半導体レーザ素子などを開示している(例えば「I
nGaN系多重量子井戸構造半導体レーザの現状」,第
58回応用物理学会学術講演会,講演番号4aZC−
2,1997年10月、”Presennt Stat
us of InGaN/AlGaN based L
aser Diodes”,The Second I
nternational Conference o
n Nitride Semiconductors
(ICNS’97),講演番号S−1,1997年10
月などに記載されている。)。この方法は窒化物半導体
を保護膜上で横方向に成長させることから、一般にラテ
ラルオーバーグロウス(lateral over growth:LOG、
ラテラル成長)と呼ばれている。
に、従来の結晶欠陥が非常に多いGaN層を薄く成長さ
せ、その上にSiO2よりなる保護膜を部分的に形成
し、その保護膜の上からハライド気相成長法(HVP
E)、有機金属気相成長法(MOVPE)等の気相成長
法により、GaNの横方向への成長を利用し、再度Ga
N層を成長させることにより結晶欠陥の少ないGaN基
板(膜厚10μm)を形成することができる。
ラテラル成長は、従来の異種基板上に成長させた窒化物
半導体の結晶欠陥の数に比べ、結晶欠陥を大幅に低減す
ることができるが、LED素子、LD素子、受光素子等
の数々の電子デバイスに使用される窒化物半導体素子の
更なる信頼性の向上や素子特性の向上のために、前記電
子デバイスに使用される窒化物半導体素子を作製する際
に用いられる窒化物半導体の基板として、さらに結晶欠
陥の少ない窒化物半導体基板を得ることが望まれてい
る。結晶欠陥のより少ない窒化物半導体基板上に素子構
造を形成する窒化物半導体を形成すれば、結晶欠陥の少
ない結晶性の良好な素子を得ることができ、従来実現さ
れていなかった素子が実現できるようになる。
少ない結晶性のより良好な窒化物半導体の成長方法を提
供することにあり、具体的には基板となる結晶欠陥の少
ない窒化物半導体の成長方法と、得られた窒化物半導体
の基板上に素子構造となる窒化物半導体を形成した新規
な構造の窒化物半導体素子を提供することである。
以下の(1)〜(2)の本発明の構成によって達成する
ことができる。 (1) 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板の
上に、第1の窒化物半導体を成長させる第1の工程と、
第1の工程後、前記第1の窒化物半導体の表面に部分的
に第1の保護膜を形成する第2の工程と、第2の工程
後、前記第1の保護膜の形成されていない部分の第1の
窒化物半導体をエッチングにより除去し保護膜下部に順
メサ形状の凸部を形成する第3の工程と、第3の工程
後、第1の窒化物半導体の上から全面に第2の保護膜を
形成し、その後、エッチングにより、第1の窒化物半導
体の凸部側面に形成された第2の保護膜を除去すること
により、第1の窒化物半導体の平面部のみに第2の保護
膜を形成する第4の工程と、第4の工程後、前記第1の
窒化物半導体の側面から第2の窒化物半導体を成長させ
る第5の工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体の
成長方法。 (2) 前記窒化物半導体の成長方法で得られる第2の
窒化物半導体の上に、素子構造となる少なくともn型及
びp型の窒化物半導体が形成されていることを特徴とす
る窒化物半導体素子。
体の縦方向の成長を一旦抑え横方向にのみ成長させた後
に横方向に加えて縦方向にも成長させる方法を良好に行
うために、第1の窒化物半導体の第1の保護膜の下部に
順メサ形状の凸部を形成し、この凸部を有する第1の窒
化物半導体の平面部(凸部上部及び凸部底部)のみに第
2の保護膜を形成することにより、窒化物半導体の縦方
向の成長を良好に抑制することができ、凸部側面から成
長させる第2の窒化物半導体の成長中に、縦方向へ転位
する結晶欠陥を非常に良好に抑制することができる。こ
れによって、第2の窒化物半導体の表面に現れる結晶欠
陥の数が著しく低減し、良好な窒化物半導体基板とな
る。
明細書に、異種基板上に成長させた窒化物半導体に段差
を形成し段差上面と段差の底面に保護膜を形成して新た
に窒化物半導体を成長させることにより、窒化物半導体
の縦方向の成長を一旦止めて一時的に横方向の成長のみ
として窒化物半導体を厚膜に成長させることにより、結
晶欠陥の著しく少ない窒化物半導体の成長方法を提案し
ている。しかしながら、上記特願平9−277448号
明細書に記載の成長方法では、窒化物半導体の縦方向の
成長を抑えるために保護膜を形成したにもかかわらず、
窒化物半導体の縦方向の成長と共に縦方向に転位してい
ると思われる結晶欠陥が、透過型電子顕微鏡観測などに
よると、わずかではあるが発見される場合が生じること
がわっかた。このように窒化物半導体の縦方向の成長を
一時的ではあるが十分にそして良好に止めることができ
なければ、結晶欠陥を十分に低減しにくくなる。
の縦方向の転位の抑制が不十分となる原因は、恐らく窒
化物半導体の縦方向の成長を一旦止めるために形成され
た保護膜が、十分に凸部上部及び底部を覆っていない場
合が生じているのではないかと考察した。そして、更に
検討した結果、凸部上部に形成された保護膜と窒化物半
導体との境目が、凹部側面の保護膜を除去する際に不必
要なエッチングを受けたと思われる、縦方向に成長可能
な成長面が凸部上部に形成されている場合があることが
確認された。更に凸部側面の保護膜を除去する際に、凸
部底部の端部がエッチングされたり、又は凸部底部の端
部に保護膜が形成されにくかったりして、凸部底部が十
分に保護膜で覆われていない場合があることがわかっ
た。
の窒化物半導体に形成されている凸部を順メサ形状と
し、更に第1の保護膜が形成された上から、第2の保護
膜を形成し、その後に凸部側面の第2の保護膜を除去す
ることにより、第2の窒化物半導体の成長中に縦方向に
転位する結晶欠陥の発生を良好に防止することができ、
結晶欠陥のほとんどない良好な第2の窒化物半導体を再
現性良く得ることができる。つまり、順メサ形状とする
ことで凸部側面に形成されている第2の保護膜を除去し
易くなり、また順メサ形状の凸部上部に第1の保護膜を
形成した状態で第2の保護膜を形成することで凸部上部
を保護膜で良好に覆うことができ、これらのことから凸
部上部での第1の保護膜と第1の窒化物半導体との境目
で生じる場合のある不要なエッチングを良好に防止でき
る。更にまた、凸部を順メサ形状とすることで、凸部底
部への第2の保護膜の形成がし易くなり、凸部底部を十
分に覆うことができる。この結果、凸部上部及び底部に
形成される第1の保護膜及び第2の保護膜が、窒化物半
導体の縦方向の成長面を良好に覆うことができ、縦方向
に転位する結晶欠陥の発生を非常に良好に抑制できると
考えられる。
明の成長方法により得られる結晶欠陥のほとんどない結
晶性の良好な第2の窒化物半導体を窒化物半導体基板と
して作製されると、第2の窒化物半導体上に積層成長さ
れる素子構造となる窒化物半導体も同様に、結晶欠陥が
少なく結晶性が良好となり、窒化物半導体素子の結晶欠
陥による劣化を著しく防止できライフ時間などが向上
し、また、LED及びLDでは逆耐圧が著しく上昇し、
寿命特性の良好な窒化物半導体素子を提供することが可
能となる。以下、明細書内において、第2の窒化物半導
体を単に窒化物半導体基板と言う場合がある。
体表面の結晶欠陥密度は、表面透過型電子顕微鏡観察に
よると、1×107個/cm2以下となり、好ましい条件に
おいては5×106個/cm2以下、さらに好ましい条件に
おいては1×106個/cm2以下、最も好ましい条件にお
いては1×105個/cm2以下であることが望ましい。
細に説明する。図1〜図5は、本発明の窒化物半導体の
成長方法の一実施の形態を段階的に示した模式的断面図
である。
の形態として、図1の第1の工程において、異種基板1
上に、第1の窒化物半導体2を成長させ、図2の第2の
工程において、第1の窒化物半導体の表面に部分的に第
1の保護膜を形成させ、図3の第3の工程において、第
1の保護膜3の形成されていない部分の第1の窒化物半
導体2をエッチングにより除去し、第1の保護膜3下部
に順メサ形状の凸部を形成させ、図4[(a)(b)]
の第4の工程において、凸部を形成した第1の窒化物半
導体2の上から全面に第2の保護膜4を形成し[図4
(a)]、その後、エッチングにより、第1の窒化物半
導体2の凸部側面から第2の窒化物半導体5が成長可能
なように、第1の窒化物半導体2の凸部側面に形成され
た第2の保護膜4を除去することにより、第1の窒化物
半導体2の平面部(凸部の上部及び底部)のみに第2の
保護膜4を形成し[図4(b)]、図5[(a)
(b)]の第5の工程において、第4の工程で第2の保
護膜4を除去して露出されている第1の窒化物半導体2
の凸部側面から第2の窒化物半導体5を成長させ厚膜の
第2の窒化物半導体5を得ることができる。
細に説明する。図1は異種基板1上に、第1の窒化物半
導体2を成長させる第1の工程を行った模式的段面図で
ある。この第1の工程において、用いることのできる異
種基板としては、例えば、サファイアC面の他、R面、
A面を主面とするサファイア、スピネル(MgA1
2O4)のような絶縁性基板、SiC(6H、4H、3C
を含む)、ZnS、ZnO、GaAs、Si、及び窒化
物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られてい
る窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができ
る。好ましい異種基板としては、サファイア、スピネル
が挙げられる。
に第1の窒化物半導体2を成長させる前に、異種基板1
上にバッファ層(図示されていない)を形成してもよ
い。バッファ層としては、AlN、GaN、AlGa
N、InGaN等が用いられる。バッファ層は、900
℃以下300℃以上の温度で、膜厚0.5μm〜10オ
ングストロームで成長される。このように異種基板1上
にバッファ層を900℃以下の温度で形成すると、異種
基板1と第1の窒化物半導体2との格子定数不正を緩和
し、第1の窒化物半導体2の結晶欠陥が少なくなる傾向
にある。
される第1の窒化物半導体2としては、アンドープ(不
純物をドープしない状態、undope)のGaN、Si、G
e、及びS等のn型不純物をドープしたGaNを用いる
ことができる。第1の窒化物半導体2は、高温、具体的
には900℃〜1100℃、好ましくは1050℃で異
種基板1上に成長される。第1の窒化物半導体2の膜厚
は特に限定しないが、第3の工程で形成される凸部の露
出している側面が、第4の工程で第2の保護膜4を形成
した後に、第5の工程で第2の窒化物半導体5を成長可
能な長さがあればよい。従って、第1の窒化物半導体2
の膜厚は、第2の保護膜4の膜厚と露出する凸部側面の
長さとを考慮して適宜調整される。第1の窒化物半導体
2の膜厚として例えば、100オングストローム以上、
好ましくは1〜10μm程度、好ましくは1〜5μmの
膜厚で形成することが望ましい。また、第2の保護膜4
を形成後に凸部の露出している側面の長さが、0.5μ
m以上であると、第2の窒化物半導体5が成長し易くな
り好ましい。
1の窒化物半導体2の表面に部分的に第1の保護膜3を
形成する第2の工程を行った模式的断面図である。第2
の工程において、部分的に第1の保護膜3を形成すると
は、次の第3の工程で、第1の保護膜3が形成されてい
ない部分の第1の窒化物半導体2を除去し第1の窒化物
半導体2の側面を露出できる形状であれば特に限定され
ず、いずれの形状で形成されてもよい。第1の保護膜3
の形状としては、例えばランダム状、ストライプ状、碁
盤目状、ドット状等が挙げられる。第2の工程で形成さ
れる第1の保護膜3としては、保護膜表面に窒化物半導
体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する
材料を用いて形成される。保護膜の材料として、例えば
酸化ケイ素(SiOX)、酸化チタン(TiOX)、酸化
ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化ケイ素(S
iXNY)等の窒化物、またこれらの多層膜の他、120
0℃以上の融点を有する金属等をあげることができる。
これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度600
℃〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導
体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。
には、例えば蒸着、スパッタ、CVD等の気相製膜技術
を用いることができる。具体的には、例えば、第1の工
程で成長させた第1の窒化物半導体2上に保護膜材料を
上記蒸着などの気相製膜技術により形成した後、その上
にレジスト膜を形成しストライプや碁盤目などのパター
ンを転写して、露光、現像を行うことにより、第1の窒
化物半導体2に部分的に第1の保護膜3を形成すること
ができる。
3の工程で第1の窒化物半導体2の第1の保護膜下部に
凸部を形成する場合、ストライプの形状としては、例え
ばストライプ幅を5〜20μm、ストライプ間隔を2〜
10μmのものを形成することができる。第1の保護膜
の形状をストライプとして凹凸が形成されていると、窒
化物半導体の横方向への成長の制御の点で好ましい。ま
た、第1の保護膜3の膜厚は、特に限定されないが、例
えば保護膜の形成時間や第2の窒化物半導体5の成長の
し易さなどを考慮して、1μm以下、好ましくは0.5
μm以下、より好ましくは0.01μm以下である。膜
厚の下限は特に限定されないが、凸部上部を第1の保護
膜3が覆うことができる程度の膜厚であればよい。
いない部分の第1の窒化物半導体2をエッチングにより
除去し、第1の窒化物半導体2の第1の保護膜3の下部
に順メサ形状の凸部を形成する第3の工程を行った模式
的断面図である。第3の工程において、第1の窒化物半
導体2の第1の保護膜3下部に形成された凸部は、テー
パエッチングされることにより、図3に示すように断面
から見ると、テーパ角を有する順メサ形状となってい
る。第3の工程でのエッチングは、いずれの装置を用い
て行われてもよく、少なくともテーパ角を有してエッチ
ングできればよい。
ングする方法には、ウエットエッチング、ドライエッチ
ング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好まし
くはドライエッチングを用いる。ドライエッチングに
は、例えば反応性イオンエッチング(RIE)、反応性
イオンビームエッチング(RIBE)、電子サイクロト
ロンエッチング(ECR)、イオンビームエッチング等
の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択する
ことにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。例
えば、本出願人が先に出願した特開平8−17803号
公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用
いることができる。
部に設けられた凸部は、第1の窒化物半導体2の途中ま
で、又は異種基板1に達する深さで形成される。この凸
部の深さは、第1の窒化物半導体2の膜厚や、次の第4
の工程で凸部底部に形成される第2の保護膜4の膜厚等
にも左右される値であり、第1の窒化物半導体2の露出
された凸部側面から横方向に成長する第2の窒化物半導
体5が成長し易くなるように、エッチング量を調整して
凸部の深さが適宜調整される。例えば第2の保護膜4を
凸部底部に形成した後に露出されている凸部側面の長さ
が0.5μm以上であると第2の窒化物半導体5が成長
し易くなるので、凸部側面の露出された長さが0.5μ
m以上となるように、エッチング量を調整して凸部の深
さが調整されることが好ましい。また、凸部の底部が第
1の窒化物半導体2であると、凸部底部に形成される第
2の保護膜4に熱によるピンホールの発生が生じた場合
でも、異種基板面に窒化物半導体が形成するより、第1
の窒化物半導体に窒化物半導体が形成する方が結晶欠陥
の発生が少なくなると考えられるので好ましい。以上の
ように、第3の工程で形成された凸部の断面の形状が順
メサ形状であると、第4の工程で凸部側面の第2の保護
膜を除去し易くなり、更に凸部底部に第2の保護膜4を
形成し易くなり好ましい。
を形成した第1の窒化物半導体2の上から全面に第2の
保護膜4となる保護膜材料を形成し、その後、第1の窒
化物半導体2の凸部側面から第2の窒化物半導体が成長
可能なように、エッチングにより第1の窒化物半導体2
の凸部側面に形成された第2の保護膜を除去することに
より第1の窒化物半導体2の平面部、即ち凸部上部及び
底部にそれぞれ第2の保護膜4を形成する第4の工程を
行った模式的断面図である。第4の工程において、第2
の保護膜4となる保護膜材料は、前記第1の保護膜3と
同様のものを用いることができ、また、第2の保護膜4
となる保護膜材料を第1の窒化物半導体2上に形成する
方法としては、第1の保護膜3を第1の窒化物半導体2
上に形成する方法と同様に行うことができる。また、第
1の保護膜3と第2の保護膜4の材料は同一でも異なっ
ていてもよい。
4となる保護膜材料は、第1の保護膜3下部に凸部を形
成された第1の窒化物半導体2上の全面に形成されるの
で、図4(a)のように、凸部の上部、底部及び側面に
形成される。このように第1の窒化物半導体2上の全面
に形成された第2の保護膜4は、次の第5の工程で成長
させる第2の窒化物半導体5の成長が第1の窒化物半導
体2の露出された凸部側面から実質的に全て横方向の成
長から始められるように、凸部上部及び底部の第2の保
護膜4を残し、凸部側面に形成された第2の保護膜4を
除去して第1の窒化物半導体2の凸部側面のみを露出さ
せる。凸部側面の第2の保護膜4を除去する方法として
は、等方性エッチングであり、等方性エッチングできる
エッチング方法であればいずれでも良く、例えば、バレ
ル型の電極をもった装置によりCF4とO2ガスによるド
ライエッチングなどが挙げられる。
部に形成させたまま、第2の保護膜4を形成すると、凸
部側面の第2の保護膜4を除去する際、凸部上部の第1
の保護膜3と第1の窒化物半導体2との界面で生じる場
合のある不要なエッチングを防止でき好ましい。このよ
うに、凸部に第1の保護膜と第2の保護膜が積層形成さ
れているので、凸部上部の保護膜の膜厚が厚膜となり不
要なエッチングを防止できると考えられる。また、保護
膜を比較的薄く形成した場合でも、不要なエッチングを
良好に防止できるのは、順メサ形状の凸部上部の第1の
保護膜3と第1の窒化物半導体2との界面を第2の保護
膜4が良好に覆い、界面でのエッチングを防止している
と考えられる。また、このような不要なエッチングの防
止は、凸部上部に第1の保護膜3と第2の保護膜4とを
積層形成することと、前記第3の工程で形成される凸部
を順メサ形状とすることにより、相乗的に作用し良好な
結果が得られると考えられる。このように本発明の成長
方法により不要なエッチングが防止できるので、第5の
工程で第2の窒化物半導体5の縦方向への成長を抑制
し、第2の窒化物半導体5の成長の際に、縦方向に転位
する結晶欠陥の発生を極めて良好に防止することができ
る。また、第4の工程において等方性エッチングを行う
装置としては、特に限定されないが、例えばアッシング
装置により行うことができる。
れるように凸部上部、底部、及び側面に形成され、その
後に、等方性エッチングにより、凸部側面の第1の窒化
物半導体2が露出するように第2の保護膜4を除去する
際に、凸部上部及び底部にそれぞれ形成されている第2
の保護膜4も均一にエッチングされる。しかし、第2の
保護膜4を蒸着などで形成する際に、凹部側面の第2の
保護膜4の膜厚に対し、凸部上部及び底部の第2の保護
膜4の膜厚が厚く形成されるので、第4の工程で行われ
る等方性エッチングを行っても、凸部上部と底部には第
2の保護膜4が残る。第2の保護膜4の膜厚は、特に限
定されるものではないが、凸部底部に第2の保護膜4が
形成されても、露出している凸部側面から第2の窒化物
半導体5が成長可能なように、第3の工程で形成される
凸部の深さや第4の工程で等方性エッチングによりエッ
チングされる量などを考慮して適宜調整される。例え
ば、凸部上部及び底部に形成される第2の保護膜4の膜
厚が、等方性エッチング後に、0.2μm以上である
と、熱によるピンホールの発生の防止、前記した凸部上
部に第1の窒化物半導体2と第1の保護膜3との境目で
生じる不要なエッチングの防止、及び窒化物半導体の縦
方向に成長可能な面を良好に覆うことができるなどの点
で好ましい。また第2の保護膜4の膜厚の上限は、前記
の如く限定されず、第2の窒化物半導体5が成長可能な
面として凸部側面が露出する程度の膜厚であればよく、
好ましくは露出している凸部側面の長さが0.5μm以
上であると第2の窒化物半導体5が成長し易くなるの
で、凸部側面の長さが0.5μm以上露出されるように
調整される。
グにより露出された第1の窒化物半導体2の凸部側面か
ら第2の窒化物半導体5を成長させる第5の工程を行っ
た模式的断面図である。第5の工程においては、前記第
1〜第4の工程を経ることで、図4(b)に示すよう
に、特定の箇所に第1の保護膜3及び第2の保護膜4を
形成し、第2の窒化物半導体5が成長可能な部分を、第
1の窒化物半導体2の凸部側面のみとし、第1の窒化物
半導体2の凸部側面から第2の窒化物半導体5が選択的
に横方向に成長し始める。そして、成長を続けるうち
に、第2の窒化物半導体5が横方向の成長に加え縦方向
にも成長をはじめ[図5(a)]、窒化物半導体が成長
しにくい保護膜上にあたかも成長したかのように、第2
の窒化物半導体5が第1の保護膜3及び第2の保護膜4
を覆い成長を続け、そして図5(b)のように隣接して
いる第2の窒化物半導体5同士でつながる。その結果、
図5(b)に示すように、第2の窒化物半導体5があた
かも第1の保護膜3及び第2の保護膜4上に成長したか
のような状態となる。このように成長初期に成長方向を
特定された第2の窒化物半導体5は、厚膜に成長させて
も、結晶欠陥の極めて少ない非常に良好な結晶性を有す
る。第2の窒化物半導体5としては、前記第1の窒化物
半導体2と同様のものを用いることができる。
素子構造となる窒化物半導体を成長させるための基板
(窒化物半導体基板)となるが、素子構造を形成するに
は異種基板1、第1の窒化物半導体2及び保護膜(以
下、異種基板等とする場合がある。)を予め除去してか
ら行う場合と、異種基板等を残して行う場合がある。こ
のため前者の異種基板等を除去する場合の第2の窒化物
半導体5の膜厚は、70μm以上、好ましくは100μ
m以上、より好ましくは500μmである。この範囲で
あると異種基板及び保護膜等を研磨除去しても、第2の
窒化物半導体5が割れにくくハンドリングが容易となり
好ましい。
第2の窒化物半導体5の膜厚は、特に限定されないが、
100μm以下、好ましくは50μm以下、より好まし
くは20μm以下である。この範囲であると異種基板と
窒化物半導体の熱膨張係数差によるウエハの反りが防止
でき、更に素子基板となる第2の窒化物半導体5の上に
素子構造となる窒化物半導体を良好に成長させることが
できる。
て、第1の窒化物半導体2、及び第2の窒化物半導体5
を成長させる方法としては、特に限定されないが、MO
VPE(有機金属気相成長法)、HVPE(ハライド気
相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)、MOC
VD(有機金属化学気相成長法)等、窒化物半導体を成
長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好
ましい成長方法としては、膜厚が100μm以下ではM
OCVD法を用いると成長速度をコントロールし易い。
また膜厚が100μm以下ではHVPEでは成長速度が
速くてコントロールが難しい。
る材料の主面をオフアングルさせた基板、さらにステッ
プ状にオフアングルさせた基板を用いることもできる。
更に好ましい異種基板としては、(0001)面[C面]
を主面とするサファイア、(112−0)面[A面]を主
面とするサファイア、又は(111)面を主面とするス
ピネルである。ここで異種基板が、(0001)面[C
面]を主面とするサファイアであるとき、前記保護膜が
そのサファイアの(112−0)面[A面]に対して垂直
なストライプ形状を有していること[窒化物半導体の
(101−0)[M面]に平行方向にストライプを形成す
ること]が好ましく、また(112−0)面[A面]を主
面とするサファイアであるとき、前記保護膜はそのサフ
ァイアの(11−02)面[R面]に対して垂直なストラ
イプ形状を有していることが好ましく、また(111)
面を主面とするスピネルであるとき、前記保護膜はその
スピネルの(110)面に対して垂直なストライプ形状
を有していることが好ましい。ここでは、保護膜がスト
ライプ形状の場合について記載したが、本発明において
サファイアのA面及びR面、スピネルの(110)面に
窒化物半導体が横方向に成長し易いので、これらの面に
第1の窒化物半導体の端面が形成されるように第1の窒
化物半導体2に段差を形成するために保護膜の形成を考
慮することが好ましい。
用いて更に詳細に説明する。図6は窒化物半導体の結晶
構造を示すユニットセル図である。窒化物半導体は正確
には菱面体構造であるが、このように六方晶系で近似で
きる。まず本発明の方法において、C面を主面とするサ
ファイアを用い、保護膜はサファイアA面に対して垂直
なストライプ形状とする場合について説明する。例え
ば、図7は主面側のサファイア基板の平面図である。こ
の図はサファイアC面を主面とし、オリエンテーション
フラット(オリフラ)面をA面としている。この図に示
すように保護膜のストライプをA面に対して垂直方向
で、互いに平行なストライプを形成する。図7に示すよ
うに、サファイアC面上に窒化物半導体を選択成長させ
た場合、窒化物半導体は面内ではA面に対して平行な方
向で成長しやすく、垂直な方向では成長しにくい傾向に
ある。従ってA面に対して垂直な方向でストライプを設
けると、ストライプとストライプの間の窒化物半導体が
つながって成長しやすくなり、図1〜図5に示したよう
な結晶成長が容易に可能となる。
用いた場合、上記C面を主面とする場合と同様に、例え
ばオリフラ面をR面とすると、R面に対して垂直方向
に、互いに平行なストライプを形成することにより、ス
トライプ幅方向に対して窒化物半導体が成長しやすい傾
向にあるため、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長
させることができる。
しても、窒化物半導体の成長は異方性があり、窒化物半
導体の成長面を(111)面とし、オリフラ面を(11
0)面とすると、窒化物半導体は(110)面に対して
平行方向に成長しやすい傾向がある。従って、(11
0)面に対して垂直方向にストライプを形成すると窒化
物半導体層と隣接する窒化物半導体同士が保護膜の上部
でつながって、結晶欠陥の少ない結晶を成長できる。な
おスピネルは四方晶であるため特に図示していない。
素子と言う場合がある。)について以下に説明する。本
発明の窒化物半導体素子は、前記した本発明の窒化物半
導体の成長方法により得られる第2の窒化物半導体5
(窒化物半導体基板)上に、素子構造となる少なくとも
n型及びp型の窒化物半導体が形成されてなるものであ
る。前記本発明の窒化物半導体の成長方法により得られ
る第2の窒化物半導体5を基板として素子構造を形成す
る場合、異種基板、第1の窒化物半導体及び保護膜(以
下異種基板などとする場合がある)を除去しても、除去
しなくてもよい。本発明の素子において、異種基板など
を除去する場合、第2の窒化物半導体の膜厚は70μm
以上であり、また、異種基板などを残す場合、第2の窒
化物半導体の膜厚は100μm以下である。
物半導体としては、特に限定されず、少なくともn型及
びp型の窒化物半導体が積層されていればよい。例え
ば、素子構造のn側窒化物半導体として超格子構造を有
するn側窒化物半導体が形成されていることが好まし
い。このように超格子層とすると、素子性能を向上させ
ることができ好ましい。また、n電極を超格子層に形成
することが好ましく、n電極との接触抵抗を低下させる
ために超格子層にn型不純物をドープしても、超格子層
とすると結晶性がよくなる等の点で好ましい。更に、窒
化物半導体素子を構成する素子の好ましい層構成とし
て、例えばInを含む量子井戸構造の活性層、バンドギ
ャップエネルギーの異なるクラッド層に挟まれた活性層
を有することが発光効率、寿命特性など素子の性能を向
上させる点で好ましい。このような層構成を有する素子
構造を、本発明の成長方法により得られる結晶欠陥の少
ない第1の窒化物半導体上に形成すると素子性能がより
向上し好ましい。また、窒化物半導体素子構造を形成す
るその他の構成は、例えば電極、素子の形状等、いずれ
のものを組み合わせて用いてもよい。また本発明の窒化
物半導体素子の一実施の形態を実施例に示したが、本発
明はこれに限定されない。
物半導体を成長させる方法は、特に限定されないがMO
VPE(有機金属気相成長法)、HVPE(ハライド気
相成長法)、MBE(分子線エピタキシー法)、MOC
VD(有機金属化学気相成長法)等、窒化物半導体を成
長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好
ましい成長方法は、MOCVD法であり、結晶をきれい
に成長させることができる。しかし、MOCVD法は時
間がかかるため、膜厚が厚い場合には時間の短い方法で
行うことが好ましい。また使用目的によって種々の窒化
物半導体の成長方法を適宜選択し、窒化物半導体の成長
を行うことが好ましい。
に限定されない。 [実施例1]実施例1における各工程を図1〜図5を用
いて示す。また実施例1はMOCVD法を用いて行っ
た。
面とし、オリフラ面をA面とするサファイア基板1を反
応容器内にセットし、温度を510℃にして、キャリア
ガスに水素、原料ガスにアンモニアとTMG(トリメチ
ルガリウム)とを用い、サファイア基板1上にGaNよ
りなるバッファ層(図示されていない)を約200オン
グストロームの膜厚で成長させる。
温度を1050℃まで上昇させる。1050℃になった
ら、原料ガスにTMG、アンモニア、シランガスを用
い、Siを1×1018/cm3ドープしたGaNよりなる
第1の窒化物半導体層2を2μmの膜厚で成長させる。
(図1)
イプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりス
トライプ幅15μm、ストライプ間隔3μmのSiO2
よりなる第1の保護膜3を1μmの膜厚で形成する(図
2)。続いて、RIE装置により第1の窒化物半導体層
2の途中までテーパエッチングして第1の保護膜3の下
部に凸部を形成することにより凸部側面に第1の窒化物
半導体2を露出させる(図3)。なお、ストライプ方向
は、図6に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向
で形成する。
凸部を形成した後、凸部を形成した第1の窒化物半導体
2の表面にスパッタ装置により第2の保護膜4を形成し
[図4(a)]、その後、CF4とO2ガスにより、凸部
側面の第2の保護膜4をアッシング装置を用いて等方性
エッチングすることにより除去して、第1の窒化物半導
体2を露出させ、凸部上部の第1の保護膜3上及び凸部
底部にそれぞれ第2の保護膜4を形成する[図4
(b)]。
後、反応容器内にセットし、温度を1050℃で、原料
ガスにTMG、アンモニア、シランガスを用い、Siを
1×1018/cm3ドープしたGaNよりなる第2の窒化
物半導体層5を30μmの膜厚で成長させる[図5
(a)、(b)]。
ハを反応容器から取り出し、SiドープGaNよりなる
窒化物半導体基板を得る。
晶欠陥密度は、透過型電子顕微鏡観察によると、1×1
05個/cm2以下であった。このように実施例1は、第
2の窒化物半導体5の表面に現れる結晶欠陥の数を著し
く低減することができ、さらには第2の窒化物半導体5
の成長と共に縦方向に転位する結晶欠陥がほとんど見ら
れず、第1の保護膜3及び第2の保護膜4が良好に第1
の窒化物半導体3の縦方向の成長可能な面を覆っている
ことが確認できた。
ついて説明する。図8は本発明の成長方法により得られ
た窒化物半導体層を基板とする一実施の形態のLED素
子の構造を示す模式断面図である。
基板1、バッファ層、第1の窒化物半導体層2、第1の
保護膜3、第2の保護膜4を研磨、除去し、第2の窒化
物半導体層5の表面を露出させ、第2の窒化物半導体層
5のみにする。但し、実施例1において、第2の窒化物
半導体5を成長させる際に膜厚を200μmとして行っ
た。
プGaN)を主面とするウェーハをMOVPE装置の反
応容器内にセットし、1050℃でこの第2の窒化物半
導体層5の上にSiを1×1018/cm3ドープしたGa
Nよりなるバッファ層31を成長させる。このバッファ
層31は通常900℃以上の高温で成長させる窒化物半
導体単結晶層であり、先の基板との格子不整合を緩和す
るための低温で成長させるバッファ層とは区別される。
ングストローム、単一量子井戸構造のIn0.4Ga0.6N
よりなる活性層32、膜厚0.3μmのMgを1×10
20/cm3ドープAl0.2Ga0.8Nよりなるp側クラッド
層33、膜厚0.5μmのMgを1×1020/cm3ドー
プGaNよりなるp側コンタクト層34を順に成長させ
る。
タクト層34成長後、ウェーハを反応容器から取出し、
窒素雰囲気中で600℃アニーリングして、p側クラッ
ド層33、p側コンタクト層34を低抵抗にする。その
後、p側コンタクト層34側からエッチングを行い、第
2の窒化物半導体層5の表面を露出させる。このよう
に、活性層から下の窒化物半導体層をエッチングにより
露出させ、チップ切断時の「切りしろ」を設けることに
より、切断時にp−n接合面に衝撃を与えにくくなるた
め、歩留も向上し、信頼性の高い素子が得られる。
面のほぼ全面にNi/Auよりなる透光性のp電極35
を200オングストロームの膜厚で形成し、そのp電極
35の上に、ボンディング用のパッド電極36を0.5
μmの膜厚で形成する。p電極35形成後のチップの平
面図(パッド電極36側から見た図)を図9に示す。
の素子構造が形成されていない表面全面に、n電極37
を0.5μmの膜厚で形成する。
の窒化物半導体層5のM面(101−0)と、そのM面
に垂直な面で劈開し、300μm角のLEDチップを得
る。このLEDは20mAにおいて、520nmの緑色
発光を示し、出力は従来のサファイア基板上に窒化物半
導体素子構造を成長されたものに比較して1.5倍以
上、静電耐圧も2倍以上と、非常に優れた特性を示し
た。
について説明する。図10は本発明の成長方法により得
られた窒化物半導体層を基板とする一実施の形態のレー
ザ素子の構造を示す模式断面図である。
基板1、バッファ層、第1の窒化物半導体2、第1の保
護膜3、第2の保護膜4を研磨、除去し、第2の窒化物
半導体層5の表面を露出させ、第2の窒化物半導体層5
のみにする。但し、実施例1において、第2の窒化物半
導体5を成長させる際に膜厚を200μmとして行っ
た。
プGaN)を主面とするウェーハをMOVPE装置の反
応容器内にセットし、この第2の窒化物半導体層5の上
に下記各層を形成する。
1019/cm3ドープしたn型Al0.2Ga0.8Nよりなる
第1の層、20オングストロームと、アンドープ(undo
pe)のGaNよりなる第2の層、20オングストローム
とを交互に300層積層してなる総膜厚1.2μmの超
格子構造とする。n側クラッド層43はキャリア閉じ込
め層、及び光閉じ込め層として作用し、Alを含む窒化
物半導体、好ましくはAlGaNを含む超格子層とする
ことが望ましく、超格子層全体の膜厚を100オングス
トローム以上、2μm以下、さらに好ましくは500オ
ングストローム以上、2μm以下で成長させることが望
ましい。超格子層にするとクラックのない結晶性の良い
キャリア閉じ込め層が形成できる。
×1017/cm3ドープしたn型GaNよりなるn型光ガ
イド層44を0.1μmの膜厚で成長させる。このn側
光ガイド層44は、活性層の光ガイド層として作用し、
GaN、InGaNを成長させることが望ましく、通常
100オングストローム〜5μm、さらに好ましくは2
00オングストローム〜1μmの膜厚で成長させること
が望ましい。このn側光ガイド層44は通常はSi、G
e等のn型不純物をドープしてn型の導電型とするが、
特にアンドープにすることもできる。超格子とする場合
には第1の層及び第2の層の少なくとも一方にn型不純
物をドープしてもよいし、またアンドープでも良い。
cm3ドープのIn0.2Ga0.8Nよりなる井戸層、25オ
ングストロームと、Siを1×1017/cm3ドープのI
n0.05Ga0.95Nよりなる障壁層、50オングストロー
ムを交互に積層してなる総膜厚175オングストローム
の多重量子井戸構造(MQW)の活性層45を成長させ
る。
ップエネルギーがp側光ガイド層47よりも大きく、か
つ活性層45よりも大きい、Mgを1×1020/cm3ド
ープしたp型Al0.3Ga0.9Nよりなるp側キャップ層
46を300オングストロームの膜厚で成長させる。こ
のp側キャップ層46はp型としたが、膜厚が薄いた
め、n型不純物をドープしてキャリアが補償されたi
型、若しくはアンドープとしても良く、最も好ましくは
p型不純物をドープした層とする。p側キャップ層17
の膜厚は0.1μm以下、さらに好ましくは500オン
グストローム以下、最も好ましくは300オングストロ
ーム以下に調整する。0.1μmより厚い膜厚で成長さ
せると、p型キャップ層46中にクラックが入りやすく
なり、結晶性の良い窒化物半導体層が成長しにくいから
である。Alの組成比が大きいAlGaN程薄く形成す
るとLD素子は発振しやすくなる。例えば、Y値が0.
2以上のAlYGa1-YNであれば500オングストロー
ム以下に調整することが望ましい。p側キャップ層46
の膜厚の下限は特に限定しないが、10オングストロー
ム以上の膜厚で形成することが望ましい。
ップエネルギーがp側キャップ層46より小さい、Mg
を1×1018/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側
光ガイド層47を0.1μmの膜厚で成長させる。この
層は、活性層の光ガイド層として作用し、n側光ガイド
層44と同じくGaN、InGaNで成長させることが
望ましい。また、この層はp側クラッド層48を成長さ
せる際のバッファ層としても作用し、100オングスト
ローム〜5μm、さらに好ましくは200オングストロ
ーム〜1μmの膜厚で成長させることにより、好ましい
光ガイド層として作用する。このp側光ガイド層は通常
はMg等のp型不純物をドープしてp型の導電型とする
が、特に不純物をドープしなくても良い。なお、このp
型光ガイド層を超格子層とすることもできる。超格子層
とする場合には第1の層及び第2の層の少なくとも一方
にp型不純物をドープしてもよいし、またアンドープで
も良い。
1020/cm3ドープしたp型Al0.2Ga0.8Nよりなる
第1の層、20オングストロームと、Mgを1×1020
/cm3ドープしたp型GaNよりなる第2の層、20オ
ングストロームとを交互に積層してなる総膜厚0.8μ
mの超格子層よりなるp側クラッド層48を形成する。
この層はn側クラッド層43と同じくキャリア閉じ込め
層として作用し、超格子構造とすることによりp型層側
の抵抗率を低下させるための層として作用する。このp
側クラッド層48の膜厚も特に限定しないが、100オ
ングストローム以上、2μm以下、さらに好ましくは5
00オングストローム以上、1μm以下で成長させるこ
とが望ましい。なお本実施例では超格子層をn側クラッ
ド層側にも設けたが、n側クラッド層側よりもp側層側
に超格子層を設けた方が、p層の抵抗値が減少する傾向
にあるため、Vfを低下させる上で好ましい。
するダブルへテロ構造の窒化物半導体素子の場合、活性
層45に接して、活性層45よりもバンドギャップエネ
ルギーが大きい膜厚0.1μm以下のAlを含む窒化物
半導体よりなるキャップ層46を設け、そのキャップ層
46よりも活性層から離れた位置に、キャップ層46よ
りもバッドギャップエネルギーが小さいp側光ガイド層
47を設け、そのp側光ガイド層47よりも活性層から
離れた位置に、p側光ガイド層47よりもバンドギャッ
プが大きいAlを含む窒化物半導体を含む超格子層より
なるp側クラッド層48を設けることは非常に好まし
い。しかもp側キャップ層46のバンドギャップエネル
ギーが大きくしてある、n層から注入された電子がこの
キャップ層46で阻止されるため、電子が活性層をオー
バーフローしないために、素子のリーク電流が少なくな
る。
2×1020/cm3ドープしたp型GaNよりなるp側コ
ンタクト層49を150オングストロームの膜厚で成長
させる。p側コンタクト層は500オングストローム以
下、さらに好ましくは400オングストローム以下、2
0オングストローム以上に膜厚を調整する。
ハを窒素雰囲気中、700℃でアニーリングを行い、p
型層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハ
を反応容器から取り出し、図10に示すように、RIE
装置により最上層のp型コンタクト層49と、p型クラ
ッド層48とをエッチングして、4μmのストライプ幅
を有するリッジ形状とし、リッジ表面の全面にNi/A
uよりなるp電極51を形成する。次に、図10に示す
ようにp電極51を除くp側クラッド層48、コンタク
ト層49の表面にSiO2よりなる絶縁膜50を形成
し、この絶縁膜50を介してp電極51と電気的に接続
したpパッド電極52を形成する。
の素子構造が形成されていない表面全面に、Ti/Al
よりなるn電極53を0.5μmの膜厚で形成し、その
上にヒートシンクとのメタライゼーション用にAu/S
nよりなる薄膜を形成する。
第2の窒化物半導体層5のM面(11−00、図6の六
角柱の側面に相当する面)で第2の窒化物半導体層5を
劈開し、共振面を作製する。共振面の両方あるいはどち
らか一方にSiO2とTiO2よりなる誘電体多層膜を形
成し、最後にp電極に平行な方向で、バーを切断してレ
ーザチップとした。次にチップをフェースアップ(基板
とヒートシンクとが対向した状態)でヒートシンクに設
置し、pパッド電極52をワイヤーボンディングして、
室温でレーザ発振を試みたところ、室温において、閾値
電流密度2.0kA/cm2、閾値電圧4.0Vで、発振
波長405nmの連続発振が確認され、1000時間以
上の寿命を示した。
より得られた窒化物半導体層を基板とする一実施ンの形
態のLED素子の構造を示す模式断面図であり、活性層
32から上の素子構造としては、実施例2のLED素子
と同様の構造を有する。このLED素子は実施例1で得
られた第2の窒化物半導体層5の上に、下記の超格子層
を有するn側クラッド層51を成長させる。また、実施
例4においては、サファイア基板1、バッファ層、保護
膜を除去せず行った。実施例4で用いる第2の窒化物半
導体5は、実施例1において第2の窒化物半導体5を成
長させる際にSiをドープせずに成長させた。 (n側クラッド層51)Siを1×1019/cm3ドープ
したn型Al0.2Ga0.8Nよりなる第1の層、20オン
グストロームと、アンドープ(undope)のGaNよりな
る第2の層、20オングストロームとを交互に100層
積層してなる総膜厚0.4μmの超格子構造とする。超
格子層にするとクラックのない結晶性の良いキャリア閉
じ込めのクラッド層が形成できる。
子井戸構造のIn0.4Ga0.6Nよりなる活性層32、膜
厚0.3μmのMgを1×1020ドープAl0.2Ga0.8
Nよりなるp側クラッド層33、膜厚0.5μmのMg
を1×1020ドープGaNよりなるp側コンタクト層3
4が順に積層された構造を有する。そしてp層側からエ
ッチングを行いクラッド層51の表面を露出させてn電
極37を形成し、一方p側コンタクト層のほぼ全面には
透光性のp電極35と、そのp電極35の上に、ボンデ
ィング用のパッド電極36を形成し、図11に示すよう
な同一面側からn電極37とp電極35とを設けた構造
とする。最後にサファイア基板の厚さを50μm程度ま
で研磨して薄くした後、研磨面側をスクライブして35
0μm角の素子とする。
子に比較して、出力は約1.5倍、静電耐圧も約1.5
倍に向上した。
り、結晶欠陥の非常に少ない結晶性の良好な窒化物半導
体を得ることができる。更に本発明は、結晶性の良好な
窒化物半導体を基板としてこの上に素子構造を構成する
窒化物半導体を成長させると、ライフ時間の伸びた、逆
耐圧が上昇し、寿命特性の良好な窒化物半導体素子を得
ることができる。
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
半導体ウェーハの構造を示す模式的断面図である。
る。
主面側の平面図である。
LED素子の一構造を示す模式断面図である。
体LD素子の一構造を示す模式断面図である。
体LED素子の一構造を示す模式断面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種
基板の上に、第1の窒化物半導体を成長させる第1の工
程と、 第1の工程後、前記第1の窒化物半導体の表面に部分的
に第1の保護膜を形成する第2の工程と、 第2の工程後、前記第1の保護膜の形成されていない部
分の第1の窒化物半導体をエッチングにより除去し保護
膜下部に順メサ形状の凸部を形成する第3の工程と、 第3の工程後、第1の窒化物半導体の上から全面に第2
の保護膜を形成し、その後、エッチングにより、第1の
窒化物半導体の凸部側面に形成された第2の保護膜を除
去することにより、第1の窒化物半導体の平面部のみに
第2の保護膜を形成する第4の工程と、 第4の工程後、前記第1の窒化物半導体の側面から第2
の窒化物半導体を成長させる第5の工程とを含むことを
特徴とする窒化物半導体の成長方法。 - 【請求項2】 前記窒化物半導体の成長方法で得られる
第2の窒化物半導体の上に、素子構造となる少なくとも
n型及びp型の窒化物半導体が形成されていることを特
徴とする窒化物半導体素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14643198A JP3460581B2 (ja) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | 窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP14643198A JP3460581B2 (ja) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | 窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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