JP3668131B2

JP3668131B2 - Nitride semiconductor device and method for forming nitride semiconductor

Info

Publication number: JP3668131B2
Application number: JP2000402340A
Authority: JP
Inventors: 勤山口; 伸彦林
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP2002203793A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法に関し、より特定的には、選択横方向成長を用いて形成した窒化物系半導体素子および窒化物系半導体の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光ダイオード素子、半導体レーザなどの半導体発光素子やトランジスタなどの電子素子に用いられる半導体素子として、ＧａＮ系化合物半導体を利用した窒化物系半導体素子の開発が盛んに行われている。このようなＧａＮ系半導体素子の製造の際には、サファイア、ＳｉＣ、ＳｉまたはＧａＡｓなどからなる基板上に、ＧａＮ系半導体層をエピタキシャル成長させている。
【０００３】
この場合、サファイアなどの基板とＧａＮとでは、格子定数が異なるため、サファイアなどの基板上に成長させたＧａＮ系半導体層では、基板から上下方向に延びる貫通転位（格子欠陥）が存在している。この格子欠陥の転位密度は、１０9ｃｍ^-2程度である。このようなＧａＮ系半導体層における転位は、半導体素子の素子特性の劣化および信頼性の低下を招く。
【０００４】
そこで、上記のようなＧａＮ系半導体層における転位を低減する方法として、従来、選択横方向成長（ＥＬＯ：ＥｐｉｔａｘｙｉａｌＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）が提案されている。この選択横方向成長については、たとえば、応用電子物性分科会誌第４巻（１９９８）の第５３頁〜第５８頁および第２１０頁〜第２１５頁などに開示されている。
【０００５】
図２２〜図２５は、従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。次に、図２２〜図２５を参照して、従来の選択横方向成長を用いた窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【０００６】
まず、図２２に示すように、サファイア基板１０１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）などの結晶成長法を用いて、約６００℃の成長温度で、約１５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層１０２を形成する。次に、ＡｌＧａＮバッファ層１０２上に、約３μｍの膜厚を有するＧａＮからなる第１ＧａＮ層１０３を堆積する。さらに、第１ＧａＮ層１０３上に、ＳｉＯ₂からなるストライプ状（細長状）のマスク層１０４を形成する。
【０００７】
次に、マスク層１０４をマスクとして、ＡｌＧａＮバッファ層１０２および第１ＧａＮ層１０３をドライエッチングする。これにより、図２３に示されるような、パターニングされたＡｌＧａＮバッファ層１０２および第１ＧａＮ層１０３が形成される。
【０００８】
次に、図２４に示すように、ＡｌＧａＮバッファ層１０２および第１ＧａＮ層１０３を種結晶として、第２ＧａＮ層１０６の再成長を行う。図２４に示す状態からさらに成長が進むと、図２５に示すように、第２ＧａＮ層１０６が全面を覆うように接合し、かつ、表面が平坦化される。
【０００９】
上記のように、従来の窒化物系半導体の形成方法では、第２ＧａＮ層１０６の選択横方向成長を行うことによって、第２ＧａＮ層１０６の貫通転位を低減することができる。このような転位が低減された第２ＧａＮ層１０６上に窒化物系半導体層（図示せず）を形成することによって、サファイア基板１０１上に良好な結晶性を有する窒化物系半導体層を形成することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の選択横方向成長を用いる窒化物系半導体の形成方法では、サファイア基板１０１の表面近傍に形成された結晶性の悪いＡｌＧａＮバッファ層１０２および第１ＧａＮ層１０３を種結晶として、第２ＧａＮ層１０６を形成している。このため、第２ＧａＮ層１０６の転位の低減には限界があった。その結果、従来の選択横方向成長を用いた方法では、十分に欠陥密度の少ない第２ＧａＮ層１０６を形成することは困難であった。
【００１１】
そこで、従来、上記のような不都合を解決するため、選択横方向成長を用いる方法において、結晶性の良好な種結晶を用いてＧａＮ層を形成する方法が提案されている。この提案された方法は、たとえば、特開２０００−１０６４７３号公報に開示されている。この従来の提案された方法では、サファイア基板上にＡｌＧａＮバッファ層およびＧａＮ層を形成した後、ニッケル（Ｎｉ）からなるストライプ状のマスクを用いてＧａＮ層をエッチングすることにより、ＧａＮ層にストライプ状の凹凸パターンを形成する。そして、Ｎｉからなるマスクを除去した後、凹凸パターンの上面および底面にＳｉＯ₂マスクを形成し、凹凸パターンの両側面を露出させる。その両側面を種結晶としてＧａＮ層を再成長させる方法である。
【００１２】
しかしながら、上記した従来の提案された方法では、ＧａＮ層の凹凸パターンの両方の側面を種結晶としてＧａＮ層を再成長させるので、ＧａＮ層は両方向に横方向成長する。このため、接合界面が現れやすくなるので、欠陥密度をより少なくするのは困難であるという問題点があった。
【００１３】
また、上記した従来の提案された方法では、Ｎｉマスクを用いて凹凸パターンを形成した後、Ｎｉマスクを除去する工程が必要であるので、製造プロセスが複雑になるという問題点もあった。
【００１４】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、
この発明の一つの目的は、結晶欠陥のより少ない窒化物系半導体層を含む良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を提供することである。
【００１５】
この発明のもう一つの目的は、簡単な製造プロセスで、結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の一の局面による窒化物系半導体素子は、凹凸形状の表面を有する第１窒化物系半導体を含む基板と、第１窒化物系半導体の凹凸形状の表面を覆うとともに、凹凸形状の一方の側面のみを露出するように形成されたマスク層と、その露出された一方の側面に接触するとともに、マスク層上に形成された第２窒化物系半導体層と、第２窒化物系半導体層上に形成され、素子領域を有する窒化物系半導体素子層とを備えている。
【００１７】
この一の局面による窒化物系半導体素子では、上記のように構成することによって、第２窒化物系半導体層を形成する際に、第１窒化物系半導体の凹凸形状の露出された一方の側面のみを種結晶として第２窒化物系半導体層を１方向に成長させることができる。これにより、接合界面が現れにくくなるので、欠陥密度のより少ない第２窒化物系半導体層を形成することができる。そして、その欠陥密度のより少ない第２窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層を形成することによって、容易に、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００１８】
上記一の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、第１窒化物系半導体は、基板上にバッファ層を介して形成された凹凸形状の表面を有する第１窒化物系半導体層を含む。このように構成すれば、第２窒化物系半導体層を形成する際に、従来のように絶縁性基板の表面近傍に成長されたバッファ層などの結晶性の悪い窒化物系半導体部分を種結晶として用いる必要がなく、結晶性の良好な第１窒化物系半導体層の凹凸形状の一方の側面部分を種結晶として用いることができる。これにより、その結晶性の良好な第１窒化物系半導体層の一方の側面部分を種結晶として、第２窒化物系半導体層を成長させることによって、より欠陥密度の少ない第２窒化物系半導体層を形成することができる。そして、そのより欠陥密度の少ない第２窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層を形成することによって、より良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００１９】
上記一の局面による窒化物系半導体素子において、好ましくは、第１窒化物系半導体を含む基板は、第１窒化物系半導体基板を含む。このように構成すれば、第２窒化物系半導体層を形成する際に、従来のように絶縁性基板の表面近傍に成長されたバッファ層などの結晶性の悪い窒化物系半導体部分を種結晶として用いる必要がなく、結晶性の良好な第１窒化物系半導体基板の凹凸形状の一方の側面部分を種結晶として用いることができる。特に、第１窒化物系半導体基板は、窒化物系半導体層に比べて結晶欠陥が非常に少ないので、その結晶欠陥の非常に少ない第１窒化物系半導体基板の凹凸形状の一方の側面部分を種結晶として、第２窒化物系半導体層を成長させることによって、非常に欠陥密度の少ない第２窒化物系半導体層を形成することができる。そして、その非常に欠陥密度の少ない第２窒化物系半導体層上に、素子領域を有する窒化物系半導体素子層を形成することによって、さらに良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００２０】
上記の場合、マスク層は、高融点金属を含む膜および絶縁膜のうちのいずれかを含むのが好ましい。このような材料からマスク層を構成すれば、マスク層上に容易に第２窒化物系半導体層を横方向成長させることができる。これにより、より欠陥の少ない良質な第２窒化物系半導体層を得ることができる。
【００２１】
この発明のもう一つの局面による窒化物系半導体の形成方法は、第１窒化物系半導体基板の表面上の所定領域に、第１マスク層を形成する工程と、第１マスク層をエッチングマスクとして、第１窒化物系半導体基板の表面をエッチングすることによって、凹凸形状の表面を形成する工程と、少なくとも凹凸形状の底面を覆うとともに、凹凸形状の側面を露出するように第２マスク層を形成する工程と、露出された凹凸形状の側面を種結晶として、第１マスク層および第２マスク層上に第２窒化物系半導体層を成長させる工程とを備えている。
【００２２】
このもう一つの局面による窒化物系半導体の形成方法では、上記のように、第１窒化物系半導体基板の凹凸形状の側面を種結晶として、第２窒化物系半導体層を成長させることによって、従来のように絶縁性基板の表面近傍に成長されたバッファ層などの結晶性の悪い窒化物系半導体部分を種結晶として用いる必要がなく、結晶性の良好な第１窒化物系半導体基板の凹凸形状の側面部分を種結晶として用いることができる。特に、第１窒化物系半導体基板は、窒化物系半導体層に比べて結晶欠陥が非常に少ないので、その結晶欠陥の非常に少ない第１窒化物系半導体基板の凹凸形状の側面部分を種結晶として第２窒化物系半導体層を成長させることによって、非常に欠陥密度の少ない第２窒化物系半導体層を形成することができる。また、凹凸形状を形成する際のエッチングマスクとして用いた第１マスク層を、そのまま第２窒化物系半導体層を成長させる際のマスクとして用いることによって、第１マスク層を除去する工程が不要となるので、製造プロセスを簡略化することもできる。
【００２３】
上記の場合、第２マスク層は、前記第１マスク層と同じ材料からなるのが好ましい。このように構成すれば、第１マスクと第２マスクとを異なる材料により形成した場合に発生しやすい第１マスク層と第２マスク層との間の膜剥がれを有効に防止することができる。
【００２４】
また、上記の場合、第２マスク層を形成する工程は、好ましくは、凹凸形状の一方の側面のみが露出するように第２マスク層を形成する工程を含む。このように形成すれば、第１窒化物系半導体層または第１窒化物系半導体基板の凹凸形状の露出された一方の側面のみを種結晶として第２窒化物系半導体層を成長させることができる。これにより、成長方向が１方向の接合界面が現れにくい第２窒化物系半導体層を得ることができる。その結果、より欠陥密度の少ない第２窒化物系半導体層を形成することができる。また、この場合、一方の側面のみが露出するように第２マスク層を形成する工程は、好ましくは、第２マスク層を斜め方向から蒸着する工程を含む。このように構成すれば、容易に、凹凸形状の一方の側面のみが露出するように第２マスク層を形成することができる。
【００２５】
【発明の実施形態】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１〜図５は、本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図１〜図５を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法について説明する。
【００２７】
まず、図１に示すように、サファイア基板１上に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法を用いて、約６００℃の成長温度で、約１５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層２を形成する。次に、ＡｌＧａＮバッファ層２上に、約３μｍの膜厚を有するＧａＮからなる第１ＧａＮ層３を堆積する。この第１ＧａＮ層３が、本発明の「第１窒化物系半導体層」の一例である。上記のように形成された第１ＧａＮ層３では、Ｘ線半値幅が約３００秒であるとともに、ピット（結晶表面の穴）のない結晶が得られる。なお、Ｘ線半値幅とは、Ｘ線の強度の最大値の１／２の強度における波長の幅であり、このＸ線半値幅が小さいほど結晶性がよい。さらに、第１ＧａＮ層３上の全面に、ＳｉＯ₂膜（図示せず）を約２４０ｎｍの厚みで堆積する。このＳｉＯ₂膜を、フォトレジストパターン（図示せず）を用いてドライエッチングすることにより、図１に示されるような、約５μｍの幅を有するストライプ状（細長状）のＳｉＯ₂からなるマスク層４を形成する。
【００２８】
このマスク層４をマスクとして、塩素系のＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法を用いて、第１ＧａＮ層３を約２μｍの厚み分だけエッチングする。これにより、図２に示すように、第１ＧａＮ層３を凹凸形状に形成する。この場合、凹凸形状の凹部の底面の厚みは、約１μｍになる。
【００２９】
次に、図３に示すように、回り込みの少ないＥＢ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ）蒸着法を用いて、ＳｉＯ₂からなるマスク層５を約５００ｎｍの厚みで堆積する。この場合、基板を傾けて配置し、斜め方向から蒸着することによって、凹凸形状の底面上および凹凸形状の一方の側面を覆うとともに、凹凸形状のもう一方の側面を露出するマスク層５を形成する。さらに、緩衝フッ酸（フッ化アンモニウムとフッ酸との混合液）を用いて、軽微なエッチングを行うことにより、凹凸形状の露出された一方の側面を清浄化する。ここで、マスク層５の厚みが約５
００ｎｍ（約０．５μｍ）であるとともに、凹凸形状の凹部の底面の厚みが、約１μｍであるので、露出された一方の側面は、第１ＧａＮ層３の底面から、約１．５μｍから約３μｍの高さ位置で露出されている。このような第１ＧａＮ層３の上部（約１．５μｍから約３μｍの高さ位置）に位置する側面部分の結晶は、第１ＧａＮ層３の下部に位置する結晶に比べて、結晶性が良好である。
【００３０】
次に、図４に示すように、第１ＧａＮ層３の凹凸形状の露出された結晶性の良好な一方の側面部分を種結晶として、第２ＧａＮ層６を再成長させる。この場合、初期段階では、第２ＧａＮ層６は、第１ＧａＮ層３の凹凸形状の底面上に形成されたＳｉＯ₂からなるマスク層５上を横方向成長する。なお、この第２ＧａＮ層６が、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例である。
【００３１】
そして、図４に示す状態からさらに第２ＧａＮ層６の成長が進むと、第２ＧａＮ層６は、マスク層５上を横方向に成長した後、縦方向に成長する。それによって、図５に示すように、第１ＧａＮ層３と、マスク層４および５とを覆うように接合し、かつ、表面が平坦化された、Ｘ線半値幅が１５０秒以下の良好な結晶性を有する第２ＧａＮ層６が得られる。
【００３２】
第１実施形態では、上記のように、サファイア基板１上にＡｌＧａＮバッファ層２を介して形成された第１ＧａＮ層３を凹凸形状に形成するとともに、その凹凸形状の結晶性の良好な側面部分を種結晶として用いることによって、サファイア基板１の表面近傍に成長された結晶性の悪いＡｌＧａＮバッファ層２を種結晶として用いる必要がない。これにより、その結晶性の良好な第１ＧａＮ層３の凹凸形状の側面部分を種結晶として、結晶性の良好な第２ＧａＮ層６を成長させることができる。また、第１ＧａＮ層３の凹凸形状の露出された一方の側面のみを種結晶として、第２ＧａＮ層６を１方向に成長させることによって、接合界面が現れにくくなるので、より欠陥密度の少ない第２ＧａＮ層６を形成することができる。
【００３３】
また、第１実施形態では、上記のように、第１ＧａＮ層３に凹凸形状を形成する際のエッチングマスクとして用いたマスク層４を、そのまま第２ＧａＮ層６を成長させる際のマスクとして用いることによって、マスク層４を除去する工程が不要となる。その結果、製造プロセスを簡略化することができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、上記のように、マスク層４および５を、絶縁膜であるＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層４および５上に、第２ＧａＮ層６を容易に横方向成長させることができる。これにより、欠陥密度の少ない良質な第２ＧａＮ層６を形成することができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、マスク層４および５を同じＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層４とマスク層５とを異なる材料により形成した場合に発生しやすいマスク層４とマスク層５との間の膜剥がれを有効に防止することができる。
【００３６】
図６は、上記した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子を示した断面図である。次に、図６を参照して、第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子の構造および製造プロセスについて説明する。
【００３７】
第１実施形態の窒化物系半導体素子の構造としては、図６に示すように、サファイア基板１の上面上に、約１５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層２を介して、凹凸形状を有する第１ＧａＮ層３が形成されている。
【００３８】
このＧａＮ層３の凸状部分上には、約２４０ｎｍの膜厚を有するＳｉＯ₂からなるマスク層４が形成されている。また、マスク層４上、凹凸形状の底面上および凹凸形状の一方の側面を覆うように、約５００ｎｍの膜厚を有するマスク層５が形成されている。さらに、第１ＧａＮ層３と、マスク層４および５とを覆うように、第２ＧａＮ層６が形成されている。
【００３９】
第２ＧａＮ層６上には、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層８、活性層９、および、ｐ型ＧａＮガイド層１０が順次形成されている。ｐ型ＧａＮガイド層１０上には、凸状の上面を有するｐ型ＡｌＧａＮからなるｐ型クラッド層１１が形成されている。そのｐ型クラッド層１１の凸状部分上には、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２が形成されている。このｐ型クラッド層１１の凸状部分と、その上に形成されるｐ型ＧａＮコンタクト層１２とによって、ストライプ状のリッジ部が構成されている。ｐ型クラッド層１１上およびｐ型ＧａＮコンタクト層１２上面の一部上には、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜１３が形成されている。そして、この絶縁膜１３の開口部１３ａを介してｐ型ＧａＮコンタクト層１２に接触するように、ｐ型電極１４が形成されている。また、ｐ型電極１４を覆うように、パッド電極１５が形成されている。
【００４０】
また、絶縁膜１３からｎ型ＧａＮコンタクト層７までの一部領域が除去されており、そのｎ型ＧａＮコンタクト層７の露出した表面に、ｎ型電極１６が形成されている。
【００４１】
なお、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１およびｐ型ＧａＮコンタクト層１２は、本発明の「窒化物系半導体素子層」の一例である。
【００４２】
上記のような構造を有する第１実施形態の窒化物系半導体素子の形成方法としては、まず、図１〜図５を用いて説明した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて、サファイア基板１上に、約１５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層２、約３μｍの膜厚を有するＧａＮからなる凹凸形状の第１ＧａＮ層３、約２４０ｎｍの膜厚を有する幅約５μｍのストライプ状のＳｉＯ₂からなるマスク層４、凹凸形状の一方の側面のみを露出させるマスク層５、および、第２ＧａＮ層６を順次形成する。
【００４３】
次に、ＭＯＣＶＤ法などの結晶成長法を用いて、第２ＧａＮ層６上に、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型ＡｌＧａＮからなるｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１、および、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２を連続的に成長させる。その後、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２およびｐ型クラッド層１１をドライエッチングすることにより、ストライプ状のリッジ部を形成する。
【００４４】
ｐ型ＧａＮコンタクト層１２およびｐ型クラッド層１１を覆うように、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜１３を形成する。そして、絶縁膜１３の所定領域をエッチングすることにより、ストライプ状の開口部１３ａを形成する。次に、絶縁膜１３上、および、開口部１３ａ内に露出したｐ型ＧａＮコンタクト層１２上に、ｐ型電極１４を形成する。そして、ｐ型電極１４を覆うように、パッド電極１５を形成する。
【００４５】
最後に、絶縁膜１３からｎ型ＧａＮコンタクト層７までの領域の一部をエッチングにより除去した後、露出されたｎ型ＧａＮコンタクト層７の表面上に、ｎ型電極１６を形成する。
【００４６】
このようにして、図６に示した第１実施形態による窒化物系半導体素子が完成される。
【００４７】
第１実施形態の窒化物系半導体素子では、上記のように、図１〜図５に示した第１実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された結晶性の良好な第２ＧａＮ層６を下地層として、その上に各層７〜１２を形成することができる。すなわち、上述したように、第１ＧａＮ層３の凹凸形状の露出された一方の側面のみを種結晶として、第２ＧａＮ層６を１方向に成長させることによって、接合界面が現れにくくなるので、欠陥密度のより少ない第２ＧａＮ層６を形成することができる。このように、結晶性の良好な第２ＧａＮ層６を下地層として、その上に各層７〜１２を形成することによって、各層７〜１２において良好な結晶性を実現することができる。これにより、第１実施形態では、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００４８】
（第２実施形態）
図７〜図１１は、本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第２実施形態では、上記した第１実施形態の第１ＧａＮ層３に代えて、ｎ型ＧａＮ基板２１を種結晶として用いる。以下、図７〜図１１を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法について詳細に説明する。
【００４９】
第２実施形態の形成方法では、まず、約１×１０⁶ｃｍ^-2の欠陥密度を有する結晶欠陥の非常に少ないｎ型ＧａＮ基板２１上の全面に、ＳｉＯ₂膜（図示せず）を約２４０ｎｍの厚みで堆積する。このＳｉＯ₂膜を、フォトレジストパターン（図示せず）を用いてドライエッチングすることにより、図７に示されるような、約５μｍの幅を有するストライプ状のＳｉＯ₂からなるマスク層２４を形成する。なお、ｎ型ＧａＮ基板２１が、本発明の「第１窒化物系半導体基板」の一例である。
【００５０】
このマスク層２４をマスクとして、塩素系のＲＩＥ法を用いて、ｎ型ＧａＮ基板２１を約２μｍの厚み分だけエッチングする。これにより、図８に示すように、ｎ型ＧａＮ基板２１の表面を凹凸形状に形成する。
【００５１】
次に、図９に示すように、回り込みの少ないＥＢ蒸着法を用いて、ＳｉＯ₂からなるマスク層２５を約５００ｎｍの厚みで堆積する。この場合、基板を傾けて配置し、斜め方向から蒸着することによって、凹凸形状の底面上および凹凸形状の一方の側面を覆うとともに、凹凸形状のもう一方の側面を露出するマスク層２５を形成する。さらに、緩衝フッ酸（フッ化アンモニウムとフッ酸との混合液）を用いて、軽微なエッチングを行うことにより、凹凸形状の露出された一方の側面を清浄化する。
【００５２】
次に、図１０に示すように、ｎ型ＧａＮ基板２１の凹凸形状の露出された一方の側面を種結晶として、Ｓｉをドープしたｎ型第２ＧａＮ層２６を再成長させる。この場合、初期段階では、ｎ型第２ＧａＮ層２６は、ｎ型ＧａＮ基板２１の凹凸形状の底面上に形成されたＳｉＯ₂からなるマスク層２５上を横方向成長する。なお、このｎ型第２ＧａＮ層２６が、本発明の「第２窒化物系半導体層」の一例である。
【００５３】
そして、図１０に示す状態からさらにｎ型第２ＧａＮ層２６の成長が進むと、ｎ型第２ＧａＮ層２６は、マスク層２５上を横方向に成長した後、縦方向に成長する。それによって、図１１に示すように、ｎ型ＧａＮ基板２１と、マスク層２４および２５とを覆うように接合し、かつ、表面が平坦化された、欠陥密度５×１０⁵ｃｍ^-2以下のｎ型第２ＧａＮ層２６が得られる。
【００５４】
第２実施形態では、上記のように、ｎ型ＧａＮ基板２１の表面を凹凸形状に形成することによって、従来のように、サファイア基板１０１（図２４参照）の表面近傍に成長された結晶性の悪いＡｌＧａＮバッファ層１０２を種結晶として用いる必要がない。
【００５５】
また、この第２実施形態では、結晶欠陥の非常に少ないｎ型ＧａＮ基板２１の凹凸形状の一方の側面のみを種結晶としてｎ型第２ＧａＮ層２６を成長させることによって、欠陥密度が非常に少なく、かつ、接合界面が現れにくいｎ型第２ＧａＮ層２６を成長させることができる。これにより、第１実施形態に比べて、より結晶性の良好なｎ型第２ＧａＮ層２６を形成することができる。
【００５６】
また、上記第２実施形態では、第１実施形態と同様、ｎ型ＧａＮ基板２１に凹凸形状を形成する際のエッチングマスクとして用いたマスク層２４を、そのままｎ型第２ＧａＮ層２６を成長させる際のマスクとして用いることによって、マスク層２４を除去する工程が不要となる。その結果、製造プロセスを簡略化することができる。
【００５７】
また、上記第２実施形態では、第１実施形態と同様、マスク層２４および２５を、絶縁膜であるＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層２４および２５上に、ｎ型第２ＧａＮ層２６を容易に横方向成長させることができる。これにより、欠陥密度の少ない良質なｎ型第２ＧａＮ層２６を形成することができる。
【００５８】
また、上記第２実施形態では、第１実施形態と同様、マスク層２４および２５を同じＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層２４とマスク層２５とを異なる材料により形成した場合に発生しやすいマスク層２４とマスク層２５との間の膜剥がれを有効に防止することができる。
【００５９】
図１２は、上記した第２実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子を示した断面図である。次に、図１２を参照して、第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子の構造および製造プロセスについて説明する。
【００６０】
第２実施形態の窒化物系半導体素子の構造としては、図１１に示した構造（ｎ型第２ＧａＮ層２６）上に、図１２に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２、絶縁膜１３、ｐ型電極１４、パッド電極１５およびｎ型電極１６が形成されている。このｎ型ＧａＮコンタクト層７よりも上の構造は、図６に示した第１実施形態の構造と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００６１】
上記のような構造を有する第２実施形態の窒化物系半導体素子の形成方法としては、まず、図７〜図１１を用いて説明した第２実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて、凹凸形状のｎ型ＧａＮ基板２１上に、約２４０ｎｍの膜厚を有する幅約５μｍのストライプ状のＳｉＯ₂からなるマスク層２４、凹凸形状の一方の側面のみを露出させるマスク層２５、および、ｎ型第２ＧａＮ層２６を順次形成する。
【００６２】
次に、ｎ型第２ＧａＮ層２６上に、図６に示した第１実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２、絶縁膜１３、ｐ型電極１４、パッド電極１５およびｎ型電極１６を形成する。このようにして、図１２に示した第２実施形態による窒化物系半導体素子が完成される。
【００６３】
この第２実施形態の窒化物系半導体素子では、上記のように、図７〜図１１に示した第２実施形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、結晶欠陥の非常に少なく、かつ、接合界面が現れにくい、より結晶性の良好なｎ型第２ＧａＮ層２６を下地層として、その上に各層７〜１２を形成することができる。これにより、各層７〜１２において、より良好な結晶性を実現することができる。その結果、第２実施形態では、第１実施形態に比べて、さらに良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００６４】
（第１参考形態）
図１３〜図１５は、本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。図１３〜図１５を参照して、この第１参考形態の形成方法では、上記した第１および第２実施形態と異なり、第１ＧａＮ層３の両方の側面を種結晶として第２ＧａＮ層３６を成長させる。以下、図１、図２および図１３〜図１５を参照して、第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法について詳細に説明する。
【００６５】
この第１参考形態の形成方法では、まず、図１および図２に示した第１実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、サファイア基板１上に、約１５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層２、約３μｍの膜厚を有するＧａＮからなる第１ＧａＮ層３、および、約５μｍの幅と約２４０ｎｍの厚みとを有するストライプ状のＳｉＯ₂からなるマスク層４を形成するとともに、そのマスク層４を用いて、第１ＧａＮ層３を凹凸形状に形成する。
【００６６】
この後、図１３に示すように、回り込みの少ないＥＣＲ−ＣＶＤ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ−ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ＳｉＯ₂を約２００ｎｍの厚みで堆積することによって、凹凸形状の底面上および凸状部分上を覆うとともに、凹凸形状の両方の側面を露出するマスク層３５を形成する。さらに、緩衝フッ酸（フッ化アンモニウムとフッ酸との混合液）を用いて、軽微なエッチングを行うことにより、凹凸形状の露出された両方の側面を清浄化する。
【００６７】
次に、図１４に示すように、第１ＧａＮ層３の凹凸形状の露出された両方の側面を種結晶として、第２ＧａＮ層３６を再成長させる。この場合、初期段階では、第２ＧａＮ層３６は、第１ＧａＮ層３の凹凸形状の底面上に形成されたＳｉＯ₂からなるマスク層３５上を横方向成長する。
【００６８】
そして、図１４に示す状態からさらに第２ＧａＮ層３６の成長が進むと、図１５に示すように、第１ＧａＮ層３と、マスク層４および３５とを覆うように接合し、かつ、表面が平坦化された、Ｘ線半値幅が１５０秒以下の第２ＧａＮ層３６が得られる。
【００６９】
第１参考形態では、上記のように、第１ＧａＮ層３の凹凸形状の露出された両方の側面を種結晶として、第２ＧａＮ層３６を成長させることにより、欠陥密度の少ない第２ＧａＮ層３６を形成することができる。
【００７０】
また、上記第１参考形態では、第１実施形態と同様、第１ＧａＮ層３に凹凸形状を形成する際のエッチングマスクとして用いたマスク層４を、そのまま第２ＧａＮ層３６を成長させる際のマスクとして用いることによって、マスク層４を除去する工程が不要となる。その結果、製造プロセスを簡略化することができる。
【００７１】
また、上記第１参考形態では、第１および第２実施形態と同様、マスク層４および３５を、絶縁膜であるＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層４および３５上に、第２ＧａＮ層３６を容易に横方向成長させることができる。これにより、欠陥密度の少ない良質な第２ＧａＮ層３６を形成することができる。
【００７２】
また、上記第１参考形態では、第１および第２実施形態と同様、マスク層４および３５を同じＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層４とマスク層３５とを異なる材料により形成した場合に発生しやすいマスク層４とマスク層３５との間の膜剥がれを有効に防止することができる。
【００７３】
図１６は、上記した第１参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子を示した断面図である。次に、図１６を参照して、第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子の構造および製造プロセスについて説明する。
【００７４】
第１参考形態の窒化物系半導体素子の構造としては、図１５に示した構造（第２ＧａＮ層３６）上に、図１６に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２、絶縁膜１３、ｐ型電極１４、パッド電極１５およびｎ型電極１６が形成されている。このｎ型ＧａＮコンタクト層７よりも上の構造は、図６に示した第１実施形態の構造と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００７５】
上記のような構造を有する第１参考形態の窒化物系半導体素子の形成方法としては、まず、図１、図２および図１３〜図１５を用いて説明した第１参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて、サファイア基板１上に、約１５ｎｍの膜厚を有するＡｌＧａＮバッファ層２、約３μｍの膜厚を有する凹凸形状の第１ＧａＮ層３、約２４０ｎｍの膜厚を有する幅約５μｍのストライプ状のＳｉＯ₂からなるマスク層４、凹凸形状の両方の側面を露出させるマスク層３５、および、第２ＧａＮ層３６を順次形成する。
【００７６】
この後、第２ＧａＮ層３６上に、図６に示した第１実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２、絶縁膜１３、ｐ型電極１４、パッド電極１５およびｎ型電極１６を形成する。このようにして、図１６に示した第１参考形態による窒化物系半導体素子が完成される。
【００７７】
この第１参考形態の窒化物系半導体素子では、上記のように、図１、図２、および図１３〜図１５に示した第１参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、結晶性の良好な第２ＧａＮ層３６を下地層として、その上に各層７〜１２を形成することができる。これにより、各層７〜１２において良好な結晶性を実現することができる。その結果、第１参考形態では、良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００７８】
（第２参考形態）
図１７〜図１９は、本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。この第２参考形態では、上記した第１参考形態の第１ＧａＮ層３の代わりに、ｎ型ＧａＮ基板２１を種結晶として用いる。以下、図７、図８および図１７〜図１９を参照して、第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法について詳細に説明する。
【００７９】
第２参考形態では、まず、図７および図８に示した第２実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、約１×１０⁶ｃｍ^-2の欠陥密度を有する結晶欠陥の非常に少ないｎ型ＧａＮ基板２１上に、約５μｍの幅と約２４０ｎｍの厚みとを有するストライプ状のＳｉＯ₂からなるマスク層２４を形成するとともに、そのマスク層２４を用いて、ｎ型ＧａＮ基板２１を凹凸形状に形成する。
【００８０】
次に、図１７に示すように、回り込みの少ないＥＣＲ−ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ₂を約２００ｎｍの厚みで堆積することによって、凹凸形状の底面上および凸状部分上を覆うとともに、凹凸形状の両方の側面を露出するマスク層４５を形成する。さらに、緩衝フッ酸（フッ化アンモニウムとフッ酸との混合液）を用いて、軽微なエッチングを行うことにより、凹凸形状の露出された両方の側面を清浄化する。
【００８１】
次に、図１８に示すように、ｎ型ＧａＮ基板２１の凹凸形状の露出された両方の側面を種結晶として、Ｓｉをドープしたｎ型第２ＧａＮ層４６を再成長させる。この場合、初期段階では、ｎ型第２ＧａＮ層４６は、ｎ型ＧａＮ基板２１の凹凸形状の底面上に形成されたＳｉＯ₂からなるマスク層４５上を横方向成長する。
【００８２】
そして、図１８に示す状態からさらにｎ型第２ＧａＮ層４６の成長が進むと、図１９に示すように、ｎ型ＧａＮ基板２１と、マスク層２４および４５とを覆うように接合し、かつ、表面が平坦化された、欠陥密度５×１０⁵ｃｍ^-2以下のｎ型第２ＧａＮ層４６が得られる。
【００８３】
上記第２参考形態では、第２実施形態と同様、ｎ型ＧａＮ基板２１を凹凸形状に形成することによって、従来のように、サファイア基板１０１（図２４参照）の表面近傍に成長された結晶性の悪いＡｌＧａＮバッファ層１０２を種結晶として用いる必要がない。
【００８４】
また、第２参考形態では、上記のように、結晶欠陥の非常に少ないｎ型ＧａＮ基板２１の凹凸形状の両方の側面を種結晶として、非常に欠陥密度の少ないｎ型第２ＧａＮ層４６を成長させることができる。これにより、第１参考形態に比べて、より結晶性の良好なｎ型第２ＧａＮ層４６を形成することができる。
【００８５】
また、上記第２参考形態では、第２実施形態と同様、ｎ型ＧａＮ基板２１に凹凸形状を形成する際のエッチングマスクとして用いたマスク層２４を、そのままｎ型第２ＧａＮ層４６を成長させる際のマスクとして用いることによって、マスク層２４を除去する工程が不要となる。その結果、製造プロセスを簡略化することができる。
【００８６】
また、上記第２参考形態では、第２実施形態と同様、マスク層２４および４５を、絶縁膜であるＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層２４および４５上に、ｎ型第２ＧａＮ層４６を容易に横方向成長させることができる。これにより、欠陥密度の少ない良質なｎ型第２ＧａＮ層４６を形成することができる。
【００８７】
また、上記第２参考形態では、第１、第２実施形態及び第１参考形態と同様、マスク層２４および４５を同じＳｉＯ₂を用いて形成することによって、マスク層２４とマスク層４５とを異なる材料により形成した場合に発生しやすいマスク層２４とマスク層４５との間の膜剥がれを有効に防止することができる。
【００８８】
図２０は、上記した第２参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子を示した断面図である。次に、図２０を参照して、第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて製造した窒化物系半導体素子の構造および製造プロセスについて説明する。
【００８９】
第２参考形態の窒化物系半導体素子の構造としては、図１９に示した構造（ｎ型第２ＧａＮ層４６）上に、図２０に示すように、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２、絶縁膜１３、ｐ型電極１４、パッド電極１５およびｎ型電極１６が形成されている。このｎ型ＧａＮコンタクト層７よりも上の構造は、第１実施形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００９０】
上記のような構造を有する第２参考形態の窒化物系半導体素子の形成方法としては、まず、図７、図８および図１７〜図１９を用いて説明した第２参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて、凹凸形状のｎ型ＧａＮ基板２１上に、約２４０ｎｍの膜厚を有する幅約５μｍのストライプ状のＳｉＯ₂からなるマスク層２４、凹凸形状の両方の側面を露出させるマスク層４５、および、ｎ型第２ＧａＮ層４６を順次形成する。
【００９１】
次に、ｎ型第２ＧａＮ層４６上に、図６に示した第１実施形態の製造プロセスと同様の製造プロセスを用いて、ｎ型ＧａＮコンタクト層７、ｎ型クラッド層８、活性層９、ｐ型ＧａＮガイド層１０、ｐ型クラッド層１１、ｐ型ＧａＮコンタクト層１２、絶縁膜１３、ｐ型電極１４、パッド電極１５およびｎ型電極１６を形成する。このようにして、図２０に示した第２参考形態による窒化物系半導体素子が完成される。
【００９２】
この第２参考形態の窒化物系半導体素子では、上記のように、図７、図８および図１７〜図１９に示した第２参考形態の窒化物系半導体の形成方法を用いて形成された、結晶欠陥の非常に少ない結晶性の良好なｎ型第２ＧａＮ層４６を下地層として、その上に各層７〜１２を形成することができる。これにより、各層７〜１２において良好な結晶性を実現することができる。その結果、第２参考形態では、第１参考形態に比べて良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を得ることができる。
【００９３】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００９４】
たとえば、上記第１、第２実施形態及び第１、第２参考形態では、マスク層をＳｉＯ₂によって形成したが、本発明はこれに限らず、Ｗ、ＷＳｉ、ＷＮ、ＷＳｉＮなどの高融点金属や、ＳｉＯ₂以外のＳｉＮ、ＳｉＯＮなどの絶縁膜などによってマスク層を形成しても同様の効果を得ることができる。
【００９５】
また、上記第１、第２実施形態及び第１、第２参考形態では、マスク層５、２５、３５および４５を回り込みの少ないＥＢ蒸着法またはＥＣＲ−ＣＶＤ法を用いて形成したが、本発明はこれに限らず、抵抗加熱蒸着法などの他の回り込みの少ない成膜方法を用いて形成してもよい。
【００９６】
また、上記第２実施形態および第２参考形態では、ｎ型電極１６をｎ型ＧａＮコンタクト層７の露出した表面に形成したが、本発明はこれに限らず、図２１に示すように、ｎ型電極５６をｎ型ＧａＮ基板２１の裏面に形成してもよい。このように、ｎ型電極５６をｎ型ＧａＮ基板２１の裏面に形成することによって、第２実施形態および第２参考形態に比べて素子面積を低減することができる。その結果、コストを低減することができる。
【００９７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、より結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を含む良好な素子特性を有する窒化物系半導体素子を提供することができる。また、簡単な製造プロセスで、結晶欠陥の少ない窒化物系半導体層を形成することが可能な窒化物系半導体の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体素子を示した断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体素子を示した断面図である。
【図１３】本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１４】本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１５】本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１６】本発明の第１参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体素子を示した断面図である。
【図１７】本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１８】本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図１９】本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２０】本発明の第２参考形態による窒化物系半導体の形成方法を用いて形成した窒化物系半導体素子を示した断面図である。
【図２１】本発明の第２参考形態の変形例による窒化物系半導体素子を示した断面図である。
【図２２】従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２３】従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２４】従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【図２５】従来の窒化物系半導体の形成方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１サファイア基板（基板）
２ＡｌＧａＮバッファ層（バッファ層）
３第１ＧａＮ層（第１窒化物系半導体層）
４、２４マスク層
５、２５、３５、４５マスク層
６、３６第２ＧａＮ層（第２窒化物系半導体層）
７ｎ型ＧａＮコンタクト層（窒化物系半導体素子層）
８ｎ型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
９活性層（窒化物系半導体素子層）
１０ｐ型ＧａＮガイド層（窒化物系半導体素子層）
１１ｐ型クラッド層（窒化物系半導体素子層）
１２ｐ型ＧａＮコンタクト層（窒化物系半導体素子層）
２１ｎ型ＧａＮ基板（第１窒化物系半導体基板）
２６、４６ｎ型第２ＧａＮ層（第２窒化物系半導体層）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a nitride semiconductor device and a method for forming a nitride semiconductor, and more particularly to a nitride semiconductor device formed using selective lateral growth and a method for forming a nitride semiconductor.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, nitride semiconductor devices using GaN-based compound semiconductors have been actively developed as semiconductor devices used in semiconductor light emitting devices such as light emitting diode devices and semiconductor lasers and electronic devices such as transistors. When manufacturing such a GaN-based semiconductor element, a GaN-based semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate made of sapphire, SiC, Si, GaAs, or the like.
[0003]
  In this case, since the lattice constant is different between a substrate such as sapphire and GaN, threading dislocations (lattice defects) extending in the vertical direction from the substrate exist in the GaN-based semiconductor layer grown on the substrate such as sapphire. . The dislocation density of this lattice defect is 10 9 cm^-2Degree. Such dislocations in the GaN-based semiconductor layer cause deterioration of device characteristics and reliability of the semiconductor device.
[0004]
  Therefore, selective lateral growth (ELO) has been conventionally proposed as a method for reducing dislocations in the GaN-based semiconductor layer as described above. This selective lateral growth is disclosed, for example, in pages 53 to 58 and pages 210 to 215 of the Journal of Applied Electronic Physical Properties, Vol. 4 (1998).
[0005]
  22 to 25 are cross-sectional views for explaining a conventional method of forming a nitride-based semiconductor using selective lateral growth. Next, a conventional method for forming a nitride-based semiconductor using selective lateral growth will be described with reference to FIGS.
[0006]
  First, as shown in FIG. 22, AlGaN having a film thickness of about 15 nm on a sapphire substrate 101 at a growth temperature of about 600 ° C. using a crystal growth method such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition). A buffer layer 102 is formed. Next, a first GaN layer 103 made of GaN having a thickness of about 3 μm is deposited on the AlGaN buffer layer 102. Furthermore, on the first GaN layer 103, SiO₂A striped (elongated) mask layer 104 is formed.
[0007]
  Next, the AlGaN buffer layer 102 and the first GaN layer 103 are dry-etched using the mask layer 104 as a mask. As a result, a patterned AlGaN buffer layer 102 and a first GaN layer 103 are formed as shown in FIG.
[0008]
  Next, as shown in FIG. 24, the second GaN layer 106 is regrown using the AlGaN buffer layer 102 and the first GaN layer 103 as seed crystals. When the growth further proceeds from the state shown in FIG. 24, as shown in FIG. 25, the second GaN layer 106 is joined so as to cover the entire surface, and the surface is flattened.
[0009]
  As described above, in the conventional method for forming a nitride-based semiconductor, threading dislocations in the second GaN layer 106 can be reduced by performing selective lateral growth of the second GaN layer 106. By forming a nitride-based semiconductor layer (not shown) on the second GaN layer 106 with such dislocations reduced, a nitride-based semiconductor layer having good crystallinity is formed on the sapphire substrate 101. Can do.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
  In the conventional method for forming a nitride-based semiconductor using selective lateral growth, the second GaN layer is formed using the AlGaN buffer layer 102 and the first GaN layer 103 having poor crystallinity formed near the surface of the sapphire substrate 101 as seed crystals. 106 is formed. For this reason, there is a limit to the reduction of dislocations in the second GaN layer 106. As a result, it has been difficult to form the second GaN layer 106 having a sufficiently low defect density by the conventional method using selective lateral growth.
[0011]
  Therefore, conventionally, in order to solve the inconvenience as described above, a method of forming a GaN layer using a seed crystal having good crystallinity has been proposed in a method using selective lateral growth. This proposed method is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-106473. In this conventional proposed method, after an AlGaN buffer layer and a GaN layer are formed on a sapphire substrate, the GaN layer is etched using a striped mask made of nickel (Ni), whereby the GaN layer is striped. An uneven pattern is formed. After removing the Ni mask, the top and bottom surfaces of the concavo-convex pattern are made of SiO.₂A mask is formed and both side surfaces of the concavo-convex pattern are exposed. In this method, the GaN layer is regrown using both side surfaces as seed crystals.
[0012]
  However, in the conventional proposed method described above, the GaN layer is regrown using both side surfaces of the concavo-convex pattern of the GaN layer as seed crystals, so that the GaN layer grows laterally in both directions. For this reason, there is a problem that it is difficult to reduce the defect density because the bonding interface is likely to appear.
[0013]
  Further, the conventional proposed method described above has a problem that the manufacturing process becomes complicated because a step of removing the Ni mask is necessary after forming the concavo-convex pattern using the Ni mask.
[0014]
  The present invention has been made to solve the above problems,
  One object of the present invention is to provide a nitride-based semiconductor device having good device characteristics including a nitride-based semiconductor layer with fewer crystal defects.
[0015]
  Another object of the present invention is to provide a method for forming a nitride-based semiconductor capable of forming a nitride-based semiconductor layer with few crystal defects by a simple manufacturing process.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  A nitride semiconductor device according to one aspect of the present invention covers a substrate including a first nitride semiconductor having a concavo-convex surface, the concavo-convex surface of the first nitride semiconductor, and one of the concavo-convex shapes. A mask layer formed so as to expose only the side surface of the second nitride semiconductor layer, a second nitride semiconductor layer formed on the mask layer and in contact with the exposed one side surface, and a second nitride semiconductor layer And a nitride-based semiconductor element layer having an element region.
[0017]
  In the nitride-based semiconductor device according to this one aspect, when the second nitride-based semiconductor layer is formed, the one side surface where the concave-convex shape of the first nitride-based semiconductor is exposed is formed as described above. The second nitride semiconductor layer can be grown in one direction using only the seed crystal. This makes it difficult for the bonding interface to appear, so that the second nitride-based semiconductor layer with a lower defect density can be formed. Then, by forming a nitride semiconductor element layer having an element region on the second nitride semiconductor layer having a lower defect density, a nitride semiconductor element having good element characteristics can be easily obtained. be able to.
[0018]
  In the nitride semiconductor device according to the above aspect, the first nitride semiconductor preferably includes a first nitride semiconductor layer having a concavo-convex surface formed on a substrate via a buffer layer. With this configuration, when forming the second nitride semiconductor layer, the nitride semiconductor portion having poor crystallinity such as a buffer layer grown near the surface of the insulating substrate as in the past is seeded. As a seed crystal, one side surface portion of the concavo-convex shape of the first nitride semiconductor layer having good crystallinity can be used. Thus, the second nitride semiconductor having a lower defect density can be obtained by growing the second nitride semiconductor layer using the one side surface portion of the first nitride semiconductor layer having good crystallinity as a seed crystal. A layer can be formed. Then, by forming a nitride semiconductor element layer having an element region on the second nitride semiconductor layer having a lower defect density, a nitride semiconductor element having better element characteristics can be obtained. it can.
[0019]
  In the nitride semiconductor device according to the above aspect, the substrate including the first nitride semiconductor preferably includes a first nitride semiconductor substrate. With this configuration, when forming the second nitride semiconductor layer, the nitride semiconductor portion having poor crystallinity such as a buffer layer grown near the surface of the insulating substrate as in the past is seeded. As a seed crystal, one side surface portion of the concavo-convex shape of the first nitride semiconductor substrate having good crystallinity can be used. In particular, since the first nitride-based semiconductor substrate has very few crystal defects as compared with the nitride-based semiconductor layer, the one side surface portion of the concavo-convex shape of the first nitride-based semiconductor substrate having very few crystal defects is formed. By growing the second nitride-based semiconductor layer as a seed crystal, the second nitride-based semiconductor layer having a very low defect density can be formed. Then, by forming a nitride semiconductor element layer having an element region on the second nitride semiconductor layer having a very low defect density, a nitride semiconductor element having even better element characteristics can be obtained. Can do.
[0020]
  In the above case, the mask layer preferably includes one of a film containing a refractory metal and an insulating film. If the mask layer is formed of such a material, the second nitride semiconductor layer can be easily grown in the lateral direction on the mask layer. As a result, a high-quality second nitride semiconductor layer with fewer defects can be obtained.
[0021]
  This inventionNo moreAccording to one aspect, a method for forming a nitride-based semiconductor includes a step of forming a first mask layer in a predetermined region on a surface of a first nitride-based semiconductor substrate, and a first nitridation using the first mask layer as an etching mask. Etching the surface of the physical semiconductor substrate to form a concavo-convex surface; forming a second mask layer so as to cover at least the concavo-convex bottom surface and expose the concavo-convex side surface; And a step of growing a second nitride-based semiconductor layer on the first mask layer and the second mask layer using the exposed uneven side surface as a seed crystal.
[0022]
  This alreadyIn the method for forming a nitride-based semiconductor according to one aspect, as described above, the second nitride-based semiconductor layer is grown by growing the second nitride-based semiconductor layer using the uneven side surface of the first nitride-based semiconductor substrate as a seed crystal. Thus, there is no need to use a nitride-based semiconductor portion with poor crystallinity such as a buffer layer grown in the vicinity of the surface of the insulating substrate as a seed crystal, and the uneven shape of the first nitride-based semiconductor substrate with good crystallinity Side portions can be used as seed crystals. In particular, since the first nitride semiconductor substrate has very few crystal defects compared to the nitride semiconductor layer, the side surface portion of the concavo-convex shape of the first nitride semiconductor substrate with very few crystal defects is seeded. As described above, the second nitride semiconductor layer having a very low defect density can be formed by growing the second nitride semiconductor layer. In addition, the first mask layer used as an etching mask for forming the uneven shape is used as a mask for growing the second nitride semiconductor layer as it is, so that the step of removing the first mask layer is unnecessary. Therefore, the manufacturing process can be simplified.
[0023]
  In the above case, the second mask layer is preferably made of the same material as the first mask layer. If comprised in this way, the film peeling between the 1st mask layer and the 2nd mask layer which is easy to generate | occur | produce when a 1st mask and a 2nd mask are formed with a different material can be prevented effectively.
[0024]
  In the above case, the step of forming the second mask layer preferably includes the step of forming the second mask layer so that only one side surface of the concavo-convex shape is exposed. If formed in this way, the second nitride semiconductor layer can be grown using only the exposed one side surface of the first nitride semiconductor layer or the first nitride semiconductor substrate as a seed crystal. . Thereby, it is possible to obtain a second nitride-based semiconductor layer in which a bonding interface whose growth direction is one direction hardly appears. As a result, a second nitride semiconductor layer with a lower defect density can be formed. In this case, the step of forming the second mask layer so that only one side surface is exposed preferably includes the step of depositing the second mask layer from an oblique direction. If comprised in this way, a 2nd mask layer can be easily formed so that only one side surface of uneven | corrugated shape may be exposed.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0026]
  (First embodiment)
  1 to 5 are cross-sectional views illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the first embodiment of the present invention. With reference to FIGS. 1 to 5, the nitride-based semiconductor formation method according to the first embodiment will be described.
[0027]
  First, as shown in FIG. 1, an AlGaN buffer layer 2 having a film thickness of about 15 nm is formed on a sapphire substrate 1 at a growth temperature of about 600 ° C. using a crystal growth method such as MOCVD. Next, a first GaN layer 3 made of GaN having a thickness of about 3 μm is deposited on the AlGaN buffer layer 2. The first GaN layer 3 is an example of the “first nitride-based semiconductor layer” in the present invention. In the first GaN layer 3 formed as described above, an X-ray half width is about 300 seconds, and a crystal having no pits (holes on the crystal surface) is obtained. Note that the X-ray half width is a wavelength width at an intensity that is ½ of the maximum value of the X-ray intensity. The smaller the X-ray half width, the better the crystallinity. Furthermore, SiO2 is deposited on the entire surface of the first GaN layer 3.₂A film (not shown) is deposited with a thickness of about 240 nm. This SiO₂The film is dry-etched with a photoresist pattern (not shown) to form a striped (elongated) SiO having a width of about 5 μm as shown in FIG.₂A mask layer 4 made of is formed.
[0028]
  Using this mask layer 4 as a mask, the first GaN layer 3 is etched by a thickness of about 2 μm using a chlorine-based RIE (Reactive Ion Etching) method. Thereby, as shown in FIG. 2, the first GaN layer 3 is formed in an uneven shape. In this case, the thickness of the bottom surface of the concave and convex portion is about 1 μm.
[0029]
  Next, as shown in FIG. 3, using an EB (Electron Beam) vapor deposition method with less wraparound, SiO 2 is used.₂A mask layer 5 made of is deposited with a thickness of about 500 nm. In this case, the mask layer 5 is formed so as to cover the concave and convex bottom surface and one side surface of the concave and convex shape and to expose the other side surface of the concave and convex shape by depositing the substrate at an angle and depositing from an oblique direction. . Further, by performing slight etching using buffered hydrofluoric acid (mixed solution of ammonium fluoride and hydrofluoric acid), one side surface where the uneven shape is exposed is cleaned. Here, the thickness of the mask layer 5 is about 5
Since the thickness of the concave portion of the concave and convex shape is about 1 μm, the exposed one side surface is about 1.5 μm to about 3 μm from the bottom surface of the first GaN layer 3. It is exposed at the height position. The crystal of the side portion located above the first GaN layer 3 (at a height of about 1.5 μm to about 3 μm) has better crystallinity than the crystal located under the first GaN layer 3. is there.
[0030]
  Next, as shown in FIG. 4, the second GaN layer 6 is regrown using the one side surface portion of the first GaN layer 3 with the uneven shape exposed and having good crystallinity as a seed crystal. In this case, in the initial stage, the second GaN layer 6 is formed of SiO formed on the concave and convex bottom surface of the first GaN layer 3.₂The mask layer 5 is grown in the lateral direction. The second GaN layer 6 is an example of the “second nitride semiconductor layer” in the present invention.
[0031]
  Then, when the growth of the second GaN layer 6 further proceeds from the state shown in FIG. 4, the second GaN layer 6 grows in the vertical direction after growing on the mask layer 5 in the horizontal direction. As a result, as shown in FIG. 5, the first GaN layer 3 and the mask layers 4 and 5 are joined so as to cover the surface, and the surface is flattened. The second GaN layer 6 having the properties can be obtained.
[0032]
  In the first embodiment, as described above, the first GaN layer 3 formed on the sapphire substrate 1 via the AlGaN buffer layer 2 is formed in a concavo-convex shape, and the side surface portion of the concavo-convex shape having good crystallinity is formed. By using it as a seed crystal, it is not necessary to use the AlGaN buffer layer 2 having poor crystallinity grown near the surface of the sapphire substrate 1 as a seed crystal. As a result, the second GaN layer 6 with good crystallinity can be grown using the uneven side surface portion of the first GaN layer 3 with good crystallinity as a seed crystal. Further, since the second GaN layer 6 is grown in one direction using only one of the exposed side surfaces of the first GaN layer 3 with the irregular shape as a seed crystal, the bonding interface is less likely to appear, so that the second GaN having a lower defect density. Layer 6 can be formed.
[0033]
  In the first embodiment, as described above, by using the mask layer 4 used as the etching mask when forming the uneven shape on the first GaN layer 3 as it is as the mask when growing the second GaN layer 6, The process of removing the mask layer 4 becomes unnecessary. As a result, the manufacturing process can be simplified.
[0034]
  In the first embodiment, as described above, the mask layers 4 and 5 are made of SiO which is an insulating film.₂By using this, the second GaN layer 6 can be easily laterally grown on the mask layers 4 and 5. As a result, a high-quality second GaN layer 6 with a low defect density can be formed.
[0035]
  In the first embodiment, the mask layers 4 and 5 are made of the same SiO 2.₂By using this, it is possible to effectively prevent film peeling between the mask layer 4 and the mask layer 5 that is likely to occur when the mask layer 4 and the mask layer 5 are formed of different materials.
[0036]
  FIG. 6 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor device manufactured using the nitride semiconductor forming method of the first embodiment. Next, the structure and manufacturing process of the nitride semiconductor device manufactured by using the nitride semiconductor forming method according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0037]
  As shown in FIG. 6, the structure of the nitride-based semiconductor device of the first embodiment is a first structure having a concavo-convex shape on an upper surface of a sapphire substrate 1 with an AlGaN buffer layer 2 having a thickness of about 15 nm. A 1GaN layer 3 is formed.
[0038]
  On the convex portion of the GaN layer 3, SiO having a thickness of about 240 nm is formed.₂A mask layer 4 made of is formed. A mask layer 5 having a thickness of about 500 nm is formed on the mask layer 4 so as to cover the concave and convex bottom surface and one side surface of the concave and convex shape. Further, a second GaN layer 6 is formed so as to cover the first GaN layer 3 and the mask layers 4 and 5.
[0039]
  On the second GaN layer 6, an n-type GaN contact layer 7, an n-type cladding layer 8 made of n-type AlGaN, an active layer 9, and a p-type GaN guide layer 10 are sequentially formed. A p-type cladding layer 11 made of p-type AlGaN having a convex upper surface is formed on the p-type GaN guide layer 10. A p-type GaN contact layer 12 is formed on the convex portion of the p-type cladding layer 11. The convex portion of the p-type cladding layer 11 and the p-type GaN contact layer 12 formed thereon constitute a striped ridge portion. On the p-type cladding layer 11 and a part of the upper surface of the p-type GaN contact layer 12, SiO 2₂An insulating film 13 made of is formed. A p-type electrode 14 is formed so as to be in contact with the p-type GaN contact layer 12 through the opening 13 a of the insulating film 13. A pad electrode 15 is formed so as to cover the p-type electrode 14.
[0040]
  Further, a partial region from the insulating film 13 to the n-type GaN contact layer 7 is removed, and an n-type electrode 16 is formed on the exposed surface of the n-type GaN contact layer 7.
[0041]
  The n-type GaN contact layer 7, the n-type cladding layer 8, the active layer 9, the p-type GaN guide layer 10, the p-type cladding layer 11 and the p-type GaN contact layer 12 are the “nitride-based semiconductor element layer” of the present invention. Is an example.
[0042]
  As a method for forming the nitride-based semiconductor device of the first embodiment having the above structure, first, the method for forming a nitride-based semiconductor of the first embodiment described with reference to FIGS. 1 to 5 is used. On the sapphire substrate 1, an AlGaN buffer layer 2 having a film thickness of about 15 nm, a first GaN layer 3 having a concavo-convex shape made of GaN having a film thickness of about 3 μm, and a stripe shape having a thickness of about 240 μm and a width of about 5 μm. SiO₂A mask layer 4 made of, a mask layer 5 exposing only one side surface of the concavo-convex shape, and a second GaN layer 6 are sequentially formed.
[0043]
  Next, using a crystal growth method such as MOCVD, an n-type GaN contact layer 7, an n-type cladding layer 8 made of n-type AlGaN, an active layer 9, a p-type GaN guide layer 10 are formed on the second GaN layer 6. A p-type cladding layer 11 and a p-type GaN contact layer 12 are continuously grown. Thereafter, the p-type GaN contact layer 12 and the p-type cladding layer 11 are dry-etched to form a striped ridge portion.
[0044]
  SiO is covered so as to cover the p-type GaN contact layer 12 and the p-type cladding layer 11.₂An insulating film 13 made of is formed. Then, a predetermined region of the insulating film 13 is etched to form a stripe-shaped opening 13a. Next, the p-type electrode 14 is formed on the insulating film 13 and on the p-type GaN contact layer 12 exposed in the opening 13a. Then, a pad electrode 15 is formed so as to cover the p-type electrode 14.
[0045]
  Finally, after removing a part of the region from the insulating film 13 to the n-type GaN contact layer 7 by etching, an n-type electrode 16 is formed on the exposed surface of the n-type GaN contact layer 7.
[0046]
  Thus, the nitride semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 6 is completed.
[0047]
  In the nitride semiconductor device according to the first embodiment, as described above, the second GaN with good crystallinity formed by using the method for forming the nitride semiconductor according to the first embodiment shown in FIGS. By using the layer 6 as a base layer, the layers 7 to 12 can be formed thereon. That is, as described above, since the second GaN layer 6 is grown in one direction by using only the one exposed side surface of the first GaN layer 3 with the uneven shape as a seed crystal, the defect interface is less likely to appear. The second GaN layer 6 with less can be formed. As described above, by forming the second GaN layer 6 having good crystallinity as an underlayer and forming the layers 7 to 12 thereon, good crystallinity can be realized in each of the layers 7 to 12. Thereby, in 1st Embodiment, the nitride type semiconductor element which has a favorable element characteristic can be obtained.
[0048]
  (Second Embodiment)
  7 to 11 are cross-sectional views illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, an n-type GaN substrate 21 is used as a seed crystal instead of the first GaN layer 3 of the first embodiment. Hereinafter, the method for forming a nitride-based semiconductor according to the second embodiment will be described in detail with reference to FIGS.
[0049]
  In the formation method of the second embodiment, first, about 1 × 10⁶cm^-2On the entire surface of the n-type GaN substrate 21 having a defect density of₂A film (not shown) is deposited with a thickness of about 240 nm. This SiO₂The film is dry-etched with a photoresist pattern (not shown) to provide stripe-like SiO having a width of about 5 μm as shown in FIG.₂A mask layer 24 made of is formed. The n-type GaN substrate 21 is an example of the “first nitride semiconductor substrate” in the present invention.
[0050]
  Using this mask layer 24 as a mask, the n-type GaN substrate 21 is etched by a thickness of about 2 μm using a chlorine-based RIE method. Thereby, as shown in FIG. 8, the surface of the n-type GaN substrate 21 is formed in an uneven shape.
[0051]
  Next, as shown in FIG. 9, using an EB vapor deposition method with less wraparound, SiO 2₂A mask layer 25 made of is deposited with a thickness of about 500 nm. In this case, the substrate is tilted and deposited from an oblique direction, thereby forming a mask layer 25 that covers the concave and convex bottom surface and one side surface of the concave and convex shape and exposes the other side surface of the concave and convex shape. . Further, by performing slight etching using buffered hydrofluoric acid (mixed solution of ammonium fluoride and hydrofluoric acid), one side surface where the uneven shape is exposed is cleaned.
[0052]
  Next, as shown in FIG. 10, the n-type second GaN layer 26 doped with Si is regrown using the one exposed side surface of the concavo-convex shape of the n-type GaN substrate 21 as a seed crystal. In this case, in the initial stage, the n-type second GaN layer 26 is formed of SiO formed on the concavo-convex bottom surface of the n-type GaN substrate 21.₂The mask layer 25 made of is grown in the lateral direction. The n-type second GaN layer 26 is an example of the “second nitride-based semiconductor layer” in the present invention.
[0053]
  Then, when the growth of the n-type second GaN layer 26 further proceeds from the state shown in FIG. 10, the n-type second GaN layer 26 grows in the vertical direction after growing on the mask layer 25 in the horizontal direction. As a result, as shown in FIG. 11, the defect density is 5 × 10 5 bonded to cover the n-type GaN substrate 21 and the mask layers 24 and 25 and the surface is flattened.^Fivecm^-2The following n-type second GaN layer 26 is obtained.
[0054]
  In the second embodiment, as described above, the surface of the n-type GaN substrate 21 is formed in a concavo-convex shape, so that the crystallinity grown in the vicinity of the surface of the sapphire substrate 101 (see FIG. 24) as in the prior art. It is not necessary to use the bad AlGaN buffer layer 102 as a seed crystal.
[0055]
  In the second embodiment, the n-type second GaN layer 26 is grown by using only one side surface of the concavo-convex shape of the n-type GaN substrate 21 with very few crystal defects as a seed crystal, so that the defect density is very low. In addition, it is possible to grow the n-type second GaN layer 26 in which the junction interface hardly appears. Thereby, it is possible to form the n-type second GaN layer 26 having better crystallinity than the first embodiment.
[0056]
  Further, in the second embodiment, as in the first embodiment, when the n-type second GaN layer 26 is grown as it is, the mask layer 24 used as an etching mask when forming the uneven shape on the n-type GaN substrate 21 is grown. By using it as a mask, the step of removing the mask layer 24 becomes unnecessary. As a result, the manufacturing process can be simplified.
[0057]
  In the second embodiment, as in the first embodiment, the mask layers 24 and 25 are made of SiO, which is an insulating film.₂Thus, the n-type second GaN layer 26 can be easily laterally grown on the mask layers 24 and 25. Thereby, a high-quality n-type second GaN layer 26 with a low defect density can be formed.
[0058]
  In the second embodiment, the mask layers 24 and 25 are made of the same SiO as in the first embodiment.₂Therefore, it is possible to effectively prevent film peeling between the mask layer 24 and the mask layer 25 that is likely to occur when the mask layer 24 and the mask layer 25 are formed of different materials.
[0059]
  FIG. 12 is a cross-sectional view showing a nitride semiconductor device manufactured by using the nitride semiconductor forming method of the second embodiment described above. Next, with reference to FIG. 12, the structure and manufacturing process of the nitride semiconductor device manufactured using the nitride semiconductor forming method according to the second embodiment will be described.
[0060]
  As the structure of the nitride-based semiconductor device of the second embodiment, an n-type GaN contact layer 7 and an n-type cladding layer are formed on the structure (n-type second GaN layer 26) shown in FIG. 8, an active layer 9, a p-type GaN guide layer 10, a p-type cladding layer 11, a p-type GaN contact layer 12, an insulating film 13, a p-type electrode 14, a pad electrode 15, and an n-type electrode 16 are formed. Since the structure above the n-type GaN contact layer 7 is the same as the structure of the first embodiment shown in FIG. 6, the detailed description thereof is omitted.
[0061]
  As a method for forming the nitride semiconductor device of the second embodiment having the above-described structure, first, the method of forming the nitride semiconductor of the second embodiment described with reference to FIGS. On a concavo-convex n-type GaN substrate 21, stripe-shaped SiO having a thickness of about 240 nm and a width of about 5 μm₂A mask layer 24 made of, a mask layer 25 exposing only one side surface of the concavo-convex shape, and an n-type second GaN layer 26 are sequentially formed.
[0062]
  Next, the n-type GaN contact layer 7, the n-type cladding layer 8, the active layer 9, and the like are formed on the n-type second GaN layer 26 using a manufacturing process similar to the manufacturing process of the first embodiment shown in FIG. A p-type GaN guide layer 10, a p-type cladding layer 11, a p-type GaN contact layer 12, an insulating film 13, a p-type electrode 14, a pad electrode 15 and an n-type electrode 16 are formed. Thus, the nitride semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 12 is completed.
[0063]
  In the nitride-based semiconductor device of the second embodiment, as described above, the crystal defects formed by using the method for forming a nitride-based semiconductor of the second embodiment shown in FIGS. The n-type second GaN layer 26 that has a small number and is less likely to exhibit a bonding interface and has better crystallinity can be used as a base layer, and the layers 7 to 12 can be formed thereon. Thereby, better crystallinity can be realized in each of the layers 7 to 12. As a result, in the second embodiment, it is possible to obtain a nitride-based semiconductor device having better device characteristics than in the first embodiment.
[0064]
  (FirstReference form)
  13 to 15 show the present invention.FirstIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride type semiconductor by a reference form. With reference to FIGS.FirstIn the formation method of the reference mode, unlike the first and second embodiments described above, the second GaN layer 36 is grown using both side surfaces of the first GaN layer 3 as seed crystals. Hereinafter, with reference to FIG. 1, FIG. 2 and FIGS.First referenceA method for forming a nitride-based semiconductor according to the embodiment will be described in detail.
[0065]
  thisFirstIn the formation method of the reference form, first, an AlGaN buffer layer 2 having a film thickness of about 15 nm is formed on the sapphire substrate 1 by using a manufacturing process similar to the manufacturing process of the first embodiment shown in FIGS. First GaN layer 3 made of GaN having a thickness of about 3 μm, and striped SiO having a width of about 5 μm and a thickness of about 240 nm₂The mask layer 4 is formed, and the first GaN layer 3 is formed in an uneven shape using the mask layer 4.
[0066]
  Thereafter, as shown in FIG. 13, by using ECR-CVD (Electron Cyclotron Resonance-Chemical Vapor Deposition) method with less wraparound, SiO 2₂Is deposited to a thickness of about 200 nm to form a mask layer 35 that covers the concave and convex bottom surfaces and the convex portions and exposes both concave and convex side surfaces. Further, by performing slight etching using buffered hydrofluoric acid (mixed solution of ammonium fluoride and hydrofluoric acid), both exposed side surfaces of the concavo-convex shape are cleaned.
[0067]
  Next, as shown in FIG. 14, the second GaN layer 36 is regrown using both exposed side surfaces of the irregular shape of the first GaN layer 3 as seed crystals. In this case, in the initial stage, the second GaN layer 36 is formed of SiO formed on the uneven bottom surface of the first GaN layer 3.₂Lateral growth on the mask layer 35 made ofTo do.
[0068]
  Then, when the growth of the second GaN layer 36 further proceeds from the state shown in FIG. 14, the first GaN layer 3 and the mask layers 4 and 35 are joined so as to cover the surface and the surface is flat as shown in FIG. The second GaN layer 36 having an X-ray half width of 150 seconds or less is obtained.
[0069]
  FirstIn the reference mode, as described above, the second GaN layer 36 having a low defect density is formed by growing the second GaN layer 36 using both exposed side surfaces of the first GaN layer 3 with the uneven shape as seed crystals. Can do.
[0070]
  Also, aboveFirstIn the reference mode, as in the first embodiment, the mask layer 4 used as an etching mask when forming the concavo-convex shape in the first GaN layer 3 is used as a mask when the second GaN layer 36 is grown as it is. The step of removing the layer 4 becomes unnecessary. As a result, the manufacturing process can be simplified.
[0071]
  Also, aboveFirstIn the reference embodiment, as in the first and second embodiments, the mask layers 4 and 35 are made of SiO which is an insulating film.₂By using this, the second GaN layer 36 can be easily laterally grown on the mask layers 4 and 35. Thereby, a high-quality second GaN layer 36 with a low defect density can be formed.
[0072]
  Also, aboveFirstIn the reference embodiment, the mask layers 4 and 35 are made of the same SiO as in the first and second embodiments.₂Therefore, it is possible to effectively prevent film peeling between the mask layer 4 and the mask layer 35 that is likely to occur when the mask layer 4 and the mask layer 35 are formed of different materials.
[0073]
  FIG.FirstIt is sectional drawing which showed the nitride-type semiconductor element manufactured using the formation method of the nitride-type semiconductor of a reference form. Next, referring to FIG.FirstThe structure and manufacturing process of the nitride semiconductor device manufactured using the nitride semiconductor forming method according to the reference embodiment will be described.
[0074]
  FirstAs a structure of the nitride-based semiconductor element of the reference form, as shown in FIG. 16, an n-type GaN contact layer 7, an n-type cladding layer 8, an active layer is formed on the structure (second GaN layer 36) shown in FIG. 9, a p-type GaN guide layer 10, a p-type cladding layer 11, a p-type GaN contact layer 12, an insulating film 13, a p-type electrode 14, a pad electrode 15 and an n-type electrode 16 are formed. Since the structure above the n-type GaN contact layer 7 is the same as the structure of the first embodiment shown in FIG. 6, the detailed description thereof is omitted.
[0075]
  Has the above structureFirst referenceAs a method for forming the nitride-based semiconductor device of the embodiment, first, the method has been described with reference to FIGS. 1, 2, and 13 to 15.First referenceOn the sapphire substrate 1, the AlGaN buffer layer 2 having a thickness of about 15 nm, the first GaN layer 3 having a concavo-convex shape having a thickness of about 3 μm, and a film having a thickness of about 240 nm. Striped SiO with a thickness of about 5 μm wide₂A mask layer 4 made of, a mask layer 35 exposing both side surfaces of the concavo-convex shape, and a second GaN layer 36 are sequentially formed.
[0076]
  Thereafter, the n-type GaN contact layer 7, the n-type cladding layer 8, the active layer 9, and the p-type are formed on the second GaN layer 36 by using a manufacturing process similar to the manufacturing process of the first embodiment shown in FIG. A GaN guide layer 10, a p-type cladding layer 11, a p-type GaN contact layer 12, an insulating film 13, a p-type electrode 14, a pad electrode 15 and an n-type electrode 16 are formed. Thus, as shown in FIG.First referenceA nitride-based semiconductor device according to the form is completed.
[0077]
  thisFirstAs described above, the nitride-based semiconductor device of the reference form is shown in FIGS. 1, 2, and 13 to 15.FirstThe second GaN layer 36 with good crystallinity formed by using the nitride-based semiconductor forming method of the reference form can be used as a base layer, and the layers 7 to 12 can be formed thereon. Thereby, favorable crystallinity is realizable in each layer 7-12. as a result,FirstIn the reference embodiment, a nitride-based semiconductor device having good device characteristics can be obtained.
[0078]
  (Second referenceForm)
  17 to 19 show the present invention.Second referenceIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride-type semiconductor by a form. thisSecond referenceIn form, the aboveFirstInstead of the first GaN layer 3 of the reference form, an n-type GaN substrate 21 is used as a seed crystal. Hereinafter, referring to FIGS. 7 and 8 and FIGS.Second referenceA method for forming a nitride-based semiconductor according to the embodiment will be described in detail.
[0079]
  Second referenceIn the embodiment, first, a manufacturing process similar to the manufacturing process of the second embodiment shown in FIGS.⁶cm^-2Striped SiO 2 having a width of about 5 μm and a thickness of about 240 nm on an n-type GaN substrate 21 having a defect density of₂A mask layer 24 is formed, and the n-type GaN substrate 21 is formed in an uneven shape using the mask layer 24.
[0080]
  Next, as shown in FIG. 17, using the ECR-CVD method with less wraparound, SiO 2₂Is deposited to a thickness of about 200 nm to form a mask layer 45 that covers the concave and convex bottom surfaces and the convex portions and exposes both side surfaces of the concave and convex shapes. Further, by performing slight etching using buffered hydrofluoric acid (mixed solution of ammonium fluoride and hydrofluoric acid), both exposed side surfaces of the concavo-convex shape are cleaned.
[0081]
  Next, as shown in FIG. 18, the n-type second GaN layer 46 doped with Si is regrown using both exposed side surfaces of the n-type GaN substrate 21 as the seed crystal as seed crystals. In this case, at the initial stage, the n-type second GaN layer 46 is formed on the concavo-convex bottom surface of the n-type GaN substrate 21.₂Lateral growth on the mask layer 45 made ofTo do.
[0082]
  Then, when the growth of the n-type second GaN layer 46 further proceeds from the state shown in FIG. 18, as shown in FIG. 19, the n-type GaN substrate 21 and the mask layers 24 and 45 are joined so as to cover, and Defect density 5 × 10 with planarized surface^Fivecm^-2The following n-type second GaN layer 46 is obtained.
[0083]
  the aboveSecond referenceIn the form, as in the second embodiment, by forming the n-type GaN substrate 21 in a concavo-convex shape, an AlGaN buffer with poor crystallinity grown near the surface of the sapphire substrate 101 (see FIG. 24) as in the prior art. It is not necessary to use the layer 102 as a seed crystal.
[0084]
  Also,Second referenceIn the embodiment, as described above, the n-type second GaN layer 46 having a very low defect density can be grown using both side surfaces of the concavo-convex shape of the n-type GaN substrate 21 having very few crystal defects as seed crystals. ThisFirstCompared to the reference embodiment, the n-type second GaN layer 46 with better crystallinity can be formed.
[0085]
  Also, aboveSecond referenceIn the embodiment, as in the second embodiment, the mask layer 24 used as an etching mask when forming the concavo-convex shape on the n-type GaN substrate 21 is used as it is as a mask when growing the n-type second GaN layer 46. The process of removing the mask layer 24 becomes unnecessary. As a result, the manufacturing process can be simplified.
[0086]
  Also, aboveSecond referenceIn the form, as in the second embodiment, the mask layers 24 and 45 are made of SiO which is an insulating film.₂Thus, the n-type second GaN layer 46 can be easily laterally grown on the mask layers 24 and 45. Thereby, a high-quality n-type second GaN layer 46 with a low defect density can be formed.
[0087]
  Also, aboveSecond referenceIn the form, the first, second embodiment andFirstAs in the reference embodiment, the mask layers 24 and 45 are made of the same SiO.₂Therefore, it is possible to effectively prevent film peeling between the mask layer 24 and the mask layer 45 that is likely to occur when the mask layer 24 and the mask layer 45 are formed of different materials.
[0088]
  FIG.Second referenceIt is sectional drawing which showed the nitride-type semiconductor element manufactured using the formation method of the nitride-type semiconductor of form. Next, referring to FIG.Second referenceA structure and a manufacturing process of a nitride-based semiconductor device manufactured by using the nitride-based semiconductor forming method according to the embodiment will be described.
[0089]
  Second referenceAs the structure of the nitride-based semiconductor device of the embodiment, on the structure (n-type second GaN layer 46) shown in FIG. 19, as shown in FIG. 20, the n-type GaN contact layer 7, the n-type cladding layer 8, and the active Layer 9, p-type GaN guide layer 10, p-type cladding layer 11, p-type GaN contact layer 12, insulating film 13, p-type electrode 14, pad electrode 15 and n-type electrode 16 are formed. Since the structure above the n-type GaN contact layer 7 is the same as that of the first embodiment, its detailed description is omitted.
[0090]
  Has the above structureSecond referenceAs a method for forming the nitride-based semiconductor device of the embodiment, first, the method has been described with reference to FIGS. 7, 8, and 17 to 19.Second referenceOn the uneven n-type GaN substrate 21 with a thickness of about 240 μm and a stripe-shaped SiO having a thickness of about 5 μm.₂A mask layer 24 made of, a mask layer 45 exposing both side surfaces of the concavo-convex shape, and an n-type second GaN layer 46 are sequentially formed.
[0091]
  Next, on the n-type second GaN layer 46, using the same manufacturing process as that of the first embodiment shown in FIG. 6, the n-type GaN contact layer 7, the n-type cladding layer 8, the active layer 9, A p-type GaN guide layer 10, a p-type cladding layer 11, a p-type GaN contact layer 12, an insulating film 13, a p-type electrode 14, a pad electrode 15 and an n-type electrode 16 are formed. Thus, as shown in FIG.Second referenceA nitride-based semiconductor device according to the form is completed.
[0092]
  thisSecond referenceAs described above, the nitride-based semiconductor device according to the embodiment is shown in FIGS. 7, 8, and 17 to 19.Second referenceThe n-type second GaN layer 46 having a very low crystal defect and having good crystallinity formed by using the method for forming a nitride-based semiconductor of the present embodiment is used as an underlayer, and the layers 7 to 12 are formed thereon. it can. Thereby, favorable crystallinity is realizable in each layer 7-12. as a result,Second referenceIn form,FirstA nitride semiconductor device having better device characteristics than the reference embodiment can be obtained.
[0093]
  The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
[0094]
  For example, the aboveFirst and second embodiments and first and second reference formsThen, the mask layer is made of SiO.₂However, the present invention is not limited to this, and high melting point metals such as W, WSi, WN, and WSiN, and SiO₂Even if the mask layer is formed of an insulating film such as SiN or SiON other than the above, the same effect can be obtained.
[0095]
  Also, aboveFirst and second embodiments and first and second reference formsThen, the mask layers 5, 25, 35 and 45 are formed by using the EB vapor deposition method or the ECR-CVD method with less wraparound. However, the present invention is not limited to this, and other low wraparound method such as a resistance heating vapor deposition method is formed. You may form using a film | membrane method.
[0096]
  Also, aboveSecond embodiment and second referenceIn the embodiment, the n-type electrode 16 is formed on the exposed surface of the n-type GaN contact layer 7. However, the present invention is not limited to this, and the n-type electrode 56 is connected to the back surface of the n-type GaN substrate 21 as shown in FIG. You may form in. Thus, by forming the n-type electrode 56 on the back surface of the n-type GaN substrate 21,Second embodiment and second referenceThe element area can be reduced as compared with the embodiment. As a result, cost can be reduced.
[0097]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, it is possible to provide a nitride semiconductor device having good device characteristics including a nitride semiconductor layer with fewer crystal defects. In addition, it is possible to provide a method for forming a nitride-based semiconductor capable of forming a nitride-based semiconductor layer with few crystal defects by a simple manufacturing process.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor device formed by using the method for forming a nitride-based semiconductor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride-based semiconductor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride-based semiconductor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride-based semiconductor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a method for forming a nitride semiconductor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a nitride-based semiconductor device formed by using the method for forming a nitride-based semiconductor according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 13 shows the present invention.First referenceIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 14 shows the present invention.First referenceIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 15 shows the present invention.First referenceIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 16 shows the present invention.First referenceIt is sectional drawing which showed the nitride-type semiconductor element formed using the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 17 shows the present invention.Second referenceIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 18 shows the present invention.Second referenceIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 19 shows the present invention.Second referenceIt is sectional drawing for demonstrating the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 20 shows the present invention.Second referenceIt is sectional drawing which showed the nitride-type semiconductor element formed using the formation method of the nitride-type semiconductor by a form.
FIG. 21 shows the present invention.Second referenceIt is sectional drawing which showed the nitride-type semiconductor element by the modification of form.
FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining a conventional method for forming a nitride-based semiconductor.
FIG. 23 is a cross-sectional view for explaining a conventional method for forming a nitride-based semiconductor.
FIG. 24 is a cross-sectional view for explaining a conventional method for forming a nitride-based semiconductor.
FIG. 25 is a cross-sectional view for explaining a conventional method for forming a nitride-based semiconductor.
[Explanation of symbols]
  1 Sapphire substrate (substrate)
  2 AlGaN buffer layer (buffer layer)
  3 First GaN layer (first nitride semiconductor layer)
  4, 24 Mask layer
  5, 25, 35, 45 Mask layer
  6, 36 Second GaN layer (second nitride semiconductor layer)
  7 n-type GaN contact layer (nitride-based semiconductor device layer)
  8 n-type cladding layer (nitride semiconductor element layer)
  9 Active layer (nitride semiconductor element layer)
  10 p-type GaN guide layer (nitride-based semiconductor element layer)
  11 p-type cladding layer (nitride-based semiconductor element layer)
  12 p-type GaN contact layer (nitride-based semiconductor element layer)
  21 n-type GaN substrate (first nitride semiconductor substrate)
  26, 46 n-type second GaN layer (second nitride semiconductor layer)

Claims

A substrate including a first nitride-based semiconductor having an uneven surface;
A mask layer formed to cover the uneven surface of the first nitride-based semiconductor and to expose only one side surface of the uneven shape;
A second nitride-based semiconductor layer that contacts the exposed one side surface and is formed on the mask layer;
A nitride semiconductor device comprising: a nitride semiconductor device layer formed on the second nitride semiconductor layer and having an element region.

2. The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein the first nitride-based semiconductor includes a first nitride-based semiconductor layer having an uneven surface formed on the substrate via a buffer layer.

The nitride-based semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate including the first nitride-based semiconductor includes a first nitride-based semiconductor substrate.

4. The nitride semiconductor device according to claim 1, wherein the mask layer includes any one of a film containing a refractory metal and an insulating film .

Forming a first mask layer in a predetermined region on the surface of the first nitride-based semiconductor substrate;
Forming a concavo-convex surface by etching the surface of the first nitride semiconductor substrate using the first mask layer as an etching mask;
Forming a second mask layer so as to cover at least the bottom surface of the uneven shape and expose only one side surface of the uneven shape;
And a step of growing a second nitride-based semiconductor layer on the first mask layer and the second mask layer using the exposed uneven side surface as a seed crystal.

6. The method for forming a nitride-based semiconductor according to claim 5 , wherein the step of forming the second mask layer so that only the one side surface is exposed includes the step of depositing the second mask layer from an oblique direction.

The method for forming a nitride-based semiconductor according to claim 5, wherein the second mask layer is made of the same material as the first mask layer .