JP3705142B2 - 窒化物半導体素子及びその作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上にIII 族窒化物系化合物半導体層を備えた窒化物半導体素子、及び窒化物半導体素子の作製方法に関し、更に詳細には、信頼性が高く、かつ素子設計及び素子作製の自由度が大きい構成を備えた窒化物半導体素子、及びその作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
GaN、AlGaN、GaInN、AlGaInN、AlBGaInNなどのIII 族ナイトライド化合物半導体(以下、窒化物系化合物半導体と言う)は、AlGaInAs系やAlGaInP系などのIII −V族化合物半導体に比べて、バンドギャップエネルギーEgが大きく、かつ直接遷移型半導体であるという特徴を有している。
この特徴により、これらの窒化物系化合物半導体は、紫外線から緑色に至る短波長域の光を発光する半導体レーザ素子や、紫外線から赤色まで広い波長範囲の光を発光できる発光ダイオード(LED;Light Emitting Diode)などの半導体発光素子を作製する材料として注目されている。
これらの半導体発光素子は、高密度光ディスクの記録/再生光ピックアップ用の光源、フルカラーディスプレイの発光素子、その他、環境・医療などの分野の発光デバイスとして、広く応用されつつある。
【0003】
また、これらの窒化物系化合物半導体には、例えば高電界域でGaNの飽和速度が大きいこと、或いはMIS(Metal-Insulator-Semiconductor )構造の作製に際し、半導体層として窒化物系化合物半導体を、絶縁層として窒化アルミニウム(AIN)を用い、半導体層及び絶縁層を連続して結晶成長させることが出来るというような特徴がある。
この特徴により、窒化物系化合物半導体は、高出力の高周波電子素子を作製する材料としても注目されている。
【0004】
更に、窒化物系化合物半導体は、(1)熱伝導性がGaAs系などより高いので、GaAs系に比べて高温下の高出力素子の材料として有利である、(2)化学的に安定した材料であり、また硬度も高いので、信頼性の高い素子材料であると評価できる、(3)AlGaAs系の砒素、AlZnCdSe系のカドミウムなどを構成材料として含まず、またアルシン(AsH3 )等の原料ガスを必要としないので、環境汚染物質や毒物を含まない、環境に対して負荷の小さい化合物半導体材料である等の利点を有する。
【0005】
ところで、窒化物系化合物半導体を使って高い信頼性の半導体素子を作製する上で障害になっていることは、適当な「基板材料」が無いということである。言い換えれば、高品質結晶の窒化物系化合物半導体層を得る上で、窒化物系化合物半導体や基板材料には、以下の問題がある。
(1)GaN、AlGaN、GaInN等の窒化物系化合物半導体は、相互に格子定数の異なる全歪み系である。そこで、基板上に窒化物系化合物半導体を成膜したり、また窒化物系化合物半導体層同士を積層したりする際、クラックなどの結晶欠陥の無い良質な結晶膜を得るためには、窒化物系化合物半導体層の組成や厚さなどに対して厳しい制約がある。
(2)窒化物系化合物半導体として代表的なGaNに格子整合する高品質基板が未だ開発されていない。例えば、GaAs系、GaInP系では、それらに格子整合する高品質GaAs基板が、GaInAs系では、高品質InP基板が開発されているように、高品質なGaN基板が開発されていることが望ましいが、GaN基板は開発途上である。
(3)窒化物系化合物半導体層の基板材料に対する必要条件に、約1000℃の高い結晶成長温度に耐え、かつ窒化原料のアンモニア雰囲気中で、変質したり、腐食されたりしないことが必要である。
以上の事情から、窒化物系化合物半導体、特にGaNに格子整合する適当な基板が今のところ他に見当たらないので、サファイア基板を基板材料として使用することが多い。
【0006】
サファイア基板は、高品質の2インチ基板または3インチ基板が安定的に市場に供給されるという生産管理上の優位性を有する一方、GaNとの格子不整合が13%と大きいという技術的な問題を有する。
例えば、サファイア基板とGaN層の間に緩衝層を設けて不整合を緩和し、良好な単結晶のGaN層をエピタキシャル成長させるようにしているものの、その欠陥密度は、例えば108 〜109 cm-2程度にも達する。これでは、長時間にわたって半導体素子の動作信頼性を維持することは難しい。
更に、サファイア基板には、以下のような課題がある。(1)サファイア基板には劈開性が無く、鏡面性の高いレーザ端面を安定して形成することが難しい、(2)サファイアが絶縁性のために、GaAs系半導体レーザ素子のように基板裏面に一方の電極を設けることが難しく、p側電極及びn側電極の双方を基板上の窒化物系化合物半導体の積層構造側に設けることが必須である、(3)サファイア基板とGaN層との熱膨張係数の差が大きいので、結晶成長膜が厚いと、室温でも基板反りが大きくなって、クラックの発生が心配される等の素子形成プロセス上で制約が多い。
【0007】
以上の課題を克服して、サファイア基板上に高品質の窒化物系化合物半導体結晶を成長させるために、横方向選択成長(Epitaxial Lateral Overgrowth=ELO)法が開発されている。
ここで、図10から図15を参照して、横方向成長法を適用して形成したGaN層の従来の第1から第4の構造例を説明する。尚、第1から第4の構造例は、GaN層に代えて、他のIII 族窒化物系化合物半導体層を成膜する場合にも適用できる。
横方向成長法は、GaN層をエピタキシャル成長させる際、図10から図15の紙面の上方向に当たる<0001>方向(c面に垂直な方向)より、紙面の左方向又は右方向に当たる<11−20>、及び紙面に直交する<1−100>方向の横方向の成長速度が速いという結晶成長速度の異方性を利用している。なお、第1から第4の構造例では、図10から図15の紙面の左右方向<11−20>方向に代えて<1−100>方向に横方向成長させても良い。
【0008】
第1の構造例は、図10(a)に示すように、GaN層11を形成したサファイア基板10の上に、SiO2 、SiNなどの絶縁膜で、又はこれらの複数層積層膜でストライプ状パターン11Aを形成し、次いで、図10(b)に示すように、GaN層11上にGaN層15をELO法によって横方向成長させてパターン11A上を埋めた構造である。
尚、図10(c)は、図10(a)及び(b)で、紙面の上方向が<0001>方向(c面に垂直な方向)に、紙面の左右方向が<11−20>方向に、紙面に直交する方向が<1−100>方向に対応することを表示している。これは、後述の図1から図8、並びに図11以下でも同様である。
【0009】
第2の構造例では、図11(a)に示すように、サファイア基板10上にGaN種結晶層11を成膜した後、例えばSiO2 膜を成膜してストライプ状のマスク12をGaN種結晶層11上に形成し、マスク12を使ってGaN種結晶層11及びサファイア基板10の上部をエッチングして、サファイア基板10の上部及びGaN種結晶層11からなる凸部13と、サファイア基板10のエッチング面を露出させた凹部14とからなるリッジ構造を形成する。
次いで、図11(b)に示すように、リッジ側面からの横方向成長を用いて、GaN層15を成長させる。
【0010】
第2の構造例の変形例では、図12(a)に示すように、サファイア基板10上に比較的膜厚の厚いGaN層11を成膜し、次いで絶縁膜、例えばSiO2 膜を成膜し、パターニングしてストライプ状のマスク12をGaN層11上に形成し、マスク12を使ってGaN層11をエッチングしてGaN層11からなる凸部13と、サファイア基板10の基板面を露出させた凹部14とからなるリッジ構造を形成する。
次いで、凸部13上にマスク12を残したまま、図12(b)に示すように、リッジ側面からの横方向成長を用いて、GaN層15を成長させる。
【0011】
第3の構造例では、図13(a)に示すように、第2の構造例と同様に、サファイア基板10の上部及びGaN層11からなる凸部13と、サファイア基板10のエッチング面を露出させた凹部14とを有するリッジ構造を形成する。
次いで、図13(b)に示すように、リッジ側面などからの横方向成長を用いて、GaN層15を成長させる。
第3の構造例の変形例では、図14(a)に示すように、第2の構造例の変形例と同様に、GaN層11からなる凸部13と、サファイア基板10の基板面を露出させた凹部14とを有するリッジ構造を形成する。
次いで、図14(b)に示すように、リッジ側面などからの横方向成長を用いて、GaN層15を成長させる。
尚、第3の構造例及びその変形例では、マスク12を除去した後、横方向成長させている。
【0012】
第4の構造例では、図15(a)に示すように、サファイア基板10上に比較的膜厚の厚いGaN層11を成膜し、次いでGaN層11をエッチングしてリッジ構造を形成した後、リッジ構造の側壁及びリッジ構造脇の凹部壁に絶縁膜11Bを成膜する。
次いで、図15(b)に示すように、リッジ上面からの横方向成長を用いて、GaN層15を成長させる。
【0013】
上述の第1から第4の構造例では、図10(b)から図15(b)に示すように、GaN層15は、領域21、22及び23から構成されていて、例えば領域21は良好な結晶成長域であるものの、領域22には、サファイア基板とGaNとの格子整合などに起因して、108 /cm2 以上の高い結晶欠陥密度になっているGaN種結晶層11から結晶欠陥が伝搬される。
【0014】
更に説明すると、横方向成長領域21は、GaN種結晶層11から結晶欠陥(転位)が伝播しないか、または結晶欠陥の伝播が僅少な領域なので、高品質のGaN層、つまり低欠陥密度領域となる。
一方、GaN種結晶層11上の領域22は、GaN種結晶層11の結晶欠陥をそのまま引き継いだ高欠陥密度領域となる。また、領域21及び領域23であっても、左右から横方向成長領域が合体する、破線で示す会合部32の近傍領域は、高欠陥密度領域となる。
GaN種結晶層11上の領域22や会合部32の近傍領域の欠陥は、らせん転位、混合転位、及び刃状転位等の結晶欠陥のうち、主に、前2者であって、ほぼc軸方向(図の上向き)に伸びる成分が大きい。
【0015】
例えば、第1から第4の構造例では、会合部32の近傍領域は、転位が存在する高欠陥密度領域となる。
更に、第2の構造例及びその変形例では、GaN層15は、図11(b)及び図12(b)に示すように、横方向成長領域21と、マスク12上の横方向成長層の領域23とで構成されていて、横方向成長領域21、23自体は低欠陥密度領域であるものの、高欠陥密度領域である会合部32がそれぞれの領域に形成されている。更に、パターン絶縁膜12の端部付近33からも、破線で示すように、転位が発生することが多い。
【0016】
また、第3の構造例及びその変形例では、図13(b)及び図14(b)に示すように、低欠陥密度領域の横方向成長領域21と、GaN種結晶層11上の再成長層である高欠陥密度領域の領域22とで構成される。
なお、第2の構造例及び第3の構造例では、図11(b)及び図13(b)に示すように、サファイア基板10と横方向成長領域21の間に、空隙31が形成されている。
【0017】
高欠陥密度領域を低減させるために、先ず、第1回目の横方向成長を行い、継いで第1回目の横方向成長から凹凸パターンを半周期ずらし、第2回目の横方向成長をさせることにより、GaN種結晶層11上の高欠陥密度領域22を低減する方法も提案されているが、会合部32の欠陥などが残るので、やはり基板全面にわたって高品質のGaN層を得ることはできない。
このように、第1から第4の構造例及びその組み合わせの構造でも、基板全面にわたり低欠陥密度領域の基板を得るのは難しい。
【0018】
半導体レーザ素子などの素子部分を含めた結晶成長膜厚が、凹凸のリッジ構造の周期と同程度の場合、ほぼ横方向成長時の欠陥分布が、素子部含めた積層構造の最表面まで反映され、素子部に結晶欠陥が生成すると考えられる。
従って、欠陥のない良好なGaN層を備える窒化物半導体素子を形成するためには、再成長領域22や、会合部32の近傍の高欠陥密度領域を除いた領域、つまり低欠陥密度領域21上に半導体素子を形成することが必要である。
【0019】
窒化物半導体素子の例として、ここで、図16を参照して、GaN系半導体レーザ素子の構成を説明する。図16はGaN系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
GaN系半導体レーザ素子は、図16に示すように、サファイア基板10に設けられたGaN種結晶層11を介して、GaN層15、n側GaNコンタクト層41、それぞれ、GaN系の化合物半導体層からなるn側クラッド層42、活性層43、p側クラッド層44、及びp側コンタクト層45を、順次、積層してなる積層構造を有する。
積層構造のうち、p側クラッド層44の上層部及びp側コンタクト層45は、一方向にリッジストライプ状に延びるレーザストライプ部50として形成されている。レーザストライプ部50は、注入電流が流れ、発光する素子主要部であるから、高欠陥密度領域22を避けて低欠陥密度領域21上に位置するようにレーザストライプ部50が位置決めされている。
n側コンタクト層41の上層部、n側クラッド層42、活性層43、及びp側クラッド層44の下層部は、レーザストライプ部50の延在する方向と同じ方向に延在するメサ部として形成されている。
更に、SiN膜からなる保護膜49が全面に成膜され、保護膜49に開けた窓を介して、p側コンタクト層45上にp側電極46及びp側引き出し電極46Aが、n側コンタクト層41上にn側電極47及びn側コンタクト電極47Aが形成されている。
良好なレーザ特性と高い信頼性を有する半導体レーザ素子を設計し、作製するためには、レーザストライプ部50は、高欠陥密度領域22及び会合部32上を避けて、低欠陥密度領域21上に形成することが重要である。
【0020】
ここで、従来の第3構造例を例にし、図13(b)を参照して、低欠陥密度領域21の領域幅WL と種結晶層11のピッチWP との関係を説明する。
種結晶層11の周期(紙面左右方向)のピッチWP がWP =15μm、種結晶層11の幅WO がWO =3μmとすれば、種結晶層11の直上22の領域は種結晶層11の結晶欠陥を引き継いで品質が悪いが、残る領域幅15−3=12μmの横方向成長領域21は、低欠陥密度領域、つまり高品質領域になる。
しかし、実際には、図13(b)或いは図14(b)に示すように、GaN層15は種結晶層11のリッジ両側面から横方向成長するために、その会合部32は、結晶が完全には接続せず、欠陥が発生する。従って連続的な低欠陥密度領域の領域幅WL は、横方向成長領域21の1/2、即ちWL =6μmになる。
【0021】
高信頼性のGaN系半導体レーザ素子を得るには、前述のように、レーザストライプ部50をストライプ幅全幅にわたり、低欠陥密度領域21上に位置させることが必要である。
例えばストライプ幅WT をWT =2μm、及び、種結晶層11上の高欠陥密度領域22の領域幅W0 を厚さ方向にWO =3μmとし、会合部32の幅は無視できるとすれば、WL =6μmの中に、WT 2μmのレーザストライプ部50を入れるためには、±2μmのアライメント精度が必要条件になる。
【0022】
なお、レーザストライプ部50の周期は、種結晶層11の周期の整数倍に設計することで、ウエハ全面に周期的な構造を作製できる。
また、図10から図15の構造で、紙面の奥行き方向のレーザの共振器長は、例えば200μm〜1000μmの長さ、或いはそれ以上の長さであって、レーザストライプ幅に比べて十分に長く、同一断面形状にできるため、この方向への構造形成には問題はない。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、基板材料と結晶膜が共に透明な場合、埋め込まれた絶縁層12や空隙31などによって基準となる位置を確認して、レーザストライプ部50をアライメントするものの、しかし、会合部32を含まない高品質領域21の直上に、上述の±2μmのアライメント精度でレーザストライプ部50を制御性よく確実に配置することは、実際は、以下に示す複数の理由により、難しい場合が多い。
すなわち、(1)種結晶層11上の高欠陥密度領域22は、厚さ方向(図の上向き方向)に拡がっていること、(2)会合部32の広がり幅もゼロではなく、例えば0.5μm〜1μm程度あること、(3)低欠陥密度領域21を広げることは技術的に困難で、横方向成長の結晶品質制御性から低欠陥密度領域21の領域幅には上限があること、(4)種結晶層の幅には、下限があって、例えば1〜2μmであること、(5)基板を透かしてみてレーザストライプ部50のアライメントを行うために、アライメント精度は精々い1〜2μm程度であることなどの制約があるからである。
【0024】
これらより、例えば図13(b)で、WP =W0 +2×WL 、WP >2×WL 、つまり低欠陥密度領域21の幅WL は、最大でも種結晶層11のピッチWP の1/2以下の幅でしか設計できない。
また、WP の値は、上述の結晶成長条件の制約事項(3)で説明したように、自由に大きくすることは出来ず、例えば10μm程度が上限であるために、WL の上限にも制約がある。
【0025】
この様に、高品質領域21の中心の位置に、結晶品質の悪い会合部32があるため、レーザストライプ50を全幅にわたり高品質領域、つまり低欠陥密度領域21上に配置する領域として、低欠陥密度領域21の領域幅の合計が2×WL あるにもかかわらず、実質的にはその半分のWL しか使用できない。
また、MOCVD法では、成長条件を平衡状態に維持しつつエピタキシャル成長させるので、例えば原料ガスの流れ方向を種結晶層に交差させるようにしても、会合部32はやはり低欠陥密度領域21の中心に近い位置に形成される。
【0026】
以上の説明では、GaN層を例にして問題を説明しているが、これはIII 族窒化物系化合物半導体層の積層構造を形成する場合に普遍的な問題である。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、信頼性が高く、かつ素子設計の自由度及び製作マージンが大きい構成を備えた窒化物半導体素子、及びその作製方法を提供することである。
【0027】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来の構造例では、種結晶層間のGaN層の横方向成長が両側の種結晶層から対称的に進行し、種結晶層間の中央で横方向成長層が会合して高欠陥密度領域を形成することに注目し、GaN層の横方向成長を非対称的に進行させ、種結晶層間の中央から偏心させた位置で会合部を形成させることにより、低欠陥密度領域の領域幅を広げることをを着想し、これを実験により確認して、本発明を発明するに到った。
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る窒化物半導体素子は、下地層のストライプ状凸部の周期的パターンに従って、高欠陥密度領域と、基板面に平行な領域幅が高欠陥密度領域より広い低欠陥密度領域とが、交互に周期的に形成されているIII 族窒化物系化合物半導体層を基板上に備える窒化物半導体素子において、
下地層の凸部が、基板に直交する凸部中心線に関して非対称に構成され、かつ高欠陥密度領域が下地層の凸部間の中心線に関して基板面に平行な方向に偏心した位置でIII 族窒化物系化合物半導体層の厚さ方向に形成されていることを特徴としている。
【0028】
本発明では、下地層の凸部が基板に直交する凸部中心線に関して非対称に構成されているので、これに起因して、III 族窒化物系化合物半導体の横方向成長が非対称になるので、会合部を有する高欠陥密度領域が下地層の凸部間の中心線に関して基板面に平行な方向に偏心した位置に形成される。ここで、高欠陥密度領域とは、主として横方向成長層が会合して形成する会合部を言う。
本発明に係る窒化物半導体素子では、下地層のストライプ状凸部に関し左右非対称に横方向成長するように、下地層の凸部が形成されているので、本発明で特定した下地層上に横方向成長させることにより、従来の構造に比べて、低欠陥密度領域のWL を種結晶層のピッチWP に対して広く取ることができる、すなわち、WL /WP の値を大きい値に設定することができる。
【0029】
下地層の凸部を凸部中心線に対して非対称に構成するやり方には制約はないが、例えば下地層が周期的にストライプ状のリッジを有するGaN種結晶層として形成され、GaN種結晶層の側面の一方が、又はGaN種結晶層の側面の一方及び上面が絶縁層で被覆されている。
本態様では、絶縁層が種結晶層の両側面に形成されていないので、下地層の凸部が基板に直交する凸部中心線に関して非対称に構成されている。III 族窒化物系化合物半導体層の横方向成長は、絶縁膜の無い露出した種結晶層の面から成長するので、両種結晶層から横方向成長したIII 族窒化物系化合物半導体層が会合する会合部が凸部間の中心線に関し偏心した位置に形成される。
本発明の好適な実施態様では、高欠陥密度領域と低欠陥密度領域との配置を規定する周期的パターンのピッチをWP 、低欠陥密度領域の領域幅をWL とするとき、WL ≧0.5WP である。
【0030】
本発明に係る窒化物半導体素子の作製方法は、高欠陥密度領域と、基板面に平行な領域幅が高欠陥密度領域より広い低欠陥密度領域とが交互に周期的に形成されているIII 族窒化物系化合物半導体層を基板上に備える窒化物半導体素子の作製方法において、
基板に直交する凸部中心線に関して非対称に構成された凸部を周期的に有する下地層を基板上に形成する下地層形成工程と、
III 族窒化物系化合物半導体層を横方向成長法により下地層上に成長させる工程と
を有することを特徴としている。
【0031】
下地層形成工程で凸部を非対称に形成する方法には制約はなく、例えば下地層形成工程では、ストライプ状凸部を周期的に有するGaN種結晶層を基板上に形成し、次いでGaN種結晶層の凸部の側面の一方を、又はGaN種結晶層の凸部の側面の一方及び上面を絶縁層で被覆する。
【0032】
好適には、横方向成長法として有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いる。また、MOCVD法の成長条件は、従来から既知の条件で良い。
なお、結晶成長方法として分子線結晶成長法(MBE法)を用い、図17(a)に示すように、基板面に極めて浅い角度で分子線を入射させ、絶縁層12を上面に載せた種結晶層11の側面から非対称でGaN層15を横方向成長させる。更に、GaN層15の成長を継続すると、図17(b)に示すように、低欠陥密度領域21が種結晶層11間の中心に関し非対称的に広がり、会合部32の位置を偏心させることもできる。
しかし、MBE法は、その横方向制御性、成長層の品質、その他の観点から好ましくないので、用いないことが望ましい。
【0033】
本発明方法では、横方向成長させる種結晶層の構成を左右「非対称」にして、これにより、III 族窒化物系化合物半導体を「非対称」に横方向成長させ、会合部の位置を種結晶層の凸部間の中心から偏心させることにより、従来の構造に比べて、低欠陥密度領域の領域幅WL を広げることができる。これにより、低欠陥密度領域上に窒化物半導体素子を形成することが容易になり、素子サイズを大きくしたり、アライメント余裕を大きくすることができる。
更には、汎用的ウエハプロセスや、従来と同等な結晶成長技術等の組み合わせにより本発明方法を実施できるので、本発明方法の実施に当たり、特段の制約を生じることはなく、結晶成長やその他のウエハプロセスに影響を与えない、すなわち、結晶成長の制御性を低下させたり、基板の凹凸、割れ、反りなどを伴わずに窒化物半導体素子を作製することが出来るので、窒化物半導体素子の素子特性や、歩留まりなどには悪い影響を及ぼさない。
【0034】
本発明方法は、半導体素子の種類及び構成に制約はなく適用でき、例えば半導体レーザ素子のレーザストライプの形成領域、半導体発光ダイオードの発光構造の形成領域、及び半導体フォトディテクタの受光構造の形成領域のいずれかを低欠陥密度領域上に位置決めする。
また、電界効果トランジスタのソース/ゲート/ドレインの形成領域を、バイポーラトランジスタのエミッタ/ベース/コレクタの形成領域を低欠陥密度領域上に位置決めする。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例1
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の実施形態の一例であって、図1は本実施形態例の窒化物半導体素子の要部の構成を示す断面図である。
本実施形態例の窒化物半導体素子の要部は、図1に示すように、サファイア基板10上に形成され、絶縁層12を一方の側面に有する凸部状種結晶層11と、サファイア基板10上及び種結晶層11上に横方向成長法により成長させたGaN層15とから構成されている。
この構造では、横方向成長法によるGaN層15が種結晶層11の絶縁層12で覆われていない露出した側面からのみ成長するために、GaN層15の横方向成長が非対称性になるので、会合部32は、図1に示すように、種結晶層11と絶縁層12の境界付近からGaN層15の厚さ方向に形成される。
尚、図1中31は、サファイア基板10とGaN層15との間隙である。
【0036】
会合部32は、従来の構造例では、例えば図13(b)では、種結晶層11同士の中央に存在するのに対して、本実施形態例では、種結晶層11と絶縁層12の境界付近に存在する。
これにより、低欠陥密度領域のWL は、種結晶層11のピッチをWP 及び種結晶層11の幅をWO とすると、
WP ≒WO +WL で、かつWL >WO 、
よって、WL >0.5×WP
の関係で示されるから、従来の構造例に比べて、遙に大きな値のWL を得ることができる。
【0037】
本実施形態例の窒化物半導体素子をGaN系半導体レーザ素子に適用することにより、図2(a)と(b)の比較から容易に判るように、図16に示すGaN系半導体レーザ素子のレーザストライプ部50を低欠陥密度領域21上に配置することが、従来に比べて著しく容易になる、つまりアライメント余裕が大きくなる。
尚、図2(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態例のGaN系半導体レーザ素子のレーザストライプ部50と低欠陥密度領域21との配置関係、及び、従来のGaN系半導体レーザ素子のレーザストライプ部50と低欠陥密度領域21との配置関係を示す模式的斜視図であって、図2(a)の低欠陥密度領域21は領域幅が図2(b)の低欠陥密度領域21に比べて遙に広い。
よって、本実施形態例を適用することにより、結晶欠陥が少なく信頼性の高いGaN系半導体レーザ素子を実現することができる。
【0038】
窒化物半導体素子の作製方法の実施形態例1
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の作製方法を上述の窒化物半導体素子の作製に適用した実施形態の一例であって、図3(a)から(d)は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
図3(a)に示すように、サファイア基板10上にGaN低温成長層を成長させ、次いでGaN低温成長層をエッチングして周期的な凸部状種結晶層11を形成し、次いでCVD法(化学気相成長法)などによって絶縁層12を基板全面に成膜する。尚、サファイア基板に代えて、GaN基板に種結晶層11を形成しても良い。
【0039】
続いて、図3(b)に示すように、RIE(リアクティブ・イオンエッチング)法などの異方性エッチング法により絶縁層12の上面を基板に直交する方向にエッチングして種結晶層11の側面だけに絶縁層12を残す。
次いで、図3(c)に示すように、異方性エッチング法を斜め方向に適用して、種結晶層11の一方の側面の絶縁層12を除去すると共に、図3(d)に示すように、他方の側面に絶縁層12を残す。
次に、MOCVD法を用いた横方向成長法を適用して、図1に示すように、GaN層15を成長させると、GaN層15の横方向成長が絶縁層12で覆われていない種結晶層11の露出した側面からのみ進行するために、GaN層15の横方向成長が非対称になり、会合部32は、種結晶層11と絶縁層12の境界付近からGaN層15の厚さ方向に形成される。
【0040】
窒化物半導体素子の実施形態例2
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の実施形態の別の例であって、図4(b)は本実施形態例の窒化物半導体素子の要部の構成を示す断面図である。
本実施形態例の窒化物半導体素子の要部は、図4(b)に示すように、従来の第1の構造例を改良したものであって、GaN低温成長層11上に設けられ、端部12aの厚さが他の領域より厚い絶縁層パターン12と、絶縁層パターン12を覆ってGaN低温成長層11上に横方向成長法により成長したGaN層15とを備えている。
本実施形態例の窒化物半導体素子では、GaN層15の横方向成長に際して、絶縁層パターン12の厚さの違いから、GaN層15の横方向成長の開始に時間差が発生するために、横方向成長が絶縁層パターン12に関し非対称になり、会合部32は、従来の第1の構造例のように絶縁層パターン12の中央でなく、端部12a近傍の片寄った位置に形成される。
これにより、実施形態例1と同様に、WL (図4(b)では、LW1と図示)の値を大きくとることができる、つまりLW1>1/2×Wo になり、素子設計、素子作製に当たり、マージンが増大するので、設計、作製が容易になり、歩留りが向上する。一方、本実施形態例に対応する図10に示す従来の第1の構造例では、WL =LW2=1/2×Wo であるから、同じWP 及びWo であっても、本実施形態例の方が大きなWL 、つまり広い低欠陥密度領域21となる。
【0041】
窒化物半導体素子の作製方法の実施形態例2
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の作製方法を実施形態例2の窒化物半導体素子の作製に適用した実施形態の一例であって、図4(a)及び(b)は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
先ず、GaN低温成長層11上全面に絶縁層を成膜し、フォトリソグラフィ処理及びエッチング加工により絶縁層パターンを形成し、次いで絶縁層パターンの端部をマスクで覆い、ドライエッチングで露出した絶縁層を途中まで除去することにより、図4(a)に示すように、厚さの厚い端部12aを有する絶縁層パターン12をGaN低温成長層11上に形成する。
次いで、MOCVD法を用いた横方向成長法により、図4(b)に示すように、GaN層15を成長させる。
本実施形態例では、横方向成長のエピタキシャル成長層が、図4(a)に示す斜線部のように、先ず絶縁膜12の膜厚の薄い側(12aとは反対側)から隣の絶縁膜12の膜厚の厚い側に向かって先ず選択的に成長するので、図4(b)に示すように、低欠陥密度領域21が広くなる。
【0042】
窒化物半導体素子の実施形態例3
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の実施形態の別の例であって、図5は本実施形態例の窒化物半導体素子の要部の構成を示す断面図である。
本実施形態例の窒化物半導体素子の要部は、図5に示すように、サファイア基板10上に形成され、上面及び一方の側面に絶縁層12を有する凸部状(リッジ状)種結晶層11と、サファイア基板10上及び種結晶層11上に横方向成長法により成長したGaN層15とから構成されている。
【0043】
GaN層15の横方向成長は、横方向成長が絶縁層12で覆われていない種結晶層11の露出した面からのみ成長するため、GaN層15の横方向成長が非対称になり、会合部32は、図5に示すように、種結晶層11と側面の絶縁層12の境界付近からGaN層15の厚さ方向に形成されている。
以上のように、会合部32が、種結晶層11間の中心から偏心した位置に形成されているので、実施形態例1及び2と同じ効果を有する。
【0044】
窒化物半導体素子の作製方法の実施形態例3
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の作製方法を実施形態例3の窒化物半導体素子の作製に適用した実施形態の一例であって、図6(a)から(c)は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
先ず、図6(a)に示すように、サファイア基板10上に、GaN低温成長層11Aを成長させ、次いで絶縁層51を成膜し、続いてレジストマスク52を形成する。
次に、レジストマスク52を用いて、絶縁層51をエッチングし、更にGaN低温成長層11Aをエッチングして、図6(b)に示すように、絶縁層51を載せた凸部状種結晶層11を形成する。
続いて、絶縁層マスク51を除去することなく、図示しないが、実施形態例1の方法と同様にして、絶縁層12を基板全面に成膜する。絶縁層12及び絶縁層51の厚さと材料の選択、エッチング条件、時間制御などを調整し、直交する方向の異方性エッチング法により絶縁層12の上面を基板にエッチングして種結晶層11の両側面だけに絶縁層12を残す。更に、異方性エッチング法を斜め方向に適用して、種結晶層11の一方の側面の絶縁層12を除去し、他方の側面だけに絶縁層12を残す。
【0045】
これにより、図6(c)に示すように、種結晶層11の上面及び一方の側面に絶縁層12を形成することができる。
次に、MOCVD法を用いた横方向成長法を適用して、図5に示すように、GaN層15を成長させると、横方向成長が絶縁層12で覆われていない種結晶層11の露出した面からのみ成長するため、GaN層15の横方向成長が非対称になるので、会合部32は、種結晶層11と絶縁層12の境界付近からGaN層15の厚さ方向に形成される。
尚、本実施形態例でも、図6(d)に示すように、膜厚の厚いGaN層、即ちGaN低温成長層11Aを成膜し、種結晶層11をGaN低温成長層11Aに設けてもよい。
【0046】
窒化物半導体素子の実施形態例4
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の実施形態の別の例であって、図7は本実施形態例の窒化物半導体素子の要部の構成を示す断面図である。
本実施形態例の窒化物半導体素子の要部は、従来の第4の構造例を改良したものであって、サファイア基板10上に形成された凸部状種結晶層11と、種結晶層11の両側面、側面の一方から連続する上面の一部領域、及び種結晶層11同士間の凹部に形成されている絶縁層12と、絶縁層12上及び種結晶層11上に横方向成長法に成長したGaN層15とから構成されている。
本実施形態例では、実施形態例1から3と同様に、GaN層15の横方向成長が絶縁膜12で覆われていない露出した種結晶層11の面から進行するため、GaN層15の横方向成長が非対称になり、会合部32が低欠陥密度領域21の中心から偏在した位置に形成される。よって、実施形態例1から3と同様に、WL の値が大きくなるので、素子設計、素子作製に当たり、マージンが増大するので、設計、作製が容易になり、歩留りが向上する。
【0047】
窒化物半導体素子の作製方法の実施形態例4
本実施形態例は、本発明に係る窒化物半導体素子の作製方法を上述の窒化物半導体素子の作製に適用した実施形態の一例であって、図8(a)から(e)は、それぞれ、本実施形態例の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
図8(a)に示すように、サファイア基板10上にGaN低温成長層を成膜し、次いでGaN低温成長層をエッチングして、周期的なストライプ状凸部からなる種結晶層11を形成し、次いでCVD法(化学気相成長法)などによって絶縁層12をサファイア基板10上及び種結晶層11上に成膜する。
【0048】
次いで、図8(b)に示すように、種結晶層11間の凹部を埋めるようにレジスト膜52を塗布し、続いて、図8(c)に示すように、種結晶層11の上面及び側面の一方の絶縁膜12を露出するように、レジスト膜52に開口52Aを設ける。
次に、CF4 ガス等を使ったRIE法によって、図8(d)に示すように、露出した絶縁膜12をエッチングして除去し、種結晶層11を露出させる。続いて、図8(e)に示すように、レジスト膜を除去する。
次いで、種結晶層11上及び絶縁層12上にGaN層15を横方向成長させると、図7に示す構造を得ることができる。
【0049】
本発明に係る窒化物半導体素子は、半導体レーザ素子に限らず、発光ダイオード(LED)や、フォトディテクタ(PD)などの半導体光素子、電界効果トランジスタ(FET)やバイポーラトランジスタなどの半導体電子素子でも、実施形態例1と同様に信頼性の高い素子を作製することができる。
例えば、MOSFETの場合には、図9に示すように、ゲート領域70、ソース領域71、及びドレイン領域72を、それぞれ、低欠陥密度領域21上に、特にゲート領域70及びチャネル領域73を低欠陥密度領域21上に形成することができる。
【0050】
上述の実施形態例1から4では、以下の技術的思想が共通している。すなわち、横方向成長(ELO)させる種結晶層の構成を「非対称」にすることにより、GaN層を「非対称」に横方向成長させ、会合部の位置を「非対称」、つまり種結晶層間の中心から偏心させることにより、従来の構造例に比べて、低欠陥密度領域の領域幅WL を広げることができる。これにより、低欠陥密度領域に窒化物半導体素子を形成することが容易になり、素子サイズを大きくしたり、アライメント余裕を大きくすることができる。
本発明に係る窒化物半導体素子は、また、低欠陥密度領域WL に素子の動作領域の全部でなく、その一部分だけ入れる場合でも効果が得られる場合がある。
さらに、実施形態例1から4の窒化物半導体素子の作製方法では、汎用的ウエハプロセスや、従来と同等な結晶成長技術等の組み合わせを適用しているので、本発明方法の実施に当たり特段のプロセス的制約が生じることはない。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、種結晶層を非対称な構成にすることにより、GaN層の横方向成長を非対称的に進行させ、種結晶層間の中央から偏心させた位置で会合部を形成させることにより、低欠陥密度領域の領域幅を広げることができる。即ち、横方向成長法を適用する種結晶層のピッチが結晶成長条件等により、その上限が存在するにも関わらず、高結晶品質領域、つまり低欠陥密度領域の領域幅WL を大きく、例えば、従来の構造例で、WL <0.5WP であったのに対し、WL >0.5WP を設定できることができる。
高品質領域WL を大きくできることにより、窒化物半導体素子のサイズ(幅)を大きくできる、窒化物半導体素子のアライメント余裕を大きくできるなどにより、設計上及び作製上の自由度が増大し、素子特性の信頼性を向上することが出来る。
【0052】
また、本発明方法では、汎用的なウエハプロセスや、標準的な結晶成長条件を適用して、横方向成長用の種結晶構造を形成できるので、本発明の実施に伴い、プロセス工程の大幅な増加や、製品の歩留り低下を生じない。
さらに、本発明により形成された高品質領域WL は、従来の構造例で得られた高品質領域に比較して何ら品質を損なうことがなく、むしろ、種結晶層の影響が無いか少ない領域、つまり会合部から離れた領域に窒化物半導体素子を形成することができるので、より高品質、高性能の窒化物半導体素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1の窒化物半導体素子の要部の構成を示す断面図である。
【図2】図2(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例1のGaN系半導体レーザ素子のレーザストライプ部と低欠陥密度領域との配置関係、及び、従来のGaN系半導体レーザ素子のレーザストライプ部と低欠陥密度領域との配置関係を示す模式的斜視図である。
【図3】図3(a)から(d)は、それぞれ、実施形態例1の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
【図4】図4(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例2の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
【図5】実施形態例3の窒化物半導体素子の要部の構成を示す断面図である。
【図6】図6(a)から(d)は、それぞれ、実施形態例2の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
【図7】実施形態例4の窒化物半導体素子の要部の構成を示す断面図である。
【図8】図8(a)から(e)は、それぞれ、実施形態例4の方法に従って窒化物半導体素子を作製する際の工程毎の断面図である。
【図9】半導体レーザ素子以外の窒化物半導体素子の実施形態例1から4の低欠陥密度領域との配置関係を示す斜視図である。
【図10】図10(a)及び(b)は、それぞれ、第1の構造例を作製する際の工程毎の断面図である。図10(c)は、図10(a)及び(b)で、紙面の上方向が<0001>方向(c面に垂直な方向)に、紙面の左右方向が<11−20>方向に、紙面に直交する方向が<1−100>方向に対応することを表示している。
【図11】図11(a)及び(b)は、それぞれ、第2の構造例を作製する際の工程毎の断面図である。
【図12】図12(a)及び(b)は、それぞれ、第2の構造例の変形例を作製する際の工程毎の断面図である。
【図13】図13(a)及び(b)は、それぞれ、第3の構造例を作製する際の工程毎の断面図である。
【図14】図14(a)及び(b)は、それぞれ、第3の構造例の変形例を作製する際の工程毎の断面図である。
【図15】図15(a)及び(b)は、それぞれ、第4の構造例を作製する際の工程毎の断面図である。
【図16】GaN系半導体レーザ素子の構成を示す断面図である。
【図17】図17(a)及び(b)は、それぞれ、分子線結晶成長法(MBE法)を用いて非対称な構成の種結晶層を形成する際の工程毎の断面図である。
【符号の説明】
10……基板、11……種結晶層、12……絶縁膜層、21……横方向成長層、低欠陥密度領域、22……種結晶層から縦方向(c軸方向)への成長層、23……絶縁膜上の横方向成長層、31……空隙、32……横方向成長の会合部、33……絶縁層の端部からの結晶欠陥、40……バッファー層、41……n側コントクト層、42……n側クラッド層、43……活性層、44……p側クラッド層、45……p側コンタクト層、46……p側電極、46A……p側コンタクト電極、47……n側電極、47A……n側コンタクト電極、49……保護膜、50……レーザストライプ部、51……種結晶層の凹凸加工用絶縁層マスク、52……フォトレジスト、70……ゲート、71……ソース、72……ドレイン、73……チャネル層。
Claims (10)
- 基板上に窒化物系化合物半導体によりストライプ状に形成された複数の凸部状種結晶層と、前記凸部状種結晶層から成長させた横方向成長領域及び会合部を有する窒化物系化合物半導体層とを備えた窒化物半導体素子であって、
前記会合部が、隣り合う前記凸部状種結晶層間の中心から前記基板の表面に平行な方向に偏心した位置に形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記凸部状種結晶層の側面の一方、又は側面の一方及び上面にマスクが設けられていることを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体素子。
- 前記凸部状種結晶層の幅と隣り合う前記凸部状種結晶層間の領域の幅との合計をW P とし、前記横方向成長領域の幅をW L とするとき、W P とW L とがW L ≧0.5W P の関係を満たすことを特徴とする請求項1記載の窒化物半導体素子。
- 前記窒化物系化合物半導体層の上にレーザストライプ部を備え、このレーザストライプ部が、前記横方向成長領域に対応して設けられていることを特徴とする請求項3記載の窒化物半導体素子。
- 前記窒化物系化合物半導体層の上にソース領域、ゲート領域及びドレイン領域を備え、これらのソース領域、ゲート領域及びドレイン領域が、前記横方向成長領域に対応して設けられていることを特徴とする請求項3記載の窒化物半導体素子。
- 基板上に窒化物系化合物半導体によりストライプ状に複数の凸部状種結晶層を形成する工程と、
前記凸部状種結晶層の側面の一方、又は側面の一方及び上面にマスクを形成する工程と、
前記凸部状種結晶層から窒化物系化合物半導体層を形成する工程とを含むことを特徴とする窒化物半導体素子の作製方法。 - 前記凸部状種結晶層の幅と隣り合う前記凸部状種結晶層間の領域の幅との合計をW P とするとき、前記窒化物系化合物半導体層に0.5W P 以上の幅を有する横方向成長領域を形成することを特徴とする請求項6記載の窒化物半導体素子の作製方法。
- 前記窒化物系化合物半導体層を形成した後、レーザストライプ部を、前記横方向成長領域に対応するように形成する工程を含むことを特徴とする請求項7記載の窒化物半導体素子の作製方法。
- 前記窒化物系化合物半導体層を形成した後、ソース領域、ゲート領域及びドレイン領域を、前記横方向成長領域に対応するように形成する工程を含むことを特徴とする請求項7記載の窒化物半導体素子の作製方法。
- 前記窒化物系化合物半導体層を有機金属気相成長法により形成することを特徴とする請求項6記載の窒化物半導体素子の作製方法。
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