JP3823781B2 - Nitride semiconductor substrate and method for manufacturing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体(InxAlyGa1-x-yN、0≦x、0≦y、x+y≦1)を表面に有する窒化物半導体基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、転位密度の低い窒化物半導体基板を製造するために、サファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と異なる異種基板の上に、窒化物半導体を基板に対して横方向に成長させる方法(以下、ELOG成長法(Epitaxially Lateral OverGrowth)と呼ぶ)が種々検討されている。
窒化物半導体が横方向に成長する領域において、窒化物半導体の成長起点において発生した転位は、窒化物半導体の成長と共に横方向にのみ進行するため、低転位密度の窒化物半導体を成長させることができる。
【0003】
例えば、Jpn. J. Appl. Phys. Vol.37 (1998) pp.L309‐L312には、ELOG成長法として、サファイアのC面上に成長させた窒化ガリウム上にSiO2等の保護膜を部分的に形成し、この上に、100Torrの減圧下で、窒化物半導体を成長させることにより、転位の少ない窒化物半導体を得ることが開示されている。
このようなELOG成長法では、保護膜を形成し意図的に窒化物半導体を横方向に成長させることにより、転位が窒化物半導体の成長と共に進行すると、転位は保護膜を有しない部分上にのみ発生するため、保護膜上には転位欠陥の少ない窒化物半導体を形成することができる。
【0004】
また、特開平11-145516号公報には、SiO2保護膜を形成する代りに、シリコン基板上に成長したAlGaN層をストライプ状にエッチングしてシリコン基板を部分的に露出させ、この上に窒化ガリウムを成長させる方法が開示されている。窒化ガリウムはシリコン基板上にはエピタキシャル成長しないため、AlGaN層をシード結晶として、窒化ガリウムが横方向にエピタキシャル成長する。したがって、シリコン基板の露出部分の上に低転位密度の窒化ガリウムを成長させることができる。
【0005】
これらのELOG成長法によれば、従来のバッファ層を用いて成長させた窒化物半導体層に比べて、結晶欠陥密度を2桁以上減少させることができる。したがって、これらのELOG成長法によって製造された窒化物半導体基板に、LED素子、LD素子、受光素子などの種々の窒化物半導体素子を形成することにより、窒化物半導体素子の寿命特性を飛躍的に向上させることができる。例えば、ELOG成長させた窒化ガリウム基板を用いて製造された窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、1万時間以上の連続発振を達成することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す保護膜を形成し窒化物半導体を横方向に成長させることにより得られる窒化物半導体は、保護膜上部には転位欠陥が少ない窒化物半導体が得られるが、SiO2等の保護膜はストライプ幅を広く形成する場合、保護膜上において窒化物半導体の横方向成長が進まず、異常成長を引き起こすことがあった。
【0007】
また、保護膜両側に露出した窒化物半導体を成長起点として横方向に成長した窒化物半導体は、保護膜中央部で互いに接合するが、窒化物半導体を気相成長法によって横方向成長させた場合には、接合部に局所的に転位が集中する。これは、1つにはSiO2等の保護膜上を横方向に成長する窒化物半導体の成長面がチルトすることに起因している。このような窒化物半導体基板上にエピタキシャル成長によって素子層を形成していく場合、素子層成長のための基板昇温過程において、転位が集中している接合部に窒素脱離による微細なピットが発生し易く、さらにエピタキシャル成長を続けることによりピットが大きく成長してしまう。
【0008】
このため、気相成長法を用いた保護膜上の横方向成長により連続した1枚の窒化物半導体基板を形成しても、一般的な単結晶基板と同様に扱うことはできず、半導体レーザの活性層等は接合部周辺を大きく避けて形成する必要があるために素子形成のための十分な領域を確保することが困難であり、素子寿命も十分ではなかった。しかも、接合して1枚の基板となった窒化物半導体基板は外見上一様であるため、基板上面から接合部を認識して、その後の素子パターン形成を精度良く行うことは容易ではなかった。
【0009】
また、結晶欠陥の少ない窒化ガリウム系半導体基板を作製する方法が、Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 535, pp.91-99に開示されている。この方法によれば、6H−SiC基板上に、上部に窒化シリコンの保護膜が形成されたGaNシード結晶をストライプ状に形成し、このGaNシード結晶の端面を成長起点として、窒化シリコン保護膜上にまでGaNを成長させる。これにより、GaNは横方向にのみ成長するので、結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板を得ることができる。
【0010】
しかしながら、窒化物半導体とは異なる異種基板上に保護膜を用いて窒化物半導体を横方向成長させて連続した1枚の窒化物半導体基板を作製した場合、熱膨張係数の互いに異なる基板、保護膜、窒化物半導体層が積層した構造となるため、作製した窒化物半導体基板に反りが発生しやすかった。
【0011】
また、さらに、サファイア基板等の異種基板を最終的に除去して窒化物半導体基板を作製する場合もあり、その場合の異種基板の除去手法として、異種基板を研磨する方法や、異種基板と窒化物半導体の界面にエキシマレーザを照射して界面の化学的結合を切断する手法が用いられる。しかしながら、研磨やエキシマレーザによる除去には処理時間がかかる等の問題があり、サファイア等の異種基板の除去が容易ではなかった。
【0012】
そこで、本発明の一つの目的は、従来のELOG成長法により製造された窒化物半導体基板よりも、さらに結晶欠陥の少ない窒化物半導体素子を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、窒化物半導体基板における反りを抑制することにある。本発明のさらにもう一つの目的は、窒化物半導体基板からの異種基板の除去を容易にすることにある。
かくして、本発明は、寿命特性が向上された窒化物半導体素子、特に、青色を発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体レーザおよび、それを高い歩留りで製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記の課題を解決するために、本発明の第1の実施形態の窒化物半導体基板は、窒化物半導体と異なる異種基板の上に、
周期配列された窒化物半導体からなるシード結晶と、
前記シード結晶の側面を成長起点として横方向成長し、前記シード結晶の上方にて互いに接合する前に横方向成長を停止することにより前記シード結晶を覆うように周期配列されたT字状断面を有する第1の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第1の窒化物半導体層の上面を成長起点として成長し、前記第1の窒化物半導体層全面を覆う第2の窒化物半導体層とを備え、
前記シード結晶の上面と前記第1の窒化物半導体層との間に空間が形成されていることを特徴とする。
【0014】
すなわち、本発明の窒化物半導体基板は、第1の窒化物半導体層を横方向成長させて接合後、さらに、前記接合した窒化物半導体層を成長起点として横方向成長させ、互いに接合する前に成長を停止させることにより、転位が集中する接合部の形成を回避しているので、素子層成長のための基板昇温過程において窒素脱離による微細なピットが生じない。また、第2の窒化物半導体層は第1の窒化物半導体層が横方向成長した上面および端面から成長するので、第2の窒化物半導体層には結晶欠陥が少ない。
さらに、前記シード結晶の上面と前記第1の窒化物半導体層との間、すなわち、第2の窒化物半導体層が互いに接合する部分の下に空間が形成されているので、窒化物半導体層における反りを抑制することができる。
【0015】
また、本発明の窒化物半導体基板は、異種基板上に窒化物半導体層が不連続な柱状構造によって支持されているので、窒化物半導体層と異種基板との間の接合強度が低下する。したがって、従来のエキシマーレーザや研磨による異種基板の除去手法に加えて、振動や熱衝撃による機械的な剥離手法によって異種基板を除去することも可能となる。例えば、本発明に係る窒化物半導体基板を異種基板の裏面から研磨すると、研磨時の機械的振動によって異種基板の全体が剥離する。こうした機械的な剥離手法によれば短時間での異種基板の除去が可能となる。なお、機械的手法では剥離する界面が多少ばらつく場合があるが、剥離後に基板裏面の研磨を行なうことによって均一な窒化物半導体基板を得ることができる。
【0016】
また、本発明の第2の実施形態の窒化物半導体基板は、前記第1の窒化物半導体基板において、さらに前記シード結晶の上部全面に分解防止層が形成され、前記分解防止層の上面と前記第1の窒化物半導体層との間に空間が形成されていることを特徴とする。特に、前記分解防止層がSiN、SiONまたはTiO2であることを特徴とする。
ここで、シード結晶の表面が露出した状態で、この後、基板上に反応素子を成長させると、工程中1000℃以上の温度でシード結晶の表面が分解することにより、シード結晶の表面にV字状の溝が形成され易く、第1の窒化物半導体層および第2の窒化物半導体層の汚染の原因となり得る。したがって、「分解防止層」とは、シード結晶の熱分解を防止するためにシード結晶の表面に設けられた層のことを意味し、分解防止層としては、1000℃でも分解することのない材料、例えば、SiN、SiONまたはTiO2等を用いることができる。
【0017】
すなわち、本発明の窒化物半導体基板は、シード結晶の上部全面にSiN等の分解防止層が形成されているので、基板上に反応素子を成長させる時にシード結晶が、1000℃以上の温度で分解拡散することにより、第1および第2の窒化物半導体層に入り結晶性を低下させ異常成長等を引き起こす問題点を解決することができる。
【0018】
本発明の窒化物半導体基板は、前記シード結晶が、格子状、周期的なストライプ状または周期的な島状に形成されていることを特徴とする。
すなわち、本発明によれば、シード結晶を上記の形状にすることにより、窒化物半導体層を前記シード結晶の側面を成長起点として横方向成長させることができる。
【0019】
本発明は、第1の実施形態の窒化物半導体基板を作製するために、窒化物半導体と異なる異種基板上の全面に、
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第1の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第1の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第1の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第1の窒化物半導体層の上面を成長起点として第2の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【0020】
さらに、本発明は、第2の実施形態の窒化物半導体基板を作製するために、窒化物半導体と異なる異種基板上の全面に、
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に分解防止層を形成する工程と、
前記成長防止層上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶、分解防止層および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第1の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第1の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第1の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第1の窒化物半導体層の上面を成長起点として第2の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【0021】
本発明の第2の実施形態の窒化物半導体基板の製造方法は、前記分解防止層のエッチングレートが前記保護膜エッチングレートよりも小さいことを特徴とする。例えば、反応性イオンエッチングによるエッチングの場合、前記分解防止層をSiNで形成し、前記保護膜をSiO2で形成する。
【0022】
また、本発明の第1および第2の実施形態の窒化物半導体基板の製造方法において、前記保護膜のエッチングは異方性エッチングおよび等方性エッチングのいずれも使用することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
第1の実施形態
本発明の第1の実施形態を図1(a)〜(e)に示す。この実施形態においては、図1(e)に示すごとく、窒化物半導体とは異なる異種基板1上に、バッファ層(図示せず)を介して形成され、ストライプ状にエッチングされた窒化物半導体からなるシード結晶2と、シード結晶2の側面を成長起点として横方向成長し、シード結晶2の上方にて互いに接合する前に横方向成長を停止することによりシード結晶2を覆うように周期配列されたT字状断面を有する第1の窒化物半導体層5とが形成されている。ここで、シード結晶2の上方には空間が形成され、第1の窒化物半導体層5とは接していない。
さらに、この第1の実施形態の窒化物半導体基板には、第1の窒化物半導体層5が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面およびまたは第1の窒化物半導体層5の上面を成長起点として成長し、前記第1の窒化物半導体層5全面を覆う第2の窒化物半導体層6が形成されている。
シード結晶2、第1の窒化物半導体層および第2の窒化物半導体層6は、いずれも一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)によって、表される組成を有する。ただし、これらは互いに異なる組成であってもよい。
【0024】
次に、この実施形態の窒化物半導体基板の製造方法および好適な材料について説明する。
まず、窒化物半導体と異なる異種基板1を準備する。異種基板1には、C面、R面またはA面のいずれかを主面とするサファイア基板の他に、SiC(6H、4H、3C)基板、スピネル(MgAl2O4)基板、シリコン基板、Zn、ZnO、GaAsおよび窒化物半導体および窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。とりわけ、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点からサファイア基板またはSiC基板を用いることが好ましい。なお、これらの基板材料の主面をオフアングルさせた基板、より好ましくはステップ状にオフアングルさせた基板を用いると結晶欠陥をより少なくすることができる。
【0025】
次に、図1(a)に示すごとく、バッファ層(図示せず)を介して窒化物半導体シード結晶2を成長させる。バッファ層には、例えば、AlN、GaN、AlGaN、InGaN等を約300〜900℃の低温にて膜厚約10Å〜0.5μmに成長させて形成する。これは、異種基板1とシード結晶2との格子定数不整を緩和するためであり、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。なお、窒化物半導体の成長方法、基板の種類によってはバッファ層を省略することもできる。
シード結晶2は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、InxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)を用いて高温にて成長させる。例えば、アンドープGaN、Siをドープしたn型GaNを900〜1100℃、好ましくは1050℃で成長させる。シード結晶2の膜厚は、少なくとも500Å以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm〜10μmである。膜厚が2μm〜10μm程度であれば、結晶性がよく、また、異種基板との膨張係数の違いによる基板の反りが少ない。
【0026】
さらに、シード結晶2の上部全面に保護膜4を形成する。保護膜4の材料には、表面に窒化物半導体が成長しにくいか、あるいは、全く成長しないものを選択する。例えば、酸化ケイ素(SiOx)、窒化ケイ素(SixNy)、酸化チタン(TiOx)、酸化ジルコニウム等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜のほか、1200℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの材料は、窒化物半導体の成長温度である600〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物が成長しないか、あるいは、成長しにくい性質を有している。
この保護膜4は、例えば、蒸着、スパッタ、またはCVD等の適当な気相成長法を用いて形成することができる。保護膜4の膜厚は適宜決定することができるが、0.3〜5μm程度であれば、保護膜としての機能があり、また反りの発生も少ないので好ましい。
【0027】
次に、保護膜4にレジストを塗布して、通常のフォトリソグラフィによりパターニングし、シード結晶2および保護膜4を周期的なストライプ状、周期的な島状または格子状にエッチングする。前記島状の形状は、例えば、多角形(三角形、四角形および六角形等)または円形であってよい。各島はできるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。また、前記ストライプおよび格子の幅および間隔は第1の窒化物半導体層5が成長できるように選択する。
エッチングは、シード結晶2を一部残して止めることができるが、異種基板1の一部を取り除く深さまで行なうことが好ましい。異種基板1を削る深さは、好ましくは500〜3000Åであるが、10μm以下であればよい。異種基板1の一部を削る深さまでエッチングすることにより、シード結晶2の側面から成長する第1の窒化物半導体層5の下に空洞が形成され、第1の窒化物半導体層5が異種基板1から干渉を受けることを防止して、基板の反りを緩和するとともに第1の窒化物半導体層5の結晶性をより良好にすることができる。さらに、異種基板1に空洞が形成されているので、光の反射により空洞部が認識でき、それを目安として、窒化物半導体基板の結晶性の良好な部位上に選択的にデバイスを製造することが可能となる。
また、エッチングをする場合、エッチング面は、図1(b)に示すように異種基板に対して端面が略垂直になる形状に限定されず、順メサ形状や逆メサ形状、あるいは階段状であってもよい。
【0028】
次いで、図1(c)に示すように、シード結晶2の側面を成長起点として、第1の窒化物半導体層5を横方向に成長させ、さらに保護膜4上で横方向に成長させるとき、完全に保護膜4を覆う前に成長を止める。このようにして成長した第1の窒化物半導体層5の断面形状は、周期配列されたT字状となる。すなわち、第1の窒化物半導体層5は、隣接するシード結晶2の側面を成長起点として横方向成長してきた窒化物半導体層同士が接合して形成された第1の横方向成長部5aと、この横方向成長部5aを成長起点として保護膜4上で横方向に成長して形成された第2の横方向成長部5bとからなり、隣接する第1の窒化物半導体層5の第2の横方向成長部5b同士は接合せず、第2の横方向成長部5bの端面は2〜20μm程度離れている。前記端面の間隔が2〜20μm程度であれば、第2の窒化物半導体層6を形成する際に、前記端面に充分量の原料を供給し得、また、接合するまでの時間が短いので、窒化物半導体層6の膜厚が厚くなることがない。前記端面の間隔が2〜10μm程度であることが好ましく、2〜4μm程度であることがより好ましい。前記範囲であれば、第2の窒化物半導体層6が接合するときに下方向に成長することがないので、シード結晶2の上面との接触を回避するためにシード結晶2の上方に形成する空間を高くする必要がないため基板全体を薄く作製することができる。
第1の窒化物半導体層5の好ましい膜厚は、保護膜4の膜厚や大きさによっても異なる。第2の横方向成長部5bは、結晶性のいい部分を有する必要があるため、保護膜の膜厚に対して少なくとも1.5倍以上あることが好ましい。したがって、シード結晶2および保護膜4の膜厚を考慮すると、第1の横方向成長部5aを1〜15μmの膜厚で成長させることが好ましい。
ここで、第1の窒化物半導体層5としては、特に限定されないが、p型不純物、n型不純物をドープしたGaNまたはノンドープのGaNよりなる窒化物半導体が挙げられる。
【0029】
次に、図1(d)に示すように、第1の窒化物半導体層5を保護膜4上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜4を除去する。この保護膜4の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられ、等方性または異方性エッチングのいずれでも構わない。等方性ドライエッチングであれば、エッチング制御が容易であるので好ましい。
【0030】
ここで、保護膜上で横方向成長した第1の窒化物半導体5の部分(すなわち、第2の横方向成長部5b)は結晶欠陥の少ない部分であり、保護膜を除去することにより、この部分の下部に空間を形成することができる。このため、第2の横方向成長部5bの端面から第2の窒化物半導体層6を成長させる際、保護膜との間に発生する応力を抑制することができる。
【0031】
次に、図1(e)に示すように、保護膜4を除去した第1の窒化物半導体層5上に、第1の窒化物半導体層5の端面および/または上面より第2の窒化物半導体層6を成長させる。
第2の窒化物半導体層6は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、InxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)を用いて成長させる。例えば、アンドープのGaN、およびSi、Ge、Sn、S等のn型不純物をドープしたGaN、またはMg等のp型不純物をドープしたGaNを用いることができる。Mgをドープして第2の窒化物半導体層6を成長させると、横方向に伸び易くなり、第1の窒化物半導体層5の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると、電気的特性が安定するため好ましい。第2の窒化物半導体層6は空間上で成長するため、保護膜上での成長では選択性が低いために用いることができなかったAlxGa1−xN(0<x<1)を用いることもできる。
また、第2の窒化物半導体層6は、900〜1100℃にて成長させる。GaNを用いた場合、その膜厚は3〜20μm、好ましくは5〜20μmとし、AlxGa1−xNを用いた場合、膜厚は2〜15μmとするのが好ましい。
【0032】
第2の実施形態
本発明の第2の実施形態を図2(a)〜(e)に示す。この実施形態においては、図2(e)に示すごとく、窒化物半導体とは異なる異種基板1上に、バッファ層(図示せず)を介して形成され、ストライプ状にエッチングされた窒化物半導体からなるシード結晶2と、シード結晶2の上面に形成された分解防止層3と、シード結晶2の側面を成長起点として横方向成長し、シード結晶2および分解防止層3の上方にて互いに接合する前に横方向成長を停止することによりシード結晶2および分解防止層3を覆うように周期配列されたT字状断面を有する第1の窒化物半導体層5とが形成されている。ここで、シード結晶2および分解防止層3の上方には空間が形成され、第1の窒化物半導体層5とは接していない。
さらに、この第1の実施形態の窒化物半導体基板には、第1の窒化物半導体層5が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面およびまたは第1の窒化物半導体層5の上面を成長起点として成長し、前記第1の窒化物半導体層5全面を覆う第2の窒化物半導体層6が形成されている。
シード結晶2、第1の窒化物半導体層および第2の窒化物半導体層6は、いずれも一般式InxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)によって、表される組成を有する。ただし、これらは互いに異なる組成であってもよい。
【0033】
ここで、シード結晶2の表面が露出した状態で、この後、基板上に反応素子を成長させると、工程中1000℃以上の温度でシード結晶2の表面が分解することにより、シード結晶の表面にV字状の溝が形成され易い。このシード結晶2の分解によるV字状溝の形成は、第1の窒化物半導体層5および第2の窒化物半導体層6の汚染の原因となり得る。
したがって、本発明の第2の実施形態においては、本発明の第1の実施形態に加えて、シード結晶2の熱分解を防止するために、シード結晶2の表面に分解防止層を設ける。
【0034】
次に、この実施形態の窒化物半導体基板の製造方法および好適な材料について説明する。
まず、窒化物半導体と異なる異種基板1を準備する。異種基板1には、C面、R面またはA面のいずれかを主面とするサファイア基板の他に、SiC(6H、4H、3C)基板、スピネル(MgAl2O4)基板、シリコン基板、Zn、ZnO、GaAsおよび窒化物半導体および窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。とりわけ、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点からサファイア基板またはSiC基板を用いることが好ましい。なお、これらの基板材料の主面をオフアングルさせた基板、より好ましくはステップ状にオフアングルさせた基板を用いると結晶欠陥をより少なくすることができる。
【0035】
次に、図2(a)に示すごとく、バッファ層(図示せず)を介して窒化物半導体シード結晶2を成長させる。バッファ層には、例えば、AlN、GaN、AlGaN、InGaN等を約300〜900℃の低温にて膜厚約10Å〜0.5μmに成長させて形成する。これは、異種基板1とシード結晶2との格子定数不整を緩和するためであり、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。なお、窒化物半導体の成長方法、基板の種類によってはバッファ層を省略することもできる。
シード結晶2は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、InxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)を用いて高温にて成長させる。例えば、アンドープGaN、Siをドープしたn型GaNを900〜1100℃、好ましくは1050℃で成長させる。シード結晶2の膜厚は、少なくとも500Å以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは2μm〜10μmである。膜厚が2μm〜10μm程度であれば、結晶性がよく、また、異種基板との膨張係数の違いによる基板の反りが少ない。
【0036】
次に、シード結晶2の上部全面に分解防止層3を形成する。分解防止層3の材料は1000℃以上の温度でも分解しない材料であればよく、例えば、SiN、SiON、TiO2等が挙げられる。分解防止層3の膜厚は適宜決定することができるが、0.3〜5μm程度であれば、分解防止層としての機能があり、また反りの発生も少ないので好ましい。
【0037】
さらに、分解防止層3の上部全面に保護膜4を形成する。保護膜4の材料には、表面に窒化物半導体が成長しにくいか、あるいは、全く成長しないものを選択する。例えば、酸化ケイ素(SiOx)、窒化ケイ素(SixNy)、酸化チタン(TiOx)、酸化ジルコニウム等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜のほか、1200℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの材料は、窒化物半導体の成長温度である600〜1100℃の温度にも耐え、その表面に窒化物が成長しないか、あるいは、成長しにくい性質を有している。
この保護膜4は、例えば、蒸着、スパッタ、またはCVD等の適当な気相成長法を用いて形成することができる。保護膜4の膜厚は適宜決定することができるが、0.3〜5μm程度であれば、保護膜としての機能があり、また反りの発生も少ないので好ましい。
【0038】
ただし、後述するように、第1の窒化物層5を形成後、保護膜4のみをエッチングし、分解防止層3はエッチングせずに残すため、用いるエッチング手段に依存するが、分解防止層3には、保護膜4よりもエッチングレートの小さいものを用いる。例えば、誘導結合プラズマ(ICP)を用いた反応性イオンエッチング(RIE)の場合、限定されないが、分解防止層3にSiNを用い、保護膜4にSiO2を用いる。このようにして分解防止層3および保護膜4の材料を選択することにより、エッチングの制御が容易になるので好ましい。
【0039】
次に、保護膜4にレジストを塗布して、通常のフォトリソグラフィによりパターニングし、シード結晶2、分解防止層3および保護膜4を周期的なストライプ状、周期的な島状または格子状にエッチングする。前記島状の形状は、例えば、多角形(三角形、四角形および六角形等)または円形であってよい。各島はできるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。また、前記ストライプおよび格子の幅および間隔は第1の窒化物半導体層5が成長できるように選択する。
エッチングは、シード結晶2を一部残して止めることができるが、異種基板1の一部を取り除く深さまで行なうことが好ましい。異種基板1を削る深さは、好ましくは500〜3000Åであるが、10μm以下であればよい。異種基板1の一部を削る深さまでエッチングすることにより、シード結晶2の側面から成長する第1の窒化物半導体層5の下に空洞が形成され、第1の窒化物半導体層5が異種基板1から干渉を受けることを防止して、基板の反りを緩和するとともに第1の窒化物半導体層5の結晶性をより良好にすることができる。さらに、異種基板1に空洞が形成されているので、光の反射により空洞部が認識でき、それを目安として、窒化物半導体基板の結晶性の良好な部位上に選択的にデバイスを製造することが可能となる。
また、エッチングをする場合、エッチング面は、図2(b)に示すように異種基板に対して端面が略垂直になる形状に限定されず、順メサ形状や逆メサ形状、あるいは階段状であってもよい。
【0040】
次いで、図2(c)に示すように、シード結晶2の側面を成長起点として、第1の窒化物半導体層5を横方向に成長させ、さらに保護膜4上で横方向に成長させるとき、完全に保護膜4を覆う前に成長を止める。このようにして成長した第1の窒化物半導体層5の断面形状は、周期配列されたT字状となる。すなわち、第1の窒化物半導体層5は、隣接するシード結晶2の側面を成長起点として横方向成長してきた窒化物半導体層同士が接合して形成された第1の横方向成長部5aと、この横方向成長部5aを成長起点として保護膜4上で横方向に成長して形成された第2の横方向成長部5bとからなり、隣接する第1の窒化物半導体層5の第2の横方向成長部5b同士は接合せず、第2の横方向成長部5bの端面は2〜20μm程度離れている。前記端面の間隔が2〜20μm程度であれば、第2の窒化物半導体層6を形成する際に、前記端面に充分量の原料を供給し得、また、接合するまでの時間が短いので、窒化物半導体層6の膜厚が厚くなることがない。前記端面の間隔は2〜10μm程度であることが好ましく、2〜4μm程度であることがより好ましい。前記範囲であれば、第2の窒化物半導体層6が接合するときに下方向に成長することがないので、シード結晶2の上面との接触を回避するためにシード結晶2の上方に形成する空間を高くする必要がないため基板全体を薄く作製することができる。
【0041】
第1の窒化物半導体層5の好ましい膜厚は、保護膜4の膜厚や大きさによっても異なる。第2の横方向成長部5bは、結晶性のいい部分を有する必要があるため、保護膜の膜厚に対して少なくとも1.5倍以上あることが好ましい。したがって、シード結晶2、分解防止層3および保護膜4の膜厚を考慮すると、第1の横方向成長部5aを1〜15μmの膜厚で成長させることが好ましい。
ここで、第1の窒化物半導体層5としては、特に限定されないが、p型不純物、n型不純物をドープしたGaNまたはノンドープのGaNよりなる窒化物半導体が挙げられる。
【0042】
次に、図2(d)に示すように、第1の窒化物半導体層5を保護膜4上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜4を除去する。この保護膜4の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられ、等方性または異方性エッチングのいずれでも構わない。等方性ドライエッチングであれば、エッチング制御が容易であるので好ましい。上記したごとく、用いたエッチング条件に依存するが、分解防止層4は、保護膜3よりもエッチングレートが小さいため、エッチングにより、保護膜4は除去されるが、分解防止層3は除去されずに残る。すなわち、シード結晶2上面には分解防止層3が形成された状態である。
この第2の実施形態においては、シード結晶2上面に分解防止層3が形成されているので、シード結晶2の分解を防止することができる。
【0043】
ここで、保護膜上で横方向成長した第1の窒化物半導体5の部分(すなわち、第2の横方向成長部5b)は結晶欠陥の少ない部分であり、保護膜を除去することにより、この部分の下部に空間を形成することができる。このため、第2の横方向成長部5bの端面から第2の窒化物半導体層6を成長させる際、保護膜との間に発生する応力を抑制することができる。
【0044】
次に、図2(e)に示すように、保護膜4を除去した第1の窒化物半導体層5上に、第1の窒化物半導体層5の端面および/または上面より第2の窒化物半導体層6を成長させる。
第2の窒化物半導体層6は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、InxAlyGa1−x−yN(0≦x、0≦y、x+y≦1)を用いて成長させる。例えば、アンドープのGaN、およびSi、Ge、Sn、S等のn型不純物をドープしたGaN、またはMg等のp型不純物をドープしたGaNを用いることができる。Mgをドープして第2の窒化物半導体層6を成長させると、横方向に伸び易くなり、第1の窒化物半導体層5の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると、電気的特性が安定するため好ましい。第2の窒化物半導体層6は空間上で成長するため、保護膜上での成長では選択性が低いために用いることができなかったAlxGa1−xN(0<x<1)を用いることもできる。
また、第2の窒化物半導体層6は、900〜1100℃にて成長させる。GaNを用いた場合、その膜厚は3〜20μm、好ましくは5〜20μmとし、AlxGa1−xNを用いた場合、膜厚は2〜15μmとするのが好ましい。
【0045】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。実施例1
C面を主面とし、オリエンテーションフラット面をA面とするサファイア基板1を用い、MOCVD法により、温度を510℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウム(TMG)とを用い、サファイア基板1上にGaNよりなるバッファ層を200Åの膜厚で成長させた(図示せず)。
【0046】
バッファ層成長後、TMGのみを止めて、温度を1050℃まで昇温し、1050℃になったら、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、アンドープGaNよりなるシード結晶2を2.5μmの膜厚で成長させた。
【0047】
シード結晶2上面に、CVD法によりSiO2よりなる保護膜4を0.5μmの膜厚で成膜した。
【0048】
次いで、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてストライプ状のフォトマスクを形成し、ICPを用いたRIEにより保護膜4およびシード結晶2をエッチングした。ストライプ方向はサファイア基板のA面に対して垂直な方向とする。
【0049】
次に、MOCVD法により、減圧条件で温度を1050℃にして、原料ガスにTMG、アンモニアを用いて、GaNよりなる第1の窒化物半導体層5を成長させた。この時、第1の窒化物半導体層5は、シード結晶2の側面を成長起点として横方向成長し、さらに保護膜4上で横方向成長する。ここで、第1の窒化物半導体層5が保護膜4を完全に覆う前に成長を止めた。隣接する第1の窒化物半導体層同士の間隔は、約2μmとした。また、第2の横方向成長部5bの膜厚を2μmとした。
【0050】
次に、ドライエッチングである等方性エッチングにより、エッチングガスに酸素およびCF4を用い、温度120℃にて保護膜4を除去した。
【0051】
さらに、横方向成長させた第1の窒化物半導体層5の端面および上面より、常圧でMOCVD法により、温度を1050℃にし、原料ガスにTMG、アンモニアを用い、GaNよりなる第2の窒化物半導体層6を15μmの膜厚で成長させた。なお、常圧でなく、減圧で第2の窒化物半導体層6を成長させてもよい。
【0052】
得られた第2の窒化物半導体層6の表面をカソードルミネセンス(CL)により観測すると、結晶欠陥はほとんど見られず良好な結晶性を有していた。結晶欠陥数は、約6×106cm−2であった。
【0053】
実施例2
この実施例においては、シード結晶2上面に保護膜4を形成する前に分解防止層3を形成する以外は、実施例1と同様にして窒化物半導体基板を作製した。
【0054】
実施例1と同様にして、シード結晶2を形成した後、CVD法により、シード結晶2上面にSiNよりなる分解防止層3を0.3μmの膜厚で成長させ、次いで、その上にSiO2よりなる保護膜4を0.3μmの膜厚で成膜した。
その後の工程は、実施例1と同様なので、ここでは省略する。
【0055】
得られた第2の窒化物半導体層6の表面をカソードルミネセンス(CL)により観測すると、結晶欠陥はほとんど見られず良好な結晶性を有していた。結晶欠陥数は、約6×106cm−2であった。
【0056】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、窒化物半導体層を横方向成長のみで作成するため、結晶欠陥が少ない窒化物半導体基板を得ることができる。異種基板から縦方向に成長させた場合、結晶欠陥数は106〜107であり、素子形成のための実用結晶欠陥数である105〜106cm−2に低減するためにはELOG技術を何度も繰り返す必要があるので、得られる基板の膜厚は約20〜30μmとなるが、本発明の窒化物半導体基板は、膜厚約10〜20μmで、CL測定において結晶欠陥数6×105cm−2程度を達成し得る。
また、本発明の窒化物半導体基板は、横方向成長のみで形成された第1の窒化物半導体層の端面を成長起点として第2の窒化物半導体層を横方向成長させることにより作製されているので、結晶欠陥のない領域が広い。
さらに、本発明の窒化物半導体基板は、上記した第2の窒化物半導体層を熱膨張係数の異なる材質との積層構造を形成することなく空間上で横方向成長させて得られるので、反りが少ない。
かくして、本発明の窒化物半導体基板上で作製された半導体素子は高い電気的特性および向上された寿命特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による第1実施形態の窒化物半導体基板の製造工程を段階的に示した模式図。
【図2】 本発明による第2実施形態の窒化物半導体基板の製造工程を段階的に示した模式図。
【図3】 従来の窒化物半導体基板の概略断面図。
【符号の説明】
1・・・異種基板、
2・・・シード結晶、
3・・・分解防止層、
4・・・保護膜、
5・・・第1の窒化物半導体層、
5a・・・第1の横方向成長部、
5b・・・第2の横方向成長部、
6・・・第2の窒化物半導体層、
101・・・SiC基板、
102・・・GaNシード結晶、
103・・・SiN保護マスク、
104・・・AlGaN層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor (InxAlyGa1-xyThe present invention relates to a nitride semiconductor substrate having N, 0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y ≦ 1) on the surface.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in order to manufacture a nitride semiconductor substrate having a low dislocation density, a method of growing a nitride semiconductor laterally with respect to the substrate on a different substrate such as sapphire, spinel, or silicon carbide is different. (Hereinafter, various studies have been made on the ELOG growth method (Epitaxially Lateral OverGrowth)).
In the region where the nitride semiconductor grows in the lateral direction, the dislocations generated at the nitride semiconductor growth starting point proceed only in the lateral direction along with the growth of the nitride semiconductor, so that a nitride semiconductor having a low dislocation density can be grown. it can.
[0003]
For example, in Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 37 (1998) pp. L309-L312, as an ELOG growth method, SiO2 is grown on gallium nitride grown on the C-plane of sapphire.2It is disclosed that a nitride semiconductor with few dislocations is obtained by partially forming a protective film such as the above and growing a nitride semiconductor on the protective film under a reduced pressure of 100 Torr.
In such an ELOG growth method, by forming a protective film and intentionally growing the nitride semiconductor in the lateral direction, when the dislocation proceeds with the growth of the nitride semiconductor, the dislocation is only on a portion having no protective film. Therefore, a nitride semiconductor with few dislocation defects can be formed on the protective film.
[0004]
JP-A-11-145516 discloses SiO.2Instead of forming a protective film, a method is disclosed in which an AlGaN layer grown on a silicon substrate is etched in stripes to partially expose the silicon substrate and gallium nitride is grown thereon. Since gallium nitride does not grow epitaxially on the silicon substrate, gallium nitride grows epitaxially in the lateral direction using the AlGaN layer as a seed crystal. Therefore, gallium nitride having a low dislocation density can be grown on the exposed portion of the silicon substrate.
[0005]
According to these ELOG growth methods, the crystal defect density can be reduced by two orders of magnitude or more compared to a nitride semiconductor layer grown using a conventional buffer layer. Accordingly, by forming various nitride semiconductor elements such as LED elements, LD elements, and light receiving elements on the nitride semiconductor substrate manufactured by these ELOG growth methods, the lifetime characteristics of the nitride semiconductor elements are dramatically improved. Can be improved. For example, a gallium nitride-based compound semiconductor laser manufactured using a gallium nitride substrate grown by ELOG can achieve continuous oscillation for 10,000 hours or more.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the nitride semiconductor obtained by forming the protective film as described above and growing the nitride semiconductor in the lateral direction can obtain a nitride semiconductor with few dislocation defects above the protective film.2In the case where the protective film such as a wide stripe width is formed, the lateral growth of the nitride semiconductor does not proceed on the protective film, which may cause abnormal growth.
[0007]
Also, nitride semiconductors grown laterally starting from the nitride semiconductor exposed on both sides of the protective film are joined together at the central part of the protective film, but the nitride semiconductor is grown laterally by vapor deposition In this case, dislocations are concentrated locally at the junction. This is partly due to SiO2This is because the growth surface of the nitride semiconductor that grows laterally on the protective film or the like tilts. When an element layer is formed on such a nitride semiconductor substrate by epitaxial growth, fine pits are generated due to nitrogen desorption at the junction where dislocations are concentrated in the substrate heating process for element layer growth. In addition, the pit grows greatly by continuing the epitaxial growth.
[0008]
For this reason, even if a single nitride semiconductor substrate is formed by lateral growth on a protective film using a vapor phase growth method, it cannot be handled in the same manner as a general single crystal substrate, and a semiconductor laser Therefore, it is difficult to secure a sufficient region for device formation, and the device lifetime is not sufficient. Moreover, since the nitride semiconductor substrate that is bonded to form a single substrate is uniform in appearance, it is not easy to recognize the bonding portion from the upper surface of the substrate and perform subsequent element pattern formation with high accuracy. .
[0009]
Further, a method for producing a gallium nitride semiconductor substrate with few crystal defects is disclosed in Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 535, pp. 91-99. According to this method, a GaN seed crystal having a silicon nitride protective film formed thereon is formed in a stripe shape on a 6H-SiC substrate, and the end surface of the GaN seed crystal is used as a growth starting point on the silicon nitride protective film. GaN is grown to Thereby, since GaN grows only in the lateral direction, a nitride semiconductor substrate with few crystal defects can be obtained.
[0010]
However, when a single nitride semiconductor substrate is produced by laterally growing a nitride semiconductor using a protective film on a different substrate different from the nitride semiconductor, the substrate and the protective film having different thermal expansion coefficients are produced. Since the nitride semiconductor layer has a laminated structure, the manufactured nitride semiconductor substrate is likely to be warped.
[0011]
Further, in some cases, a nitride semiconductor substrate may be manufactured by finally removing a dissimilar substrate such as a sapphire substrate. In this case, as a method for removing the dissimilar substrate, a method of polishing the dissimilar substrate or nitriding with the dissimilar substrate A technique is used in which an excimer laser is irradiated to the interface of a physical semiconductor to break the chemical bond at the interface. However, removal by polishing or excimer laser has a problem that processing time is required, and removal of different substrates such as sapphire is not easy.
[0012]
Therefore, an object of the present invention is to provide a nitride semiconductor device having fewer crystal defects than a nitride semiconductor substrate manufactured by a conventional ELOG growth method. Another object of the present invention is to suppress warpage in a nitride semiconductor substrate. Still another object of the present invention is to facilitate the removal of a heterogeneous substrate from a nitride semiconductor substrate.
Thus, the present invention provides a nitride semiconductor device with improved lifetime characteristics, in particular, a gallium nitride compound semiconductor laser capable of emitting blue light, and a method for manufacturing the same with a high yield.
[Means for Solving the Problems]
[0013]
In order to solve the above problems, the nitride semiconductor substrate according to the first embodiment of the present invention is formed on a different substrate different from the nitride semiconductor.
A seed crystal made of a periodically arranged nitride semiconductor;
T-shaped cross-sections periodically arranged so as to cover the seed crystal by laterally growing using the side surface of the seed crystal as a growth starting point and stopping the lateral growth before joining each other above the seed crystal A first nitride semiconductor layer having;
An end face formed by stopping lateral growth before the first nitride semiconductor layers are joined to each other, or the end face and the top face of the first nitride semiconductor layer are grown as growth starting points, A second nitride semiconductor layer covering the entire surface of one nitride semiconductor layer,
A space is formed between the upper surface of the seed crystal and the first nitride semiconductor layer.
[0014]
That is, in the nitride semiconductor substrate of the present invention, after the first nitride semiconductor layer is grown in the lateral direction and bonded, the nitride semiconductor layer is further grown in the lateral direction using the bonded nitride semiconductor layer as a growth starting point and bonded to each other. By stopping the growth, the formation of a junction where dislocations are concentrated is avoided, so that fine pits due to nitrogen desorption do not occur in the substrate heating process for element layer growth. In addition, since the second nitride semiconductor layer grows from the upper surface and the end surface of the first nitride semiconductor layer grown in the lateral direction, the second nitride semiconductor layer has few crystal defects.
Further, since a space is formed between the upper surface of the seed crystal and the first nitride semiconductor layer, that is, below the portion where the second nitride semiconductor layer is joined to each other, Warpage can be suppressed.
[0015]
In the nitride semiconductor substrate of the present invention, since the nitride semiconductor layer is supported on the dissimilar substrate by a discontinuous columnar structure, the bonding strength between the nitride semiconductor layer and the dissimilar substrate is lowered. Therefore, in addition to the conventional excimer laser or polishing method for removing a different substrate, the different substrate can be removed by a mechanical peeling method using vibration or thermal shock. For example, when the nitride semiconductor substrate according to the present invention is polished from the back surface of the heterogeneous substrate, the entire heterogeneous substrate is peeled off by mechanical vibration during polishing. According to such a mechanical peeling method, it is possible to remove the dissimilar substrate in a short time. Although the peeling interface may vary somewhat with the mechanical method, a uniform nitride semiconductor substrate can be obtained by polishing the back surface of the substrate after peeling.
[0016]
In the nitride semiconductor substrate according to the second embodiment of the present invention, in the first nitride semiconductor substrate, a decomposition preventing layer is further formed on the entire upper surface of the seed crystal, and the upper surface of the decomposition preventing layer and the A space is formed between the first nitride semiconductor layer and the first nitride semiconductor layer. In particular, the decomposition preventing layer is made of SiN, SiON or TiO.2It is characterized by being.
Here, when the reaction element is grown on the substrate after the surface of the seed crystal is exposed, the surface of the seed crystal is decomposed at a temperature of 1000 ° C. or more during the process, so that the surface of the seed crystal is V. A letter-shaped groove is easily formed, which may cause contamination of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer. Therefore, the “decomposition prevention layer” means a layer provided on the surface of the seed crystal to prevent thermal decomposition of the seed crystal, and the decomposition prevention layer is a material that does not decompose even at 1000 ° C. For example, SiN, SiON or TiO2Etc. can be used.
[0017]
That is, in the nitride semiconductor substrate of the present invention, since a decomposition preventing layer such as SiN is formed on the entire upper surface of the seed crystal, the seed crystal decomposes at a temperature of 1000 ° C. or higher when the reaction element is grown on the substrate. By diffusing, it is possible to solve the problem of entering the first and second nitride semiconductor layers to reduce crystallinity and causing abnormal growth or the like.
[0018]
The nitride semiconductor substrate of the present invention is characterized in that the seed crystal is formed in a lattice shape, a periodic stripe shape, or a periodic island shape.
That is, according to the present invention, by forming the seed crystal in the above-described shape, the nitride semiconductor layer can be grown in the lateral direction with the side surface of the seed crystal as a growth starting point.
[0019]
In order to produce the nitride semiconductor substrate of the first embodiment, the present invention provides an entire surface on a different substrate different from the nitride semiconductor.
Forming a seed crystal made of a nitride semiconductor;
Forming a protective film on the entire surface of the seed crystal;
Etching the seed crystal and the protective film;
A first nitride semiconductor layer is laterally grown from the side surface of the etched seed crystal as a growth starting point, and the first nitride semiconductor layer laterally grown on the protective film does not completely cover the protective film. Stopping the lateral growth before joining together,
Removing the protective film by etching;
An end face formed by stopping lateral growth before the first nitride semiconductor layers are bonded to each other, or a second nitride starting from the end face and the upper surface of the first nitride semiconductor layer. And a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate including a step of growing a semiconductor layer.
[0020]
Furthermore, in order to produce the nitride semiconductor substrate of the second embodiment, the present invention provides an entire surface on a different substrate different from the nitride semiconductor.
Forming a seed crystal made of a nitride semiconductor;
Forming a decomposition preventing layer on the entire surface of the seed crystal;
Forming a protective film on the entire surface of the growth prevention layer;
Etching the seed crystal, the decomposition preventing layer and the protective film;
A first nitride semiconductor layer is laterally grown from the side surface of the etched seed crystal as a growth starting point, and the first nitride semiconductor layer laterally grown on the protective film does not completely cover the protective film. Stopping the lateral growth before joining together,
Removing the protective film by etching;
An end face formed by stopping lateral growth before the first nitride semiconductor layers are bonded to each other, or a second nitride starting from the end face and the upper surface of the first nitride semiconductor layer. And a method of manufacturing a nitride semiconductor substrate including a step of growing a semiconductor layer.
[0021]
The method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the second embodiment of the present invention is characterized in that an etching rate of the decomposition preventing layer is smaller than the etching rate of the protective film. For example, in the case of etching by reactive ion etching, the decomposition preventing layer is formed of SiN, and the protective film is formed of SiON.2Form with.
[0022]
In the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate according to the first and second embodiments of the present invention, the protective film may be etched using either anisotropic etching or isotropic etching.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
First embodiment
The 1st Embodiment of this invention is shown to Fig.1 (a)-(e). In this embodiment, as shown in FIG. 1E, a nitride semiconductor formed on a
Further, in the nitride semiconductor substrate of the first embodiment, the end face formed by stopping the lateral growth before the first
All of the
[0024]
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor substrate of this embodiment and a suitable material will be described.
First, a
[0025]
Next, as shown in FIG. 1A, a nitride
The
[0026]
Further, a
The
[0027]
Next, a resist is applied to the
The etching can be stopped while leaving a part of the
In addition, when etching is performed, the etching surface is not limited to a shape in which the end surface is substantially perpendicular to the dissimilar substrate as shown in FIG. 1B, and may be a forward mesa shape, a reverse mesa shape, or a step shape. May be.
[0028]
Next, as shown in FIG. 1C, when the first
The preferred film thickness of the first
Here, the first
[0029]
Next, as shown in FIG. 1D, the first
[0030]
Here, the portion of the
[0031]
Next, as shown in FIG. 1E, the second nitride is formed on the first
The second
The second
[0032]
Second embodiment
The 2nd Embodiment of this invention is shown to Fig.2 (a)-(e). In this embodiment, as shown in FIG. 2E, a nitride semiconductor formed on a
Further, in the nitride semiconductor substrate of the first embodiment, the end face formed by stopping the lateral growth before the first
All of the
[0033]
Here, when the reaction element is grown on the substrate with the surface of the
Therefore, in the second embodiment of the present invention, in addition to the first embodiment of the present invention, a decomposition preventing layer is provided on the surface of the
[0034]
Next, a method for manufacturing the nitride semiconductor substrate of this embodiment and a suitable material will be described.
First, a
[0035]
Next, as shown in FIG. 2A, a nitride
The
[0036]
Next, the
[0037]
Further, a
The
[0038]
However, as will be described later, after the
[0039]
Next, a resist is applied to the
The etching can be stopped while leaving a part of the
In addition, when etching is performed, the etching surface is not limited to a shape in which the end surface is substantially perpendicular to the dissimilar substrate as shown in FIG. 2B, and may be a forward mesa shape, a reverse mesa shape, or a step shape. May be.
[0040]
Next, as shown in FIG. 2 (c), when the first
[0041]
The preferred film thickness of the first
Here, the first
[0042]
Next, as shown in FIG. 2D, the first
In the second embodiment, since the
[0043]
Here, the portion of the
[0044]
Next, as shown in FIG. 2E, the second nitride is formed on the first
The second
The second
[0045]
【Example】
Examples of the present invention are shown below, but the present invention is not limited thereto.Example 1
Using a
[0046]
After growth of the buffer layer, only TMG is stopped, the temperature is raised to 1050 ° C., and when it reaches 1050 ° C., TMG and ammonia are used as the source gas, and the
[0047]
The top surface of the
[0048]
Next, a striped photomask was formed using a general photolithography technique, and the
[0049]
Next, the first
[0050]
Next, oxygen and CF are used as an etching gas by isotropic etching, which is dry etching.4Then, the
[0051]
Further, from the end face and the upper face of the first
[0052]
When the surface of the obtained second
[0053]
Example 2
In this example, a nitride semiconductor substrate was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the
[0054]
After the
Since the subsequent steps are the same as those in the first embodiment, they are omitted here.
[0055]
When the surface of the obtained second
[0056]
【The invention's effect】
According to the method for manufacturing a nitride semiconductor substrate of the present invention, since the nitride semiconductor layer is formed only by lateral growth, a nitride semiconductor substrate with few crystal defects can be obtained. When grown from different substrates in the vertical direction, the number of crystal defects is 106-10710 which is the number of practical crystal defects for device formation.5-106cm-2In order to reduce the thickness, the ELOG technique needs to be repeated many times, so the thickness of the obtained substrate is about 20-30 μm, but the nitride semiconductor substrate of the present invention has a thickness of about 10-20 μm, Number of crystal defects in CL measurement: 6 × 105cm-2Degree can be achieved.
In addition, the nitride semiconductor substrate of the present invention is manufactured by laterally growing the second nitride semiconductor layer using the end face of the first nitride semiconductor layer formed only by lateral growth as a growth starting point. Therefore, the region without crystal defects is wide.
Furthermore, the nitride semiconductor substrate of the present invention is obtained by laterally growing the second nitride semiconductor layer described above in a space without forming a laminated structure with a material having a different thermal expansion coefficient. Few.
Thus, the semiconductor device fabricated on the nitride semiconductor substrate of the present invention has high electrical characteristics and improved lifetime characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing steps of a manufacturing process of a nitride semiconductor substrate according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing stepwise the manufacturing process of a nitride semiconductor substrate according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a conventional nitride semiconductor substrate.
[Explanation of symbols]
1 ... Different substrates
2 ... Seed crystal,
3 ... Decomposition prevention layer,
4 ... Protective film,
5 ... 1st nitride semiconductor layer,
5a ... 1st lateral growth part,
5b ... second lateral growth part,
6 ... Second nitride semiconductor layer,
101 ... SiC substrate,
102 ... GaN seed crystal,
103 ... SiN protective mask,
104: AlGaN layer.
Claims (12)
周期配列された窒化物半導体からなるシード結晶と、
前記シード結晶を覆うように周期配列されたT字状断面を有する第1の窒化物半導体層と、
前記第1の窒化物半導体層全面を覆う第2の窒化物半導体層とを備え、
ここに、前記第1の窒化物半導体層は、第1の横方向成長部と、第1の横方向成長部の上部側面から横方向に突出し、第1の横方向成長部と連続的に形成された第2の横方向成長部とからなり;
前記第1の横方向成長部の下部の側面は前記シード結晶の側面と接合し;
前記第1の横方向成長部の底面下方の異種基板の一部に空洞が形成され、これにより、前記第1の横方向成長部の底面は前記異種基板とは接触せず;
隣接する第1の窒化物半導体層の第2の横方向成長部同士は互いに接合せず;
前記シード結晶の上面と前記第2の横方向成長部の下面との間に空間が形成され、
ここに、前記第2の窒化物半導体層は、前記第1の窒化物半導体層の上部全面および第2の横方向成長部の端面と接合し、
ここに、前記シード結晶、前記第1の窒化物半導体層および前記第2の窒化物半導体層は、同一または異なって、一般式In x Al y Ga 1−x−y N(0≦x、0≦y、x+y≦1)によって表される組成を有することを特徴とする窒化物半導体基板。 On a heterogeneous substrate different from a nitride semiconductor,
A seed crystal made of a periodically arranged nitride semiconductor;
A first nitride semiconductor layer having a T-shaped cross section periodically arranged to cover the seed crystal;
A second nitride semiconductor layer covering the entire surface of the first nitride semiconductor layer,
Here, the first nitride semiconductor layer protrudes laterally from the first laterally grown portion and the upper side surface of the first laterally grown portion, and is formed continuously with the first laterally grown portion. A second lateral growth portion formed;
A lower side surface of the first lateral growth portion is joined to a side surface of the seed crystal;
A cavity is formed in a portion of the heterogeneous substrate below the bottom surface of the first lateral growth portion, whereby the bottom surface of the first lateral growth portion does not contact the heterogeneous substrate;
The second laterally grown portions of adjacent first nitride semiconductor layers are not joined together;
A space is formed between the upper surface of the seed crystal and the lower surface of the second lateral growth portion,
Here, the second nitride semiconductor layer is bonded to the entire upper surface of the first nitride semiconductor layer and the end face of the second lateral growth portion,
Here, the seed crystal, the first nitride semiconductor layer, and the second nitride semiconductor layer may be the same or different and have a general formula of In x Al y Ga 1-xy N (0 ≦ x, 0 A nitride semiconductor substrate having a composition represented by ≦ y, x + y ≦ 1).
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第1の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第1の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第1の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第1の窒化物半導体層の上面を成長起点として第2の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法。On the entire surface of a different substrate different from the nitride semiconductor,
Forming a seed crystal made of a nitride semiconductor;
Forming a protective film on the entire surface of the seed crystal;
Etching the seed crystal and the protective film;
A first nitride semiconductor layer is laterally grown from the side surface of the etched seed crystal as a growth starting point, and the first nitride semiconductor layer laterally grown on the protective film does not completely cover the protective film. Stopping the lateral growth before joining together,
Removing the protective film by etching;
An end face formed by stopping lateral growth before the first nitride semiconductor layers are bonded to each other, or a second nitride starting from the end face and the upper surface of the first nitride semiconductor layer. A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, comprising a step of growing a semiconductor layer.
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に分解防止層を形成する工程と、
前記成長防止層上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶、分解防止層および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第1の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第1の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第1の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第1の窒化物半導体層の上面を成長起点として第2の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法。On the entire surface of a different substrate different from the nitride semiconductor,
Forming a seed crystal made of a nitride semiconductor;
Forming a decomposition preventing layer on the entire surface of the seed crystal;
Forming a protective film on the entire surface of the growth prevention layer;
Etching the seed crystal, the decomposition preventing layer and the protective film;
A first nitride semiconductor layer is laterally grown from the side surface of the etched seed crystal as a growth starting point, and the first nitride semiconductor layer laterally grown on the protective film does not completely cover the protective film. Stopping the lateral growth before joining together,
Removing the protective film by etching;
An end face formed by stopping lateral growth before the first nitride semiconductor layers are bonded to each other, or a second nitride starting from the end face and the upper surface of the first nitride semiconductor layer. A method of manufacturing a nitride semiconductor substrate, comprising a step of growing a semiconductor layer.
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