JP3884969B2 - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体を用いた半導体発光素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡＩＮおよびそれらの混晶半導体からなる窒化物半導体材料を用いた発光素子は、従来から知られている。たとえばサファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板もしくはシリコン（１１１）基板上にＩｎ_xＧａ_1-xＮ結晶を発光層として形成した発光素子が作製されている。
【０００３】
特にシリコン基板は他の基板と比較して大面積で品質の一定したものが安価に得られるため、これを採用することにより低コストで上記発光素子を製造できるということが期待されている。また、混晶半導体からなる窒化物半導体材料を用いて、半導体発光素子の試作も試みられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところがシリコン（１１１）基板を用いて窒化物半導体の成長を行なうとＣ面を成長面として有する窒化物半導体膜が得られるものの、このエピタキシャル半導体膜は、原子レベルでの平坦性があまり良くなかった。
【０００５】
例えばこれらの基板上にｎ型のクラッド層、量子井戸型のＩｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層、ｐ型のクラツド層を積層して微細構造の半導体発光素子を作製した場合、膜の非平坦性のため発光層の厚みやＩｎ組成の不均一が生じる。このことが、半導体発光素子の発光に影響を及ぼし、４０ｎｍと半値幅の広い発光スペクトルを有する半導体発光素子しか得られなかった。
【０００６】
また、シリコン基板は窒化物半導体と比較して熱膨張係数が小さい。よって窒化物半導体膜の成長後、常温にその膜を戻した際に、成長した窒化物半導体膜がシリコン基板から引張応力を受ける。そのため、サファイア基板等と比べて、シリコン基板にクラックが非常に生じやすいという問題がある。このような半導体発光素子の光出力は、サファイア基板あるいはＳｉＣ基板上の素子それと比較すると劣るものであった。
【０００７】
また、この様なシリコン基板上にＣ面を成長面として作製した窒化物系半導体発光素子においても、上記と同様、Ｉｎ組成の不均一からその発光における半値幅が広く、誘導放出光を得にくい。よって、発振閥値が高い半導体発光素子しか得られにくく、サファイア基板あるいはＳｉＣ基板上の発光素子と比較すると特性が劣るものであった。そのため、寿命の長い半導体発光素子を得ることが困難であった。
【０００８】
そこで、上記の問題を解決するために、本願出願人と同一出願人により次のような手法が提案されている。
【０００９】
例えば、シリコン基板（００１）面より［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した基板もしくは、その面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面に対して、図１の様に、部分的にＳｉＯ₂によるマスク１９を施す。そのＳｉＯ₂からなるマスク１９のない開口部分に対してエッチングを行なうことで、このシリコン基板１の主面に対し６２度傾斜した（１１１）ファセット面２１をもつ溝を形成する。
【００１０】
このファセット面２１上にさらに窒化物系半導体膜をエピタキシャル成長させることで、ＧａＮ系半導体の（１−１０１）ファセット面２２を成長面とした成長膜を得ることが可能となる。このファセット面２２は極めて平坦性の優れた面である。
【００１１】
つまり、上記の基板を用いて窒化物系半導体膜の成長を行なうことで、原子レベルで平坦性の高い窒化物半導体膜を得ることができる。それにより、発光層の厚みやＩｎ組成の均一性を上げることができ、半値幅の狭い発光スペクトルを有する半導体発光素子を作製することができる。
【００１２】
また、本願出願人は、窒化物半導体膜のｃ軸を傾けることで、シリコン基板と窒化物半導体膜との間の熱膨張係数差が小さくなり、クラックが入りにくくなることをも知得した。
【００１３】
さらに、このような（１−１０１）ファセット面２２を窒化物系半導体発光素子への成長面として用いた場合、ｃ軸を傾けることにより活性層内の井戸および障壁層内に、歪から生じるピエゾ効果による電界が減少する。そのため、電子正孔対のキャリア再結合確率が上がり、発光効率を上げることが可能となる。
【００１４】
このように（１−１０１）ファセット面２２を用いた場合には、窒化物半導体素子に対して多くの利点が期待される。
【００１５】
ところが、この（１−１０１）ファセット面２２を有する三角柱状構造（図１参照）を合体させて連続膜とし、その連続膜上に一般式Ｉｎ_xＧａ_yＡｌ_zＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を有する半導体素子を作製し、その上面において発光層の発光状態をＰＬ（Photo Luminescence）測定で観察したところ、周期的に光らない部分（暗部）が素子内で観察された。
【００１６】
そこで、本願発明者は、この作製した発光素子内の暗部発生の原因を明らかにするため、上記のようなファセット成長を行った試料について断面ＴＥＭ観察を行い、転位の観察を行なった。
【００１７】
その結果、図２（ａ）、（ｂ）に示す通り、成長面（ファセット面２２）に向かって転位が伸びていることが判明した。この転位層２３による欠陥により、半導体発光素子の発光効率が低下しているものと考えられる。
【００１８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、転位による欠陥の発生に起因する半導体発光素子の発光効率低下を抑制することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体発光素子は、（００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した主面を有するシリコン基板と、シリコン基板に形成され該シリコン基板の主面より６２度傾斜した（１１１）ファセット面かもしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた第１の斜面および該第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する溝と、第１の斜面上に形成され（１−１０１）ファセット面を成長面とする窒化物半導体層と、シリコン基板の主面上と溝の第２の斜面上とに選択的に形成され窒化物半導体層の成長を抑制する成長抑制層と、窒化物半導体層の成長面に向かって転位が延びることを抑制する転位抑制部とを備える。なお、転位抑制部としては、たとえばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の誘電体膜、あるいは誘電体膜の積層膜を使用することができる。
【００２０】
上記の窒化物半導体層の成長時には、基板と窒化物半導体層との界面での熱膨張係数差や格子定数差から上述のように転位が生成される。この転位は、横方向に折れ曲がり、窒化物半導体層を貫通して窒化物半導体層の成長面にまで達し得る。そこで、上記のように転位抑制層を設けることにより、かかる転位が窒化物半導体層の成長面に向かって延びることを抑制することができ、窒化物半導体層の成長面に転位が達するのを阻止することができる。
【００２１】
上記転位抑制部は、好ましくは、成長面に向かって延びる転位を横断する位置に形成される。上記成長抑制層の一部で前記転位抑制部を構成してもよい。上記転位抑制部は、好ましくは、溝上に突出する。
【００２２】
上記第１の斜面は、好ましくは、転位抑制部における溝上の端部から、第１の斜面に対し垂直方向に１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の位置に形成される。上記転位抑制部は、窒化物半導体層の内部に形成されてもよい。
【００２３】
シリコン基板上に複数の溝が形成された場合、窒化物半導体層は複数の溝部より成長した三角柱状結晶が合体して形成されてもよい。
【００２４】
上記窒化物半導体層は、第１クラッド層，活性層，第２クラッド層を含んでおり、第１および第２クラッド層は、Ａｌを含有する窒化物半導体で構成されることが好ましい。
【００２５】
上記活性層は、シリコン基板の主面に略一致した面方位をもつことが好ましい。また、上記活性層は、（１−１０１）面を面方位として有するものであってもよい。
【００２６】
上記窒化物半導体層の＜０００１＞方向は、好ましくは、第１の斜面に略垂直である。上記溝は、好ましくは、活性層を構成する窒化物半導体の［１１−２０］方向に沿って延伸する。
【００２７】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、１つの局面では、次の各工程を備える。（００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した主面を有するシリコン基板の主面上に、選択的に第１マスクを形成する。第１マスクを用いて、シリコン基板の主面から６２度傾斜した（１１１）ファセット面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた第１の斜面および該第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する溝を形成する。溝の第１の斜面を後退させて第１マスクを溝上に突出させる。第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する。第２マスクで覆われていない第１の斜面上に窒化物半導体を結晶成長し、化合物半導体層を形成する。該化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する。なお、本発明のマスクとしては、たとえばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の誘電体膜、あるいは誘電体膜の積層膜を使用することができる。
【００２８】
上記のように溝の斜面を後退させてマスクを溝上に突出させることにより、窒化物半導体の成長により転位層の広がる領域の厚さだけ予め斜面を後退させることができる。それにより、溝上に突出したマスクによって、窒化物半導体の成長面に転位層が延びるのを抑制することができ、窒化物半導体層の成長面に転位が達するのを阻止することができる。
【００２９】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、他の局面では、次の各工程を備える。（００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した面もしくはこの面から任意の方向に３度以内傾けた範囲内にある面で構成される主面を有するシリコン基板の主面上に、選択的に第１マスクを形成する。該第１マスクを用いて、シリコン基板の主面に、シリコン基板の主面より６２度傾斜した（１１１）面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面である第１の斜面および該第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する溝を形成する。溝の第１の斜面を後退させて第１マスクを溝上に突出させる。第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する。第２マスクで覆われていない第１の斜面上に窒化物半導体を結晶成長し、化合物半導体層を形成する。該化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する。
【００３０】
本局面の場合にも、溝の斜面を後退させてマスクを溝上に突出させているので、１つの局面の場合と同様に、窒化物半導体層の成長面に転位が達するのを阻止することができる。
【００３１】
上記第２マスクは、好ましくは、第１の斜面以外の基板の表面の少なくとも一部に形成され、窒化物半導体の成長を抑制する。
【００３２】
上記溝が基板上に複数設けられた場合、各溝の第１の斜面上に形成された化合物半導体層を合体させることが好ましい。また、上記化合物半導体層形成後に、シリコン基板を除去してもよい。
【００３３】
上記化合物半導体層の＜０００１＞方向が第１の斜面に略垂直であるように化合物半導体層が結晶成長することが好ましい。また、上記第１および第２クラッド層を、Ａｌを含有する窒化物半導体で構成することが好ましい。
【００３４】
上記活性層は、好ましくは、シリコン基板の主面に略一致した面方位をもって結晶成長する。また、上記活性層は、好ましくは、（１−１０１）面を面方位として有する。
【００３５】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、さらに他の局面では、次の各工程を備える。（００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した主面を有するシリコン基板の主面上に、選択的に第１マスクを形成する。第１マスクを用いて、シリコン基板の主面から６２度傾斜した（１１１）ファセット面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた第１の斜面および該第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する複数の溝を形成する。各々の溝の第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する。第２マスクで覆われていない各々の溝の第１の斜面上に窒化物半導体を結晶成長させ、該窒化物半導体を合体させて化合物半導体層を形成する。化合物半導体層上に、該化合物半導体層表面に達する転位層を覆うように選択的に第３マスクを形成する。第３マスク形成後に化合物半導体層を成長させる。化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する。なお、本発明において「転位層」とは、窒化物半導体とシリコン基板との界面で、窒化物半導体の成長により多数発生した転位を含む層のことを称する。
【００３６】
本局面の場合には、転位層を覆うように選択的に第３マスクを形成し、その後に化合物半導体層を成長させているので、この第３マスクよりも窒化物半導体層の成長面側に転位が延びることを抑制することができる。その結果、窒化物半導体層の成長面に転位が達するのを阻止することができる。
【００３７】
本発明に係る半導体発光素子の製造方法は、さらに他の局面では、次の各工程を備える。（００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した面もしくはこの面から任意の方向に３度以内傾けた範囲内にある面で構成される主面を有するシリコン基板の主面上に、選択的に第１マスクを形成する。第１マスクを用いて、シリコン基板の主面に、シリコン基板の主面より６２度傾斜した（１１１）面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面である第１の斜面および該第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する複数の溝を形成する。各々の溝の第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する。第２マスクで覆われていない各々の溝の第１の斜面上に窒化物半導体を結晶成長させ、該窒化物半導体を合体させて化合物半導体層を形成する。化合物半導体層上に、該化合物半導体層表面に達する転位層を覆うように選択的に第３マスクを形成する。第３マスク形成後に化合物半導体層を成長させる。化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する。
【００３８】
本局面の場合にも、転位層を覆うように選択的に第３マスクを形成しているので、この第３マスクよりも窒化物半導体層の成長面側に転位が延びることを抑制することができ、窒化物半導体層の成長面に転位が達するのを阻止することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下に実施の形態を示しつつ説明する。
【００４０】
＜実施の形態１＞
図３は、窒化物半導体膜の（１−１０１）ファセット面上に素子を形成した本実施の形態における窒化物半導体発光素子の構造例を示す概略断面図である。
【００４１】
図３に示すように、［０−１−１］方向へ７．３度オフしたシリコン基板（（００１）Ｓｉオフ基板）１の主面に溝６を設け、該溝６の表面であるファセット面２１上に窒化物半導体を成長させる。図３の例では、ファセット面２１上にｎ−ＡｌＧａＩｎＮからなる中間層１０を介してｎ−ＧａＩｎＮからなる第１のクラッド層２を形成する。
【００４２】
このとき、中間層１０あるいは第１のクラッド層２には転位が発生するが、溝６上に張り出すようにマスク１９を設けているので、該マスク１９の張出部（転位抑制層）により転位が第１のクラッド層２の表面（成長面）に達するのを阻止することができる。
【００４３】
第１のクラッド層２は、図３に示す例では三角柱状の結晶形状を有する。この第１のクラッド層２上に、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層３，ｐ−ＡｌＧａＩｎＮからなるキャリアブロック層４、ｐ−ＧａＩｎＮからなる第２のクラッド層５を順に積層する。溝６は、発光層３やキャリアブロック層４等を含む活性層を構成する窒化物半導体の［１１−２０］方向に沿って延伸する。
【００４４】
シリコン基板１下面には電極１５が設けられ、第２のクラッド層５の上面には透明電極１７が設けられる。透明電極１７の上面の一部には、ボンディング電極１６が設けられる。
【００４５】
マグネシウムがドープされｐ型の第２のクラッド層５の抵抗は大きい。従って、第２のクラッド層５の一端へボンディング電極１６のみから電流、即ち正孔を注入しても、電流密度が発光層３の全域において均一とならないおそれがある。そこで、ボンディング電極１６と第２のクラッド層５との間に、第２のクラッド層５のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極１７を設ける。
【００４６】
このように透明電極１７を形成することにより、より多くの発光を取り出すことができる。ｎ型のシリコン基板１に接続される電極１５には金属を用いればよく、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂのいずれかを含むことが望ましい。ｐ型のＧａＮ第２のクラッド層５に接続される透明電極１７には、２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いればよく、Ｔａ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのいずれかを含むことが望ましい。
【００４７】
本実施の形態で用いたシリコン基板１は、（００１）面から７．３度［０−１−１］方向に傾けた、すなわち（００１）面から［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した主面７を持つものである。しかし、該主面７から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた主面を有するシリコン基板１を使用した場合も、（１−１０１）面を成長面として有する極めて平坦なＧａＮ層が得られる。
【００４８】
図３に示す半導体発光素子は、シリコン基板１上に単数の第１のクラッド層２を形成し、該第１のクラッド層２のファセット面上に半導体素子を形成したものである。
【００４９】
しかし、図９に示すように、シリコン基板１上に複数の第１のクラッド層２を形成し、この第１のクラッド層２上に半導体素子をそれぞれ形成してもよい。この場合、隣合う第２のクラッド層５上に延在するように透明電極１７を成膜する。
【００５０】
このように隣合う第２のクラッド層５上に透明電極１７を延在させることにより、それぞれの第１のクラッド層２の側面が短絡するおそれがある。そこで、図９に示すとおり、透明電極１７を形成する前に、第１のクラッド層２、発光層３，キャリアブロック層４および第２のクラッド層５の側面を覆うように絶縁膜１８を形成する。絶縁膜１８は、１００ｎｍの厚さのシリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなる絶縁膜をスパッタリング等で形成し、この絶縁膜をフォトリソグラフィおよびエッチング技術を用いてパターニングすることにより形成可能である。
【００５１】
Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ発光層はＧａ_xＩｎ_1-xＮの組成ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を紫外から赤色まで発光させることができる。たとえばＧａの固相の組成がＸ＝０．８２の場合、青色で発光する発光素子が得られる。
【００５２】
なお、本明細書において、窒化物半導体とは、主にＩＩＩ族元素とＮ元素より構成された化合物半導体であって、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ，ｙ≦１）の他、そのＩＩＩ族元素の一部（２０％程度以下）をＢ，Ｔｉ等の他の元素で置換した結晶や、そのＮ元素の一部（１０％程度以下）をＡｓ，Ｐ，Ｓｂ等の他の元素で置換した結晶を含む。
【００５３】
次に、本実施の形態１における窒化物半導体発光素子の作製方法について説明する。
【００５４】
まず、上述した主面を有するシリコン基板１を洗浄する。このシリコン基板１の主面上にスパッタリングもしくはＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)等の技術を用い、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の誘電体膜を１００ｎｍ程度の厚みに形成する。この誘電体膜を形成後、写真製版およびエッチングにより絶縁膜をストライプ状にパターニングする。それにより、図４に示すように、シリコン基板１の主面７上に、部分的にＳｉＯ₂によるマスク（成長抑制層）１９を形成する。
【００５５】
ところで、シリコン基板１は青、緑、赤色と可視領域の光を吸収するので、半導体発光素子において光の取出し効率を上げるため、マスク１９として誘電体多層反射膜を用いることが好ましい。それにより、可視光の光の取出し効率を向上することができる。
【００５６】
たとえば４６０ｎｍを中心波長とした青の発光素子を作製する場合、マスク１９としてＳｉＯ₂（７９ｎｍ）／ＺｒＯ₂（５５ｎｍ）を３ペア組み合わせた膜を使用することで、取出し効率を向上することができる。
【００５７】
次に、ＫＯＨからなるアルカリエッチング液によってマスク１９を形成していない部分のシリコン基板１にエッチングを行なう。それにより、図５に示すように、シリコン基板１の主面７に対し６２度傾斜した（１１１）ファセット面２１をもつ複数の溝６を形成する。この溝６は、Ｓｉ［０１−１］方向に延在するストライプ状の溝である。
【００５８】
シリコン基板１の主面７を上記のような面方位とすることにより、上記のエッチングにより主面７に対し６２度傾斜した（１１１）ファセット面２１が得られる。該（１１１）ファセット面２１は、従来知られているアルカリエッチャントの温度を適宜調整し、エッチング速度を調整することで容易に形成できる。
【００５９】
また、（１１１）ファセット面２１のエッチングを行う際にオーバーエッチングを行い、マスク１９下に位置するシリコン基板１をエッチングし、マスク１９下に（１１１）ファセット面２１を形成する。そのため、図５に示すように、マスク１９の端部が溝６上に張り出した状態となる。このオーバーエッチングにより、後工程で転位が広がる領域の厚さよりも厚い領域分をエッチングする。
【００６０】
このようにシリコン基板１を深くエッチングすることにより、図５に示すように（１１１）ファセット面２１を後退させることができ、オーバーエッチング部２４を形成することができる。それにより、基板界面近傍で転位が折れ曲がって成長し、窒化物半導体膜を貫通してその成長面へ転位が達することを未然に防ぐことができる。
【００６１】
オーバーエッチング深さ（マスク１９の端部から（１１１）ファセット面２１までの距離）は、後工程で溝６上に形成される三角柱状結晶の大きさ、つまり溝６の大きさにより選択する。たとえば、溝６の開口幅が１〜３μｍの場合、５００ｎｍ程度の厚みの転位層２３が素子特性に影響を及ぼす。この場合、オーバーエッチング深さは、好ましくは１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、さらに好ましくは１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下程度である。このオーバーエッチング深さが８００ｎｍと深い場合、原料ガスが（１１１）ファセット面２１に到達しにくく、三角柱状結晶の成長が起こり難かった。
【００６２】
次に、図６に示すように、溝６の表面において所定の（１１１）ファセット面２１から結晶成長を優先的に行わせるため、溝６の表面上に選択的に第２マスク２０を形成する。第２マスク（成長抑制層）２０は、マスク１９と同様の材質で構成でき、マスク１９と同様の手法で形成できる。
【００６３】
図６の例では、溝６の右側の斜面上に第２マスク２０を形成している。それにより、この斜面上に窒化物半導体膜が成長するのを抑制することができる。なお、図５の工程でオーバーエッチングが不充分な場合、第２マスク２０を作製した後に再びアルカリエッチャント液を用いてエッチングを行い、オーバーエッチング量を適宜調整してもよい。
【００６４】
次に、溝６を形成したシリコン基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、水素（Ｈ₂）雰囲気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行なう。
【００６５】
その後、キャリアガスとしてＮ₂を１０（ｌ（リットル）／ｍｉｎ．）流しながら、８００℃でＮＨ₃とトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、ＳｉＨ₄（シラン）ガスを、それぞれ５（１／ｍｉｎ．）、１０（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、１７（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、０．１（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）導入して、約１０ｎｍの厚みのシリコンドープＡｌ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎからなる中間層１０を成長する。
【００６６】
続いて、同じ温度で、ＴＭＡの供給を停止し、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、ＴＭＩ、ＳｉＨ₄（シラン）ガスを約２０（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、１００（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、０．０５（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）それぞれ導入し、図７および図８に示すように、約３ミクロンの厚さの三角形柱状結晶１１であるシリコンドープＧａ_0.92Ｉｎ_0.08Ｎからなる第１のクラッド層２を成長する。
【００６７】
この三角柱状結晶１１である第１のクラッド層２は、中間層１０を堆積した後、その成長温度を高温に上げ、ＧａＮの膜としても構わない。しかし、Ｉｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮ緩衝層を用いることで、高温に成長温度を上げることなく低温成長が可能となり、極めてクラックの発生が少なくなる。
【００６８】
また、第１のクラッド層２は、シリコン基板１の主面から６２度の関係を有する（１１１）ファセット面２１に対して垂直な軸をｃ軸として成長し、図７および図８に示すように、第１のクラッド層２の上面に（１−１０１）ファセット面２２が成長面（平面）として形成される。
【００６９】
その後、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を停止して、基板温度を７６０℃まで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を６．５（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭＧを２．８（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）導入し、Ｉｎ_0.18Ｇａ_0.82Ｎよりなる３ｎｍ厚の井戸層を成長する。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを１４（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）導入しＧａＮよりなる障壁層を成長する。同様に井戸層，障壁層の成長を繰り返し、４ペアからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３を成長する。
【００７０】
上記発光層３の成長が終了した後、最後の障壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭＡを１．１（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ＴＭＩを４０（μｍｏｌ／ｍｉｎ．）、ｐ型ドーピング原料ガスであるビスシクロペンタジェニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を１０（ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．）流し、５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ_0.20Ｇａ_0.75Ｉｎ_0.05Ｎからなるキャリアブロック層４を成長する。
【００７１】
キャリアブロック層４の成長が終了すると、同じ成長温度において、ＴＭＡの供給を停止し、１００ｎｍ厚のｐ型Ｇａ_0.9Ｉｎ_0.1Ｎからなる第２のクラッド層５の成長を行なう。それにより、発光素子構造の成長を終了する。
【００７２】
上記成長が終了すると、ＴＭＧ，ＴＭＩおよびＣｐ₂Ｍｇの供給を停止した後、室温まで冷却し、基板をＭＯＣＶＤ装置より取り出す。その後、各半導体素子の第２のクラッド層５の上面にそれぞれ透明電極１７を形成し、さらに透明電極１７上の一部にボンディング電極１６を形成し、シリコン基板１下面に電極１５を形成する。そしてダイシング装置を用い、３５０μｍ角のチップサイズにシリコン基板１を分離することで、本実施の形態１の半導体発光素子が完成する。
【００７３】
本発明に従って作製した半導体発光素子の特性を測定した結果、活性層においても極めて平坦性が高く、その層厚のゆらぎ（変動）が少ないため、発光スペクトルにおいて半値幅１５ｎｍと狭くなった。また、貫通転位が少ないため、素子面内において均一に発光効率の高い半導体発光素子を作製することが可能となった。
【００７４】
＜実施の形態２＞
実施の形態１では、三角柱状結晶１１上に窒化物半導体膜を成長し、窒化物半導体膜の（１−１０１）ファセット面２２上に発光素子構造を形成している。この窒化物半導体膜の成長をさらに続けた場合、図８の状態からさらに結晶成長が進行し、図１１に示す通りそれぞれの三角形柱状結晶１１が合体し、連続膜１２を形成することができる。この連続膜１２の上に半導体発光素子を形成することも可能である。
【００７５】
図１０に、本実施の形態２における窒化物半導体発光素子の構造例を示す。図１０に示すように、本実施の形態では、実施の形態１と同様のシリコン基板１上に形成した連続膜１２の上に、ｎ−ＧａＩｎＮからなる第１のクラッド層２，Ｉｎ_xＧａ_1-xＮからなる発光層３，ｐ−ＡｌＧａＩｎＮからなるキャリアブロック層４、ｐ−ＧａＩｎＮからなる第２のクラッド層５を順に積層する。
【００７６】
シリコン基板１下面には電極１５が設けられ、第２のクラッド層５の上面には透明電極１７が設けられる。透明電極１７の上面の一部には、ボンディング電極１６が設けられる。
【００７７】
上記以外は実施の形態１と同様であるので、重複説明は省略する。本実施の形態の場合も、溝６上に張り出すように転位抑制層となるマスク１９を設けているので、転位が延びて転位層２３が第１のクラッド層２の表面に達するのを阻止することができる。
【００７８】
なお、図１０ではシリコン基板１を残した窒化物半導体発光素子の構造例を示したが、シリコン基板１を除去し、ＧａＮの連続膜１２を厚く形成して基板として使用してもよい。この場合、連続膜１２の裏面に電極１５を形成する必要がある。
【００７９】
次に、本実施の形態２における窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００８０】
実施の形態１と同様の処理を行ったシリコン基板１に、ＭＯＣＶＤ法を用い、溝６の（１１１）ファセット面２１上にＡｌＩｎＮからなる中間層１０を形成し、続いてＧａＮの結晶を成長させる。それにより、図８に示す場合と同様に、溝６上に三角柱状結晶１１が形成され、基板主面７に平行に（１−１０１）ファセット面２２が現れる。なお、該窒化物半導体膜の＜０００１＞方向は、溝６の斜面に略垂直である。
【００８１】
この状態からさらに三角柱状結晶１１を成長させると、三角柱状結晶１１の径は大きくなり、ついには隣接する三角柱状結晶１１同士が接触するようになる。さらに成長を続けると、分離していた各三角柱状結晶１１は合体し、図１１に示すように、表面に平坦な（１−１０１）面２５をもったＧａＮ結晶の連続膜１２が得られる。中間層１０としては、ＡｌＧａＮの中間層１０を用いても同様の結果が得られる。
【００８２】
連続膜１２を有するシリコン基板１をＨＶＰＥ（ハイドライドＶＰＥ）装置内に導入する。Ｎ₂キャリアガスとＮＨ₃を、それぞれ５（ｌ／ｍｉｎ．）流しながら、シリコン基板１の温度を約１０５０℃まで昇温する。
【００８３】
その後、ＧａＣｌを０．１（ｌ／ｍｉｎ．）導入してＧａＮの厚膜の成長を開始する。ＧａＣｌは約８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。
【００８４】
また、シリコン基板１近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意にＧａＮの成長中に不純物のドーピングを行なうことができる。本実施の形態ではＧａＮにＳｉをドーピングする目的で、ＧａＮの成長開始と同時に、モノシラン（ＳｉＨ₄）を２００（ｎｍｏｌ／ｍｉｎ．）供給してＳｉドープＧａＮ連続膜１２（Ｓｉ不純物濃度約３．８×１０¹⁸ｃｍ^-3）を成長する。
【００８５】
上記方法で、８時間の成長を行ない、膜厚の合計が約３５０μｍの厚さのＧａＮをシリコン基板１上に成長する。この成長後、研磨あるいはエッチングによりシリコン基板１を除去し、（１−１０１）面を有するＧａＮ基板を得る。こうして、本実施の形態によれば極めて平坦な（１−１０１）面を表面に有するＧａＮ基板を得ることができる。
【００８６】
上記のＧａＮ結晶の連続膜１２もしくはシリコン基板１を除去したＧａＮ基板上に、一旦、１０００℃において、ｎ型のＧａＩｎＮからなる第１のクラッド層２と積層させる。
【００８７】
この第１のクラッド層２は、ＧａＮ連続膜１２と同じＧａＮ層としても構わなかったが、Ｉｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮからなる第１のクラッド層２を用いることで、高温に成長温度を上げることなく低温成長が可能となり、クラックの発生を抑制することができる。
【００８８】
その後、実施の形態１と同様の手法で、発光層３、キャリアブロック層４、第２のクラッド層５の成長を行ない、透明電極１７、ボンディング竜極１６、電極１５を形成する。そして、ダイシング装置を用い、３５０μｍ角のチップサイズに素子を分離することで、図１０に示す本実施の形態の半導体発光素子を作製することができる。
【００８９】
上記のごとく、本実施の形態２では、シリコン基板１を出発基板として（１−１０１）面２５を有する極めて平坦なＧａＮ基板を作製し、ＧａＮ基板上に半導体発光素子を作製している。その結果、発光スペクトルにおいて半値幅が１５ｎｍと狭く、さらに転位が少ない故に発光効率の極めて高い半導体発光素子が得られた。
【００９０】
＜実施の形態３＞
次に、本発明の実施の形態３について説明する。図１２は、本実施の形態３における窒化物半導体発光素子の構造例を示す断面図である。
【００９１】
図１２に示すように、本実施の形態３では、ＧａＮの連続膜１２の内部に第３マスク２６を有し、該第３マスク２６で転位の成長を抑制している。よって、本実施の形態３では、転位層２３が第１マスク１９よりも上方の連続膜１２にまで達している。それ以外の構成は図１０に示す実施の形態２の場合と同様であるので、重複説明は省略する。
【００９２】
次に、図１３から図１５を用いて本実施の形態３における窒化物半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００９３】
実施の形態１と同様のシリコン基板１の主面上にＣＶＤ等で、シリコン酸化膜等の誘電体膜を形成する。この誘電体膜を形成後、写真製版およびエッチングにより絶縁膜をストライプ状にパターニングし、シリコン基板１の主面７上に部分的にＳｉＯ₂によるマスク１９を形成する。
【００９４】
次に、ＫＯＨからなるアルカリエッチング液によってマスク１９を形成していない部分のシリコン基板１にエッチングを行なう。それにより、シリコン基板１の主面７に対し６２度傾斜した（１１１）ファセット面２１をもつ複数の溝６を形成する。。
【００９５】
溝６表面を選択的に第２マスク２０で覆い、この状態で溝６の（１１１）ファセット面２１上に、実施の形態２と同様に、中間層１０とＧａＮの連続膜１２とを形成する。この場合、図１３に示すように、転位を含む転位層２３が連続膜１２の（１−１０１）面２５に達してしまう。
【００９６】
そこで、図１４に示すように、連続膜１２の成長途中の段階で（１−１０１）面２５上に第３マスク（成長抑制層）２６を形成する。第３マスク２６は、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜等により形成すればよい。
【００９７】
前述のようにストライプ（溝６）の幅が１〜３μｍの場合、５００ｎｍ程度の転位層２３が素子特性に大きく影響を与える。この転位層２３は、図１３に示すようにストライプ状に形成されるので、転位層２３のストライプに対応して第３マスク２６を形成する。すなわち、溝６あるいは三角形柱状結晶の周期に対応して、第３マスク２６のストライプパターンを形成する。また、第３マスク２６の幅は、好ましくは５００ｎｍ、さらに好ましくは３００ｎｍ程度である。
【００９８】
このように、第３マスク２６を形成した後、再度ＧａＮの結晶成長を行う。このとき、図１４に示すように、第３マスク２６により転位層２３がふさがれような状態となり、連続膜１２中での転位の進展を抑制することができる。それにより、転位層２３が連続膜（窒化物半導体膜）１２の成長面である（１−１０１）面２５に達することを抑制することができる。したがって、成長面に貫通転位の見られない窒化物半導体膜を成長することが可能となる。
【００９９】
その後、図１５に示す成長面上に、実施の形態２と同様の手法で、第１のクラッド層２、発光層３、キャリアブロック層４、第２のクラッド層５の成長を行ない、透明電極１７、ボンディング竜極１６、電極１５を形成する。そして、ダイシング装置を用い、３５０μｍ角のチップサイズに素子を分離することで、図１２に示す本実施の形態の半導体発光素子を作製することができる。
【０１００】
本実施の形態３の場合も、極めて平坦でかつ転位層２３が達しないＧａＮ（１−１０１）面２５上に半導体発光素子を作製することができるので、実施の形態２と同様の効果を期待できる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化物半導体層の成長面に転位が達するのを抑制することができるので、（１−１０ｌ）エピタキシャル成長面を有する極めて平坦で貫通転位の少ない高品質結晶膜を得ることが可能となる。それにより、界面が急峻であり、クラックの発生が抑制され、転位に起因する発光効率低下を抑制でき、かつ優れた光電特性を有する半導体発光素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 窒化物半導体膜の（１−１０１）ファセット面を説明するための概念図である。
【図２】 （ａ），（ｂ）は、窒化物半導体膜において転位が発生している様子を示した概念図である。
【図３】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子を示す断面図である。
【図４】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造工程の第１工程を示す斜視図である。
【図５】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造工程の第２工程を示す斜視図である。
【図６】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造工程の第３工程を示す斜視図である。
【図７】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造工程の第４工程を示す斜視図である。
【図８】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の製造工程の第５工程を示す斜視図である。
【図９】 本発明の実施の形態１における半導体発光素子の変形例の断面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態２における半導体発光素子を示す断面図である。
【図１１】 本発明の実施の形態２における半導体発光素子の特徴的な工程を示す斜視図である。
【図１２】 本発明の実施の形態３における半導体発光素子を示す断面図である。
【図１３】 本発明の実施の形態３における半導体発光素子の特徴的な第１工程を示す斜視図である。
【図１４】 本発明の実施の形態３における半導体発光素子の特徴的な第２工程を示す斜視図である。
【図１５】 本発明の実施の形態３における半導体発光素子の特徴的な第３工程を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板、２ 第１のクラッド層、３ 発光層、４ キャリアブロック層、５ 第２のクラッド層、６ 溝、７ 主面、１０ 中間層、１１ 三角柱状結晶、１２ 連続膜、１５ 電極、１６ ボンディング電極、１７ 透明電極、１８ 絶縁膜、１９ 第１マスク、２０ 第２マスク、２１ （１１１）フアセット面、２２ （１−１０１）フアセット面、２３ 転位層、２４ オーバーエッチング部、２５ （１−１０１）面、２６ 第３マスク。

Claims (23)

1. （００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した主面を有するシリコン基板と、
   前記シリコン基板に形成され、前記シリコン基板の主面より６２度傾斜した（１１１）ファセット面かもしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた第１の斜面および前記第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する溝と、
   前記第１の斜面上に形成され、（１−１０１）ファセット面を成長面とする窒化物半導体層と、
   前記シリコン基板の主面上と前記溝の第２の斜面上とに選択的に形成され、前記窒化物半導体層の成長を抑制する成長抑制層と、
   前記窒化物半導体層の前記成長面に向かって転位が延びることを抑制する転位抑制部と、
   を備えることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記転位抑制部は、前記成長面に向かって延びる転位を横断する位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記成長抑制層の一部で前記転位抑制部を構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記転位抑制部は、前記溝上に突出していることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
5. 前記第１の斜面は、前記転位抑制部における前記溝上の端部から、前記第１の斜面に対し垂直方向に１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の位置に形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体発光素子。
6. 前記転位抑制部は、窒化物半導体層の内部に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体発光素子。
7. 前記シリコン基板上に複数の前記溝が形成され、前記窒化物半導体層は前記複数の溝部より成長した三角柱状結晶が合体して形成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
8. 前記窒化物半導体層は、第１クラッド層，活性層，第２クラッド層を含んでおり、前記第１および第２クラッド層は、Ａｌを含有する窒化物半導体で構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体発光素子。
9. 前記活性層は、前記基板の主面に略一致した面方位をもつことを特徴とする請求項８に記載の半導体発光素子。
10. 前記活性層は、（１−１０１）面を面方位として有することを特徴とする請求項８または９に記載の半導体発光素子。
11. 前記窒化物半導体層の＜０００１＞方向は、前記第１の斜面に略垂直であることを特徴とする、請求項８から１０のいずれかに記載の半導体発光素子。
12. 前記溝は、前記活性層を構成する窒化物半導体の［１１−２０］方向に沿って延伸することを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の半導体発光素子。
13. （００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した主面を有するシリコン基板の前記主面上に、選択的に第１マスクを形成する工程と、
    前記第１マスクを用いて、前記シリコン基板の主面から６２度傾斜した（１１１）ファセット面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた第１の斜面および前記第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する溝を形成する工程と、
    前記溝の第１の斜面を後退させて前記第１マスクを前記溝上に突出させる工程と、
    前記第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する工程と、
    前記第２マスクで覆われていない前記第１の斜面上に窒化物半導体を結晶成長し、化合物半導体層を形成する工程と、
    該化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する工程と、
    を備えた半導体発光素子の製造方法。
14. （００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した面もしくはこの面から任意の方向に３度以内傾けた範囲内にある面で構成される主面を有するシリコン基板の前記主面上に、選択的に第１マスクを形成する工程と、
    前記第１マスクを用いて、前記シリコン基板の主面に、前記シリコン基板の主面より６２度傾斜した（１１１）面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面である第１の斜面および前記第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する溝を形成する工程と、
    前記溝の第１の斜面を後退させて前記第１マスクを前記溝上に突出させる工程と、
    前記第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する工程と、
    前記第２マスクで覆われていない前記第１の斜面上に窒化物半導体を結晶成長し、化合物半導体層を形成する工程と、
    該化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する工程と、
    を備えた半導体発光素子の製造方法。
15. 前記第２マスクは、前記第１の斜面以外の前記基板の表面の少なくとも一部に形成され、窒化物半導体の成長を抑制する、請求項１３または１４に記載の半導体発光素子の製造方法。
16. 前記溝は前記基板上に複数設けられ、
    前記各溝の第１の斜面上に形成された化合物半導体層を合体させる、請求項１３から１５のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
17. 前記化合物半導体層形成後に、前記シリコン基板を除去する工程を備える、請求項１３から１６のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
18. 前記化合物半導体層の＜０００１＞方向が前記第１の斜面に略垂直であるように前記化合物半導体層が結晶成長する、請求項１３から１７のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
19. 前記第１および第２クラッド層を、Ａｌを含有する窒化物半導体で構成する、請求項１３から１８のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
20. 前記活性層は、前記シリコン基板の主面に略一致した面方位をもって結晶成長する、請求項１３から１９のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
21. 前記活性層は、（１−１０１）面を面方位として有する、請求項１３から２０のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
22. （００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した主面を有するシリコン基板の前記主面上に、選択的に第１マスクを形成する工程と、
    前記第１マスクを用いて、前記シリコン基板の主面から６２度傾斜した（１１１）ファセット面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた第１の斜面および前記第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する複数の溝を形成する工程と、
    各々の前記溝の第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する工程と、
    前記第２マスクで覆われていない各々の前記溝の第１の斜面上に窒化物半導体をそれぞれ結晶成長させ、該窒化物半導体を合体させて化合物半導体層を形成する工程と、
    前記化合物半導体層上に、該化合物半導体層表面に達する転位層を覆うように選択的に第３マスクを形成する工程と、
    前記第３マスク形成後に前記化合物半導体層を成長させる工程と、
    前記化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する工程と、
    を備えた半導体発光素子の製造方法。
23. （００１）面から［０−１−１］方向に７．３度回転した面もしくはこの面から任意の方向に３度以内傾けた範囲内にある面で構成される主面を有するシリコン基板の前記主面上に、選択的に第１マスクを形成する工程と、
    前記第１マスクを用いて、前記シリコン基板の主面に、前記シリコン基板の主面より６ ２度傾斜した（１１１）面もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面である第１の斜面および前記第１の斜面とは異なる第２の斜面を有する複数の溝を形成する工程と、
    各々の前記溝の前記第２の斜面上に選択的に第２マスクを形成する工程と、
    前記第２マスクで覆われていない各々の前記溝の前記第１の斜面上に窒化物半導体を結晶成長させ、該窒化物半導体を合体させて化合物半導体層を形成する工程と、
    前記化合物半導体層上に、該化合物半導体層表面に達する転位層を覆うように選択的に第３マスクを形成する工程と、
    前記第３マスク形成後に前記化合物半導体層を成長させる工程と、
    前記化合物半導体層上に、窒化物半導体で構成される、第１クラッド層、活性層および第２クラッド層を順に積層する工程と、
    を備えた半導体発光素子の製造方法。

Images