JP4199599B2

JP4199599B2 - ３−５族化合物半導体の製造方法

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Publication number: JP4199599B2
Application number: JP2003158396A
Authority: JP
Inventors: 和政平松; 秀人三宅; 泰家近; 尚良前田; 良彦土田
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP2004363251A

Description

【０００１】
【特許文献１】
特開２００２−１７０７７８号公報
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）系３−５族化合物半導体及びその製造方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
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ＧａＮ系３−５族化合物半導体は、３族元素の組成を変えることにより直接型のバンドギャップエネルギーを調整して、紫外から赤色の波長の光エネルギーに対応させることができるため、紫外から可視領域にわたる高効率の発光素子用材料として利用可能である。また、これまで一般に用いられているＳｉあるいはＧａＡｓなどの半導体に比べて大きなバンドギャップを持つため、従来の半導体では動作できないような高温においても半導体としての特性を有することを利用して、耐環境性に優れた電子素子の作製が原理的に可能である。
【０００４】
しかし、上述したＧａＮ系３−５族化合物半導体は、融点付近での蒸気圧が非常に高いため、大きな結晶を成長することが非常に難しく、半導体素子作製のための基板として用いることができるような実用的な大きさの結晶が得られていない。このため、該化合物半導体の作製には、サファイア、ＳｉＣ等、該化合物半導体と類似の結晶構造を有し、大きな結晶が作製可能な材料を基板として、この上に所要の単結晶薄膜層をエピタキシャル成長させるのが一般的である。現在、このような方法を用いることによって、比較的良質な該化合物半導体の結晶が得られるようになっているが、この場合でも、基板材料と該化合物半導体の格子定数、あるいは熱膨張係数の差に由来する結晶欠陥を低減することが難しく、１０⁸ｃｍ^-2程度、あるいはそれ以上の欠陥密度を有するのが一般的である。
【０００５】
この問題を解決するため、従来においては、欠陥密度が高い化合物半導体（以下、下地結晶と称することがある）上を微細な開口部を残してＳｉＯ₂などのマスクパターンで覆い、この上に結晶成長を行うことにより結晶欠陥の少ない所要の化合物半導体を成長させるようにした、所謂選択横方向成長（ＥＬＯ）によって転位密度の低減を図ろうとする方法（特許文献１）、サファイア等の基板上にストライブ状にマスクを形成し、基板表面をマスク間に形成される微細開口から覗かせるようにした状態で結晶を成長させるようにした方法、あるいは、サファイア基板上に形成された欠陥密度の高い化合物半導体層を部分的にエッチングした後、その上に所要の化合物半導体を再成長させるようにした方法等が公知である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち、選択横方向成長による方法は、パターンによって形成された開口部に選択成長した結晶がパターン上にも広がり、パターンの埋め込みが生じた直後は再成長による結晶表面には凹凸が残るものの、さらに結晶成長を進めることでやがて再成長表面の凹凸が小さくなり、最終的には欠陥密度の低い平坦な結晶表面を得ることができるというものである。
【０００７】
例えば、特許文献１には、この問題を解決する方法として、該化合物半導体をパターン上に空隙を有するように成長し、このパターンの開口部より成長した成長層中の貫通転位がこの空隙により終端されるようにし、これにより低転位密度化を図る方法が開示されている。
【０００８】
しかしながら、この提案された方法によっても、窓部の中央における転位を完全に終端させるのは難しい。このため、パターンによる窓部の上方にその長手方向に沿って転位欠陥が点在することとなり、結晶欠陥の低減化が未だ充分でない。
【０００９】
本発明は、従来技術における上述の問題点を解決することができる３−５族化合物半導体とその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、このような状況に鑑み鋭意検討を行った結果、離散した突起部を有する所要の３−５族化合物半導体を基板上に設け、この突起部を種結晶として該３−５族化合物半導体を横方向成長させることにより結晶欠陥を低減しうることのみならず平坦な結晶表面を形成できることを見い出し、これに基づいて本発明をなすに至ったものである。
【００１１】
請求項１の発明によれば、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３−５族化合物半導体を製造する方法において、複数の突起状３−５族化合物半導体を離散させて形成する第１の工程と、前記複数の突起状３−５族化合物半導体をそれぞれ種結晶として３−５族化合物半導体を横方向成長させて平坦な結晶表面を形成する第２の工程とを有し、前記複数の突起状３−５族化合物半導体が下地結晶表面にストライプ状のマスクパターンを形成して、３−５族化合物半導体を成長することにより形成され、前記ストライプ状のマスクパターンは、トライプ幅がストライプ方向に対して周期的に変化する形状であることを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記ストライプ状のマスクパターンのストライプ方向が、前記第１の工程で形成された３−５族化合物半導体の＜１−１００＞方向であることを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法が提案される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態の一例を説明するための工程図である。先ず、図１（Ａ）に示されるように下地結晶１を用意し、下地結晶１の表面１Ａ上にＲＦスパッタ法等によりＳｉＯ₂やＴｉ、Ｗなどの金属層を堆積させ、マスク層２として適宜の厚さに形成した後、フォトリソグラフィにより複数の窓部２Ａをスリットの形状に形成する（図１（Ｂ））。これらの窓部２Ａは、幅５μｍ程度のストライプ状のパターンをもって形成されている。
【００１８】
この例では該化合物半導体の下地結晶の上にマスクパターンを形成しているが、下地結晶としてサファイアやＳｉＣなどの基板を用い、この上に直接マスクパターンを形成してもよい。
【００１９】
窓部２Ａは、図２から判るように、ストライプ状ではあるが、その縁が波状に湾曲しており、窓部２Ａは幅の広い部分と狭い部分とがストライプの長手方向に沿って周期的に表われるパターンとなっている。
【００２０】
図１に戻ると、マスク層２及び窓部２Ａを形成した後、図１の（Ｃ）に示されるように、第１の３−５族化合物半導体層３を形成する。第１の３−５族化合物半導体層３の特徴は、複数の突起状部３Ａが離散して形成されていることである。これらの突起状部３Ａもまた、該３−５族化合物半導体から成っているもので、図１の（Ｂ）の工程が終了した後、一般式Ｉｎ_uＧａ_vＡｌ_wＮ（ここで、０≦ｕ≦１、０≦ｖ≦１、０≦ｗ≦１、ｕ＋ｖ＋ｗ＝１）で表されるＧａＮ系の３−５族化合物半導体をハイドライド気相成長法（以下、ＨＶＰＥ法と記すことがある）などによって第１の３−５族化合物半導体層３を成層することにより形成される。この詳細については後述する。
【００２１】
なお、下地結晶上に成長する第１の３−５族化合物半導体層３は下地結晶と同じ組成である必要はない。
【００２２】
該化合物半導体の製造に用いることができる方法としては、分子線エピタキシー（以下、ＭＢＥと記すことがある。）法、有機金属気相成長法（以下ＭＯＶＰＥ法と記すことがある）、ＨＶＰＥ法等が挙げられる。ＭＢＥ法は急峻な界面を有する積層構造を作製することに適した方法である点で重要である。ＭＯＶＰＥ法は急峻な界面を有する積層構造を作製するのに適しているのと同時に、大面積にわたり均一な成膜にも適しているため重要である。ＨＶＰＥ法は、不純物の少ない結晶を大きな成膜速度で作製できるため重要である。３−５族化合物半導体層を成長させるのにＨＶＰＥ法を用いると、大きな成長速度が得られるため、短時間で良好な結晶を得ることができる。
【００２３】
ＨＶＰＥ法においては、原料のキャリアガスとして、水素、窒素等の従来より用いられているガスを単独で、あるいは混合して用いることができる。
【００２４】
以上のようにして、第１の３−５族化合物半導体層３を形成すると、図１の（Ｃ）に示されるように、窓部２Ａ内での３−５族化合物半導体の成長が他の場所に比べて早く、突起状部３Ａが複数形成されることになる。本実施の形態の場合、窓部２Ａの形状が上述のようにその幅の寸法を周期的に変化させているので、突起状部３Ａはその幅の広い部分に対応して離散的に形成される（図２参照）。
【００２５】
第１の３−５族化合物半導体層３の形成後、その上に第２の３−５族化合物半導体層４を成長させる。ここでは、結晶成長が横方向成長となるように成長条件を制御し、これにより第２の３−５族化合物半導体層４における転位密度の改善を図るようにしている。
【００２６】
すなわち、第１の３−５族化合物半導体層３の突起状部３Ａを種結晶として第２の３−５族化合物半導体を横方向成長により形成しているため、横方向成長した部分の結晶の方位は種結晶の結晶方位によって決定される。つまり横方向成長した部分の結晶性はその下の基板あるいは第１の３−５族化合物半導体層３の結晶性には影響を受けない。したがって横方向成長した部分の転位密度は大幅に低減されることになる。
【００２７】
なお、この第２の３−５族化合物半導体層４の組成は第１の３−５族化合物半導体層３の組成と同一である必要はない。また、第１の化合物半導体層３が下地結晶１の上に形成されている場合、第２の３−５族化合物半導体層４の組成は下地結晶１と同一である必要もない。さらに第１の３−５族化合物半導体層３も、第２の３−５族化合物半導体層４も、組成が均一である必要はなく空間的に組成の異なる部分があってもよいし、組成が膜厚方向に沿って徐々に変化してもよい。
【００２８】
なお、突起状部３Ａに存在する貫通転位はその頂上から略上方へ延びることになる。この結果、第２の３−５族化合物半導体層４において受け継がれた貫通転位が第２の３−５族化合物半導体層４の表面にまで延びるとしても、各突起状部３Ａの頂部に対応する領域に収束する傾向を有する。このため、第２の３−５族化合物半導体層４の表面における欠陥密度を従来に比べてより一層低減させることができる。
【００２９】
このことを図３及び図４を参照して説明する。図３（Ａ）、（Ｂ）はいずれも図２のＡ−Ａ線断面図であり、図３（Ａ）は第１の３−５族化合物半導体層３の層を成長させ、これにより突起状部３Ａが形成された状態の図で、図３（Ｂ）は突起状部３Ａを有する第１の３−５族化合物半導体層３の上に第２の３−５族化合物半導体層４をさらに成長させた場合の図である。図３（Ａ）、（Ｂ）において太線で示されているのは貫通転位であり、第２の３−５族化合物半導体層４においては、突起状部３Ａの部分のみにおいて受け継がれて上方に延びている。
【００３０】
一方、図４の（Ａ）、（Ｂ）はいずれも図２のＢ−Ｂ線断面図であり、これらの各図においても、太線で示されているのは貫通転位であり、第２の３−５族化合物半導体層４においては、突起状部３Ａの部分のみにおいて受け継がれて上方に延びている。
【００３１】
図３及び図４から判るように、第２の３−５族化合物半導体層４内においては、突起状部３Ａのために貫通転位は突起状部３Ａの上方にのみ集中するようになる。
【００３２】
なお、マスクパターンの形状は、図２に示したものに限定されるものではなく、例えば、図５〜図７に示した形状のマスクパターンを用いても突起状部３Ａを形成することができる。いずれのマスクパターンにおいても、窓部２Ａの寸法幅が大きくなっている領域に種結晶となる突起状部３Ａが形成されることになる。
【００３３】
ストライプ状マスクパターンを用いる場合、その方向が＜１−１００＞付近であるのが好ましい。横方向成長を比較的容易に行うことができるからである。
【００３４】
本発明は、このように、離散した突起部を有する所要の３−５族化合物半導体を基板上に設け、この突起部を種結晶として該３−５族化合物半導体を横方向成長させることにより平坦な結晶表面を形成するようにしたことを特徴とするものである。突起状部３Ａの形成方法は上記実施の形態において説明した方法に限定されるものではない。他の方法として、平坦な該化合物半導体を選択的にエッチングして突起状部分を残す方法、または、平坦な該化合物半導体上あるいはサファイア、ＳｉＣ等の基板上に、突起状部を形成しようとする部分にのみ開口部を有するマスクパターンを形成し、これを用いて選択成長を行い、突起状部分を形成する方法等を採用することもできる。
【００３５】
また、サファイア、ＳｉＣ等の基板にあらかじめ、形成しようとする突起状部に対応する凹凸を形成しておき、その上に該化合物半導体を成長してもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、第２の３−５族化合物半導体層において受け継がれた貫通転位が第２の３−５族化合物半導体層の表面にまで延びるとしても、その表面での転位の終端位置は各突起状部の頂部に対応する領域に収束する傾向となるので、第２の３−５族化合物半導体層の表面における欠陥密度を従来に比べてより一層低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を説明するための製造工程図。
【図２】図１の製造工程の途中の状態を説明するための説明図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ線断面図。
【図５】突起状部を形成するためのマスクパターンの他の例を示す図。
【図６】突起状部を形成するためのマスクパターンの別の例を示す図。
【図７】突起状部を形成するためのマスクパターンのさらに別の例を示す図。
【符号の説明】
１下地結晶
２マスク層
２Ａ窓部
３第１の３−５族化合物半導体層
３Ａ突起状部
４第２の３−５族化合物半導体層

Claims

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３−５族化合物半導体を製造する方法において、
複数の突起状３−５族化合物半導体を離散させて形成する第１の工程と、
前記複数の突起状３−５族化合物半導体をそれぞれ種結晶として３−５族化合物半導体を横方向成長させて平坦な結晶表面を形成する第２の工程と
を有し、
前記複数の突起状３−５族化合物半導体が下地結晶表面にストライプ状のマスクパターンを形成して、３−５族化合物半導体を成長することにより形成され、
前記ストライプ状のマスクパターンは、ストライプ幅がストライプ方向に対して周期的に変化する形状である
ことを特徴とする３−５族化合物半導体の製造方法。
前記ストライプ状のマスクパターンのストライプ方向が、前記第１の工程で形成された３−５族化合物半導体の＜１−１００＞方向であることを特徴とする請求項１記載の３−５族化合物半導体の製造方法。