JP4255937B2 - 半導体素子 - Google Patents
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Jpn.J.Appl.Phys.35L74(1996) Jpn.J.Appl.Phys.36L1059(1997)) Jpn.J.Appl.Phys.36 L899(1997) J.Appl.Phys.71,2638(1997)) J. Crystal Growth,vol.189-190 p.820-5(1998)
このように、c軸結晶方位にずれが生じるのは、GaNがSiO2 マスク上を横方向成長する際に、SiO2マスク層上では、開口部に比べ結晶成長の方向にずれが生じるためである。
しかしながら、このSiO2マスク層は、基板側から貫通する転位を除去する作用を得るものであることから、このマスク層の排除は、欠陥密度の低減化が図れないことになるという矛盾を有する。
そして、本発明による半導体素子は、選択成長埋込み半導体層自体にあるいはこの上に形成した半導体層の低欠陥密度領域に半導体素子本体、すなわち活性領域(動作領域)を構成することによって特性にすぐれた各種半導体素子を構成することができるものである。
図1は、本発明素子を構成する半導体薄膜40の一例の概略断面図を示す。
この場合、複数のファセット1が配列された例えばGaとN(窒素)とを含むIII族ナイトライド化合物半導体による下地半導体層2と、この下地半導体層2を覆う例えば同様に、GaとNとを含むIII族ナイトライド化合物半導体による選択成長埋込み半導体層3とを有し、そのファセット1が、下地半導体層2の配置面A−A´に対して傾斜する面によって形成された構成を有する。
これによって、下地半導体層2上を覆って形成された選択成長埋込み半導体層3には、貫通転位dの会合部においては、貫通転位密度が大なる高欠陥密度領域4が形成されるが、これ以外においては、貫通転位の発生が回避された低欠陥密度領域5が形成される。
また、本発明による半導体素子の他の実施形態は、例えば図5〜図8で示した半導体薄膜の化合物半導体層8の低欠陥密度領域5に半導体素子の少なくとも活性領域、すなわち結晶欠陥によって影響を受ける動作領域を形成した構成とする。
尚、図2〜図8において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
続いて、反応性イオンエッチング(RIE)によってマスク9の開口部9w内を選択的にエッチングする。このとき、SiO2層によるマスク9も多少エッチングされることによって、図9Cに示すように、開口9wの幅が広げられるとともに、下地半導体層2に対してもエッチングがなされて断面例えばほぼV字状の溝10が形成される。
このようにして清浄化され、ファセット1が配列形成された下地半導体層2上に、例えばMOCVD法により、高品質なGaNをエピタキシャル成長する。このとき、この成長は、ファセット1から横方向にすなわち<11−20>方向に沿ってすなわち下地半導体層2の配置面に沿う方向に横方向に選択的成長がなされる。この成長を持続させることによって相対するファセット1からの成長が突き当って、溝10内が埋め込まれるが、この成長を更に持続すると下地半導体層2の配置面に対し交叉し、この配置面とほぼ垂直方向へと成長がなされて、下地半導体層2を全体的に覆ってGaNによる表面が平坦化された選択成長埋込み半導体層3が成長形成される。このときの気相成長は、例えば、基板温度を1050℃とし、原料ガスとしてアンモニアガスとトリメチルガリウムガスを用いる。具体的には、例えば、10リットル/分という多めの流量でアンモニアガスを流しながら、成長速度が毎時4μm程度となるようにトリメチルガリウムガスを供給し、常圧下において反応させる。
このようにして形成した選択成長埋込み半導体層3を、透過電子顕微鏡によって観察したところ、ファセット1の面で下地半導体層2に存在する転位dが、このファセット1で屈曲することが確認された。したがって、下地半導体層2においてc軸方向にほぼ垂直に貫通する転位dが、エッチングによる溝10の側面による人為的に形成した擬似ファセットによるファセット1で屈曲し、下地半導体層2の配置面、すなわち基板6の板面にほぼ沿う水平方向に走り、上部には貫通しない。そして、相対するファセット1からそれぞれ成長してその成長が突き当たったところで、相対するファセット1から貫通転位dが会合し、下地半導体層2の配置面と交叉する方向すなわち積層方向に、一部の貫通転位が屈曲して上方に延びて行くことによって選択成長埋込み半導体層3における欠陥密度は、1×107/cm2 に減少する。
この例においても、例えばC面サファイア基板1を用意し、例えばMOCVD法により、主面6a上に例えば厚さ30nmのGaNよりなるバッファ層7を形成する。このときの図11Aに示すように、基板温度は例えば520℃とし、原料ガスはトリメチルガリウムガス((CH3)3 Ga)とアンモニアガス(NH3 )を用いる。次いで、バッファ層7の上に、例えばMOCVD法により、同様にしてGaNよりなる下地層12を基板温度例えば1050℃で2μmの厚さに平坦に形成する。
この場合、半導体薄膜40の製造方法は、例えば図11および図12で説明した方法を採ることができ、また半導体レーザー本体およびその製造方法は、図13で説明したと同様の構成および製造方法を採ることができる。
図14において、図3、図7および図13と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
Claims (8)
- 基板上に形成された半導体層をエッチングしてなる複数の擬似ファセットが配列された下地半導体層と、
前記下地半導体層を覆う選択成長埋込み半導体層と、
前記選択成長埋込み半導体層上に形成された半導体素子本体と、を有し、
前記擬似ファセットは、前記下地半導体層の配置面に対して傾斜する面によって形成され、
前記選択成長埋込み半導体層中の貫通転位が、前記下地半導体層の擬似ファセットから前記下地半導体層の前記配置面にほぼ沿う方向に屈曲伸長され、
前記下地半導体層と前記選択成長埋込み半導体層との結晶方位のずれが0.1°以下とされた
ことを特徴とする半導体素子。 - 前記選択成長埋込み半導体層中の貫通転位は、相対する擬似ファセットからの貫通転位と会合して、前記配置面と交叉する方向に屈曲伸長して形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 基板上に、前記下地半導体層と、前記選択成長埋込み半導体層とを介して、ガリウム(Ga)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)およびインジウム(In)からなる群のうち少なくとも1種のIII族元素と窒素(N)とを含むIII族ナイトライド化合物半導体層が形成されて成ることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記選択成長埋込み半導体層が、ガリウムと窒素とを含むIII族ナイトライド化合物半導体よりなることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子。
- 前記基板が、サファイアよりなることを特徴とする請求項3記載の半導体素子。
- 前記基板が、炭化珪素(SiC)よりなることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。
- 前記基板が、単結晶のガリウムナイトライドよりなることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。
- 前記下地半導体層が、前記基板上に直接形成されて成ることを特徴とする請求項3に記載の半導体素子。
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