JP4651161B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般式InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される化合物半導体を使用した半導体素子およびその製造方法に関し、特に発光ダイオ−ド等の発光素子を複数個シリコン基板上に形成した集積型光半導体素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
式InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物系半導体は、紫外線から黄色領域にわたる発光素子や光検知器などの光デバイスに用いられている。この材料による青色発光ダイオードあるいは緑色発光ダイオードを用いるフラットパネルディスプレイは、あらかじめ個別に作製された素子を他の適当な構造物上に複数個を並べることによって作製されている。発光ダイオ−ド、レ−ザダイオ−ド、あるいは紫外線検出器などは、通常、サファイヤ基板上に形成された上記化合物半導体からなる、組成が異なる(x、y、zの値が異なる)複数の薄膜の積層構造を有している。これまで実用化された素子はすべて個別素子である。そのような個別素子は、たとえば、大きなサファイヤ基板上に作製したダイオ−ドを所要の大きさに切断し、電極を設けるなどのプロセスを経て得られる。これまで上記一般式を有する化合物半導体がサファイヤ基板上に形成されてきたのは、適当な基板が他に見つからなかったためである。
【0003】
シリコンを用いた半導体集積回路は単一基板上に複数の素子をモノリシックに集積して搭載し、その特性を向上させていることは周知の事実である。シリコン基板上に化合物半導体を結晶成長させ、光素子を作製することができると、光通信等の光技術の高度化に貢献することが期待されている。このような技術の確立の試みは古くから行われているが成功した実例は見あたらない。その主な理由は、光半導体として多用される化合物半導体とシリコンは、格子定数や物性が大きく異なり、シリコン基板上で実用に耐えうる良質な化合物半導体結晶を得る方法が見出されていないことである。たとえば、シリコン基板上に成長させたGaAsはクラックが入り素子作製に適さない。
【0004】
式InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物系半導体に関し、基板の主表面を適当なマスクで部分的に覆い、マスクで覆われていない基板の微小な領域に選択的にクラックを含まない良質な結晶を作製することができる。臨界膜厚(通常は0.5ミクロン程度)以上の厚さで窒化物半導体層を形成する場合、微小領域の大きさが100ミクロンないし200ミクロン以下であれば、クラックが発生しにくいが、それを超えるとクラックが発生する。また、上記式で表される化合物半導体の結晶成長において、緩衝層を使用すれば、基板との格子定数の整合などの制約条件が大幅に緩和され、得られる結晶の品質が向上する。たとえば、格子欠陥密度が1ないし2桁減少する。このように格子欠陥の少ない窒化物系半導体からなる微細なダイオードを単一基板上に並べることができれば、集積型のダイオードアレイを実現することが可能になる。しかし、そのようなダイオード配列を実現した例は無い。微細で良質な単結晶の配列を単一基板上に作製する方法は見出されていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの目的は、シリコン基板上に形成された良質の窒化物結晶からなる半導体素子を提供することである。
【0006】
本発明のもう一つの目的は、シリコン基板上に良質の窒化物半導体結晶を形成できる新規な方法を提供することである。
【0007】
本発明のさらなる目的は、結晶方位と大きさの定まった窒化物半導体単結晶をシリコン基板上に選択的にエピタキシャル成長させることができる方法を提供することである。
【0008】
本発明のさらなる目的は、複数の窒化物半導体素子がシリコン基板上に配列された、光素子として利用可能なダイオードアレイを提供することである。
【0009】
本発明のさらなる目的は、所定のパターンで複数の窒化物半導体素子がシリコン基板上に配列した装置の製造方法を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明により半導体素子が提供され、該素子は、孔および溝よりなる群から選ばれた構造が形成されているシリコン単結晶と、該構造に形成されている半導体層とを備える。そこにおいて、該構造は、シリコン単結晶の主面と異なる斜面を有しており、該斜面には、主表面に現れる結晶面と異なる結晶面が現れており、半導体層は、該斜面上に形成されており、かつ式InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物の結晶からなる。
【0011】
本発明による素子において、孔または溝はシリコン単結晶のエッチングにより形成されたものとすることができる。典型的に、孔または溝の斜面にはエッチングによるファセット面が現れている。
【0012】
本発明の好ましい態様において、シリコン単結晶の主表面には(001)面が現れており、かつ該斜面にはシリコン単結晶の(111)面が現れている。窒化物の結晶のc軸は、該斜面に略垂直に配向していることが好ましい。
【0013】
本発明による素子において、シリコン単結晶に形成された孔は角錐状とすることができる。好ましくは、方形の開口を有する角錐状の孔を形成することができ、かつ該方形の一辺は、シリコン単結晶の<110>軸に略平行であることが好ましい。
【0014】
本発明による素子において、シリコン単結晶に形成された溝はV字形状とすることができる。V字形状の溝(V溝)の開口の幅方向は、シリコン単結晶の<110>軸に略平行であることが好ましい。
【0015】
本発明による素子において、シリコン単結晶は、平坦な底面を有する孔または溝を有してもよい。そのような孔または溝の斜面に半導体層を設けることができる。
【0016】
典型的に、半導体層はpn接合を有し、かつ半導体層は発光素子または光検知素子として動作するものである。また、本発明による素子は、半導体層に接合する金属層を備えることができる。典型的に、金属層に接合する半導体層は光検知素子として動作することができる。
【0017】
本発明による素子において、半導体層のファセット面とシリコン単結晶の主表面とのなす角度は0〜10°とすることができる。そのようなファセット面は、光の窓として利用することができる。
【0018】
本発明において、孔または溝は、シリコン単結晶に複数形成することができ、それぞれの孔または溝に半導体層を形成することができる。
【0019】
本発明により、シリコン単結晶およびその上に形成された窒化物半導体を備える半導体素子の製造方法が提供され、該製造方法は、シリコン単結晶において、シリコン単結晶の主表面に現れる結晶面とは異なる結晶面を露出させる工程、および露出させられた結晶面上に、式InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物半導体の結晶をエピタキシャル成長させる工程を備える。
【0020】
本発明による製造方法において、露出工程は、シリコン単結晶をマスク材料で部分的に覆う工程、および該マスク材料で覆われていないシリコン単結晶の部分をエッチングする工程を備える。典型的に、露出させられた結晶面はエッチングにより現れたファセット面である。
【0021】
本発明の好ましい態様において、シリコン単結晶の主表面には(001)面が現れており、かつ露出させられた結晶面は(111)面である。
【0022】
該マスク材料で覆われていないシリコン単結晶の部分は、方形の表面を有する領域とすることができる。該方形の一辺は、シリコン単結晶の<110>軸に平行であることが好ましい。この場合、エッチング工程において孔を形成することができる。
【0023】
該マスク材料で覆われていないシリコン単結晶の部分は、円形の表面を有する領域とすることができ、エッチング工程において孔を形成することができる。
【0024】
該マスク材料で覆われていない半導体シリコン単結晶の部分は、帯状の表面を有する領域としてもよい。帯状の表面の幅方向は、シリコン単結晶の<110>軸に平行であることが好ましい。この場合、エッチング工程において溝を形成することができる。
【0025】
本発明による製造方法において、マスクで覆われていないシリコン単結晶の部分は、互いに隔てられて複数設けることができる。たとえば、マスクで覆われていない複数の部分は、マトリクス状またはストライプ状に配置される。マスクで覆われていない複数の部分をエッチングし、それぞれの部分で露出させられた結晶面上に異なる窒化物半導体の結晶を成長させて、異なる半導体素子を製造することができる。
【0026】
本発明による製造方法において、マスク材料は、エッチングならびに窒化物半導体の成長温度および成長雰囲気に耐える材料であることが好ましい。さらに、該マスク材料は、その上での窒化物半導体結晶の成長が阻害されるような材料であることが好ましい。たとえば、該マスク材料は、タングステンを含む高融点金属類、タングステン化合物を含む高融点金属の化合物類、ならびにシリコン窒化物およびシリコン酸化物を含む無機絶縁材料よりなる群から選ばれる。
【0027】
【発明の実施の形態】
図1に本発明による半導体素子の一例を示す。半導体素子10は、シリコン単結晶基板11、その上の形成された窒化物半導体層12を有する。典型的に、半導体素子10は一対の電極13aおよび13bを有する。電極13aは層12上に形成され、電極13bは基板11の裏面に形成されている。半導体層12は、基板11に形成された孔または溝の構造14内に設けられている。構造14が孔である場合、該孔は図2に示すような角錐形とすることができる。図2に示す孔24aは、方形、好ましくは正方形の開口25を有する。一方、構造14が溝である場合、該溝は図3に示すようなV溝とすることができる。いずれの場合でも、構造14は、基板11の主面11aと異なる斜面11bを有する。典型的に、半導体層12は一対の斜面11b上に形成されている。斜面11bには、基板11の主表面11aに現れている結晶面と異なる結晶面が現れている。たとえば、主表面11aに現れる結晶面が(001)面のとき、斜面11bに現れる好ましい結晶面は(111)面である。
【0028】
図4に本発明による半導体素子のもう一つの例を示す。半導体素子40は、シリコン単結晶基板41、その上の形成された窒化物半導体層42を有する。半導体層42上に電極43aが形成され、基板41の裏面に電極43bが形成されている。半導体層42は、基板41に形成された孔または溝の構造44内に設けられている。構造44は、底部に平らな部分(テラス部)を有する。構造44が孔である場合、該孔は、たとえば、図5に示すような角錐台とすることができる。図5に示す孔54は、方形、好ましくは正方形の開口55を有する。一方、構造44が溝である場合、該溝は図6に示すように底部に平坦な面を有するものとすることができる。いずれの場合でも、構造44は、基板41の主面41aと異なる斜面41bを有する。半導体層42は斜面41b上に形成されている。斜面41bには、基板41の主表面41aに現れている結晶面と異なる結晶面が現れている。たとえば、主表面41aに現れる結晶面が(001)面のとき、斜面41bに現れる好ましい結晶面は(111)面である。
【0029】
本発明による素子は、たとえば、図7に示すようなプロセスを使用して製造することができる。シリコン単結晶基板71を準備し(図7(a))、その主表面71aをマスク材料72で覆う(図7(b))。マスク材料72は、スパッタリング、CVD等によって形成できる。次いで、リソグラフィー法を用いてマスク材料72をパターニングし、開口73を形成する(図7(c))。次いでエッチング等により、基板71に孔または溝74を形成する(図7(d))。このとき、孔または溝74を構成する面75に、基板71の主表面71aに現れる結晶面とは異なる結晶面を露出させる。たとえば、主表面71aに現れる結晶面が(001)面であるとき、面75に(111)面を露出させることが好ましい。次いで、面75に露出させた結晶面上で、窒化物半導体の結晶をエピタキシャル成長させ、半導体層76を得る(図7(e))。
【0030】
素子のための電極は、たとえば図8に示すように形成することができる。図8(a)に示すようなシリコン単結晶基板81上にマスク材料82を有する構造物に対し、エッチングを行いマスク材料82を除去する(図8(b))。次いで、基板81上に形成された窒化物半導体層86上に電極83を形成する(図8(c))。さらに基板81の裏面に電極84を形成する(図8(d))。
【0031】
また、図9に示すように電極を形成してもよい。シリコン単結晶基板91がマスク材料92で覆われた状態(図9(a))のまま、基板91上に形成された窒化物半導体層96上に電極93を形成する(図9(b))。次いで、電極93をマスク材料92と異なるマスク材料97で覆う(図9(c))。たとえば、マスク材料92を窒化シリコン、酸化シリコン等の無機材料とし、マスク材料97をレジスト樹脂等の有機材料とすることができる。そして、先にマスク材料92を選択的に除去した後、電極を損傷しない試薬または処理を使用してマスク材料97を除去し、電極を93を露出させる(図9(d))。次いで、基板91の裏面に電極94を形成する(図9(e))。
【0032】
図8および図9に示すプロセスでは、マスク材料を除去したが、これを部分的に残して、他の工程、たとえば、電極用絶縁分離窒化物半導体素子の近くに回路を形成する工程に使用してもよい。
【0033】
本発明において、窒化物半導体層は、InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物の結晶からなる。半導体層の組成は、必要とする素子の機能に応じて適宜変えることができる。窒化物半導体層は、発光ダイオード、ダブルヘテロ接合レーザ、特に量子井戸レーザを含む半導体レーザ等の発光素子、光検知素子などを含む種々の素子を形成することができる。
【0034】
本発明により、1つ孔または溝に窒化物半導体層が形成されたデバイスを提供してもよいし、互いに離れた複数の孔または溝にそれぞれ窒化物半導体層が形成されたデバイスを提供してもよい。たとえば、シリコン単結晶上に複数の孔または溝を形成した後、それぞれの孔または溝に窒化物半導体層を形成してもよい。
図10および11は、そのような例を示している。図10に示す装置100において、シリコン単結晶101には、複数の孔104がマトリクス状に配置され、それぞれの孔104に窒化物半導体層102および電極103が配置されている。図11に示す装置110において、シリコン単結晶111には、複数の溝114がストライプ状に配置され、それぞれの溝114に窒化物半導体層112および電極113が配置されている。
【0035】
半導体基板上にダイオードの配列を作製する方法として、一様な化合物半導体薄膜を作製し、そこにダイオードをリソグラフィーなどの方法によって分離する方法があった。これに対し、本発明による方法では、基板上に最初から分離された形でダイオードの配列を作製する。
【0036】
上述したように、本発明では、まず、シリコン基板に主表面(基板面)とは異なる面を形成し、該面上に選択成長により化合物半導体薄膜および素子を形成する。異なる面を形成する工程では、たとえば、シリコン基板上にマスク材料としてシリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜を堆積させ、次いで、該膜に、リソグラフィにより、円形、矩形、あるいは帯状の開口部を形成する。そして、開口部を介して、エッチング等の処理により、たとえば、シリコン基板に、直径150μm以下の円形の開口を有する孔、あるいは1辺が150μm以下の矩形の開口を有する孔、あるいは幅が150μm以下の溝をあける。次いで、形成された孔または溝に、選択的に窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによりダイオードを作製することができる。また、孔または溝を形成する場合、角錐形の孔やV溝を形成できる他、底部に基板面と略平行な面を有する孔または溝を形成できる。典型的には、形成された孔または溝の斜面に窒化物半導体をエピタキシャル成長させることによりダイオードを作製する。ダイオードの大きさおよび配列は、孔あるいは溝の大きさと配列の形態により決定できる。基板上に選択的に窒化物半導体結晶を形成することにより、得られる結晶品質の低下を防ぎ、ダイオードの内部量子効率を上げることができる。
【0037】
本発明において、(111)面以外の結晶面が主表面に現れるシリコン基板を用いることができる。この場合、孔または溝に形成される窒化物半導体結晶のc軸をシリコン基板の主面と異なる方向に配向させることができる。これによって、上記式で表される結晶のc面以外のファセット面(一般的には(1−101)面)がシリコン基板の主表面側に現れる。c面側に電極を形成すれば、c面以外のファセット面を光の窓として利用することができ、光素子において外部量子効率をあげることができる。一方、(111)面が主表面に現れるシリコン基板を用いる場合、上記式で表される化合物半導体のc面は、シリコン基板の主表面側に配向し、この面を光の窓として利用できる。
【0038】
本発明では、特に(001)面が主表面に配向するシリコン基板を好ましく用いることができる。それ以外でも、(011)面、(n11)面(但し、nは1を除く整数)が主表面に配向するシリコン基板を好ましく使用し得る。さらに、シリコン基板の主表面は、これらの結晶面に対し、オフ角度を有していてもよい。以下、(001)面が主表面に配向するシリコン基板を用いてダイオードを調製する例により、本発明をさらに詳細に説明する。
【0039】
ダイオードの製造において、図12に示すように、(001)面が主表面131aに現れるシリコン基板131上にスパッタリングあるいはCVD法により窒化シリコン膜または二酸化シリコン膜132を堆積させる。この膜は、窒化物半導体の選択成長におけるマスク材料として用いられる。マスク材料は、窒化物半導体の結晶成長の温度(通常は1000℃程度)および雰囲気に耐えうるものであればほかの材料でもよい。たとえば、タングステンおよびその化合物などの高融点材料を用いることもできる。膜の厚さは通常1μm以下で十分である。次に、この膜に、フォトリソグラフィーあるいは電子線リソグラフィーなどのリソグラフィー法を使用して、マスク材料に、目的とするダイオードに応じた大きさおよび形を有する孔あるいは溝をあける。たとえば、一辺が20μmの正方形の孔をあける。正方形の辺の方向は、シリコン基板の<110>軸方向にあわせる。この方向あわせは、得るべき窒化物単結晶の結晶方位、およびエッチングにより形成されるファセット面と密接な関係があり重要な要素である。しかし、マスク材料にあけた孔が円形であれば、このような方向について特に留意する必要はない。
【0040】
次に、薬品によるシリコンのエッチングを行う。このエッチングにより、シリコン131の(111)面をファセットとして露出させる。ファセットを得るため、通常はウエットエッチングが用いられる。このエッチングにより、図12に示すように、四つ傾斜面141で規定される角錐形の孔144が形成される。孔144の開口は正方形である。いずれの傾斜面141にも、ファセットである(111)面が現れている。なお、マスク材料に円形の孔をあけた場合でも、正方形を開口とするピラミッド状の孔が同様に得られる。(001)面と(111)面とのなす角度は125.3°である。したがって、シリコン主表面131aと傾斜面141とがなす角度は、ほぼ123.5°である。
【0041】
次に、孔144の傾斜面141上で、窒化物半導体結晶の選択的エピタキシャル成長を行う。そのために、まず、シリコン基板を洗浄し表面の清浄化を行う。このプロセスは、シリコン集積回路作製技術で使われる通常の方法でよい。次にこの基板を窒化物半導体の結晶成長炉に導入する。結晶成長には、選択成長の可能な有機金属気相成長法を用いる。原料としてトリメチルガリウム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアなどが用いられ、成長温度は通常約800℃〜1200℃である。式InxGayAlzNで表される化合物半導体の組成、すなわち、x、y、zの値は上記原料の供給割合で制御する。p型あるいはn型半導体とする場合は、MgあるいはSiを添加するためにそれぞれの別の原料を用意する。
【0042】
シリコン基板上に窒化物半導体結晶を成長させる過程は、典型的なヘテロエピタキシャル成長であり、初期の成長形態の制御が結果を左右する。すなわち、窒物半導体の原料として供給されるアンモニアがシリコンと反応して清浄表面にシリコン窒化膜ができると、窒化物半導体結晶を得ることはできない。シリコン窒化膜ができる前に窒化物半導体結晶ができるようにタイミングを計る必要がある。通常はアンモニアを供給する前にトリメチルアルミニウムを供給すると、アルミニウムの強い反応性によりシリコン基板の最表面がアルミニウムで覆われその後の窒化物半導体単結晶の成長がスムースに行われる。本発明の実現にはこの技術がきわめて重要である。
【0043】
窒化物半導体結晶は通常は六方晶系であるため、(111)面上では六角錐台形状の単結晶を成長させることができる。六角錐台は、窒化物半導体の六つの(1−101)ファセット面を側面とし、(0001)面すなわちc面を頂面とする。六角錐台の側面は、結晶の対称性からシリコンの(111)面とは62°の角度を有し、したがって、シリコンの(001)面とは7.3°の角度を有する。シリコン基板に形成された溝または孔の底は、窒化物半導体で埋め尽くされ、底には、六角錐の形は現れない。二つあるいは四つのシリコン(111)ファセット面上にできた窒化物半導体の六角錐台が、底で合体するためである。
【0044】
最終的に、図13に示すようなダイオード140が得られ、そこにおいて、溝または孔には、窒化物単結晶からなる半導体層143が埋め込まれている。半導体層143を構成する単結晶の大きさは最初に作製した溝または穴の大きさによって決定される。シリコン単結晶基板131の(111)面が現れる傾斜面141上には、アルミニウムを含む初期堆積層152、n型窒化物半導体層153、活性層154、およびp型窒化物半導体層155が形成されている。また、p型窒化物半導体層155上には上部電極164が形成され、基板131の裏面には下部電極165が形成されている。
【0045】
図14は、マスク材料132で部分的に覆われた基板131上に選択的に窒化物単結晶からなる半導体層143が形成された様子を拡大して示している。基板131の主表面131aには(001)面が現れている一方、傾斜面141には(111)面が現れている。(001)面と(111)面とがなす角度は125.3°であり、したがって、主表面131aと傾斜面141とがなす角度は125.3°である。半導体層143のファセット面160と傾斜面141とがなす角度は62°である。ファセット面160は、窒化物単結晶の(1−101)面である。ファセット面160と主表面131aとがなす角度は7.3°である。このようにファセット面160は、主表面131aと平行に近い。したがって、ダイオード140の発光は、ファセット面160を通じて効率よく観測することができる。半導体層143を構成する窒化物単結晶のもう一つのファセット面161は(0001)面である。ファセット面161は、成長した窒化物単結晶の頂部に位置する。六方晶系窒化物単結晶のc軸は、シリコン単結晶の(111)面に垂直に配向しやすく、したがって、(111)面上に窒化物単結晶は成長しやすい。図14に示すように、窒化物単結晶のc軸は、傾斜面141に略垂直に配向するようになる。
【0046】
図15は、主表面に(001)面が現れるシリコン単結晶基板181を使用したもう一つの具体例を示している。この場合、基板181をマスク材料182で部分的に覆い、エッチングにより、底部に平坦な面181bを有する孔または溝184を形成する。底面181bは、基板181の主表面181aに略平行である。底面181bにはシリコン単結晶の(001)面が露出している。孔または溝184は、底面181bおよびそれに続く側面191によって画定される。側面191は、主表面181aに垂直ではない傾斜面である。側面191には(111)面が現れている。以下、この具体例の製造プロセスを説明する。
【0047】
図16を参照して、まず、シリコン基板181の上にスパッタリングあるいはCVD法により第1の二酸化シリコン膜182’を堆積させる(図16(a))。次に、この膜に、フォトリソグラフィーあるいは電子線リソグラフィーなどの方法で、目的とする大きさおよび形の孔または溝194をあける(図16(b))。たとえば、100μmと500μmの辺を有する長方形の孔をあける。長方形の長辺または短辺(溝の幅)の方向を、シリコン基板の<110>軸にあわせる。この方向あわせは、得るべき窒化物単結晶の結晶方位あるいはファセット面と密接な関係があり重要な要素である。続いて、例えばリアクティブイオンエッチング等のドライエッチング方法を用いて、基板181に深さ20μmの垂直な溝184’を形成する(図16(c))。次に、第1の二酸化シリコン膜182’を除去し(図16(d))、溝184’を形成したシリコン基板181上にスパッタリングあるいはCVD法により第2の二酸化シリコン膜182を堆積させる(図16(e))。続いて同様にフォトリソグラフィーあるいは電子線リソグラフィーなどの方法を用いて、溝184’の周辺の二酸化シリコン膜182をエッチングする(図16(f))。次いで、薬品によるシリコンのウェットエッチングを行い、シリコンの(111)ファセット面が現れる側面191を形成し、溝184を得る(図16(g))。
【0048】
窒化物単結晶の品質は、シリコン基板上に得られた(111)ファセット面上への成長初期過程に左右される。前述のように、成長初期にトリメチルアルミニウムを供給し、アルミニウムの化合物でシリコン表面を覆い、その後直ちに、トリメチルガリウム並びにアンモニアを供給し、窒素化合物半導体の結晶成長を行わなければならない。特に、成長初期にトリメチルアルミニウムの供給量を相対的に大きく保ち、50nm程度の厚さまでトリメチルアルミニウムの供給を止めない方がよい結果が得られる。サファイア上への窒化物半導体の結晶成長では、低温(600℃程度)で形成したAlNあるいはGaN膜が緩衝層として有効に働くが、シリコン上への結晶成長では1000℃以上の高温でアルミニウム化合物層を形成するのが有効である。
【0049】
最終的に得られる半導体素子を図17に示す。半導体素子200において、溝または孔184の傾斜面191に、窒化物単結晶からなる半導体層193が形成されている。半導体層193を構成する単結晶の大きさは、溝または孔184の傾斜面191の大きさに応じて決まってくる。(111)面が現れる傾斜面191上には、アルミニウムを含む初期堆積層202、n型窒化物半導体層203、活性層204、およびp型窒化物半導体層205が順に堆積されている。また、p型窒化物半導体層205上には上部電極214が形成され、基板181の裏面には下部電極215が形成されている。
【0050】
選択的エピタキシャル成長を実施する際、通常シリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜のマスク材料上には窒化物半導体の結晶成長は起こらないが、アルミニウムの供給量が多すぎるとマスク材料上に多結晶の析出が起こることがある。このようなことが起こる条件は成長条件(成長時間、温度、雰囲気ガス)によって決まってくるが、おおむねアルミニウムを供給する時間を短くすれば防ぐことができる。実験では4分以上の供給があるとそのような析出が見られた。
【0051】
シリコン上に窒化物半導体をエピタキシャル成長する場合、シリコンと窒素化合物の格子定数差が大きいことはすでに述べた。この格子定数不整合の影響は成長初期に形成するアルミニウムを多く含む窒化物半導体の堆積層の厚さを一定以上に保つことによって補償される。すなわち、最初に積層させるアルミニウムを多く含む結晶が事実上の緩衝層になる。多くの場合、成長初期では、シリコンの(111)ファセット面上に形成される小さな六角錐結晶(大きさは数nm)が成長核として形成され、その後それらが合体して、大きな単結晶が得られる。大きな単結晶となった後は、格子定数の不整合はその後の結果に大きな作用を及ぼさない。
【0052】
結晶成長は通常800℃〜1200℃の範囲の高温で行われる。シリコンと窒化物半導体の熱膨張係数には差があるため、結晶調製の後、室温まで試料の温度を下げると応力が発生するようになる。すなわち、シリコンの熱膨張係数は窒化物半導体の熱膨張係数より大きいため、得られた窒化物半導体単結晶には引っ張りの応力が働く。1050℃で成長する場合、マスクにあけた孔の大きさが150μmを越えると、結晶にクラックが入ることが認められた。従って、おおむね、得られるダイオードの大きさは150μm以下の小さなものとなり得る。
【0053】
pn接合を形成する場合の注意点について説明する。まず、シリコンと窒化物半導体との格子定数の不整合が原因となって、窒化物半導体のシリコン基板に近い部分は一般にn型で抵抗が低い。このため、伝導型として、最初にp型を作製するのは困難である場合が多い。まず、n型層を形成し、後からp型層を形成するのがよい。n型窒化物半導体層を形成したあとp型窒化物半導体を成長させる場合、結晶のc面が現れると、c軸方向の成長速度は一般的に(1−101)ファセット面方向の成長速度より速い。このために、選択的成長の条件を整えると広い(0001)ファセット面すなわちc面を得ることができる。c面の面積は、成長温度が高いか、あるいはトリメチルガリウムなどのIII族原料の供給量が少ないと広くなる傾向にある。このような条件を勘案し、所要の広さのc面を得た後、導電型を変更すると良質の接合面が得られる。p型半導体の結晶成長時には、(1−101)ファセット面にもp型の薄い層ができ、ここにもpn接合ができるが、(1−101)ファセット面上ではc面上よりp型層は薄く、結果に大きな影響はない。このp型層を厚くする必要がある場合には、リソグラフィによって改めて成長領域を限定し、再成長を行えばよい。
【0054】
次に電極について説明する。本発明によるダイオードのpn接合面は窒化物半導体結晶のc面に平行になる。すなわち、ダイオードを流れる電流は多くの場合、c面に垂直である。ダイオードは二つの電極を必要とする。シリコン基板上に形成した窒化物半導体とシリコンとの間には、作製原理上、電極としての金属を挿入することはできないが、シリコン基板としてn型の低抵抗材料を用いれば基板そのものを下部電極として利用できる。たとえば、上述したようにシリコン基板の裏面に電極をつけることができる。多くのダイオードをシリコン基板上に並べた場合、基板裏面に作製した電極を共通の下部電極として用いることができる。一方、あらかじめ、集積回路技術を用い、低抵抗シリコン領域を基板中に形成し、該領域上に窒化物半導体結晶を成長させてもよい。この方法により、150μm以下の大きさの各ダイオードに対してそれぞれ低抵抗シリコンからなる下部電極を得ることができる。上部電極は、得られた結晶の(0001)面上にリソグラフィーを用いて金属を堆積することにより形成することができる。電極には、光デバイスに多用されるITO等の透明電極材料を用いることも可能である。この場合、窒化物半導体の最表面層はきわめて不純物濃度の高いものにする必要がある。シリコン基板と窒化物半導体との接合はヘテロ接合であり電子親和力の違いから電気的な障壁が存在する。この詳細は理解されてない部分があるが、窒化物半導体をn型とすることでこの障壁の影響を取り除くことができる。一般に、窒化物半導体のヘテロ界面には格子欠陥が多く存在し、n型ド−ピングを行わなくてもn型となる場合が多く、下部電極をn型とすることで構造上の利点とすることが出きる。
【0055】
次に、本発明による素子の外部量子効率について説明する。図14に示すように、窒化物半導体のc面161は、シリコン基板の主表面131a(上記例では(001)面が現れている)に平行ではなく、所定の角度(上記例では125.3°)で配置される。光の入射および放射に有効な結晶面には、窒化物半導体単結晶の(1−101)面160を使用することができ、これはシリコン基板の主表面に対して大きな角度を有しない(上記例では7.3°)。従って、c面161上に上部電極を形成した場合、光の窓として、表側に顕著に現れた単結晶の(1−101)ファセット面160をそのまま有効に使うことができる。これにより、素子の外部量子効率を大きくすることができ、この点は本発明による半導体素子の大きな特長である。
【0056】
ダイオードを発光素子として用いる場合、このダイオードは紫外線から可視光領域で動作するため、シリコン基板側に放射される自然放出光は、通常、シリコン基板に吸収される。しかし、発光のための活性層をダイオードに設けることにより、光の放射方向を(1−101)面方向に増強することが可能である。たとえば、窒化物半導体単結晶の構造として、まずp型層を成長させ、ついで活性層、n型層を成長させる。この場合、活性層の組成として、一般式InxGayAlzNで表される化合物半導体のy値が幾分大きいものを用いると、この層の光の屈折率が高いため、光は、この活性層で発生するとともに、活性層は光導波路としての役割を有し、結果として光は(1−101)ファセット面の方向に導波される。この方法により光の取り出し効率を向上させることができる。
【0057】
ダイオードを光検知器として利用する場合にも、図14に示すような(1−101)ファセット面160が光の窓として働き、活性層は導波路としての役割を有し、収集効率が向上する。
【0058】
ダイオードを複数並べた集積型ダイオード配列とする場合、その駆動回路あるいは信号処理のための電気回路は別途制作する必要がある。そのような駆動回路または電気回路は、ダイオードとともに、シリコン基板に作りこむことができる。窒化物半導体素子のほかに、必要に応じてシリコン基板上には様々な構造を形成することができる。図18および図19は、基板上に電極パッドを形成した構造を示している。素子180の表面は絶縁膜181で覆われている。絶縁膜181上には、引き出し電極182およびそれに接続される電極パッド183が配置されている。引き出し線182は、半導体層143上に形成された上部電極164に接続されている。その他の構造は、図13に示すと同様である。絶縁膜181は、電極を除く素子を全面的に覆ってもよいし、引出し電極182および電極パッド183が配置される部分にのみ設けてもよい。素子端面を絶縁膜181で覆うことにより、端面コートの機能も付与することができ、素子の信頼性を高めることができる。素子を全面的に覆う絶縁膜181は、透光性材料からなることが好ましい。さらに、電極164および引出し電極182を透光性にすることにより、光取出し効率を向上させることが好ましい。電極を透光性にするため、薄い金属層を形成するか、ITO等の透光性導電材料を使用することができる。
【0059】
ダイオードの特性波長(発光ダイオードの波長など)は、主として活性層の組成によって決定できる。得られるダイオードの位置は、マスクに形成される孔または溝の位置で決定できるため、孔または溝の位置の異なる複数のマスクを用いた結晶成長を繰り返し行うことにより、特性波長の異なるダイオードの配列を作製することができる。この方法により、たとえば、赤、緑、青に特性波長を有する3種類のダイオードを交互にならべるとフルカラーディスプレイあるいはカラー識別イメージセンサーを実現することが可能である。
【0060】
個々のダイオードの大きさは、マスクにあけられた孔または溝の大きさ(径または幅)によって決まるが、実験によれば、そのような大きさは、0.5μm〜150μmの範囲で自由に選択できる。また、孔または溝の深さは0.5μm〜50μmとすることができる。従って、上記ディスプレイあるいはイメージセンサーとして、従来技術を遙かに上回る高精細なものが実現できる。なお、一般に本発明における孔または溝の径または幅は、その深さよりかなり大きいが、図面では、構造の理解を容易にするため、径または幅に対し、深さを誇張して描いている。
【0061】
また、シリコン基板として(111)面を有するものを用いると、マスク上の孔にはウエットエッチング施すことなく基板表面に(111)面が露出している。この場合、孔または溝を形成し、そこに設けた窒化物半導体のc面は、シリコン基板の(111)面と平行になる。ダイオードとしてc面を光の窓とする面発光レーザを作製すれば、レーザダイオードの配列が得られる。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン基板上に良質の窒化物結晶からなる半導体素子を形成ことができる。本発明によれば、シリコン基板上に、複数の窒化物半導体素子を同時に作製することができ、特性のそろった素子の配列を得ることができる。本発明によれば、0.5μm〜150μmの比較的小さなサイズのダイオードについて、高密度の配列を得ることができる。また、選択的エピタキシャル成長を複数回行うことにより、特性波長の異なる光素子を並べることができる。これらにより、高精細なディスプレイ、イメージセンサーなどのオプトエレクトロニクスデバイスが作製可能となり、本発明の工業的価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による半導体素子の一例を示す概略断面図である。
【図2】 図1に示す半導体素子に関し、シリコン単結晶に形成される孔を示す斜視図である。
【図3】 図1に示す半導体素子に関し、シリコン単結晶に形成される溝を示す斜視図である。
【図4】 本発明による半導体素子のもう一つの例を示す概略断面図である。
【図5】 図4に示す半導体素子に関し、シリコン単結晶に形成される孔を示す斜視図である。
【図6】 図5に示す半導体素子に関し、シリコン単結晶に形成される溝を示す斜視図である。
【図7】 (a)〜(e)は、本発明による半導体素子の製造方法の一例を示す概略断面図である。
【図8】 (a)〜(d)は、半導体素子の電極を形成するためのプロセスを示す概略断面図である。
【図9】 (a)〜(e)は、半導体素子の電極を形成するための他のプロセスを示す概略断面図である。
【図10】 本発明による半導体素子がマトリクス状に配列された装置を示す平面図である。
【図11】 本発明による半導体素子がストライプ状に配列された装置を示す平面図である。
【図12】 シリコン基板上にマスク材料を堆積し、孔をあけた後、ウエットエッチングによりシリコン基板表面に(111)ファセット面を露出させた構造を示す斜視図である。
【図13】 図12に示す構造物に窒化物半導体単結晶を選択的にエピタキシャル成長させて得られる素子を示す概略断面図である。
【図14】 シリコン基板上の(111)ファセット面と、窒化物半導体単結晶の(0001)ファセット面ならびに(1−101)ファセット面との関係を示す図である。
【図15】 シリコン基板上にマスク材料を堆積し、孔をあけた後、エッチングによりシリコン基板に(111)ファセット面および(001)面のテラスを露出させた構造を示す斜視図である。
【図16】 (a)〜(g)は、図15に示す構造物を得るためのプロセスを示す概略断面図である。
【図17】 図15に示す構造物に窒化物半導体単結晶を選択的にエピタキシャル成長させて得られる素子を示す概略断面図である。
【図18】 本発明のよる半導体素子の他の例を示す概略断面図である。
【図19】 図18に示す素子の斜視図である。
【符号の説明】
11,41,131,181 シリコン基板、11a,41a,131a,181a シリコン基板の主表面、11b,41b,141,191 傾斜面、12,42,143 窒化物半導体単結晶層、13a,43a,164,214 上部電極、13b,43b,165,215 下部電極、72,92,132,182 マスク材料、152 アルミニウムを含む初期堆積層、153 n型窒化物半導体層、154 活性層、155 p型窒化物半導体層、160 窒化物半導体の(1−101)ファセット面、161 窒化物半導体の(0001)ファセット面。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the general formula In x Ga y Al z The present invention relates to a semiconductor device using a compound semiconductor represented by N (wherein x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1), and a method for manufacturing the same, and particularly a light emitting diode, etc. The present invention relates to an integrated optical semiconductor device in which a plurality of light emitting devices are formed on a silicon substrate and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Formula In x Ga y Al z Nitride-based semiconductors represented by N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1) are used for light emitting elements and photodetectors ranging from ultraviolet to yellow regions. Used in optical devices. A flat panel display using a blue light emitting diode or a green light emitting diode made of this material is manufactured by arranging a plurality of individually manufactured elements on another appropriate structure. A light-emitting diode, a laser diode, or an ultraviolet detector is usually made of the above-described compound semiconductor formed on a sapphire substrate, and a plurality of thin films having different compositions (different values of x, y, and z) It has the laminated structure of. All the elements put to practical use so far are individual elements. Such an individual element can be obtained, for example, through a process of cutting a diode produced on a large sapphire substrate into a required size and providing an electrode. The reason why compound semiconductors having the above general formula have been formed on sapphire substrates is that no other suitable substrate has been found.
[0003]
It is a well-known fact that a semiconductor integrated circuit using silicon has a plurality of elements monolithically integrated and mounted on a single substrate to improve its characteristics. If a compound semiconductor can be grown on a silicon substrate to produce an optical device, it is expected to contribute to the advancement of optical technology such as optical communication. Attempts to establish such technology have been made for a long time, but no successful examples have been found. The main reason for this is that compound semiconductors and silicon, which are frequently used as optical semiconductors, differ greatly in lattice constants and physical properties, and no method has been found for obtaining high-quality compound semiconductor crystals that can withstand practical use on silicon substrates. is there. For example, GaAs grown on a silicon substrate cracks and is not suitable for device fabrication.
[0004]
Formula In x Ga y Al z With respect to a nitride semiconductor represented by N (wherein x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1), the main surface of the substrate is partially covered with an appropriate mask. A high-quality crystal that does not include a crack selectively in a minute region of a substrate that is not covered with a mask can be manufactured. When forming a nitride semiconductor layer with a thickness greater than the critical thickness (usually about 0.5 microns), cracks are less likely to occur if the size of the microregion is 100 microns to 200 microns or less. If it exceeds, cracks will occur. Further, in the crystal growth of the compound semiconductor represented by the above formula, if a buffer layer is used, constraints such as lattice constant matching with the substrate are greatly relaxed, and the quality of the obtained crystal is improved. For example, the lattice defect density is reduced by 1 to 2 orders of magnitude. If such fine diodes made of a nitride semiconductor with few lattice defects can be arranged on a single substrate, an integrated diode array can be realized. However, there is no example that realizes such a diode arrangement. No method has been found for producing a fine and high-quality single crystal array on a single substrate.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
One object of the present invention is to provide a semiconductor device made of a high-quality nitride crystal formed on a silicon substrate.
[0006]
Another object of the present invention is to provide a novel method capable of forming a good quality nitride semiconductor crystal on a silicon substrate.
[0007]
A further object of the present invention is to provide a method capable of selectively epitaxially growing a nitride semiconductor single crystal having a fixed crystal orientation and size on a silicon substrate.
[0008]
A further object of the present invention is to provide a diode array that can be used as an optical element, in which a plurality of nitride semiconductor elements are arranged on a silicon substrate.
[0009]
A further object of the present invention is to provide a method of manufacturing a device in which a plurality of nitride semiconductor elements are arranged on a silicon substrate in a predetermined pattern.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a semiconductor element is provided, and the element includes a silicon single crystal in which a structure selected from the group consisting of a hole and a groove is formed, and a semiconductor layer formed in the structure. In this structure, the structure has a slope different from the main surface of the silicon single crystal, and a crystal face different from the crystal face appearing on the main surface appears on the slope, and the semiconductor layer is formed on the slope. Formed and the formula In x Ga y Al z It consists of a nitride crystal represented by N (wherein x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1).
[0011]
In the device according to the present invention, the hole or the groove may be formed by etching a silicon single crystal. Typically, an etched facet surface appears on the slope of the hole or groove.
[0012]
In a preferred embodiment of the present invention, the (001) plane appears on the main surface of the silicon single crystal, and the (111) plane of the silicon single crystal appears on the slope. The c-axis of the nitride crystal is preferably oriented substantially perpendicular to the slope.
[0013]
In the device according to the present invention, the holes formed in the silicon single crystal can be pyramidal. Preferably, a pyramidal hole having a square opening can be formed, and one side of the square is preferably substantially parallel to the <110> axis of the silicon single crystal.
[0014]
In the device according to the present invention, the groove formed in the silicon single crystal can be V-shaped. The width direction of the opening of the V-shaped groove (V groove) is preferably substantially parallel to the <110> axis of the silicon single crystal.
[0015]
In the device according to the present invention, the silicon single crystal may have a hole or groove having a flat bottom surface. A semiconductor layer can be provided on the slope of such a hole or groove.
[0016]
Typically, the semiconductor layer has a pn junction, and the semiconductor layer operates as a light emitting element or a light detecting element. In addition, the device according to the present invention can include a metal layer bonded to the semiconductor layer. Typically, the semiconductor layer bonded to the metal layer can operate as a light sensing element.
[0017]
In the device according to the present invention, the angle formed between the facet plane of the semiconductor layer and the main surface of the silicon single crystal can be 0 to 10 °. Such facet surfaces can be used as light windows.
[0018]
In the present invention, a plurality of holes or grooves can be formed in a silicon single crystal, and a semiconductor layer can be formed in each hole or groove.
[0019]
According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor element including a silicon single crystal and a nitride semiconductor formed thereon, and the manufacturing method is a silicon single crystal having a crystal plane appearing on a main surface of the silicon single crystal. Exposing different crystal planes, and on the exposed crystal plane, the formula In x Ga y Al z A step of epitaxially growing a nitride semiconductor crystal represented by N (wherein x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1).
[0020]
In the manufacturing method according to the present invention, the exposing step includes a step of partially covering the silicon single crystal with a mask material, and a step of etching a portion of the silicon single crystal not covered with the mask material. Typically, the exposed crystal face is a faceted face that has emerged by etching.
[0021]
In a preferred embodiment of the present invention, the (001) plane appears on the main surface of the silicon single crystal, and the exposed crystal plane is the (111) plane.
[0022]
The portion of the silicon single crystal not covered with the mask material can be a region having a square surface. One side of the square is preferably parallel to the <110> axis of the silicon single crystal. In this case, holes can be formed in the etching process.
[0023]
The portion of the silicon single crystal not covered with the mask material can be a region having a circular surface, and a hole can be formed in the etching process.
[0024]
The portion of the semiconductor silicon single crystal that is not covered with the mask material may be a region having a band-like surface. The width direction of the band-shaped surface is preferably parallel to the <110> axis of the silicon single crystal. In this case, the groove can be formed in the etching process.
[0025]
In the manufacturing method according to the present invention, a plurality of silicon single crystal portions not covered with a mask can be provided separated from each other. For example, the plurality of portions not covered with the mask are arranged in a matrix or stripe. Different semiconductor elements can be manufactured by etching a plurality of portions not covered by the mask and growing different nitride semiconductor crystals on the crystal planes exposed in the respective portions.
[0026]
In the manufacturing method according to the present invention, the mask material is preferably a material that can withstand etching and the growth temperature and growth atmosphere of the nitride semiconductor. Further, the mask material is preferably a material that inhibits the growth of the nitride semiconductor crystal thereon. For example, the mask material is selected from the group consisting of refractory metals containing tungsten, refractory metal compounds containing tungsten compounds, and inorganic insulating materials containing silicon nitride and silicon oxide.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an example of a semiconductor device according to the present invention. The
[0028]
FIG. 4 shows another example of a semiconductor device according to the present invention. The semiconductor element 40 includes a silicon
[0029]
The device according to the present invention can be manufactured, for example, using a process as shown in FIG. A silicon
[0030]
The electrode for the element can be formed as shown in FIG. 8, for example. The structure having the
[0031]
Moreover, you may form an electrode as shown in FIG. The
[0032]
In the processes shown in FIGS. 8 and 9, the mask material is removed, but the mask material is partially left and used for other steps, for example, for forming a circuit near the insulating nitride semiconductor device for electrodes. May be.
[0033]
In the present invention, the nitride semiconductor layer is made of In. x Ga y Al z It consists of a nitride crystal represented by N (wherein x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1). The composition of the semiconductor layer can be appropriately changed according to the function of the element required. The nitride semiconductor layer can form various elements including light emitting elements such as light emitting diodes, double heterojunction lasers, particularly semiconductor lasers including quantum well lasers, and light detecting elements.
[0034]
According to the present invention, a device in which a nitride semiconductor layer is formed in one hole or groove may be provided, or a device in which a nitride semiconductor layer is formed in a plurality of holes or grooves separated from each other may be provided. Also good. For example, after forming a plurality of holes or grooves on a silicon single crystal, a nitride semiconductor layer may be formed in each hole or groove.
Figures 10 and 11 show such an example. In the
[0035]
As a method for producing an array of diodes on a semiconductor substrate, there has been a method in which a uniform compound semiconductor thin film is produced and the diodes are separated there by a method such as lithography. On the other hand, in the method according to the present invention, an array of diodes is produced on the substrate in a form separated from the beginning.
[0036]
As described above, in the present invention, first, a surface different from the main surface (substrate surface) is formed on a silicon substrate, and a compound semiconductor thin film and an element are formed on the surface by selective growth. In the step of forming different surfaces, for example, a silicon nitride film or a silicon oxide film is deposited as a mask material on a silicon substrate, and then a circular, rectangular, or strip-shaped opening is formed in the film by lithography. Then, through a process such as etching through the opening, for example, a hole having a circular opening having a diameter of 150 μm or less, a hole having a rectangular opening having a side of 150 μm or less, or a width of 150 μm or less in the silicon substrate. Open the groove. Next, a diode can be manufactured by epitaxially growing a nitride semiconductor selectively in the formed hole or groove. Moreover, when forming a hole or a groove | channel, the hole or groove | channel which can form a pyramid-shaped hole and a V-groove, and has a surface substantially parallel to a substrate surface in a bottom part can be formed. Typically, a diode is manufactured by epitaxially growing a nitride semiconductor on the slope of the formed hole or groove. The size and arrangement of the diodes can be determined by the size of the holes or grooves and the form of the arrangement. By selectively forming the nitride semiconductor crystal on the substrate, it is possible to prevent the quality of the obtained crystal from being lowered and to increase the internal quantum efficiency of the diode.
[0037]
In the present invention, a silicon substrate in which a crystal plane other than the (111) plane appears on the main surface can be used. In this case, the c-axis of the nitride semiconductor crystal formed in the hole or groove can be oriented in a direction different from the main surface of the silicon substrate. Thereby, facet planes (generally (1-101) plane) other than the c-plane of the crystal represented by the above formula appear on the main surface side of the silicon substrate. If an electrode is formed on the c-plane side, facet planes other than the c-plane can be used as light windows, and the external quantum efficiency can be increased in the optical element. On the other hand, when a silicon substrate in which the (111) plane appears on the main surface is used, the c-plane of the compound semiconductor represented by the above formula is oriented on the main surface side of the silicon substrate, and this plane can be used as a light window.
[0038]
In the present invention, a silicon substrate having a (001) plane oriented to the main surface can be preferably used. Other than that, a silicon substrate in which the (011) plane and the (n11) plane (where n is an integer other than 1) is oriented to the main surface can be preferably used. Furthermore, the main surface of the silicon substrate may have an off angle with respect to these crystal planes. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to an example in which a diode is prepared using a silicon substrate having a (001) plane oriented to the main surface.
[0039]
In manufacturing the diode, as shown in FIG. 12, a silicon nitride film or a
[0040]
Next, the silicon is etched with chemicals. By this etching, the (111) plane of the
[0041]
Next, selective epitaxial growth of a nitride semiconductor crystal is performed on the
[0042]
The process of growing a nitride semiconductor crystal on a silicon substrate is a typical heteroepitaxial growth, and the control of the initial growth mode affects the result. That is, if ammonia supplied as a nitride semiconductor raw material reacts with silicon to form a silicon nitride film on the clean surface, a nitride semiconductor crystal cannot be obtained. It is necessary to time the nitride semiconductor crystal before the silicon nitride film is formed. Normally, when trimethylaluminum is supplied before supplying ammonia, the outermost surface of the silicon substrate is covered with aluminum due to the strong reactivity of aluminum, and the subsequent growth of the nitride semiconductor single crystal is performed smoothly. This technique is extremely important for the realization of the present invention.
[0043]
Since nitride semiconductor crystals are usually hexagonal, a hexagonal frustum-shaped single crystal can be grown on the (111) plane. The hexagonal frustum has six (1-101) facet surfaces of the nitride semiconductor as side surfaces and the (0001) surface, that is, c-plane as the top surface. The side face of the hexagonal frustum has an angle of 62 ° with the (111) plane of silicon due to the symmetry of the crystal, and thus has an angle of 7.3 ° with the (001) plane of silicon. The bottom of the groove or hole formed in the silicon substrate is filled with a nitride semiconductor, and no hexagonal pyramid shape appears on the bottom. This is because nitride semiconductor hexagonal frustums formed on two or four silicon (111) facet planes merge at the bottom.
[0044]
Finally, a
[0045]
FIG. 14 is an enlarged view showing a state in which a
[0046]
FIG. 15 shows another specific example using the silicon
[0047]
Referring to FIG. 16, first, a first
[0048]
The quality of the nitride single crystal depends on the initial growth process on the (111) facet surface obtained on the silicon substrate. As described above, it is necessary to supply trimethylaluminum at the initial stage of growth, cover the silicon surface with an aluminum compound, and then immediately supply trimethylgallium and ammonia to perform crystal growth of the nitrogen compound semiconductor. In particular, better results can be obtained by keeping the supply amount of trimethylaluminum relatively large at the initial stage of growth and not stopping the supply of trimethylaluminum to a thickness of about 50 nm. In nitride semiconductor crystal growth on sapphire, an AlN or GaN film formed at a low temperature (about 600 ° C.) works effectively as a buffer layer, but in crystal growth on silicon, an aluminum compound layer at a high temperature of 1000 ° C. or higher. It is effective to form
[0049]
The finally obtained semiconductor element is shown in FIG. In the
[0050]
When performing selective epitaxial growth, crystal growth of a nitride semiconductor usually does not occur on the mask material of a silicon oxide film or silicon nitride film, but if too much aluminum is supplied, polycrystalline precipitates are formed on the mask material. May happen. The conditions under which this occurs are determined by the growth conditions (growth time, temperature, atmospheric gas), but can be prevented by shortening the time for supplying aluminum. In the experiment, such precipitation was observed when the feed was supplied for more than 4 minutes.
[0051]
As described above, when a nitride semiconductor is epitaxially grown on silicon, the lattice constant difference between silicon and a nitrogen compound is large. The influence of this lattice constant mismatch is compensated by keeping the thickness of the nitride semiconductor deposited layer containing a large amount of aluminum formed at the initial stage of growth at a certain level or more. That is, a crystal containing a large amount of aluminum to be laminated first becomes a practical buffer layer. In many cases, at the initial stage of growth, small hexagonal pyramid crystals (with a size of several nanometers) formed on the (111) facet surface of silicon are formed as growth nuclei, and then they coalesce to obtain a large single crystal. It is done. After becoming a large single crystal, the lattice constant mismatch does not significantly affect the subsequent results.
[0052]
Crystal growth is usually performed at a high temperature in the range of 800 ° C to 1200 ° C. Since there is a difference between the thermal expansion coefficients of silicon and nitride semiconductor, stress is generated when the temperature of the sample is lowered to room temperature after crystal preparation. That is, since the thermal expansion coefficient of silicon is larger than that of the nitride semiconductor, tensile stress acts on the obtained nitride semiconductor single crystal. When growing at 1050 ° C., cracks were observed in the crystal when the size of the hole in the mask exceeded 150 μm. Therefore, in general, the size of the obtained diode can be as small as 150 μm or less.
[0053]
Points to note when forming a pn junction will be described. First, due to the lattice constant mismatch between silicon and nitride semiconductor, the portion of the nitride semiconductor close to the silicon substrate is generally n-type and has a low resistance. For this reason, it is often difficult to produce a p-type first as a conduction type. First, an n-type layer is formed, and a p-type layer is formed later. When a p-type nitride semiconductor is grown after forming an n-type nitride semiconductor layer, when the c-plane of the crystal appears, the growth rate in the c-axis direction is generally higher than the growth rate in the (1-101) facet plane direction. fast. Therefore, a wide (0001) facet plane, that is, a c-plane can be obtained by adjusting the conditions for selective growth. The area of the c-plane tends to increase when the growth temperature is high or the supply amount of a group III material such as trimethylgallium is small. Considering such conditions, after obtaining the c-plane of the required width, a good quality joint surface can be obtained by changing the conductivity type. During crystal growth of a p-type semiconductor, a p-type thin layer is also formed on the (1-101) facet plane, and a pn junction can be formed here, but on the (1-101) facet plane, the p-type layer is higher than on the c-plane. Is thin and does not significantly affect the results. When it is necessary to increase the thickness of the p-type layer, the growth region may be limited again by lithography and re-growth may be performed.
[0054]
Next, the electrode will be described. The pn junction surface of the diode according to the present invention is parallel to the c-plane of the nitride semiconductor crystal. That is, the current flowing through the diode is often perpendicular to the c-plane. The diode requires two electrodes. A metal as an electrode cannot be inserted between the nitride semiconductor formed on the silicon substrate and silicon due to the manufacturing principle, but if an n-type low-resistance material is used as the silicon substrate, the substrate itself is attached to the lower electrode. Available as For example, as described above, an electrode can be attached to the back surface of the silicon substrate. When many diodes are arranged on a silicon substrate, an electrode fabricated on the back surface of the substrate can be used as a common lower electrode. On the other hand, a low resistance silicon region may be formed in the substrate in advance using integrated circuit technology, and a nitride semiconductor crystal may be grown on the region. By this method, a lower electrode made of low-resistance silicon can be obtained for each diode having a size of 150 μm or less. The upper electrode can be formed by depositing metal on the (0001) plane of the obtained crystal using lithography. It is also possible to use a transparent electrode material such as ITO, which is frequently used for optical devices, for the electrode. In this case, the outermost surface layer of the nitride semiconductor needs to have a very high impurity concentration. The junction between the silicon substrate and the nitride semiconductor is a heterojunction, and an electrical barrier exists due to the difference in electron affinity. Although this detail is not understood, the influence of this barrier can be eliminated by making the nitride semiconductor n-type. In general, there are many lattice defects at the heterointerface of a nitride semiconductor, and in many cases it becomes n-type without performing n-type doping, and it is a structural advantage by making the lower electrode n-type. Things come out.
[0055]
Next, the external quantum efficiency of the device according to the present invention will be described. As shown in FIG. 14, the c-
[0056]
When a diode is used as a light-emitting element, the diode operates in the visible light region from ultraviolet rays, so that spontaneous emission light emitted to the silicon substrate side is normally absorbed by the silicon substrate. However, by providing the active layer for light emission in the diode, the light emission direction can be enhanced in the (1-101) plane direction. For example, as a nitride semiconductor single crystal structure, a p-type layer is first grown, and then an active layer and an n-type layer are grown. In this case, as the composition of the active layer, the general formula In x Ga y Al z If a compound semiconductor represented by N having a somewhat large y value is used, light is generated in this active layer because the refractive index of light in this layer is high, and the active layer serves as an optical waveguide. As a result, the light is guided in the direction of the (1-101) facet plane. By this method, the light extraction efficiency can be improved.
[0057]
Even when a diode is used as a light detector, a (1-101)
[0058]
In the case of an integrated diode array in which a plurality of diodes are arranged, a drive circuit or an electric circuit for signal processing needs to be separately manufactured. Such a driving circuit or an electric circuit can be formed on a silicon substrate together with a diode. In addition to the nitride semiconductor element, various structures can be formed on the silicon substrate as necessary. 18 and 19 show a structure in which electrode pads are formed on a substrate. The surface of the
[0059]
The characteristic wavelength of the diode (such as the wavelength of the light emitting diode) can be determined mainly by the composition of the active layer. Since the position of the obtained diode can be determined by the position of the hole or groove formed in the mask, the array of diodes having different characteristic wavelengths can be obtained by repeatedly performing crystal growth using a plurality of masks having different hole or groove positions. Can be produced. By this method, for example, a full color display or a color identification image sensor can be realized by alternately arranging three types of diodes having characteristic wavelengths of red, green, and blue.
[0060]
The size of the individual diodes is determined by the size (diameter or width) of the hole or groove drilled in the mask, but according to experiments, such a size can be freely in the range of 0.5 μm to 150 μm. You can choose. Moreover, the depth of a hole or a groove | channel can be 0.5 micrometer-50 micrometers. Therefore, a high-definition display that far exceeds the prior art can be realized as the display or image sensor. In general, the diameter or width of the hole or groove in the present invention is considerably larger than the depth, but in the drawings, the depth is exaggerated with respect to the diameter or width in order to facilitate understanding of the structure.
[0061]
Further, when a silicon substrate having a (111) surface is used, the (111) surface is exposed on the surface of the substrate without performing wet etching in the hole on the mask. In this case, a hole or a groove is formed, and the c-plane of the nitride semiconductor provided therein is parallel to the (111) plane of the silicon substrate. If a surface emitting laser having a c-plane as a light window is manufactured as a diode, an array of laser diodes can be obtained.
[0062]
【The invention's effect】
According to the present invention, a semiconductor element made of a high-quality nitride crystal can be formed on a silicon substrate. According to the present invention, a plurality of nitride semiconductor elements can be simultaneously fabricated on a silicon substrate, and an array of elements with uniform characteristics can be obtained. According to the present invention, a high-density array can be obtained for a diode having a relatively small size of 0.5 μm to 150 μm. Further, by performing selective epitaxial growth a plurality of times, optical elements having different characteristic wavelengths can be arranged. As a result, optoelectronic devices such as high-definition displays and image sensors can be produced, and the industrial value of the present invention is extremely high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device according to the present invention.
2 is a perspective view showing holes formed in a silicon single crystal with respect to the semiconductor element shown in FIG. 1. FIG.
3 is a perspective view showing a groove formed in a silicon single crystal in the semiconductor element shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a schematic sectional view showing another example of a semiconductor device according to the present invention.
5 is a perspective view showing holes formed in a silicon single crystal in the semiconductor element shown in FIG.
6 is a perspective view showing a groove formed in a silicon single crystal in the semiconductor element shown in FIG.
7A to 7E are schematic cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
8A to 8D are schematic cross-sectional views showing a process for forming an electrode of a semiconductor element.
FIGS. 9A to 9E are schematic cross-sectional views showing another process for forming an electrode of a semiconductor element. FIGS.
FIG. 10 is a plan view showing an apparatus in which semiconductor elements according to the present invention are arranged in a matrix.
FIG. 11 is a plan view showing an apparatus in which semiconductor elements according to the present invention are arranged in stripes.
FIG. 12 is a perspective view showing a structure in which a mask material is deposited on a silicon substrate, a hole is formed, and then a (111) facet surface is exposed on the silicon substrate surface by wet etching.
13 is a schematic cross-sectional view showing an element obtained by selectively epitaxially growing a nitride semiconductor single crystal on the structure shown in FIG.
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a (111) facet surface on a silicon substrate and a (0001) facet surface and a (1-101) facet surface of a nitride semiconductor single crystal.
FIG. 15 is a perspective view showing a structure in which a mask material is deposited on a silicon substrate, a hole is made, and then a (111) facet plane and a (001) plane terrace are exposed on the silicon substrate by etching.
16 (a) to 16 (g) are schematic cross-sectional views showing a process for obtaining the structure shown in FIG.
17 is a schematic cross-sectional view showing an element obtained by selectively epitaxially growing a nitride semiconductor single crystal on the structure shown in FIG.
FIG. 18 is a schematic sectional view showing another example of a semiconductor device according to the present invention.
19 is a perspective view of the element shown in FIG.
[Explanation of symbols]
11, 41, 131, 181 Silicon substrate, 11a, 41a, 131a, 181a Main surface of silicon substrate, 11b, 41b, 141, 191 Inclined surface, 12, 42, 143 Nitride semiconductor single crystal layer, 13a, 43a, 164 , 214 Upper electrode, 13b, 43b, 165, 215 Lower electrode, 72, 92, 132, 182 Mask material, 152 Initial deposition layer containing aluminum, 153 n-type nitride semiconductor layer, 154 active layer, 155 p-type nitride Semiconductor layer, 160 (1-101) facet surface of nitride semiconductor, 161 (0001) facet surface of nitride semiconductor.
Claims (15)
前記構造に形成されている半導体層とを備え、
前記構造は、前記シリコン単結晶の主面と異なる斜面を有しており、
前記斜面には、前記シリコン単結晶の(111)面が現れており、
前記半導体層は、前記斜面上に形成されており、かつ
前記半導体層は、式InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物の結晶からなる、光半導体素子。A silicon single crystal in which a structure selected from the group consisting of holes and grooves is formed;
A semiconductor layer formed in the structure,
The structure has a slope different from the main surface of the silicon single crystal,
The (111) plane of the silicon single crystal appears on the slope,
The semiconductor layer is formed on the slope, and the semiconductor layer has the formula In x Ga y Al z N (where x + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ An optical semiconductor element comprising a nitride crystal represented by z ≦ 1).
前記斜面には前記エッチングによるファセット面が現れている、請求項1に記載の光半導体素子。The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the structure is formed by etching the silicon single crystal, and a facet surface by the etching appears on the slope.
前記半導体層は発光素子または光検知素子として動作するものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光半導体素子。The optical semiconductor element according to claim 1, wherein the semiconductor layer has a pn junction, and the semiconductor layer operates as a light emitting element or a light detection element.
前記半導体層のファセット面を光の窓として利用する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光半導体素子。The angle between the facet surface of the semiconductor layer and the main surface of the silicon single crystal is 0 to 10 °, and the facet surface of the semiconductor layer is used as a light window. The optical semiconductor device according to Item.
前記シリコン単結晶において、前記シリコン単結晶の主表面に前記シリコン単結晶の(111)面を露出させる工程、および
前記露出させられた結晶面上に、式InxGayAlzN(式中、x+y+z=1、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦z≦1)で表される窒化物半導体の結晶をエピタキシャル成長させる工程
を備え、前記シリコン単結晶の主表面には(001)面が現れており、かつ前記露出させられた結晶面は(111)面であることを特徴とする、光半導体素子の製造方法。A method of manufacturing an optical semiconductor device comprising a silicon single crystal and a nitride semiconductor formed thereon,
In the silicon single crystal, a step of exposing a (111) plane of the silicon single crystal on a main surface of the silicon single crystal, and a formula In x Ga y Al z N (wherein X + y + z = 1, 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ 1), and epitaxially grows a nitride semiconductor crystal represented by (001) on the main surface of the silicon single crystal. ) Plane and the exposed crystal plane is a (111) plane .
前記方形の一辺は、前記シリコン単結晶の<110>軸に平行であり、かつ
前記エッチング工程において孔が形成される、請求項8または9に記載の光半導体素子の製造方法。The portion of the silicon single crystal that is not covered with the mask material is a region having a square surface;
The square side is parallel to the <110> axis of the silicon single crystal, and said in the etching process holes are formed, a manufacturing method of the optical semiconductor element according to claim 8 or 9.
前記エッチング工程において正方形を開口とするピラミッド形状の孔が形成される、請求項8または9に記載の光半導体素子の製造方法。Wherein the portion of the silicon single crystal which is not covered with the mask material is a region having a circular surface and pores of pyramidal shape with the open square in the etching process is formed, in claim 8 or 9 The manufacturing method of the optical-semiconductor element of description.
前記帯状の表面の幅方向は、前記シリコン単結晶の<110>軸に平行であり、かつ
前記エッチング工程において溝が形成される、請求項8または9に記載の光半導体素子の製造方法。The portion of the semiconductor silicon single crystal that is not covered with the mask material is a region having a band-shaped surface;
Width direction of the strip-shaped surface is parallel to the <110> axis of the silicon single crystal, and the grooves are formed in the etching step, the manufacturing method of the optical semiconductor element according to claim 8 or 9.
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