JP4698053B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物系化合物半導体は、例えば発光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。また、そのバンドギャップが広いため、他の半導体を用いた素子よりも高温において安定した動作を期待できることから、ＦＥＴ等トランジスタへの応用も盛んに開発されている。また、ヒ素(As)を主成分としていないことで、環境面からも様々な半導体素子一般への開発が期待されている。このIII族窒化物系化合物半導体では、サファイアを基板とし、その上に形成した素子の他、シリコン(Si)基板を用いるものがある。
【０００３】
シリコン(Si)基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成すると、シリコン(Si)基板とIII族窒化物系化合物半導体との格子定数のミスフィットにより常に応力がかかった状態でエピタキシャル成長を行うこととなる。また、シリコン(Si)基板とIII族窒化物系化合物半導体との熱膨張率の差は、降温時にその応力を増大させ、III族窒化物系化合物半導体層に多数のクラック（断裂）を生じさせることとなる。これにより、発光素子その他の素子を形成した領域にクラック（断裂）が生じた場合はその素子は不良品となり、歩留まりが極めて悪いものとなっていた。
【０００４】
そこで例えば、各素子形成領域の大きさ（1mm2以下）に成長領域を区分し、当該成長領域以外に窓枠状のマスクを形成する技術がある。これにより各領域が小さくなること、また隣接する領域からの応力等が伝播しないことによりクラック（断裂）の発生を抑制し、且つクラックが発生したとしても当該クラックの発生した素子領域のみにとどめることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこのような素子形成領域を区分してエピタキシャル成長を行うと、通常、当該領域のエッジ部分がより早く成長し、領域中央部が凹部となるようなエピタキシャル成長となってしまう。これを図７に示す。図７では、基板９１とマスク材９２とIII族窒化物系化合物半導体層９３とで示したが、III族窒化物系化合物半導体層９３は単層に限られない。図７のようになるのは素子形成領域Ｄのエッジ部分Ｅと中央部ＭとでIII族及びV族の原料の供給量に差があり、エッジ部分により多くのIII族及びV族の原料が供給されることとなるからである。
【０００６】
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、その目的とするところは、成長領域を区分したエピタキシャル成長において、成長領域のエッジ部分が盛り上がらないようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るIII族窒化物系化合物半導体の製造方法において、基板表面に、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材を格子状に形成し、素子形成用の基板表面を各々分離して露出させるとともに、格子状のマスクの帯の中央部に、III族窒化物系化合物半導体の消費領域を形成する工程と、各々分離して露出された素子形成用の基板表面に、所望のIII族窒化物系化合物半導体を形成する工程とを含み、前記消費領域は、前記基板をも一部削除して段差のある基板面を露出させて形成することを特徴とする。ここで、格子状のマスクの帯の中央部とは、マスクの帯全域にわたって連続して形成された中央部に限定されない。例えば破線状、点在する円形状その他任意である。尚、消費領域の形成は、マスク材を格子状に形成するのと同時でも、また、マスク材を格子状に形成した後でも良い。
【０００８】
本発明において、消費領域は、素子形成に用いない基板表面を露出させて形成されている。
【０００９】
また、消費領域は、基板をも一部削除して段差のある基板面を露出させて形成されている。この際、予め基板を削除して段差のある基板面を形成したのち、マスク材を格子状に形成する場合も本願発明に包含される。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、素子形成領域の面積が、0.01mm2以上1mm2以下であることを特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、素子形成領域の面積が、0.01mm2以上0.3mm2以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、基板がシリコン(Si)から成ることを特徴とする。また、請求項５に記載の発明は、マスク材が主として二酸化ケイ素(SiO2)から成ることを特徴とする。また、請求項６に記載の発明は、製造工程中に基板と上層のIII族窒化物系化合物半導体とが化学反応を起こさないよう、各々分離して露出された素子形成用の基板表面に、主として単結晶から成る反応防止層を形成する工程を含むことを特徴とする。尚、消費領域に反応防止層が形成されることを排除するものではない。また、請求項７に記載の発明は、反応防止層の厚さが、100nm以上1μm以下であることを特徴とする。また、請求項８に記載の発明は、反応防止層が、III族窒化物系化合物半導体であってIII族中のアルミニウム(Al)の組成がモル比30%以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により得られたIII族窒化物系化合物半導体層上に、III族窒化物系化合物半導体素子を形成しても良い。
また、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により得られたIII族窒化物系化合物半導体層上に、異なるIII族窒化物系化合物半導体層を積層して、III族窒化物系化合物半導体発光素子を得ても良い。
【００１３】
【作用及び発明の効果】
格子状のマスクにより成長領域を区分したエピタキシャル成長において、隣接する成長領域のエッジ部分との間、マスクの帯の中央部に、マスク及び基板の一部削除して段差のある基板面を露出させた、III族窒化物系化合物半導体の消費領域が形成されているので、成長領域のエッジ部分に不必要にIII族及びV族の原料が供給されることが無い。これにより、素子形成領域のエッジ部分と中央部とでIII族及びV族の原料の供給量の差が抑制され、素子領域エッジ部が凸部となることがなくなり、素子形成領域のクラックや欠陥が大幅に低減される（請求項１）。
【００１４】
【００１５】
素子形成領域の面積は、0.01mm2以上1mm2以下であることが望ましく、更には0.01mm2以上0.3mm2以下であることが望ましい。1mm2越える領域に形成されるエピタキシャル成長層は数μmの厚さに形成すると応力からクラックの発生が非常に多くなる。0.3mm2以下の領域とすると、各エピタキシャル形成領域は１素子単位程度となり、歩留まりを更に上げることができる（請求項２、３）。0.01mm2未満の領域では１個の素子領域として充分ではない。
【００１６】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体との熱膨張率の差が大きいシリコン(Si)基板である場合に特に有効である（請求項４）。また、マスク材としては二酸化ケイ素(SiO2)を用いることが簡便である（請求項５）。反応防止層を形成することで、基板と上層のIII族窒化物系化合物半導体が製造工程中に反応しないようにすることができる（請求項６）。反応防止層の厚さは少なくとも100nm必要であり（請求項７）、その組成はIII族中のアルミニウム(Al)の組成がモル比30%以上であるIII族窒化物系化合物半導体であることがより望ましい（請求項８）。これにより、例えばシリコン(Si)基板と窒化ガリウム(GaN)との間にAlGaNを形成する場合、シリコン(Si)基板と窒化ガリウム(GaN)とが直接接しないことでこれらの間で窒素原子が移動して窒化ケイ素と金属ガリウムその他が生成することを防ぐことができる。その他、III族窒化物系化合物半導体と条件により反応を起こし得る基板との間に反応防止層を形成することは有用である。
【００１７】
上記のように形成した所望のIII族窒化物系化合物半導体層に任意の素子を形成したもの、或いは、異なるIII族窒化物系化合物半導体層を積層して発光素子としたものは、クラックの発生も貫通転位の抑制も同時になされるので歩留まりが高く、且つ高品質の素子又は発光素子とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の具体的な一実施例における構成を示す断面図である。シリコン(Si)基板１に、酸化ケイ素(SiO2)から成るマスク材２が形成される。マスク材２は主として窓枠状に形成され、窓部はシリコン(Si)基板１面が露出される。更に、窓枠部中央部にも帯状にシリコン(Si)基板１面が露出される（図１の（ａ））。マスク材２の形状を平面図としたものを図２の（ａ）〜（ｃ）に例示する。図２の（ａ）〜（ｃ）のＤと示した方形状の部分が素子形成領域であり、Ｃと示した帯状部分は消費領域である。Ｃと示した帯状の消費領域は、図２の（ａ）のようにウエハ全体としてつながったものとして形成されても、図２の（ｂ）のように各辺で分離したものとしても良いが、つながったものは消費領域に応力が集中し、素子形成領域のクラックが更に低減できるためより好ましい。また、図２の（ｃ）のように窓枠の交差部（素子形成領域の角部に隣接した部分）に設けても良い。次に露出したシリコン(Si)基板１面、即ち素子形成領域Ｄと消費領域Ｃの両方に、エピタキシャル成長によりAlGaNから成る反応防止層３が形成される。反応防止層３は、シリコン(Si)基板１と上層のIII族窒化物系化合物半導体の反応を防ぐためのものであり、主として単結晶から成る。次に、反応防止層３の上に、所望のIII族窒化物系化合物半導体層であるGaN層４がエピタキシャル成長により形成される。ここで、反応防止層３、GaN層４から成る積層部は、隣の露出した基板１面に形成された反応防止層３’、GaN層４’から成る積層部とは、エピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。同じく、素子形成領域Ｄに積層されたものと消費領域Ｃに積層されたものもエピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。即ち、マスク材２の端部上方にIII族窒化物系化合物半導体層４が形成されたとしても、マスク材２の中央部まで覆われない条件でエピタキシャル成長を行う（図１の（ｂ））。具体的には、成長温度、成長速度などの反応条件により、横方向成長を抑えることで達成される。窓枠状のマスク材２の、枠幅を十分にとると、やはりエッジ部の成長速度が中央部より大きくなってしまう。したがって、枠幅は20μm以下、望ましくは1〜10μmとする。尚、反応防止層３、GaN層４から成る積層部は、図３（ａ）のようにマスク材２上部で基板１面に対し垂直面を有していても、また、図３（ｂ）のように斜めの面であっても、どちらも本願発明に包含される。図１及び図４以下では、図３（ａ）の形式で記載するが、いずれの場合も図３（ｂ）のような積層を排除するものではない。
【００１９】
図４は、本発明の別の具体的な一実施例における構成を示す断面図である。シリコン(Si)基板１に、酸化ケイ素(SiO2)から成るマスク材２が形成される。マスク材２は主として窓枠状に形成され、窓部はシリコン(Si)基板１面が露出される。更に、窓枠部中央部にも帯状にシリコン(Si)基板１を一部削って段差を有する面が露出される（図４の（ａ））。マスク材２の形状を平面図としたものは図２の（ａ）〜（ｃ）に例示したものと同様である。次に露出したシリコン(Si)基板１面、即ち素子形成領域Ｄと消費領域Ｃ’の両方に、エピタキシャル成長によりAlGaNから成る反応防止層３が形成される。反応防止層３は、シリコン(Si)基板１と上層のIII族窒化物系化合物半導体の反応を防ぐためのものであり、主として単結晶から成る。次に、反応防止層３の上に、所望のIII族窒化物系化合物半導体層であるGaN層４がエピタキシャル成長により形成される。ここで、反応防止層３、GaN層４から成る積層部は、隣の露出した基板１面に形成された反応防止層３’、GaN層４’から成る積層部とは、エピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。同じく、素子形成領域Ｄに積層されたものと消費領域Ｃに積層されたものもエピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。即ち、マスク材２の端部上方にIII族窒化物系化合物半導体層４が形成されたとしても、マスク材２の中央部まで覆われない条件でエピタキシャル成長を行う（図４の（ｂ））。具体的には、成長温度、成長速度などの反応条件により、横方向成長を抑えることで達成される。窓枠状のマスク材２の、枠幅を十分にとると、やはりエッジ部の成長速度が中央部より大きくなってしまう。したがって、枠幅は20μm以下、望ましくは1〜10μmとする。又は消費領域Ｃ’の段差を大きくとることで容易に達成される。
【００２０】
上記の発明の実施の形態としては、次の中からそれぞれ選択することができる。
【００２１】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl2O4)、LiGaO2、NdGaO3、ZnO、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることができる。勿論、窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体膜を形成した基板、特にバッファ層として或いは更に厚膜を形成した基板を用いても良い。
【００２２】
III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。
【００２３】
III族窒化物系化合物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、これら元素を組成に表示できない程度のドープをしたものでも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有しないIII族窒化物系化合物半導体であるAlxGa1-xN（0≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得ることもできる。このようにして結晶性を良くすることで本願発明と合わせて更に貫通転位を１００乃至１０００分の１程度にまで下げることもできる。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００２４】
ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープしても良い。
【００２５】
本願と組み合わせていわゆる横方向エピタキシャル成長を行う構成としても良い。即ち、本願の素子形成領域上方に形成したIII族窒化物系化合物半導体上で、横方向エピタキシャル成長により貫通転位を減少させることを組み合わせても良い。横方向エピタキシャル成長としては成長面が基板に垂直となるものが望ましいが、基板に対して斜めのファセット面のまま成長するものでも良い。この際、段差の底部に底面の無い、断面がＶ字状のものでも良い。
【００２６】
本願発明における素子形成領域を区分するマスク材は、多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、チタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属、これらの多層膜をもちいることができる。これらの成膜方法は蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成長法の他、任意である。
【００２７】
反応防止層は、基板と上層のIII族窒化物系化合物半導体が製造工程中に反応しないようにするものである。例えばシリコン(Si)基板とGaNとは、間に層がないか、又は間に薄い層のみある場合は、製造工程中に応力により反応が促進され、GaNから窒素原子が移動し、シリコン(Si)基板と窒化ケイ素を形成することが知られている。そこで、単結晶で厚いものが良く、アルミニウム(Al)を多く含むIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（例えばx≧0.3）が好ましい。アルミニウム(Al)と窒素の結合が強いため、シリコン(Si)とGaNが反応し難くなるためである。また、いわゆるバッファ層的な非晶質でなく、主として単結晶であることが重要である。
【００２８】
非晶質の層と単結晶の層とを積層した歪み緩和層を設けても良い。非晶質の層と単結晶の層を１周期として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。非晶質の層としては低温で成長したIII族窒化物系化合物半導体が好ましく、アルミニウム(Al)を含む層が更に好ましい。単結晶の層としては高温で成長したIII族窒化物系化合物半導体が好ましく、伝導性のドーパントを入れることを除外して考えれば２元系のIII族窒化物系化合物半導体が更に好ましい。また、単結晶の層にインジウム(In)その他の原子半径の大きな原子をドープしても良い。
【００２９】
電極形成、或いは横方向エピタキシャル成長のためにIII族窒化物系化合物半導体をエッチングをする場合は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が望ましいが、任意のエッチング方法を用いることができる。基板面に垂直な側面を形成するのでないものとして、異方性エッチングにより例えば底部に底面の無い、断面がＶ字状のものを形成しても良い。
【００３０】
上記の貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体の上部にＦＥＴ、発光素子等の半導体素子を形成することができる。発光素子の場合は、発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の他、ホモ構造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられるが、ｐｉｎ接合或いはｐｎ接合等により形成しても良い。
【００３１】
以下、発明の具体的な実施例に基づいて説明する。実施例として発光素子をあげるが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、任意の素子に適用できるIII族窒化物系化合物半導体の製造方法を開示している。
【００３２】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)とキャリアガス(H2又はN2)とトリメチルガリウム（Ga(CH3)3，以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニウム（Al(CH3)3，以下「TMA」と記す）、トリメチルインジウム（In(CH3)3，以下「TMI」と記す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Mg(C5H5)2、以下「Cp2Mg」と記す）である。
【００３３】
〔第１実施例〕
n型のシリコン(Si)基板１の(111)面に、スパッタリングにより酸化シリコン(SiO2)膜２を300nmの厚さに形成した。これをフォトリソグラフによりレジストマスクを形成してバッファードHFのウエットエッチングにより、酸化シリコン(SiO2)膜を窓枠状に残して除去した。その窓枠は幅10μm、酸化シリコン(SiO2)膜２の除去されたシリコン(Si)基板１の(111)面は300μm×300μmの方形状と、窓枠中央部の幅50μmの格子状となった（図２の（ａ））。こうして多数の各々分離された、300μm×300μmの方形状のシリコン(Si)基板１の露出面Ｄと、窓枠中央部の幅50μmの格子状の露出面Ｃとが形成された（図１の（ａ））。窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２の窓枠幅（図１の（ａ）でＷと示した幅）は10μmである。
【００３４】
次にn型のシリコン(Si)基板１を1100℃に保持し、TMA、TMG、SiH4及びNH3を導入して、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面に300nmの厚さのn-AlGaN:Si層から成る反応防止層３を形成した。形成されたn-AlGaN:Si層３のAlとGaのモル比は約３：７であった。
【００３５】
次に、n型のシリコン(Si)基板１の温度を1100℃に上げ、TMG、SiH4及びNH3を導入して、反応防止層３の上に、5μmの厚さのn-GaN:Si層４を形成した。こののち、このように形成したn-GaN:Si層４は、窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２により各々分離された300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されており、一部窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２のエッジ上方にn-GaN:Si層４が形成されていても隣の300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されたn-GaN:Si層４’や窓枠中央部の幅50μmの露出面Ｃに形成されたn-GaN:Si層４Ｃとは分離されたままであった（図１の（ｂ））。このように形成したn-GaN:Si層４を20℃/分で降温し室温に戻したが、クラックは発生していなかった。また、素子形成領域のエッジ部と中央部との厚みの差は50nm以下であった。
【００３６】
〔第２実施例〕
n型のシリコン(Si)基板１の(111)面に、フォトリソグラフによりレジストマスクを形成してフッ酸／過酸化水素のウエットエッチにより幅50μm、深さ4μmの窓枠状にエッチングして溝部Ｃ’を形成した。窓枠に囲まれた領域は310μm×310μmの方形状とした。次にスパッタリングにより酸化シリコン(SiO2)膜２を300nmの厚さに形成した。これをフォトリソグラフによりレジストマスクを形成してバッファードHFのウエットエッチングにより、酸化シリコン(SiO2)膜を窓枠状に残して除去した。窓枠は前記幅50μm、深さ4μmの窓枠状の溝部Ｃ’を中央に有する幅60μmの形状とし、酸化シリコン(SiO2)膜２の除去されたシリコン(Si)基板１の(111)面は300μm×300μmの方形状となった（図２の（ａ））。こうして多数の各々分離された、300μm×300μmの方形状のシリコン(Si)基板１の露出面Ｄと、窓枠中央部の幅50μm、深さ4μmの格子状の露出面（溝部）Ｃ’とが形成された（図４の（ａ））。
【００３７】
次にn型のシリコン(Si)基板１を1100℃に保持し、TMA、TMG、SiH4及びNH3を導入して、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面に300nmの厚さのn-AlGaN:Si層から成る反応防止層３を形成した。形成されたn-AlGaN:Si層３のAlとGaのモル比は約３：７であった。
【００３８】
次に、n型のシリコン(Si)基板１の温度を1100℃に上げ、TMG、SiH4及びNH3を導入して、反応防止層３の上に、5μmの厚さのn-GaN:Si層４を形成した。こののち、このように形成したn-GaN:Si層４は、窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２により各々分離された300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されており、一部窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２のエッジ上方にn-GaN:Si層４が形成されていても隣の300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されたn-GaN:Si層４’や窓枠中央部の幅50μm、深さ4μmの露出面（溝部）Ｃ’に形成されたn-GaN:Si層４Ｃ’とは分離されたままであった。このように形成したn-GaN:Si層４を20℃/分で降温し室温に戻したが、クラックは発生していなかった。また、素子形成領域のエッジ部と中央部との厚みの差は50nm以下であった。
【００３９】
〔第３実施例〕
第１実施例と同様に、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面上のn-GaN:Si層４を積層し、続けて次のようにIII族窒化物系化合物半導体を積層して図５に示す発光ダイオード１００を形成した。
【００４０】
n-GaN:Si層４の上に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層１０５、発光層１０６、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層１０７、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１０８を形成した。次にｐコンタクト層１０８上に金(Au)から成る電極１０９を、シリコン基板１の裏面にアルミニウム(Al)から成る電極１１０を形成した。このようにして形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）１００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４１】
〔第４実施例〕
第１実施例と同様に、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面上のn-GaN:Si層４を積層し、続けて次のようにIII族窒化物系化合物半導体を積層して図６に示すレーザダイオード２００を形成した。
【００４２】
n-GaN:Si層５の上に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層２０５、シリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層２０６、ＭＱＷ構造の発光層２０７、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層２０８、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層２０９、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層２１０を形成した。次にｐコンタクト層２１０上に金(Au)から成る電極２１１を、シリコン基板１の裏面にアルミニウム(Al)から成る電極２１２を形成した。このようにして形成したレーザダイオード（ＬＤ）２００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図２】 第１実施例における窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜の形状を示す平面図。
【図３】 第１実施例におけるエピタキシャル成長層の側面の詳細を示す断面図。
【図４】 本発明の具体的な第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図５】 本発明の具体的な第３の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す断面図。
【図６】 本発明の具体的な第４の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す断面図。
【図７】 従来の選択成長に係るIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長状況を示す断面図。
【符号の説明】
１ シリコン(Si)基板
２ 酸化シリコン(SiO2)膜
３ n-AlGaN:Siから成る反応防止層
４ GaN層
１００ 発光ダイオード
２００ レーザダイオード
１０５、２０５ n-AlGaNクラッド層
２０６ n-GaNガイド層
１０６、２０７ 発光層
２０８ p-GaNガイド層
１０７、２０９ p-AlGaNクラッド層
１０８、２１０ p-GaN層
１０９、２１１ ｐ電極
１１０、２１２ ｎ電極
Ｃ 消費領域
Ｄ 素子形成領域
Ｅ 素子形成領域のエッジの凸部
Ｗ 消費領域と素子形成領域を区分するマスクの幅
９１ 基板
９２ マスク材
９３ III族窒化物系化合物半導体
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物系化合物半導体は、例えば発光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。また、そのバンドギャップが広いため、他の半導体を用いた素子よりも高温において安定した動作を期待できることから、ＦＥＴ等トランジスタへの応用も盛んに開発されている。また、ヒ素(As)を主成分としていないことで、環境面からも様々な半導体素子一般への開発が期待されている。このIII族窒化物系化合物半導体では、サファイアを基板とし、その上に形成した素子の他、シリコン(Si)基板を用いるものがある。
【０００３】
シリコン(Si)基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成すると、シリコン(Si)基板とIII族窒化物系化合物半導体との格子定数のミスフィットにより常に応力がかかった状態でエピタキシャル成長を行うこととなる。また、シリコン(Si)基板とIII族窒化物系化合物半導体との熱膨張率の差は、降温時にその応力を増大させ、III族窒化物系化合物半導体層に多数のクラック（断裂）を生じさせることとなる。これにより、発光素子その他の素子を形成した領域にクラック（断裂）が生じた場合はその素子は不良品となり、歩留まりが極めて悪いものとなっていた。
【０００４】
そこで例えば、各素子形成領域の大きさ（1mm2以下）に成長領域を区分し、当該成長領域以外に窓枠状のマスクを形成する技術がある。これにより各領域が小さくなること、また隣接する領域からの応力等が伝播しないことによりクラック（断裂）の発生を抑制し、且つクラックが発生したとしても当該クラックの発生した素子領域のみにとどめることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところがこのような素子形成領域を区分してエピタキシャル成長を行うと、通常、当該領域のエッジ部分がより早く成長し、領域中央部が凹部となるようなエピタキシャル成長となってしまう。これを図７に示す。図７では、基板９１とマスク材９２とIII族窒化物系化合物半導体層９３とで示したが、III族窒化物系化合物半導体層９３は単層に限られない。図７のようになるのは素子形成領域Ｄのエッジ部分Ｅと中央部ＭとでIII族及びV族の原料の供給量に差があり、エッジ部分により多くのIII族及びV族の原料が供給されることとなるからである。
【０００６】
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、その目的とするところは、成長領域を区分したエピタキシャル成長において、成長領域のエッジ部分が盛り上がらないようにすることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るIII族窒化物系化合物半導体の製造方法において、基板表面に、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材を格子状に形成し、素子形成用の基板表面を各々分離して露出させるとともに、格子状のマスクの帯の中央部に、III族窒化物系化合物半導体の消費領域を形成する工程と、各々分離して露出された素子形成用の基板表面に、所望のIII族窒化物系化合物半導体を形成する工程とを含み、前記消費領域は、前記基板をも一部削除して段差のある基板面を露出させて形成することを特徴とする。ここで、格子状のマスクの帯の中央部とは、マスクの帯全域にわたって連続して形成された中央部に限定されない。例えば破線状、点在する円形状その他任意である。尚、消費領域の形成は、マスク材を格子状に形成するのと同時でも、また、マスク材を格子状に形成した後でも良い。
【０００８】
本発明において、消費領域は、素子形成に用いない基板表面を露出させて形成されている。
【０００９】
また、消費領域は、基板をも一部削除して段差のある基板面を露出させて形成されている。この際、予め基板を削除して段差のある基板面を形成したのち、マスク材を格子状に形成する場合も本願発明に包含される。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、素子形成領域の面積が、0.01mm2以上1mm2以下であることを特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、素子形成領域の面積が、0.01mm2以上0.3mm2以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明は、基板がシリコン(Si)から成ることを特徴とする。また、請求項５に記載の発明は、マスク材が主として二酸化ケイ素(SiO2)から成ることを特徴とする。また、請求項６に記載の発明は、製造工程中に基板と上層のIII族窒化物系化合物半導体とが化学反応を起こさないよう、各々分離して露出された素子形成用の基板表面に、主として単結晶から成る反応防止層を形成する工程を含むことを特徴とする。尚、消費領域に反応防止層が形成されることを排除するものではない。また、請求項７に記載の発明は、反応防止層の厚さが、100nm以上1μm以下であることを特徴とする。また、請求項８に記載の発明は、反応防止層が、III族窒化物系化合物半導体であってIII族中のアルミニウム(Al)の組成がモル比30%以上であることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により得られたIII族窒化物系化合物半導体層上に、III族窒化物系化合物半導体素子を形成しても良い。
また、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により得られたIII族窒化物系化合物半導体層上に、異なるIII族窒化物系化合物半導体層を積層して、III族窒化物系化合物半導体発光素子を得ても良い。
【００１３】
【作用及び発明の効果】
格子状のマスクにより成長領域を区分したエピタキシャル成長において、隣接する成長領域のエッジ部分との間、マスクの帯の中央部に、マスク及び基板の一部削除して段差のある基板面を露出させた、III族窒化物系化合物半導体の消費領域が形成されているので、成長領域のエッジ部分に不必要にIII族及びV族の原料が供給されることが無い。これにより、素子形成領域のエッジ部分と中央部とでIII族及びV族の原料の供給量の差が抑制され、素子領域エッジ部が凸部となることがなくなり、素子形成領域のクラックや欠陥が大幅に低減される（請求項１）。
【００１４】
【００１５】
素子形成領域の面積は、0.01mm2以上1mm2以下であることが望ましく、更には0.01mm2以上0.3mm2以下であることが望ましい。1mm2越える領域に形成されるエピタキシャル成長層は数μmの厚さに形成すると応力からクラックの発生が非常に多くなる。0.3mm2以下の領域とすると、各エピタキシャル形成領域は１素子単位程度となり、歩留まりを更に上げることができる（請求項２、３）。0.01mm2未満の領域では１個の素子領域として充分ではない。
【００１６】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体との熱膨張率の差が大きいシリコン(Si)基板である場合に特に有効である（請求項４）。また、マスク材としては二酸化ケイ素(SiO2)を用いることが簡便である（請求項５）。反応防止層を形成することで、基板と上層のIII族窒化物系化合物半導体が製造工程中に反応しないようにすることができる（請求項６）。反応防止層の厚さは少なくとも100nm必要であり（請求項７）、その組成はIII族中のアルミニウム(Al)の組成がモル比30%以上であるIII族窒化物系化合物半導体であることがより望ましい（請求項８）。これにより、例えばシリコン(Si)基板と窒化ガリウム(GaN)との間にAlGaNを形成する場合、シリコン(Si)基板と窒化ガリウム(GaN)とが直接接しないことでこれらの間で窒素原子が移動して窒化ケイ素と金属ガリウムその他が生成することを防ぐことができる。その他、III族窒化物系化合物半導体と条件により反応を起こし得る基板との間に反応防止層を形成することは有用である。
【００１７】
上記のように形成した所望のIII族窒化物系化合物半導体層に任意の素子を形成したもの、或いは、異なるIII族窒化物系化合物半導体層を積層して発光素子としたものは、クラックの発生も貫通転位の抑制も同時になされるので歩留まりが高く、且つ高品質の素子又は発光素子とすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の具体的な一実施例における構成を示す断面図である。シリコン(Si)基板１に、酸化ケイ素(SiO2)から成るマスク材２が形成される。マスク材２は主として窓枠状に形成され、窓部はシリコン(Si)基板１面が露出される。更に、窓枠部中央部にも帯状にシリコン(Si)基板１面が露出される（図１の（ａ））。マスク材２の形状を平面図としたものを図２の（ａ）〜（ｃ）に例示する。図２の（ａ）〜（ｃ）のＤと示した方形状の部分が素子形成領域であり、Ｃと示した帯状部分は消費領域である。Ｃと示した帯状の消費領域は、図２の（ａ）のようにウエハ全体としてつながったものとして形成されても、図２の（ｂ）のように各辺で分離したものとしても良いが、つながったものは消費領域に応力が集中し、素子形成領域のクラックが更に低減できるためより好ましい。また、図２の（ｃ）のように窓枠の交差部（素子形成領域の角部に隣接した部分）に設けても良い。次に露出したシリコン(Si)基板１面、即ち素子形成領域Ｄと消費領域Ｃの両方に、エピタキシャル成長によりAlGaNから成る反応防止層３が形成される。反応防止層３は、シリコン(Si)基板１と上層のIII族窒化物系化合物半導体の反応を防ぐためのものであり、主として単結晶から成る。次に、反応防止層３の上に、所望のIII族窒化物系化合物半導体層であるGaN層４がエピタキシャル成長により形成される。ここで、反応防止層３、GaN層４から成る積層部は、隣の露出した基板１面に形成された反応防止層３’、GaN層４’から成る積層部とは、エピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。同じく、素子形成領域Ｄに積層されたものと消費領域Ｃに積層されたものもエピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。即ち、マスク材２の端部上方にIII族窒化物系化合物半導体層４が形成されたとしても、マスク材２の中央部まで覆われない条件でエピタキシャル成長を行う（図１の（ｂ））。具体的には、成長温度、成長速度などの反応条件により、横方向成長を抑えることで達成される。窓枠状のマスク材２の、枠幅を十分にとると、やはりエッジ部の成長速度が中央部より大きくなってしまう。したがって、枠幅は20μm以下、望ましくは1〜10μmとする。尚、反応防止層３、GaN層４から成る積層部は、図３（ａ）のようにマスク材２上部で基板１面に対し垂直面を有していても、また、図３（ｂ）のように斜めの面であっても、どちらも本願発明に包含される。図１及び図４以下では、図３（ａ）の形式で記載するが、いずれの場合も図３（ｂ）のような積層を排除するものではない。
【００１９】
図４は、本発明の別の具体的な一実施例における構成を示す断面図である。シリコン(Si)基板１に、酸化ケイ素(SiO2)から成るマスク材２が形成される。マスク材２は主として窓枠状に形成され、窓部はシリコン(Si)基板１面が露出される。更に、窓枠部中央部にも帯状にシリコン(Si)基板１を一部削って段差を有する面が露出される（図４の（ａ））。マスク材２の形状を平面図としたものは図２の（ａ）〜（ｃ）に例示したものと同様である。次に露出したシリコン(Si)基板１面、即ち素子形成領域Ｄと消費領域Ｃ’の両方に、エピタキシャル成長によりAlGaNから成る反応防止層３が形成される。反応防止層３は、シリコン(Si)基板１と上層のIII族窒化物系化合物半導体の反応を防ぐためのものであり、主として単結晶から成る。次に、反応防止層３の上に、所望のIII族窒化物系化合物半導体層であるGaN層４がエピタキシャル成長により形成される。ここで、反応防止層３、GaN層４から成る積層部は、隣の露出した基板１面に形成された反応防止層３’、GaN層４’から成る積層部とは、エピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。同じく、素子形成領域Ｄに積層されたものと消費領域Ｃに積層されたものもエピタキシャル成長の際に接続しない条件で形成される。即ち、マスク材２の端部上方にIII族窒化物系化合物半導体層４が形成されたとしても、マスク材２の中央部まで覆われない条件でエピタキシャル成長を行う（図４の（ｂ））。具体的には、成長温度、成長速度などの反応条件により、横方向成長を抑えることで達成される。窓枠状のマスク材２の、枠幅を十分にとると、やはりエッジ部の成長速度が中央部より大きくなってしまう。したがって、枠幅は20μm以下、望ましくは1〜10μmとする。又は消費領域Ｃ’の段差を大きくとることで容易に達成される。
【００２０】
上記の発明の実施の形態としては、次の中からそれぞれ選択することができる。
【００２１】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl2O4)、LiGaO2、NdGaO3、ZnO、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることができる。勿論、窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体膜を形成した基板、特にバッファ層として或いは更に厚膜を形成した基板を用いても良い。
【００２２】
III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。
【００２３】
III族窒化物系化合物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、これら元素を組成に表示できない程度のドープをしたものでも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有しないIII族窒化物系化合物半導体であるAlxGa1-xN（0≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得ることもできる。このようにして結晶性を良くすることで本願発明と合わせて更に貫通転位を１００乃至１０００分の１程度にまで下げることもできる。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００２４】
ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープしても良い。
【００２５】
本願と組み合わせていわゆる横方向エピタキシャル成長を行う構成としても良い。即ち、本願の素子形成領域上方に形成したIII族窒化物系化合物半導体上で、横方向エピタキシャル成長により貫通転位を減少させることを組み合わせても良い。横方向エピタキシャル成長としては成長面が基板に垂直となるものが望ましいが、基板に対して斜めのファセット面のまま成長するものでも良い。この際、段差の底部に底面の無い、断面がＶ字状のものでも良い。
【００２６】
本願発明における素子形成領域を区分するマスク材は、多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、チタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属、これらの多層膜をもちいることができる。これらの成膜方法は蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成長法の他、任意である。
【００２７】
反応防止層は、基板と上層のIII族窒化物系化合物半導体が製造工程中に反応しないようにするものである。例えばシリコン(Si)基板とGaNとは、間に層がないか、又は間に薄い層のみある場合は、製造工程中に応力により反応が促進され、GaNから窒素原子が移動し、シリコン(Si)基板と窒化ケイ素を形成することが知られている。そこで、単結晶で厚いものが良く、アルミニウム(Al)を多く含むIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（例えばx≧0.3）が好ましい。アルミニウム(Al)と窒素の結合が強いため、シリコン(Si)とGaNが反応し難くなるためである。また、いわゆるバッファ層的な非晶質でなく、主として単結晶であることが重要である。
【００２８】
非晶質の層と単結晶の層とを積層した歪み緩和層を設けても良い。非晶質の層と単結晶の層を１周期として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。非晶質の層としては低温で成長したIII族窒化物系化合物半導体が好ましく、アルミニウム(Al)を含む層が更に好ましい。単結晶の層としては高温で成長したIII族窒化物系化合物半導体が好ましく、伝導性のドーパントを入れることを除外して考えれば２元系のIII族窒化物系化合物半導体が更に好ましい。また、単結晶の層にインジウム(In)その他の原子半径の大きな原子をドープしても良い。
【００２９】
電極形成、或いは横方向エピタキシャル成長のためにIII族窒化物系化合物半導体をエッチングをする場合は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が望ましいが、任意のエッチング方法を用いることができる。基板面に垂直な側面を形成するのでないものとして、異方性エッチングにより例えば底部に底面の無い、断面がＶ字状のものを形成しても良い。
【００３０】
上記の貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体の上部にＦＥＴ、発光素子等の半導体素子を形成することができる。発光素子の場合は、発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の他、ホモ構造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられるが、ｐｉｎ接合或いはｐｎ接合等により形成しても良い。
【００３１】
以下、発明の具体的な実施例に基づいて説明する。実施例として発光素子をあげるが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、任意の素子に適用できるIII族窒化物系化合物半導体の製造方法を開示している。
【００３２】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)とキャリアガス(H2又はN2)とトリメチルガリウム（Ga(CH3)3，以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニウム（Al(CH3)3，以下「TMA」と記す）、トリメチルインジウム（In(CH3)3，以下「TMI」と記す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Mg(C5H5)2、以下「Cp2Mg」と記す）である。
【００３３】
〔第１実施例〕
n型のシリコン(Si)基板１の(111)面に、スパッタリングにより酸化シリコン(SiO2)膜２を300nmの厚さに形成した。これをフォトリソグラフによりレジストマスクを形成してバッファードHFのウエットエッチングにより、酸化シリコン(SiO2)膜を窓枠状に残して除去した。その窓枠は幅10μm、酸化シリコン(SiO2)膜２の除去されたシリコン(Si)基板１の(111)面は300μm×300μmの方形状と、窓枠中央部の幅50μmの格子状となった（図２の（ａ））。こうして多数の各々分離された、300μm×300μmの方形状のシリコン(Si)基板１の露出面Ｄと、窓枠中央部の幅50μmの格子状の露出面Ｃとが形成された（図１の（ａ））。窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２の窓枠幅（図１の（ａ）でＷと示した幅）は10μmである。
【００３４】
次にn型のシリコン(Si)基板１を1100℃に保持し、TMA、TMG、SiH4及びNH3を導入して、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面に300nmの厚さのn-AlGaN:Si層から成る反応防止層３を形成した。形成されたn-AlGaN:Si層３のAlとGaのモル比は約３：７であった。
【００３５】
次に、n型のシリコン(Si)基板１の温度を1100℃に上げ、TMG、SiH4及びNH3を導入して、反応防止層３の上に、5μmの厚さのn-GaN:Si層４を形成した。こののち、このように形成したn-GaN:Si層４は、窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２により各々分離された300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されており、一部窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２のエッジ上方にn-GaN:Si層４が形成されていても隣の300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されたn-GaN:Si層４’や窓枠中央部の幅50μmの露出面Ｃに形成されたn-GaN:Si層４Ｃとは分離されたままであった（図１の（ｂ））。このように形成したn-GaN:Si層４を20℃/分で降温し室温に戻したが、クラックは発生していなかった。また、素子形成領域のエッジ部と中央部との厚みの差は50nm以下であった。
【００３６】
〔第２実施例〕
n型のシリコン(Si)基板１の(111)面に、フォトリソグラフによりレジストマスクを形成してフッ酸／過酸化水素のウエットエッチにより幅50μm、深さ4μmの窓枠状にエッチングして溝部Ｃ’を形成した。窓枠に囲まれた領域は310μm×310μmの方形状とした。次にスパッタリングにより酸化シリコン(SiO2)膜２を300nmの厚さに形成した。これをフォトリソグラフによりレジストマスクを形成してバッファードHFのウエットエッチングにより、酸化シリコン(SiO2)膜を窓枠状に残して除去した。窓枠は前記幅50μm、深さ4μmの窓枠状の溝部Ｃ’を中央に有する幅60μmの形状とし、酸化シリコン(SiO2)膜２の除去されたシリコン(Si)基板１の(111)面は300μm×300μmの方形状となった（図２の（ａ））。こうして多数の各々分離された、300μm×300μmの方形状のシリコン(Si)基板１の露出面Ｄと、窓枠中央部の幅50μm、深さ4μmの格子状の露出面（溝部）Ｃ’とが形成された（図４の（ａ））。
【００３７】
次にn型のシリコン(Si)基板１を1100℃に保持し、TMA、TMG、SiH4及びNH3を導入して、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面に300nmの厚さのn-AlGaN:Si層から成る反応防止層３を形成した。形成されたn-AlGaN:Si層３のAlとGaのモル比は約３：７であった。
【００３８】
次に、n型のシリコン(Si)基板１の温度を1100℃に上げ、TMG、SiH4及びNH3を導入して、反応防止層３の上に、5μmの厚さのn-GaN:Si層４を形成した。こののち、このように形成したn-GaN:Si層４は、窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２により各々分離された300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されており、一部窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜２のエッジ上方にn-GaN:Si層４が形成されていても隣の300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１面上方に形成されたn-GaN:Si層４’や窓枠中央部の幅50μm、深さ4μmの露出面（溝部）Ｃ’に形成されたn-GaN:Si層４Ｃ’とは分離されたままであった。このように形成したn-GaN:Si層４を20℃/分で降温し室温に戻したが、クラックは発生していなかった。また、素子形成領域のエッジ部と中央部との厚みの差は50nm以下であった。
【００３９】
〔第３実施例〕
第１実施例と同様に、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面上のn-GaN:Si層４を積層し、続けて次のようにIII族窒化物系化合物半導体を積層して図５に示す発光ダイオード１００を形成した。
【００４０】
n-GaN:Si層４の上に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層１０５、発光層１０６、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層１０７、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１０８を形成した。次にｐコンタクト層１０８上に金(Au)から成る電極１０９を、シリコン基板１の裏面にアルミニウム(Al)から成る電極１１０を形成した。このようにして形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）１００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４１】
〔第４実施例〕
第１実施例と同様に、300μm×300μmの方形状に露出したシリコン(Si)基板１の(111)面上のn-GaN:Si層４を積層し、続けて次のようにIII族窒化物系化合物半導体を積層して図６に示すレーザダイオード２００を形成した。
【００４２】
n-GaN:Si層５の上に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層２０５、シリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層２０６、ＭＱＷ構造の発光層２０７、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層２０８、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層２０９、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層２１０を形成した。次にｐコンタクト層２１０上に金(Au)から成る電極２１１を、シリコン基板１の裏面にアルミニウム(Al)から成る電極２１２を形成した。このようにして形成したレーザダイオード（ＬＤ）２００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の具体的な第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図２】 第１実施例における窓枠状の酸化シリコン(SiO2)膜の形状を示す平面図。
【図３】 第１実施例におけるエピタキシャル成長層の側面の詳細を示す断面図。
【図４】 本発明の具体的な第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図５】 本発明の具体的な第３の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す断面図。
【図６】 本発明の具体的な第４の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構成を示す断面図。
【図７】 従来の選択成長に係るIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長状況を示す断面図。
【符号の説明】
１ シリコン(Si)基板
２ 酸化シリコン(SiO2)膜
３ n-AlGaN:Siから成る反応防止層
４ GaN層
１００ 発光ダイオード
２００ レーザダイオード
１０５、２０５ n-AlGaNクラッド層
２０６ n-GaNガイド層
１０６、２０７ 発光層
２０８ p-GaNガイド層
１０７、２０９ p-AlGaNクラッド層
１０８、２１０ p-GaN層
１０９、２１１ ｐ電極
１１０、２１２ ｎ電極
Ｃ 消費領域
Ｄ 素子形成領域
Ｅ 素子形成領域のエッジの凸部
Ｗ 消費領域と素子形成領域を区分するマスクの幅
９１ 基板
９２ マスク材
９３ III族窒化物系化合物半導体
Claims (8)
- 基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るIII族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
基板表面に、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材を格子状に形成し、素子形成用の基板表面を各々分離して露出させるとともに、前記格子状のマスクの帯の中央部に、III族窒化物系化合物半導体の消費領域を形成する工程と、
前記各々分離して露出された素子形成用の基板表面上方に、所望のIII族窒化物系化合物半導体を形成する工程とを含み、
前記消費領域は、前記基板をも一部削除して段差のある基板面を露出させて形成することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。 - 前記素子形成領域の面積が、0.01mm2以上1mm2以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 前記素子形成領域の面積が、0.01mm2以上0.3mm2以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 前記基板がシリコン(Si)から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 前記マスク材が主として二酸化ケイ素(SiO2)から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 製造工程中に基板と上層のIII族窒化物系化合物半導体とが化学反応を起こさないよう、前記各々分離して露出された素子形成用の基板表面に主として単結晶から成る反応防止層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 前記反応防止層の厚さが、100nm以上1μm以下であることを特徴とする請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 前記反応防止層が、III族窒化物系化合物半導体であってIII族中のアルミニウム(Al)の組成がモル比30%以上であることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
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