JP5128075B2 - 化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイスに関する。

窒化化合物半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ系）は、その結晶のエネルギーバンドギャップが青色から紫外線の波長に対応するため、半導体レーザ等の半導体デバイスへの応用を期待して、数多くの研究が行われている。半導体デバイスの特性および信頼性向上のためには、結晶転位密度を低減することが必要である。結晶成長においては格子不整合度がしばしば問題となる。ＡｌＮと種々の半導体との格子不整合度については知られている。

六方晶のＡｌＮに対する６Ｈ−ＳｉＣのａ軸格子不整合度は１．０％、ＧａＮのａ軸格子不整合度は＋２．５％である。化合物半導体における格子定数は、原子半径が大きい元素が含まれているほど大きくなる傾向があり、また、格子定数が大きいほどエネルギーバンドギャップは小さくなる傾向がある。

ＡｌＮの格子定数はａ軸０．３１１２ｎｍ、エネルギーバンドギャップは６．２０ｅＶ、ＧａＮの格子定数はａ軸０．３１８９ｎｍ、エネルギーバンドギャップは３．４４ｅＶ、ＩｎＮの格子定数はａ軸０．３５４８ｎｍ、エネルギーバンドギャップは０．８ｅＶである。

すなわち、青色や紫外線などの短波長の光に対応する半導体機能素子を形成するためには、Ａｌの組成比を増加させて、エネルギーバンドギャップ広くする必要があるが、窒化化合物半導体では、Ａｌの組成比の増加に伴い結晶転位密度も増加する傾向がある。

結晶転位密度を低減する方法として、基板結晶表面に周期的なストライプを形成する方法が知られている。ストライプの溝内で横方向に成長した埋め込み層の結晶転位密度は低減することが知られている。下記特許文献１によれば、低転位で結晶性に優れ、半導体基板として使用することが可能な三族窒化化合物半導体単結晶の作製方法が提案されている。

同文献によれば、サファイア基板上に、ＡｌＮ緩衝層を形成し、ＡｌＮ緩衝層上にＧａＮ下地層を形成している。更に、ＧａＮ下地層の主面からエッチングを実施して、ＧａＮ下地層を部分的に除去し、ステップ状の底面を有する凹部を形成している。

その後、凹部を含むＧａＮ下地層の全面に三族窒化物系中間層（ＡｌＮ）を形成し、三族窒化物系中間層上に凹部に起因した段差を埋めるようにしてＡｌＧａＮ半導体層を形成している（従来例）。このように、三族窒化物系中間層及び凹部内の横方向成長を併用することにより、凹部上方の部分は低転位となることが知られている。
特開２００２−１６００９号公報

しかしながら、上述の手法を用いても、ＡｌＧａＮからなる埋め込み層のＡｌ組成比を１０％以上に設定した場合や膜厚を厚くした場合には、実際に多くのクラックが発生し、素子の作製が困難となるという問題があった。また、低結晶転位領域となるべき凹部の底面および側壁に三族窒化物系中間層が存在するため、新たな結晶転位が誘発され、結晶転位の低減効果が十分に得られないといった問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、結晶性に優れた化合物半導体基板、その製造方法、半導体デバイスを提供することを目的とする。

本願発明者らがクラックの発生原因について鋭意検討を行ったところ、以下のような事実を発見した。すなわち、ＡｌＧａＮからなる埋め込み層のＡｌ組成比を増加させると、格子定数がＧａＮよりも小さくなる傾向にあるが、この場合、ＧａＮからなる下地層との格子定数差が大きくなり、埋め込み層内に大きな引張りひずみが導入されるのである。

このクラックの問題を解決するため、本発明に係る化合物半導体基板は、下地基板上に成長し凹凸表面を構成する第１の窒化化合物半導体層と、前記第１の窒化化合物半導体層の凸部上にのみ位置する三族窒化物系中間層と、前記三族窒化物系中間層上に成長した第２の窒化化合物半導体層と、前記凹凸表面の凹部内及び前記第２の化合物半導体層上に成長した第３の窒化化合物半導体層と、を備え、前記第１の窒化化合物半導体層はＡｌ _Ｘ Ｇａ _１−Ｘ Ｎ系半導体からなり、前記第２の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、前記第３の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、前記第１の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ１、前記第２の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ２、及び前記第３の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ３は、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２なる関係を満たしており、前記第２の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｙ Ｇａ _１−Ｙ Ｎであり、前記第３の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｚ Ｇａ _１−Ｚ Ｎ系半導体である場合には、以下の関係：Ｘ＜Ｚ＜Ｙ、０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、を満たすことを特徴とする。
すなわち、格子定数は第１の窒化化合物半導体層が一番大きく、第２の窒化化合物半導体層が一番小さいということになる。
また、前記第１の窒化化合物半導体層の材料（ａ）、前記三族窒化物系中間層の材料（ｂ）、前記第２の窒化化合物半導体層の材料（ｃ）、及び、前記第３の窒化化合物半導体層の材料（ｄ）の組み合わせ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、それぞれ、以下の（Ａ）〜（Ｅ）：（Ａ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＮ）、（Ｂ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、（Ｃ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＮ）、（Ｄ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、（Ｅ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）のいずれかであることを特徴とする。

第１の窒化化合物半導体層の凸部のみに三族窒化物系中間層を成長させると、この上に成長する第２の窒化化合物半導体層は比較的良好に成長する。第３の窒化化合物半導体層は、第２の窒化化合物半導体層よりも格子定数が大きいため、第２の窒化化合物半導体層から圧縮歪を受ける。したがって、第３の窒化化合物半導体層内には引張り歪みが生じないため、第３の窒化化合物半導体層のＡｌ組成を増したり、膜厚を厚くしても、クラックの発生が抑制される。特に、第３の窒化化合物半導体層は、第１の窒化化合物半導体層の凹部内にも成長するため、凹部内横方向成長によって、第３の窒化化合物半導体層内の結晶転位が低減する。凹部の底面および側壁には三族窒化物系中間層などが存在しないため、新たに結晶転位を誘発することがなく、従来よりも横方向成長による結晶転位の低減に高い効果が得られる。なお、三族窒化物系中間層は、ＡｌＮの他、他の元素を微量に含んだものを含む。

また、本発明に係る化合物半導体基板は、下地基板と第１の窒化化合物半導体層との間に介在する窒化物バッファ層を更に備えることを特徴とする。窒化物バッファ層は、第１の窒化化合物半導体層よりも薄く、第１の窒化化合物半導体層の成長時に導入される歪を緩和することができる。

また、凹凸表面の凹部底面は下地基板の露出表面であり、第３の窒化化合物半導体層は露出表面上に成長していることを特徴とする。凹部の底面に、低温三族窒化物系中間層やＡｌＧａＮ歪み抑制層が存在すると、新たな結晶転位を誘発してしまうため、凹部底面はサファイアやＧａＮ等からなるバルク基板の露出表面とし、結晶転位の発生が抑制されている。

また、本発明に係る半導体デバイスは、上述の化合物半導体基板と、凹凸表面の凹部上の領域に形成された半導体機能素子とを備えることを特徴とする。

上述のクラックが抑制され、かつ結晶転位密度が低減された凹部上の領域に半導体機能素子を形成すると、かかる領域は結晶性が高いため、電流通過特性が改善する。

また、本発明に係る化合物半導体基板の製造方法は、下地基板上に第１の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、前記第１の窒化化合物半導体層に三族窒化物系中間層を成長させる工程と、前記三族窒化物系中間層上に第２の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、前記第２の窒化化合物半導層上に所定パターンのマスクを形成する工程と、前記第２の窒化化合物半導体層の表面から前記マスクを介して前記第1の窒化化合物半導体層の内部までエッチングを行い複数の凹部を形成する工程と、前記凹部内及び前記第２の化合物半導体層上に第３の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、を備え、前記第１の窒化化合物半導体層はＡｌ _Ｘ Ｇａ _１−Ｘ Ｎ系半導体からなり、前記第２の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、前記第３の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、前記第１の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ１、前記第２の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ２、及び前記第３の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ３は、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２なる関係を満たしており、前記第２の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｙ Ｇａ _１−Ｙ Ｎであり、前記第３の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｚ Ｇａ _１−Ｚ Ｎ系半導体である場合には、以下の関係：Ｘ＜Ｚ＜Ｙ、０≦Ｘ≦１、０＜Ｙ＜１、０＜Ｚ＜１、を満たすように、各成長工程における特定元素の供給比を設定することを特徴とする。

第２の窒化化合物半導体層は、三族窒化物系中間層上に形成するため、比較的良好に成長する。凹部は、第２の窒化化合物半導体層、三族窒化物系中間層、第１の窒化化合物半導体層をエッチングすることによって一括して形成することができ、凸部上のみに三族窒化物系中間層及び第２の窒化化合物半導体層が残留する。凹部内及び第２の化合物半導体層上に第３の窒化化合物半導体層を成長させると、凹部内横方向成長によるクラック抑制と、凸部上の組成比の差によって、すなわち、第３の窒化化合物半導体層が圧縮歪を第２の窒化化合物半導体層から受けることによって、クラックの発生を抑制できる。さらに凹部の底面および側壁には第２の窒化化合物半導体層および三族窒化物系中間層が存在しないため、第３の窒化化合物半導体層へ新たな結晶転位を誘発することがなく、横方向成長による結晶転位の低減により高い効果が得られる。

本発明によれば、結晶性に優れた化合物半導体基板、その製造方法、半導体デバイスを提供することができる。

以下、実施の形態に係る化合物半導体基板、その製造方法、半導体デバイスについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
（第1の実施の形態）

図１は、第1の実施の形態に係る化合物半導体基板１００の平面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。

化合物半導体基板１００は、窒化物バッファ層１１１を介して下地基板１１０上に成長し凹凸表面を構成する成長障壁層（第１の窒化化合物半導体層）１を備えている。窒化物バッファ層１１１は、成長障壁層１よりも薄く、成長障壁層１の成長時に導入される歪を緩和している。

化合物半導体基板１００は、成長障壁層１の凸部Ｐ上にのみ位置する三族窒化物系中間層Ｉ１と、中間層Ｉ１上に成長した歪抑制層（第２の窒化化合物半導体層）Ｉ２とを備えている。

凹凸表面は、成長障壁層１の凸部Ｐの上面と、凸部Ｐ間の下地基板１１０の表面から構成されている。凹凸表面の凹部Ｄ内及び歪抑制層Ｉ２上には埋め込み層（第３の窒化化合物半導体層）２が成長している。埋め込み層２の表面は略平坦となっている。埋め込み層２は、凹部Ｄ内へ埋め込まれている。

成長障壁層１はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ系半導体からなり、歪抑制層Ｉ２はＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ系半導体からなり、埋め込み層２はＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ系半導体からなる。Ａｌ組成比Ｘ，Ｙ，Ｚは、以下の関係：Ｘ＜Ｚ＜Ｙを満たしている。すなわち、格子定数は成長障壁層１が一番大きく、歪抑制層Ｉ２が一番小さいということになる。

成長障壁層１の凸部Ｐのみに三族窒化物系中間層Ｉ１を成長させると、この上に成長する歪抑制層Ｉ２は比較的良好に成長する。

一方、埋め込み層２は、歪抑制層Ｉ２よりも格子定数が大きいため、歪抑制層Ｉ２から「圧縮歪」を受ける。したがって、埋め込み層２内には引張り歪みが生じないため、埋め込み層２のＡｌ組成を増したり、膜厚を厚くしても、クラックの発生が抑制される。

特に、埋め込み層２は、成長障壁層１の凹部Ｄ内にも成長するため、凹部内横方向成長によって、埋め込み層２内の結晶転位が低減する。凹部の底面および側壁には三族窒化物系中間層などが存在しないため、新たに結晶転位を誘発することがなく、従来よりも横方向成長による結晶転位の低減に高い効果が得られる。なお、三族窒化物系中間層は、ＡｌＮの他、Ｇａ等の他の元素を微量に含んだものを含む。

また、凹凸表面の凹部底面は下地基板１１０の露出表面であり、埋め込み層２は、この露出表面上に成長している。凹部Ｄの底面に、低温三族窒化物系中間層やＡｌＧａＮ歪み抑制層が存在すると、新たな結晶転位を誘発してしまうため、凹部底面はサファイアやＧａＮ等からなるバルク基板の露出表面とし、結晶転位の発生が抑制されている。

凹部Ｄの上方の領域に位置する埋め込み層２は、凹部Ｄの中心線上に位置する部分を除いて、低結晶転位領域ＬＲを備えている。低結晶転位領域ＬＲ上に成長した素子は、下地の結晶性を引き継ぐため、良好な結晶性を有する。

図２は、化合物半導体基板の結晶状態について説明するための図である。

下地基板１１０の表面から成長した成長障壁層１内には結晶転位Ｄｉｓが導入されており、凸部Ｐ上においては、この結晶転位は、三族窒化物系中間層Ｉ１、歪抑制層Ｉ２、埋め込み層２内にも導入される。一方、凹部Ｄ内においては、埋め込み層２は、結晶転位Ｄｉｓは、横方向に成長し、凹部Ｄの中心位置近傍で合体終端され、または中心位置近傍に集中し上方へ曲げられる。したがって、成長障壁層１は、横方向の成長を制限し、埋め込み層２の凹部Ｄ上の領域の結晶転位密度は低減されることなる。

図３は、下地基板１１０、バッファ層１１１、成長障壁層１、中間層Ｉ１、歪抑制層Ｉ２、埋め込み層２に用いることが可能な材料を示す表である。

好適な材料の一例は、以下の組み合わせであり、電気伝導性を確保するなどのためにSiやMgなどの不純物を添加することがある。

また、バッファ層１１１を備えないで下地基板１１０上に直接、成長障壁層１を設ける構成としてもよい。この場合の好適な組み合わせの一例は以下の通りである。

（第２の実施の形態）

図４は、第２の実施の形態に係る化合物半導体基板１００の平面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。

成長障壁層１の凹部Ｄの深さは、その厚みよりも小さく、凹部Ｄの底面を構成する成長障壁層１の内部表面に埋め込み層２が接触している。好適な材料の一例は、以下の組み合わせであり、電気伝導性を確保するなどのためにSiやMgなどの不純物を添加することがある。

（第３の実施の形態）

図５は、第３の実施の形態に係る化合物半導体基板１００の平面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。

第３の実施の形態では、第1の実施の形態における下地基板１１０、バッファ層１１１及び成長障壁層１を単一の材料で一体化したものを下地基板１１０として採用したものである。その凸部Ｐ上には、中間層Ｉ１と歪抑制層Ｉ２が形成され、凹凸表面上に埋め込み層２が形成されている。好適な材料の一例は、以下の組み合わせであり、電気伝導性を確保するなどのためにSiやMgなどの不純物を添加することがある。

次に、図１に記載の化合物半導体基板の製造方法について説明する。

結晶成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アルミニウム（Ａｌ）原料にてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ_３）を用いた。キャリアガスとして水素（Ｈ_２）及び窒素（Ｎ_２）を用いた。なお、化合物にＩｎが含まれる場合には原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いればよい。

（１）成長障壁層成長工程

まず、下地基板１１０を用意する。下地基板１１０にはサファイア（０００１）を用いた。下地基板１１０をＭＯＣＶＤ成長装置に導入後、水素雰囲気中で１０５０℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。その後、基板温度を４７５℃に降温し、ＧａＮからなるバッファ層１１１を２５ｎｍ堆積する。なお、成長圧力は常圧（１×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａ供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。

ＧａＮのバッファ層１１１を堆積後、１０７５℃まで昇温し、ＧａＮからなる成長障壁層１を約２μｍ成長した。なお、成長圧力は常圧（１×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａ供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は８ＳＬＭとした。
（２）中間層の成長工程

更に、基板温度を５５０℃に降温し、低温ＡｌＮからなる中間層Ｉ１を成長障壁層１上に厚さ１０ｎｍ成長させる。成長圧力は常圧（１×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＡｌ供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。
（３）歪抑制層の成長工程

中間層Ｉ２の成長後、基板温度を１１２５℃に昇温し、ＡｌＧａＮからなる歪抑制層（Ａｌ組成比６０％）Ｉ２を１２０ｎｍ成長した。成長圧力は１×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量は５ＳＬＭとした。

なお、本実施例では、結晶成長に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。本発明は、これに限定されるものではなく、分子線成長法（ＭＢＥ）やハイライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いても構わない。

なお、次の溝形成工程前に、上述のＡｌＧａＮからなる歪抑制層Ｉ２よりＡｌ組成の小さいＡｌＧａＮ層を一旦形成した後に、さらに、ＡｌＧａＮ層からなる歪抑制層の成長を行うことにより、最終的に同様の歪関係を有する構造を製造することもできる。
（４）溝形成工程

（４−１）ＳｉＯ_２膜堆積

歪抑制層Ｉ２が成長した基板を成長装置から取り出し、プラズマＣＶＤ装置に導入して、歪抑制層２上にＳｉＯ_２膜を３００ｎｍ堆積する。成膜条件は、温度４００℃、圧力は９３Ｐａ、シラン（ＳｉＨ_４）流量１０ＳＣＣＭ、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）供給量３５０ＳＣＣＭ、アルゴン（Ａｒ）流量１８０ＳＣＣＭとした。

本例では、ＳｉＯ_２膜の堆積にプラズマＣＶＤを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子線（ＥＢ）蒸着法やスパッタ法などを用いても構わない。

（４−２）フォトリソグラフィ工程

ＳｉＯ_２膜の堆積後、フォトリソグラフィにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクをＳｉＯ_２膜上に形成する。ストライプ方向はサファイア基板の[１１−２０]方向（ＧａＮ結晶の[１−１００]方向である。ストライプの幅は１４μｍ、周期は２８μｍとした。用いるパターンは格子状であってもよい。

（４−３）ＳｉＯ_２膜パターニング工程

周期ストライプにパターニングしたレジストをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、ＳｉＯ_２膜をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー１５０Ｗ、圧力５．３×１０^３Ｐａ、ＣＦ_４流量４５ＳＣＣＭ、酸素（Ｏ_２）流量５ＳＣＣＭとして、歪抑制層Ｉ２の表面に到達するまでエッチングする。その後、マスクとして用いたレジストを有機溶剤及び酸素プラズマ処理をすることで除去して、ＳｉＯ_２膜からなる周期ストライプパターンを形成した。

本例では、ＳｉＯ_２膜のエッチングに反応性イオンエッチングを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、バッファード弗酸（ＢＨＦ）などの弗酸系溶液などを用いることもできる。

（４−４）歪抑制層エッチング工程

形成したＳｉＯ_２膜の周期ストライプパターンをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、ＡｌＧａＮからなる歪抑制層Ｉ２、中間層Ｉ１及び成長障壁層１をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー２８０Ｗ、圧力４．０Ｐａ、塩素（Ｃｌ_２）流量５ＳＣＣＭ、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）流量２０ＳＣＣＭとして、エッチングの深さは成長障壁層１を表面から２μｍである。エッチング後、バッファード弗酸（ＢＨＦ）溶液中で、マスクとして用いたＳｉＯ_２膜をエッチングする。

本実施例では、ＡｌＧａＮのエッチングに反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）やＩＣＰドライエッチングなどを用いることもできる。

以上のようにして、成長障壁層１の表面がエッチングされ、ストライプパターンに対応した複数の溝が形成され、その表面は凹凸となる。
（５）埋め込み層の成長工程

複数の溝からなる凹凸を形成した後、この凹凸加工を施した基板をＭＯＣＶＤ成長装置内に再び導入し、水素及びアンモニア雰囲気中で１０７５℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。その後、基板温度１１２５℃でＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％）からなる埋め込み層２を８．４μｍ（平坦基板上の成長膜厚換算）成長して、表面の平坦化を行った。この凹部内の成長は横方向埋め込み成長である。成長圧力は１×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は３ＳＬＭとした。なお、ＴＭＡｌとＴＭＧａの分圧比は組成比に対応させて供給する。

ここで、成長障壁層１はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ系半導体からなり、歪抑制層Ｉ２はＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ系半導体からなり、埋め込み層２はＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ系半導体からなり、Ｘ＜Ｚ＜Ｙを満たすように、各成長工程における特定元素（Ａｌ）の供給比を設定されている。Ａｌの組成比を増加させるためには、原料となるＴＭＡｌの相対的供給量を上昇させればよい。すなわち、成長障壁層１の成長時に使用するＴＭＡｌの供給量Ｍ１、歪抑制層Ｉ２の成長時に使用するＴＭＡｌの供給量Ｍ２、埋め込み層２の成長時に使用するＴＭＡｌの供給量Ｍ３を、Ｍ１＜Ｍ３＜Ｍ２の関係を満たすように設定することで、Ｘ＜Ｚ＜Ｙを満足することができる。なお、格子定数の関係は、逆であって、成長障壁層１の格子定数Ｌ１、歪抑制層Ｉ２の格子定数Ｌ２、埋め込み層２の格子定数Ｌ３は、ａ軸においてＬ１＞Ｌ３＞Ｌ２を満たす。

クラックの発生を抑制しつつ、かつ結晶転位が著しく低減される組成比差の好適値は以下の通りである。
｜Ｚ−Ｘ｜＝０．０５〜０．４
｜Ｙ−Ｚ｜＝０．１〜０．８

この場合には、結晶の格子定数も同様の関係を満たす。
｜Ｌ３−Ｌ１｜／Ｌ１＝０．０３〜０．０１
｜Ｌ２−Ｌ３｜／Ｌ３＝０．０３〜０．０２

装置条件などにより、目標組成値に一致しない場合には、誤差分をフィードバックして新たに実験を行えばよい。

以上、説明したように、上述の化合物半導体基板の製造方法は、下地基板１１０上に成長障壁層１を成長させる工程と、成長障壁層１に三族窒化物系中間層Ｉ１を成長させる工程と、三族窒化物系中間層Ｉ１上に歪抑制層Ｉ２を成長させる工程と、第２の窒化化合物半導層Ｉ２上に所定パターンのマスクを形成する工程と、歪抑制層Ｉ２の表面からマスクを介して成長障壁層１の内部までエッチングを行い複数の凹部Ｄを形成する工程と、凹部Ｄ内及び歪抑制層Ｉ２上に埋め込み層２を成長させる工程とを備え、成長障壁層１はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ系半導体からなり、歪抑制層Ｉ２はＡｌ_ＹＧａ_１−ＹＮ系半導体からなり、埋め込み層２はＡｌ_ＺＧａ_１−ＺＮ系半導体からなり、Ｘ＜Ｚ＜Ｙを満たすように、各成長工程における特定元素の供給比を設定している。

歪抑制層Ｉ２は、三族窒化物系中間層Ｉ１上に形成するため、比較的良好に成長する。凹部Ｄは、歪抑制層Ｉ２、三族窒化物系中間層Ｉ１、成長障壁層１をエッチングすることによって一括して形成することができ、凸部Ｐ上のみに三族窒化物系中間層及び歪抑制層Ｉ２が残留する。凹部Ｄ内及び歪抑制層Ｉ２上に埋め込み層２を成長させると、凹部内横方向成長によるクラック抑制と、凸部Ｐ上の組成比の差によって、すなわち、埋め込み層２が圧縮歪を歪抑制層Ｉ２から受けることによって、クラックの発生を抑制しつつ、凹部Ｄ上に位置する埋め込み層２の結晶転位密度が低減する。

このようにして、図１に示した化合物半導体基板１００を製造することができる。

上述の化合物半導体を用いて半導体デバイスとしての半導体レーザの作製を行った。

図６は、化合物半導体基板を用いた半導体レーザの縦断面図である。

化合物半導体基板１００上に、下部コンタクト層４、下部クラッド層５、下部ガイド層６、活性層７、キャリアブロック層８、上部ガイド層９、上部クラッド層１０が順次積層されている。上部クラッド層１０は、Ｙ方向に沿って延びた凸部を有しており、この凸部上に上部コンタクト層１１が形成されている。上部クラッド層１０上は、凸部の頂面上に位置する上部コンタクト層１１を除いて絶縁層１２で被覆されており、上部コンタクト層１１の上部表面にはＹ方向に延びた上部電極１３が接触している。上部電極１３はＹ方向に沿って上部コンタクト層１１に接触しつつ絶縁層１２上に位置する。下部コンタクト層４は、Ｚ方向に垂直な露出面を有しており、この露出面上に下部電極１４が接触している。

各要素の材料／厚みの好適範囲／導電型／キャリア濃度の好適範囲は以下の通りである。
下部コンタクト層4:AlGaN/1〜5μm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
下部クラッド層5:AlGaN/ 0.2〜1.5μm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
下部ガイド層6:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
活性層7:GaN井戸層/1〜5nm/I型
活性層7:AlGaN障壁層/1〜15nm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
キャリアブロック層8:AlGaN/5〜300nm/P(I)型/3×10¹⁶〜6×10¹⁷cm^-3
上部ガイド層9:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
上部クラッド層10:AlGaN/0.2〜1.5μm/P型/3×10¹⁶〜3×10¹⁸cm^-3
上部コンタクト層11:AlGaN/5〜50nm/P型/5×10¹⁶〜5×10¹⁸cm^-3

この発光素子は、電流通過領域ＡＣＴの厚み方向（Ｚ方向）の上下に設けられた２つのクラッド層５，１０と、凹部Ｄの長手方向（Ｙ方向）に沿って延びており電流通過領域ＡＣＴに電流を注入するための上部電極１３とを備えている。上部電極１３と下部電極１４との間に駆動電圧を印加すると、上部電極１３直下のコンタクト層１１、上部クラッド層１０、上部ガイド層９、キャリアブロック層８、活性層７、下部ガイド層６、下部クラッド層５を介してコンタクト層４に電流が流れ、コンタクト層４を介して下部電極１４に流れる。

上部電極１３と下部電極１４とはＸ方向に沿って離隔している。また、凹部Ｄ上の低結晶転位領域ＬＲの中心線ＣＬを含む領域には結晶転位が集まるため、活性層７内のＡＣＴの電流通過領域とならないように、上部コンタクト層を配置する。上部電極１３から電流通過領域ＡＣＴに注入された電流に応じて、電流通過領域ＡＣＴは発光し、上下方向の発光と注入されたキャリアは上下の２つのクラッド層５，１０間に閉じ込められる。この化合物半導体デバイスは発光素子として機能する。電流通過領域ＡＣＴは凹部Ｄ上の低結晶転位領域ＬＲ内に位置するため、結晶性が高く、したがって、発光素子の発光効率は改善する。

このように、上述の半導体デバイスは、化合物半導体基板１００と、凹凸表面の凹部Ｄ上の領域に形成された半導体機能素子（活性層）とを備えており、クラックが抑制され、かつ結晶転位密度が低減された凹部Ｄ上の領域に半導体機能素子を形成すると、かかる領域は結晶性が高いため、電流通過特性が改善する。

上述のように、化合物半導体デバイスは、電流通過領域ＡＣＴを含んでおり、この領域の結晶性が改善されることで、当該領域内を効率的に電流が通過することとなる。化合物半導体デバイスの種類は様々であるが、発光素子の場合には、電流通過領域ＡＣＴは、電流注入用の上部電極１３から導入される活性領域（発光領域）となる。受光素子の場合には、光電変換領域が電流通過領域となる。他の化合物半導体デバイス、例えば、ＭＥＳＦＥＴの場合には、ゲート電極直下のチャネル領域が電流通過領域となる。また、素子によっては高結晶転位領域を電流が通過する場合もある。

次に、この半導体レーザの製造方法について説明する。

半導体レーザは、上述の化合物半導体基板１００の形成を行った後、すなわち、ＡｌＧａＮからなる埋め込み層２の埋め込み成長を行った後に形成される。

まず、ｎ型の下部コンタクト層４として基板温度１１２５℃でＳｉドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％）層を、埋め込み層２上に厚さ２．８μｍ成長した。成長圧力は１×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。Ｓｉ濃度は約２×１０^１８ｃｍ^−３とした。なお、Ｓｉドーピングの原料にはシラン（ＳｉＨ_４）を用いた。

次に、基板温度を１０７５℃でｎ型の下部クラッド層５としてＳｉドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％、Ｓｉ濃度は約１．５×１０^１８ｃｍ^−３）を厚さ０．６μｍ、ｎ型の下部ガイド層６として、ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比５％）を厚さ０．１２μｍ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層７、キャリアブロック層８としてＭｇドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比４０％）を厚さ２０ｎｍ、ｐ型の上部ガイド層９としてＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比５％）を厚さ０．１２μｍ、ｐ型の上部クラッド層１０としてＭｇドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％、Ｍｇ濃度は約３×１０^１９ｃｍ^−３）を厚さ０．５μｍを成長させた。成長圧力は４．０×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は２３〜４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は３ＳＬＭとした。なお、Ｍｇドーピングには、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層７は、ＧａＮ井戸層３ｎｍ、ＡｌＧａＮ障壁層（Ａｌ組成比１５％）８ｎｍを交互に積層してなり、井戸数は３とした。また、ＡｌＧａＮ障壁層にのみＳｉをドーピングした。

最後に、ｐ型のコンタクト層１１として、常圧（１×１０^５Ｐａ）、基板温度１０７５℃でＭｇドープのＧａＮ層を１５ｎｍ成長した。

このレーザ素子は、ストライプ幅２μｍのリッジ構造とした。化合物積層体の一部領域は下部コンタクト層４までエッチングして電極１４設け、コンタクト層１１を除く上部クラッド層１０の表面は絶縁層１２で被覆した後、この上に電極１３を形成する。なお、リッジ構造は、フォトリソグラフィ技術により、中心部を除く低結晶転位領域ＬＲ上に、電極１３と上部コンタクト層１１との接触領域を設定して形成した。

なお、本例で示した結晶成長方法及び条件、プロセス方法及び条件は、レーザ構造などの一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザにおいて、結晶転位密度の低減とクラック抑制の効果により、電気伝導度を高めるなどの素子物性の向上や、生産時の結晶転位が低減できることから、歩留まりを向上させることができる。

図７は、実施形態に係る埋め込み層の成長後の表面顕微鏡写真を示す図である。

同図によれば、クラックのない平滑な表面を観察することができる。

図８は、上述の（従来例）に係る埋め込み層の成長後の表面顕微鏡写真を示す図である。同図によれば、ストライプ方向（図面上下方向）と垂直な方向沿って多数のクラックが発生している旨を観察することができる。

以上、説明したように、上述の実施形態に係る化合物半導体基板によれば、ＧａＮ層の凸部Ｐの上部に三族窒化物系中間層（ＡｌＮ）を設けてクラックの抑制を実現しつつ、かつ、下地ＧａＮ層に設けた凸部側面部、凹部底面部に三族窒化物系中間層を設けないことにより、凹部上のＡｌＧａＮを低結晶転位領域として形成することが可能になる。

また、凹部に横方向成長による効果として、低結晶転位領域ＬＲが形成される。また、凹部の底から結晶転位伝搬が無いため、従来法に比べ、より少ない結晶転位を実現できる。凹部Ｄでは横方向成長による歪み緩和効果が得られる。凸部Ｐにおいては低温三族窒化物系中間層（ＡｌＮ）を介して歪みを緩和したＡｌＧａＮ歪み抑制層を成長した後に、ＡｌＧａＮ歪み抑制層よりも格子定数が大きいＡｌＧａＮ層を成長することで（ＡｌＧａＮ歪み抑制層からＡｌＧａＮ層は圧縮応力を受ける）、このＡｌＧａＮ層は圧縮応力を受けた状態となり、クラックは発生しない。ただし、低結晶転位領域となるべき凹低部に低温三族窒化物系中間層（ＡｌＮ）やＡｌＧａＮ歪み抑制層が存在すると、新たな結晶転位を誘発してしまうため、凹底部はサファイアまたはＧａＮ層などとする。

第1の実施の形態に係る化合物半導体基板１００の平面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。 化合物半導体基板の結晶状態について説明するための図である。 下地基板１１０、バッファ層１１１、成長障壁層１、中間層Ｉ１、歪抑制層Ｉ２、埋め込み層２に用いることが可能な材料を示す表である。 第２の実施の形態に係る化合物半導体基板１００の平面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。 第３の実施の形態に係る化合物半導体基板１００の平面図（ａ）及び縦断面図（ｂ）である。 化合物半導体基板を用いた半導体レーザの縦断面図である。 実施形態に係る埋め込み層の成長後の表面顕微鏡写真を示す図である。 （従来例）に係る埋め込み層の成長後の表面顕微鏡写真を示す図である。

符号の説明

１・・・成長障壁層、２・・・歪抑制層、４・・・下部コンタクト層、５・・・下部クラッド層、６・・・下部ガイド層、７・・・活性層、８・・・キャリアブロック層、９・・・上部ガイド層、１０・・・上部クラッド層、１１・・・上部コンタクト層、１２・・・絶縁層、１３・・・上部電極、１４・・・下部電極、１００・・・化合物半導体基板、１１０・・・下地基板、１１１・・・バッファ層、ＡＣＴ・・・電流通過領域、ＣＬ・・・中心線、Ｄ・・・凹部、Ｄｉｓ・・・結晶転位、Ｉ１・・・三族窒化物系中間層、Ｉ２・・・歪抑制層、ＬＲ・・・低結晶転位領域、Ｐ・・・凸部。

Claims (7)

1. 下地基板上に成長し凹凸表面を構成する第１の窒化化合物半導体層と、
   前記第１の窒化化合物半導体層の凸部上にのみ位置する三族窒化物系中間層と、
   前記三族窒化物系中間層上に成長した第２の窒化化合物半導体層と、
   前記凹凸表面の凹部内及び前記第２の化合物半導体層上に成長した第３の窒化化合物半導体層と、
   を備え、
   前記第１の窒化化合物半導体層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ系半導体からなり、
   前記第２の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、
   前記第３の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、
   前記第１の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ１、前記第２の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ２、及び前記第３の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ３は、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２なる関係を満たしており、
   前記第２の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｙ Ｇａ _１−Ｙ Ｎであり、前記第３の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｚ Ｇａ _１−Ｚ Ｎ系半導体である場合には、
   以下の関係：
   Ｘ＜Ｚ＜Ｙ、
   ０≦Ｘ≦１、
   ０＜Ｙ＜１、
   ０＜Ｚ＜１、
   を満たすことを特徴とする化合物半導体基板。
2. 前記下地基板と前記第１の窒化化合物半導体層との間に介在する窒化物バッファ層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
3. 前記凹凸表面の凹部底面は前記下地基板の露出表面であり、前記第３の窒化化合物半導体層は前記露出表面上に成長していることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体基板。
4. 前記第１の窒化化合物半導体層の材料（ａ）、前記三族窒化物系中間層の材料（ｂ）、前記第２の窒化化合物半導体層の材料（ｃ）、及び、前記第３の窒化化合物半導体層の材料（ｄ）の組み合わせ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、それぞれ、以下の（Ａ）〜（Ｅ）：
   （Ａ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＮ）、
   （Ｂ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、
   （Ｃ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＮ）、
   （Ｄ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、
   （Ｅ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、
   のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の化合物半導体基板。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の化合物半導体基板と、
   前記凹凸表面の凹部上の領域に形成された半導体機能素子と、
   を備えることを特徴とする半導体デバイス。
6. 下地基板上に第１の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、
   前記第１の窒化化合物半導体層に三族窒化物系中間層を成長させる工程と、
   前記三族窒化物系中間層上に第２の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、
   前記第２の窒化化合物半導層上に所定パターンのマスクを形成する工程と、
   前記第２の窒化化合物半導体層の表面から前記マスクを介して前記第1の窒化化合物半導体層の内部までエッチングを行い複数の凹部を形成する工程と、
   前記凹部内及び前記第２の化合物半導体層上に第３の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、
   を備え、
   前記第１の窒化化合物半導体層はＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ系半導体からなり、
   前記第２の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、
   前記第３の窒化化合物半導体層はＡｌＧａＮ（Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）又はＩｎＡｌＧａＮ（Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａ及びＮを全て含む）からなり、
   前記第１の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ１、前記第２の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ２、及び前記第３の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ３は、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２なる関係を満たしており、
   前記第２の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｙ Ｇａ _１−Ｙ Ｎであり、前記第３の窒化化合物半導体層がＡｌ _Ｚ Ｇａ _１−Ｚ Ｎ系半導体である場合には、
   以下の関係：
   Ｘ＜Ｚ＜Ｙ、
   ０≦Ｘ≦１、
   ０＜Ｙ＜１、
   ０＜Ｚ＜１、
   を満たすように、各成長工程における特定元素の供給比を設定する、
   ことを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
7. 前記第１の窒化化合物半導体層の材料（ａ）、前記三族窒化物系中間層の材料（ｂ）、前記第２の窒化化合物半導体層の材料（ｃ）、及び、前記第３の窒化化合物半導体層の材料（ｄ）の組み合わせ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）は、それぞれ、以下の（Ａ）〜（Ｅ）：
   （Ａ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＮ）、
   （Ｂ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、
   （Ｃ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＡｌＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＮ）、
   （Ｄ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、
   （Ｅ）（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）＝（ＧａＮ，ＩｎＡｌＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ）、
   のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体基板の製造方法。

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