JP5367637B2 - Semiconductor element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element having an excellent characteristic. <P>SOLUTION: The semiconductor element includes: an electron running layer formed of AlxGayIn1-x-yN (0&le;x&le;1, 0&le;y&le;1, 0&le;1-x-y&le;1) of a thickness below a critical film thickness with respect to at least AlN, or SiC of a thickness below a critical film thickness with respect to at least AlN on AlN formed on an AlN substrate or SiC substrate or formed on a GaN substrate; and an AlzGa1-zN (0&lt;z&le;1) gate. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、半導体レーザなどの半導体素子に関し、特に基板と結晶の格子定数、屈折率等の特性が大幅に異なる材料を発光層や能動領域に用いた半導体素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor element such as a semiconductor laser, and more particularly to a semiconductor element using materials for a light emitting layer and an active region that have significantly different characteristics such as a lattice constant and a refractive index between a substrate and a crystal.

GaN系のデバイスではGaNの良質な基板が得られていないために格子不整の大きいサファイア、SiC、スピネル、Si等の基板が試みられている。このうち、サファイアを用いたものではレーザの数千時間の信頼性が確認されるなど、もっとも有望と考えられている。しかしGaN/サファイア系の光半導体デバイスでは、結晶の構造が異なるために良質な結晶を成長することが難しく、低温でGaNバッファー層を成長した後に温度を上げて結晶化してその後デバイス構造を作成するといったことが行われている。しかしこの方法でも良質な結晶を成長することが難い。このためバッファー層を形成後、開口率の低い窓を開けた選択成長マスクを形成し、この窓を出発点として選択成長マスク上にAlGaN層をラテラルエピタキシする方法も試みられている。この方法だと、ラテラルエピタキシを行った層の一部で転位密度を容易にさげることができるので、その上にレーザの活性層を形成すると、活性層内の転位密度を下げ発光効率を高めることが出来る。しかしこの方法は複雑であり、大面積化は難しい。また発光効率を上げるためには活性領域中にIn組成の高いGaInNを形成することや量子ドットを形成することが重要との考え方がある。このために活性層を形成する前に、格子定数が大きく異なる層を形成して島状構造を形成しこの凸凹の上に活性層を形成して量子ドットを形成しレーザの特性を上げようという試みがなされている(特許文献1参照)。   Since GaN-based devices do not provide high-quality GaN substrates, attempts have been made to use sapphire, SiC, spinel, Si, etc. substrates with large lattice irregularities. Among them, the one using sapphire is considered the most promising because the reliability of the laser for several thousand hours has been confirmed. However, in GaN / sapphire-based optical semiconductor devices, it is difficult to grow high-quality crystals due to the different crystal structures. After growing the GaN buffer layer at a low temperature, the temperature is raised to crystallize, and then the device structure is created. That is done. However, it is difficult to grow high-quality crystals even with this method. For this reason, a method of forming a selective growth mask having a window having a low aperture ratio after forming a buffer layer and lateral epitaxy of the AlGaN layer on the selective growth mask using this window as a starting point has also been attempted. With this method, the dislocation density can be easily reduced in a part of the layer that has undergone lateral epitaxy, so forming the laser active layer on it will lower the dislocation density in the active layer and increase the luminous efficiency. I can do it. However, this method is complicated and it is difficult to increase the area. Further, there is a concept that it is important to form GaInN having a high In composition and to form quantum dots in the active region in order to increase the light emission efficiency. For this reason, before forming the active layer, a layer with a large difference in lattice constant is formed to form an island-like structure, and an active layer is formed on the irregularities to form quantum dots to improve the laser characteristics. Attempts have been made (see Patent Document 1).

特開平10−215029号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-215029

本発明の目的は、良好な特性の半導体素子を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device having good characteristics.

本発明の半導体素子は、AlN結晶上に設けられ、少なくとも前記AlN結晶に対して臨界膜厚以下の厚さのAlxGayIn1−x−yN(0≦x<1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1)結晶、または、少なくとも前記AlN結晶に対して臨界膜厚以下の厚さのSiC結晶、のいずれかからなる電子走行層と、前記電子走行層上に設けられたAlおよびNを含有する層と、を具備し、前記AlおよびNを含有する層をはさんで、前記電子走行層の反対側にゲート電極を有する電界効果トランジスターであることを特徴とするものである。 The semiconductor device of the present invention, A l N provided on the crystal, at least the critical film thickness or less of the thickness of the AlxGayIn1-x-yN (0 ≦ x <1,0 ≦ y ≦ 1,0 ≦ respect to the AlN crystal 1-x-y ≦ 1) crystal, or a critical film thickness or less of the thickness of the SiC crystal, the electron transit layer consisting of either at least for the AlN crystal, provided in the electron transit layer Al And a layer containing N, and a field effect transistor having a gate electrode on the opposite side of the electron transit layer across the layer containing Al and N .

また、本発明の半導体素子においては、活性領域あるいは能動領域全体は略同一の平面内に形成されている。ここで略同一面内とは、平面の荒れが、研磨法により形成されたいわゆる傾斜基板の数倍以内で結晶学的特異面から同一方向に傾斜しているあることとする。さらに、基板と基板直上の層がなす界面と、この界面と平行でない界面とのなす平均の角度をq1とするならば、直径数十nm以下のごく小領域での面荒れを除き、面荒れが、q1に対して数分の一以下である。平均の面方位に対して数十nm以内の凹凸を含むものとする。   In the semiconductor device of the present invention, the active region or the entire active region is formed in substantially the same plane. Here, “substantially in the same plane” means that the roughness of the plane is inclined in the same direction from the crystallographic singular plane within several times the so-called inclined substrate formed by the polishing method. Furthermore, if the average angle between the interface formed by the substrate and the layer immediately above the substrate and the interface that is not parallel to this interface is q1, the surface roughness is reduced except for the surface roughness in a very small region with a diameter of several tens of nanometers or less. Is less than a fraction of q1. It shall include unevenness within several tens of nm with respect to the average plane orientation.

光半導体素子の場合にはこの段差は、活性層の厚さに対して半分以下であることが望ましい。電子デバイスにおいては、能動領域(電界効果デバイスにおいてはキャリア走行層、ヘテロバイポーラドランジスターにおいてはベースのコレクターとエミッターとの接合領域)の厚さの数分の一以下であることが望ましい。   In the case of an optical semiconductor element, this step is desirably less than half of the thickness of the active layer. In an electronic device, it is desirable that the thickness is not more than a fraction of the thickness of an active region (a carrier transit layer in a field effect device, or a junction region between a base collector and an emitter in a heterobipolar transistor).

活性層あるいは能動領域のヘテロ界面が結晶の特異面から傾斜している場合には、この傾斜に伴い、段差の下限が一原子層あるいはその数倍となることは言うまでもない。結晶の特異面を利用する場合には、段差の下限は特異面に自身の表面の凹凸よりも大きくなる。   When the active layer or the heterointerface of the active region is inclined from the singular plane of the crystal, it goes without saying that the lower limit of the step becomes one atomic layer or several times as much as the inclination. When using the singular surface of the crystal, the lower limit of the step is larger than the irregularity of its surface on the singular surface.

本発明の半導体素子は、AlNまたはGaNのようなウルツァイト構造の結晶を用いてGaNまたはAlNの(0 0 0 1)面より0.05度以上角度の異なる面方位の基板上に形成されていてもよい。この中に2H−SiCを含む。特に基板がAlNまたはGaNであり、(h m −h−m n)(|n/h|または|n/m|の一方が3以上または1/3以下、nは0ではない、hとmの一方は0でない、h、m、nは整数)面基板上に形成されていてもよい。この場合just面だけではなく微傾斜した面でも良い。またAlN或いはGaNの代りに2H−SiCを用いてもよい。六方晶系のSiCにおいて(0 0 0 1)面からのoff角度が2H−SiCで上記面方位に相当する面方位の基板を用いてもよい。ZnSe系の結晶の場合にも、活性層のヘテロ界面として(1 1 n)(|n|は3以上)の特異面あるいはその微傾斜面を利用する。   The semiconductor element of the present invention is formed on a substrate having a plane orientation different from the (0 0 0 1) plane of GaN or AlN by 0.05 degrees or more using a wurtzite structure crystal such as AlN or GaN. Also good. This includes 2H—SiC. In particular, the substrate is AlN or GaN, and one of (h m −h−m n) (| n / h | or | n / m | is 3 or more or 1/3 or less, n is not 0, h and m One of them is not 0, and h, m, and n are integers). In this case, not only the just surface but also a slightly inclined surface may be used. Further, 2H—SiC may be used instead of AlN or GaN. In hexagonal SiC, a substrate having an off angle from the (0 0 0 1) plane of 2H—SiC and having a plane orientation corresponding to the plane orientation may be used. Also in the case of a ZnSe-based crystal, a singular surface (1 1 n) (| n | is 3 or more) or its slightly inclined surface is used as the heterointerface of the active layer.

更に基板と光デバイスの発光層、電子デバイスの走行層(以下動作領域と呼ぶ)の格子常数が異なる場合基板の(h m −h−m n)(|n/h|または|n/m|の一方が3以上または1/3以下、nは0でない整数、h、mは整数でありhまたはmの一方は0でない)面を利用しかつ基板と動作領域の間に量子井戸を設ける。   Further, when the lattice constants of the substrate, the light emitting layer of the optical device, and the traveling layer of the electronic device (hereinafter referred to as the operation region) are different, (h m −h−m n) (| n / h | or | n / m | Is one or more or 1/3 or less, n is a non-zero integer, h and m are integers and one of h or m is not 0), and a quantum well is provided between the substrate and the operating region.

AlN上またはSiC上またはGaN上に設けた厚さ2μm以上のAlN上に、AlNにたいして臨界膜厚以下でGaxInyAl1−x−yN(0≦x<1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1)またはSiCまたはこの組み合わせで電子走行層を設け、ゲートとしてAlpGaqIn1−p−qN(0≦p<1、0≦q≦1、0≦1−p−q≦1)を設けて電界効果デバイスを形成する。   On AlN having a thickness of 2 μm or more provided on AlN, SiC, or GaN, GaxInyAl1-xyN (0 ≦ x <1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ 1−x below the critical film thickness for AlN). -Y ≦ 1) or SiC or a combination thereof, and an electron transit layer is provided, and AlpGaqIn1-p-qN (0 ≦ p <1, 0 ≦ q ≦ 1, 0 ≦ 1-pq ≦ 1) is provided as a gate. Form a field effect device.

また、本発明ではデバイス領域が同一面内に形成されているので、デバイスのサイズ内で結晶の特製が均一である。このため、光デバイスの発光効率、波長、電子デバイスの動作電圧、増幅率等が素子内で一様であり、高性能な素子を得ることができる。   In the present invention, since the device regions are formed in the same plane, the special crystals are uniform within the size of the device. For this reason, the luminous efficiency of the optical device, the wavelength, the operating voltage of the electronic device, the amplification factor, etc. are uniform within the element, and a high-performance element can be obtained.

一般に結晶成長を行っても研磨を行ってもウェハー端数mmは均一にプロセスを行うことは難しい。このため実際のウェハープロセスでは、両端の数mmを除いて、チップが取れる。面積は自乗で効くので、ウェハーの一辺の半分以上がチップの取れない領域となると急激に歩留まりが低下する。このため、ウェハーの最低サイズは1cm程度となる。この時ウェハー全体に数度の傾斜角をつけようとするとウェハーの両端で数百μm程度の段差となる。後に本実施形態の原理のとして記載したように数百μm以上のバッファー層を形成した後に研磨を行うと実効的なウェハーサイズで、基板とバッファー層の界面に対して、傾斜面を形成することが出来、更に引き続き活性領域を形成することが出来る。   In general, it is difficult to carry out a uniform process with a wafer edge of mm even when crystal growth or polishing is performed. For this reason, in an actual wafer process, chips can be obtained except for several mm at both ends. Since the area is effective by the square, if the half of one side of the wafer is an area where chips cannot be taken, the yield is drastically reduced. For this reason, the minimum size of the wafer is about 1 cm. At this time, if an inclination angle of several degrees is formed on the entire wafer, a step of about several hundred μm is formed at both ends of the wafer. As described later as the principle of this embodiment, when a polishing is performed after forming a buffer layer of several hundred μm or more, an inclined surface is formed with respect to the interface between the substrate and the buffer layer with an effective wafer size. And an active region can be formed subsequently.

基板上にあるいは基板上に形成したバッファー層上に動作領域の周囲で被服率を変えて選択成長膜を形成した後に選択成長を行うと、被服率の高い側での厚さが厚くなる。この差を利用して傾斜面を形成することが出来る。マスクに周期構造を導入することでウェハー全体で傾斜面を周期的に形成することが出来る。更にこのまま動作領域を形成すれば、傾斜面上に動作領域が形成でき後に本実施形態の原理である半導体素子を実現できる。更に傾斜面形成後に選択成長マスクを除去し、動作領域の層を形成すれば選択成長膜が除かれて成長速度が略均一になっているので均一な厚さむらの少ない動作領域層を実現できより高性能な本発明の半導体素子を実現できる。   When selective growth is performed after forming the selective growth film on the substrate or the buffer layer formed on the substrate by changing the coverage rate around the operation region, the thickness on the side with the higher coverage rate is increased. An inclined surface can be formed using this difference. By introducing a periodic structure into the mask, inclined surfaces can be formed periodically throughout the wafer. Further, if the operation region is formed as it is, the operation region can be formed on the inclined surface, and the semiconductor element which is the principle of this embodiment can be realized later. Furthermore, if the selective growth mask is removed after forming the inclined surface, and the layer of the operation region is formed, the selective growth film is removed and the growth rate is substantially uniform, so that a uniform operation region layer with less uneven thickness can be realized. A semiconductor device of the present invention with higher performance can be realized.

本発明の半導体素子は、AlNまたはGaN或いは2H−SiCのようなウルツァイト構造の結晶を用いてGaNまたはAlNまたは2H−SiCの(0 0 0 1)面より0.5度以上角度の異なる面方位の基板上に形成されていてもよい。GaNの場合、off角度が0.5度以上となると発光効率が急激に改善された。AlNの場合、off角度が0.5度以上でAFMで観察した表面のステップが一方向にそろうようになった。2H−SiCの場合はoff角度が0.5度以上でスッテプの形状が平坦になり、その上にAlGaN系材料を堆積すると其の平坦性が向上できる。またデバイスの動作領域を(h m −h−m n) (|h/n|または|m/n|の一方が3以上または1/3以下、nは0ではない、h、mは整数、h、mの一方は0出ない)の特異面あるいはその微傾斜面基板上に形成すると、方向のそろったステップが多数形成されるので、結晶成長中のステップフローに必要な距離を小さくできかつそのばらつきを小さく出来るのでるので平坦性を向上することができる。特にSiCの結晶を基板に用いた場合には(0 0 0 1)面から傾ける角度を2HのSiCで考えて上記指数面が出る方向に傾けるとその上に形成されるウルツァイト或いはウルザイト類似の結晶は上記指数面或いは上記指数面に傾いた傾斜面で成長する。特開平9−180998においては、4H或いは6HのSiCに置いて、SiC基板がC軸からなす角度が0度と53度の間にあるとSiC上に形成するAlGaNとの熱膨張係数の整合により良質な結晶が得られることが述べられている。しかし、他の結晶構造のSiCでも4H或いは6HのウェハーでC軸からのoff角度が53度以上であっても、本発明の条件を満たしている場合には、良質な結晶が得られた。   The semiconductor device of the present invention uses a wurtzite structure crystal such as AlN, GaN, or 2H—SiC, and has different plane orientations at an angle of 0.5 ° or more from the (0 0 0 1) plane of GaN, AlN, or 2H—SiC. It may be formed on the substrate. In the case of GaN, the light emission efficiency was drastically improved when the off angle was 0.5 degrees or more. In the case of AlN, the step of the surface observed by AFM is aligned in one direction when the off angle is 0.5 degrees or more. In the case of 2H—SiC, when the off angle is 0.5 ° or more, the shape of the step becomes flat, and when AlGaN-based material is deposited thereon, the flatness can be improved. Further, the operating area of the device is defined as (h m −h−m n) (where one of | h / n | or | m / n | is 3 or more and 1/3 or less, n is not 0, h and m are integers, When h or m is formed on a singular surface or a slightly inclined surface substrate thereof, a large number of steps with the same direction are formed, so that the distance required for the step flow during crystal growth can be reduced. Since the variation can be reduced, the flatness can be improved. In particular, when an SiC crystal is used for the substrate, an angle tilted from the (0 0 0 1) plane is considered as 2H SiC, and tilted in the direction in which the index plane appears, the wurtzite or urzite-like crystal formed thereon Grows on the index plane or an inclined plane inclined to the index plane. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-180998, when the angle formed by the SiC substrate from the C axis is between 0 ° and 53 ° on 4H or 6H SiC, the thermal expansion coefficient matches with AlGaN formed on the SiC. It is stated that good quality crystals can be obtained. However, even with other crystal structures of SiC, even if the wafer is 4H or 6H and the off angle from the C axis is 53 degrees or more, good quality crystals were obtained if the conditions of the present invention were satisfied.

更にウルツァイト型の結晶では転移の伝播が容易な方向がC軸方向なので、ヘテロ接合を形成した場合に転移が結晶成長から垂直ではなくなる。このため、転移が(h m −h−m n)(|n/h|または|n/m|の一方が3以上または1/3以下、nは0ではない、hまたはmの一方は0でない、h 、m 、n−は整数) 面内を伝播するようになる。すなわち、サファイア基板上にウルザイトバッファー層を形成し、エッチングあるいは研磨あるいは選択成長によって、GaNバッファー層の表面をサファイア基板表面に対して略平行な(0 0 0 1)面から傾けた場合、転移がバッファー層の成長面から垂直ではなくなるので、バッファー層の上側のヘテロ接合界面において、転位の方向が変わりやすくなり、転移が(h m −h−m n) (|n/h|または|n/m|の一方が3以上または1/3以下、nは0ではない、hまたはmの一方は0でない、h 、m 、n−は整数) 面内を伝播するようになる。このため多数のヘテロ接合の上に活性領域を形成すると転位が成長方向からずれるようになり低転位領域に活性層が形成できデバイスの信頼性を向上することが出来る。   Furthermore, in the wurtzite crystal, the direction in which the propagation of the transition is easy is the C-axis direction. Therefore, when the heterojunction is formed, the transition is not perpendicular to the crystal growth. For this reason, the transition is (h m −h−m n) (| n / h | or | n / m | is 3 or more or 1/3 or less, n is not 0, and one of h or m is 0. Not, h, m and n- are integers). That is, when a wurtzite buffer layer is formed on a sapphire substrate and the surface of the GaN buffer layer is tilted from the (0 0 0 1) plane substantially parallel to the sapphire substrate surface by etching, polishing, or selective growth, Is not perpendicular to the growth surface of the buffer layer, the direction of dislocation is easily changed at the upper heterojunction interface of the buffer layer, and the transition is (h m −h−m n) (| n / h | or | n One of / m | is 3 or more or 1/3 or less, n is not 0, one of h or m is not 0, h, m, and n− are integers). For this reason, when an active region is formed on a number of heterojunctions, dislocations deviate from the growth direction, and an active layer can be formed in a low dislocation region, thereby improving device reliability.

また活性領域が特異面から微傾斜している場合を含み、本発明の半導体素子では、デバイスが結晶の概略平坦面上に形成されている。このため、方向の決まった均一に高密度なステップのある領域で結晶成長がすすむ。このため、結晶の成長方向が一方向に均一にすすみ、In組成、不純物濃度等が均一に制御できる。   In addition, including the case where the active region is slightly inclined from the singular plane, in the semiconductor element of the present invention, the device is formed on a substantially flat surface of the crystal. For this reason, crystal growth proceeds in a region having a uniform and high-density step with a fixed direction. For this reason, the crystal growth direction proceeds uniformly in one direction, and the In composition, impurity concentration, etc. can be controlled uniformly.

AlNの熱伝導率はGaNの2倍程度有る。サファイアに対しては、5倍程度ある。このためAlNを基板として用いると動作領域の熱抵抗が大幅に低下し温度特性を向上することができる。基板としてSiCを用いると更に熱伝導率は1.5倍以上となるがGaNと比べてバンドギャップが小さいために絶縁性を維持することができない。SiC上にAlNを2μm以上設けたところ、AlN/SiCの基板側でのリーク電流はサファイア基板上にGaNのHEMTを形成した場合とほぼ同程度となった。GaN上にAlNを厚さ2μm以上設けたところAlN/GaNの基板側でのリーク電流が低下しピンチoff特性が向上した。これは、AlNとGaNのいずれもが窒化物であり容易にGaNの良質な結晶が得られるからである。AlN上またはSiC上に設けた厚さ2μm以上のAlN上に、AlNにたいして臨界膜厚以下でGaNまたはGaInAlNまたはSiCの走行層を設けたところゲートドレイン間の臨界電圧はほぼ一定であったが、走行層の厚さを、臨界膜厚以上としたところ、臨界電圧が急激に低下した。この時SiCを走行層とするとAlNに対して臨界膜厚が大きく電子バリアを高く取れるのでゲインの大きな素子を得ることができた。またゲートとして基板のAlNに対して臨界膜厚以下のAlNまたはAlGaNを設けることで、基板と同様の高い絶縁性を確保することができる。   The thermal conductivity of AlN is about twice that of GaN. For sapphire, there are about 5 times. For this reason, when AlN is used as the substrate, the thermal resistance in the operating region is greatly reduced, and the temperature characteristics can be improved. When SiC is used as the substrate, the thermal conductivity is 1.5 times or more, but the insulating property cannot be maintained because the band gap is smaller than that of GaN. When AlN of 2 μm or more was provided on SiC, the leakage current on the substrate side of AlN / SiC was almost the same as when GaN HEMT was formed on the sapphire substrate. When AlN was provided on GaN with a thickness of 2 μm or more, the leak current on the substrate side of AlN / GaN was lowered and the pinch-off characteristics were improved. This is because both AlN and GaN are nitrides, and high-quality crystals of GaN can be easily obtained. When a traveling layer of GaN, GaInAlN, or SiC having a thickness less than the critical film thickness for AlN on AlN having a thickness of 2 μm or more provided on AlN or SiC, the critical voltage between the gate and drain was almost constant. When the thickness of the traveling layer was set to be equal to or greater than the critical film thickness, the critical voltage rapidly decreased. At this time, when SiC is used as the traveling layer, the critical film thickness is large with respect to AlN and the electron barrier can be made high, so that an element having a large gain can be obtained. Further, by providing AlN or AlGaN having a critical film thickness or less with respect to AlN of the substrate as a gate, high insulation similar to that of the substrate can be ensured.

本発明によれば、六方晶系の材料において、基板とエピタキシーで形成したデバイスの材料の特性、特に、格子定数差による結晶欠陥のデバイス領域中への進入を抑制することで光学的特性に優れた光半導体素子および電子デバイスが得られる。   According to the present invention, in the hexagonal material, the characteristics of the material of the device formed by the substrate and the epitaxy, in particular, the optical characteristics are excellent by suppressing the entry of crystal defects due to the difference in lattice constant into the device region. Optical semiconductor elements and electronic devices can be obtained.

本発明の実施形態の原理1を説明するための半導体レーザの概略説明断面図。1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser for explaining a principle 1 of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理2を説明するための半導体レーザの概略説明断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser for explaining the principle 2 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理2を説明するための半導体レーザの製造方法の概略説明断面図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser manufacturing method for explaining the principle 2 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理3を説明するための半導体レーザの概略説明断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser for explaining the principle 3 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理3を説明するための半導体レーザの製造方法の概略説明斜視図および上面図。FIG. 6 is a schematic perspective view and a top view of a semiconductor laser manufacturing method for explaining the principle 3 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理3を説明するための半導体レーザの製造方法の概略説明斜視図および上面図。FIG. 6 is a schematic perspective view and a top view of a semiconductor laser manufacturing method for explaining the principle 3 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理4を説明するための半導体レーザの概略説明断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser for explaining the principle 4 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理4を説明するための半導体レーザの製造方法の概略説明断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser manufacturing method for explaining the principle 4 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の原理5を説明するための半導体レーザの概略説明断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor laser for explaining the principle 5 of the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態1に係る光半導体素子の概略説明断面図。1 is a schematic cross-sectional view of an optical semiconductor element according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施形態2に係る電界効果トランジスターの概略説明断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a field effect transistor according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態3に係る電界効果トランジスターの概略説明断面図。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a field effect transistor according to a third embodiment of the present invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。初めに、後述する本発明の実施形態におけるデバイスの構造の原理について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the principle of the device structure in an embodiment of the present invention to be described later will be described.

(原理1)
図1は、本発明の原理1に係る半導体レーザであり、サファイア基板上に形成された端面発光型の半導体レーザの活性層に対して光の導波方向に垂直な断面である。
(Principle 1)
FIG. 1 shows a semiconductor laser according to Principle 1 of the present invention, which is a cross section perpendicular to the light guiding direction with respect to an active layer of an edge-emitting semiconductor laser formed on a sapphire substrate.

図中の(101)−(114)はそれぞれ表面が(0 0 0 1)面であるサファイア基板(101)、GaN低温成長バッファー層(102)、GaN高温成長層(103)、斜め研磨面(104)、GaNバッファー層(105)とAlGaNクラッド層(106)、GaN光ガイド層、Ga1−xInxN/Ga1−yInyNのMQWよりなる発光層、GaN光ガイド層、AlGaN電流ブロック層、GaN光ガイド層よりなる活性層(107)、AlGaNクラッド層(108)、GaNコンタクト層(109)、活性領域を形成するメサ構造(110)、AlGaN埋込み層(111)、n電極用コンタクト面(112)、n電極(113)、p電極(114)である。   In the figure, (101)-(114) are sapphire substrate (101), GaN low temperature growth buffer layer (102), GaN high temperature growth layer (103), and oblique polished surface (surfaces having a (0 0 0 1) surface, respectively) 104), a GaN buffer layer (105) and an AlGaN cladding layer (106), a GaN light guide layer, a light emitting layer made of MQ1-Ga1-xInxN / Ga1-yInyN, a GaN light guide layer, an AlGaN current blocking layer, a GaN light guide layer Active layer (107), AlGaN cladding layer (108), GaN contact layer (109), mesa structure (110) forming an active region, AlGaN buried layer (111), n-electrode contact surface (112), n An electrode (113) and a p-electrode (114).

このレーザは以下のような工程で作成した。まずサファイア基板(101)上にMOCVDによる低温成長でGaNバッファー層(102)を形成した。この時、Gaの原料としてはTMGまたはTEGを用いることが出来た。窒素原料としては、アンモニアを用いた場合には、成長温度は480−550℃の間であればよく、モノメチルヒドラジンまたはジメチルヒドラジン或はこれらのメチル基のついたヒドラジンとアンモニアを用いた場合には350−500℃の間であればよかった。ヒドラジンにメチル基のついた原料を用いて成長温度を下げた場合には、GaN低温成長バッファー層(102)が稠密で凹凸が小さくなり高温バッファー(103)層の特性を向上することが出来た。温度を1500℃まで上げてTMGとNH3厚さを用いてGaNバッファー層の(103)を0.5−2ミクロン成長後、成長速度を上げて約20ミクロン成長後GaNの(1 −1 0 0)面方向に2度傾けて研磨を行って研磨面(104)を出した。次にMOCVD法によりn−GaN層(105)、n−AlGaN層(106)、を成長した。その上部にGaN光ガイド層、Ga1−xInxN/Ga1−yInyNのMQWよりなる発光層、GaN光ガイド層からなる活性層(107)を成長した。更にp−AlGaNクラッド層(108)、p−GaNコンタクト層(109)を成長した。その後、p−GaNコンタクト層(109)上にSiOとレジストを積層し通常のリソグラフィー法により(1 1 −2 0)方向にストライプ構造のマスクを形成した。この後、このマスクを用いてn−AlGaN層(106)、GaN光ガイド層、Ga1−xInxN/Ga1−yInyNのMQWよりなる発光層、GaN光ガイド層からなる活性層(107)、p−AlGaNクラッド層(108)クラッド層(108)、p−GaNコンタクト層(109)をECRまたはICPエッチングによりメサ構造(110)にエッチングした。この時活性層(107)部分でのメサの幅は1,2μmで上下の層よりも若干狭かった。この事は電流狭窄を行う上で重要となる。その後p−AlGaN(111)でその両側を埋め込んだ。その後p−AlGaN(111)を幅100−200μm程度残して外側をエッチングしてn−AlGaN層(106)途中までエッチングをした。ここでn−AlGaN層(106)の表面に選択成長マスクを形成してp−AlGaN(111)を同程度の幅で選択成長してn−AlGaN層(106)の表面を残してもよい。その後ECRエッチングによりn−AlGaN層(106)をエッチンしn−GaN(105)の表面(112)を出した。この時のエッチングの終点検出はエッチング中にAlの組成が急激に下がることをもって行った。その後n−電極コンタクト面(112)上にn電極(113)、メサ構造のトップにp電極(114)を形成してレーザ構造を作成した。 This laser was produced by the following process. First, a GaN buffer layer (102) was formed on a sapphire substrate (101) by low temperature growth by MOCVD. At this time, TMG or TEG could be used as a Ga raw material. As the nitrogen source, when ammonia is used, the growth temperature may be between 480-550 ° C., and when monomethylhydrazine or dimethylhydrazine or hydrazine having these methyl groups and ammonia are used. It was good if it was between 350-500 degreeC. When the growth temperature was lowered by using a raw material having a methyl group in hydrazine, the GaN low-temperature growth buffer layer (102) was dense and uneven, and the characteristics of the high-temperature buffer (103) layer could be improved. . The temperature is raised to 1500 ° C., and (103) of the GaN buffer layer is grown by 0.5-2 microns using the thickness of TMG and NH 3, and then the growth rate is increased to about 20 microns, and then (1 −1 0 0 ) Polishing was performed at an angle of 2 degrees to the surface direction to give a polished surface (104). Next, an n-GaN layer (105) and an n-AlGaN layer (106) were grown by MOCVD. A GaN light guide layer, a Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light emitting layer, and an active layer (107) made of a GaN light guide layer were grown thereon. Further, a p-AlGaN cladding layer (108) and a p-GaN contact layer (109) were grown. Thereafter, SiO 2 and a resist were laminated on the p-GaN contact layer (109), and a mask having a stripe structure was formed in the (1 1 −2 0) direction by an ordinary lithography method. Thereafter, using this mask, an n-AlGaN layer (106), a GaN light guide layer, a light emitting layer made of MQ1-Ga1-xInxN / Ga1-yInyN, an active layer (107) made of a GaN light guide layer, p-AlGaN The clad layer (108), the clad layer (108), and the p-GaN contact layer (109) were etched into the mesa structure (110) by ECR or ICP etching. At this time, the width of the mesa in the active layer (107) portion was 1 μm, which was slightly narrower than the upper and lower layers. This is important for current confinement. Thereafter, both sides thereof were embedded with p-AlGaN (111). Thereafter, the p-AlGaN (111) was left about 100-200 μm in width and the outside was etched, and the n-AlGaN layer (106) was etched halfway. Here, a selective growth mask may be formed on the surface of the n-AlGaN layer (106), and p-AlGaN (111) may be selectively grown with the same width to leave the surface of the n-AlGaN layer (106). Thereafter, the n-AlGaN layer (106) was etched by ECR etching to expose the surface (112) of the n-GaN (105). At this time, the end point of etching was detected when the Al composition suddenly decreased during etching. Thereafter, an n-electrode (113) was formed on the n-electrode contact surface (112), and a p-electrode (114) was formed on the top of the mesa structure to form a laser structure.

この時n−AlGaN層(106)、活性層(107)、p−AlGaNクラッド層(108)のなすヘテロ接合界面はサファイア基板(101)とGaN低温成長バッファー層(102)のなす屈折率差の大きいヘテロ接合界面に対して2度の傾きを持っている。またn−AlGaN層(106)、活性層(107)、p−AlGaNクラッド層(108)のなすヘテロ接合界面とサファイア基板(101)とGaN低温成長バッファー層(102)のなす屈折率差とGaN低温成長バッファー層(102)のなす屈折率差の大きいヘテロ接合界面との距離は20μm以上ある。さらに活性層(107)の幅は約1.2μmと狭い。このため、活性層(107)からの光がサファイア基板(101)とGaN低温成長バッファー層(102)のなすヘテロ接合界面で反射しても活性層に直接戻ることはなくレーザのモードが影響を受けることはなかった。   At this time, the heterojunction interface formed by the n-AlGaN layer (106), the active layer (107), and the p-AlGaN cladding layer (108) has a refractive index difference between the sapphire substrate (101) and the GaN low-temperature growth buffer layer (102). It has a slope of 2 degrees with respect to the large heterojunction interface. Further, the refractive index difference between the heterojunction interface formed by the n-AlGaN layer (106), the active layer (107), and the p-AlGaN cladding layer (108), the sapphire substrate (101) and the GaN low-temperature growth buffer layer (102), and GaN. The distance from the heterojunction interface having a large refractive index difference formed by the low temperature growth buffer layer (102) is 20 μm or more. Further, the width of the active layer (107) is as narrow as about 1.2 μm. Therefore, even if the light from the active layer (107) is reflected at the heterojunction interface between the sapphire substrate (101) and the GaN low-temperature growth buffer layer (102), it does not return directly to the active layer, and the laser mode is affected. I did not receive it.

また、GaNバッファ層(103)を成長し研磨面(104)を形成する際、以下の方法でも行った。原料にCH2Cl2或はGaCl3あるいはGaCl5あるいはHClを加えて、成長速度60μm/hで約300μmのGaN層(103)を成長した。このあとGaNの(1 −1 0 0)面方向に3度傾けて、この表面を研磨して研磨面を形成した。この時燐酸系エッチャントの中でメカノケミカルなエッチングを行うことで、ダメージの少ない鏡面を得ることが出来た。この場合にはGaN層(103)を300μm近く研磨できるので3度の傾きを1cmの幅のウェハー全体に形成することが出来た。   Further, when the GaN buffer layer (103) was grown to form the polished surface (104), the following method was also used. CH2Cl2, GaCl3, GaCl5, or HCl was added to the raw material to grow a GaN layer (103) of about 300 μm at a growth rate of 60 μm / h. Thereafter, the surface was tilted by 3 degrees in the (1 −1 0 0) plane direction of GaN, and this surface was polished to form a polished surface. At this time, a mirror surface with little damage could be obtained by mechanochemical etching in a phosphoric acid etchant. In this case, since the GaN layer (103) can be polished close to 300 μm, an inclination of 3 degrees can be formed on the entire wafer having a width of 1 cm.

(原理2)
図2は、本発明の原理2に係る端面発光半導体素子であり、サファイア基板上に形成されたリッジ型の端面発光半導体素子の活性層の光の導派方向に垂直な断面である。
(Principle 2)
FIG. 2 shows an edge-emitting semiconductor device according to Principle 2 of the present invention, which is a cross section perpendicular to the light guiding direction of the active layer of a ridge-type edge-emitting semiconductor device formed on a sapphire substrate.

図中の(201)−(216)はそれぞれ表面が(0 0 0 1)面であるサファイア基板(201)、GaN低温成長バッファー層(202)、GaN高温成長層(203)、エッチングにより形成した斜面(204)、n−GaNバッファー層(205)とn−AlGaNn−クラッド層(206)、GaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層よりなる活性層(207)、p−AlGaNクラッド層(208)、p−GaNコンタクト層(209)、電流狭窄のメサ構造(210)、パッシベーション膜(211)、p電極(212)、n電極(213)、エッチング時に形成されるひさし(214)、エッチング時のひさしを除去したときのエッチング面(215)、素子分離のためのメサ構造(216)である。   (201)-(216) in the figure are formed by etching, a sapphire substrate (201) whose surface is a (0 0 0 1) plane, a GaN low temperature growth buffer layer (202), a GaN high temperature growth layer (203), respectively. Slope (204), n-GaN buffer layer (205), n-AlGaN n-cladding layer (206), GaN light guide layer, Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light emitting layer, GaN light guide layer, and AlGaN current blocking layer Active layer (207), p-AlGaN cladding layer (208), p-GaN contact layer (209), current confinement mesa structure (210), passivation film (211), p-electrode (212) ), N electrode (213), eaves (214) formed during etching, etched surface (215) when eaves formed during etching are removed A mesa structure for device isolation (216).

図3は図2の原理2の光半導体素子作成工程図であり、以下図3を参照しながら作成方法について説明する。   FIG. 3 is an optical semiconductor device manufacturing process diagram of Principle 2 of FIG. 2, and the manufacturing method will be described below with reference to FIG.

まずサファイア基板(201)上にMOCVDによる低温成長でGaNバッファー層(202)を形成した。次に、温度を1050℃まで上げてTMGとNHを用いてGaNバッファー層(203)を8μm成長した。次に選択エッチングマスク(301)を幅250μm間隔50μmで形成した(図3a)。次にICPまたはECR法でエネルギーの高い状態で選択エッチングを行いエッチング面(204)とひさし(214)を形成した(図3b)。この時ビームの結晶表面に対する角度は任意の角度を選ぶことが出来るが、この原理2に係る半導体レーザでは、(1 −1 0 0)方向に選択エッチングマスク(301)のストライプをもうけ、この垂直方向からエッチングビームを入射し、基板表面にたいしては、(0 0 0 1)面から(1 1 −2 0)面の方向に約19.5度傾けた。この時ビームの入射方向はストライプ方向に傾いていても、ビームのストライプに対して垂直成分がこの条件を満たしていれば、略同様なエッチングが出来、ストライプ方向の成分があるぶんより滑らかなエッチングが出来る。以上のような方法で、選択エッチングマスク(301)のスペース部分に所定(204)の斜面が形成される。斜面の傾きの均一性のためには選択成長マスクのスペース部分の幅は略10ミクロン以上必要である。一方エッチングがサファイア基板に到達すると後の段階での成長が不均一になりがちである。このため、エッチングの深さよりもGaNバッファー層(203)の厚さが厚い方が望ましい。ところで、GaNバッファー層は10μm程度以下(この程度の桁)であることが望ましい。このため、マスクのスペース部分の幅は1mm以下であることが望ましい。ただし最大値に関してはこの制限は緩い。エッチングを行うと選択エッチングマスク(301)の下までエッチングされるが、この幅は傾斜面(204)の幅と略一致する。このため選択エッチングマスク(301)の幅はスペースの幅よりも必ず広くなる。傾斜面(204)形成後、MOCVD法によりGaNバッファー層(205)とAlGaNクラッド層(206)、GaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層よりなる活性層(207)、AlGaNクラッド層(208)、GaNコンタクト層(209)を順次形成した(図3c)。次に傾斜面(204)に形成した結晶欠陥の少ない部分を除き、リソグラフィー法によりAlGaNクラッド層(206)、GaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層よりなる活性層(207)、AlGaNクラッド層(208)、GaNコンタクト層(209)さらにGaNバッファー層(205)の途中まで除去した。さらに通常のパターニング法によ傾斜面(204)上に傾斜方向と垂直な方向に幅2μmのストライプ構造(210)を残すように、GaNコンタクト層(209)とAlGaNクラッド層(208)の一部分までをエッチングで除去した(図3d)。その後、絶縁膜(211)、 p電極(212)、n電極(113)、を形成した(図3e)。   First, a GaN buffer layer (202) was formed on a sapphire substrate (201) by low temperature growth by MOCVD. Next, the temperature was raised to 1050 ° C., and a GaN buffer layer (203) was grown by 8 μm using TMG and NH. Next, a selective etching mask (301) was formed with a width of 250 μm and an interval of 50 μm (FIG. 3a). Next, selective etching was performed with high energy by the ICP or ECR method to form an etched surface (204) and eaves (214) (FIG. 3b). At this time, the angle of the beam with respect to the crystal surface can be arbitrarily selected. However, in the semiconductor laser according to the principle 2, a stripe of the selective etching mask (301) is provided in the (1 -1 0 0) direction, and this vertical The etching beam was incident from the direction, and the substrate surface was tilted by about 19.5 degrees from the (0 0 0 1) plane to the (1 1 -2 0) plane. At this time, even if the incident direction of the beam is inclined in the stripe direction, if the vertical component of the beam stripe satisfies this condition, substantially the same etching can be performed, and there is a smoother etching with the component in the stripe direction. I can do it. By the above method, a predetermined (204) slope is formed in the space portion of the selective etching mask (301). In order to make the inclination of the slope uniform, the width of the space portion of the selective growth mask needs to be approximately 10 microns or more. On the other hand, when the etching reaches the sapphire substrate, the growth at a later stage tends to be non-uniform. For this reason, it is desirable that the thickness of the GaN buffer layer (203) is thicker than the etching depth. By the way, the GaN buffer layer is desirably about 10 μm or less (an order of magnitude). For this reason, the width of the space portion of the mask is desirably 1 mm or less. However, this limit is loose for the maximum value. When etching is performed, etching is performed up to the bottom of the selective etching mask (301), but this width substantially matches the width of the inclined surface (204). For this reason, the width of the selective etching mask (301) is necessarily wider than the width of the space. After forming the inclined surface (204), a GaN buffer layer (205) and an AlGaN cladding layer (206), a GaN light guide layer, a Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light emitting layer, a GaN light guide layer, and an AlGaN current block are formed by MOCVD. An active layer (207) composed of a GaN light guide layer, an AlGaN cladding layer (208), and a GaN contact layer (209) were sequentially formed (FIG. 3c). Next, an AlGaN cladding layer (206), a GaN light guide layer, a Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light-emitting layer, and a GaN light guide layer are formed by lithography, except for a portion with few crystal defects formed on the inclined surface (204). The active layer (207) composed of the AlGaN current blocking layer and the GaN light guide layer, the AlGaN cladding layer (208), the GaN contact layer (209), and the GaN buffer layer (205) were partially removed. Further, a part of the GaN contact layer (209) and the AlGaN cladding layer (208) is left on the inclined surface (204) by a normal patterning method so as to leave a stripe structure (210) having a width of 2 μm in the direction perpendicular to the inclined direction. Was removed by etching (FIG. 3d). Thereafter, an insulating film (211), a p-electrode (212), and an n-electrode (113) were formed (FIG. 3e).

原理2に係る半導体レーザのようなリッジ構造のレーザでは電流狭窄のためのストライプ構造(210)よりも活性層(207)内での電流広がりが大きくなり、発光領域が数μm広がる。しかし、原理2においては、基板(201)とGaNバッファー層(202)のなす界面と、n−AlGaN層(106)とGaN光ガイド層、Ga1−xInxN/Ga1−yInyNのMQWよりなる発光層、GaN光ガイド層からなる活性層(107)とp−AlGaNクラッド層(108)の3層のなす界面とが略20度の傾きを有しかつGaNバッファー層(203)を8μmはやしている。このため基板(201)とGaNバッファー層(202)のなす界面での反射光は発光した領域から6μm以上ずれた場所に反射してくるので、活性層発光領域に戻らず、光学的な乱れの原因とならなかった。   In the ridge structure laser such as the semiconductor laser according to the principle 2, the current spread in the active layer (207) is larger than the stripe structure (210) for current confinement, and the light emitting region is expanded by several μm. However, in Principle 2, the interface formed by the substrate (201) and the GaN buffer layer (202), the n-AlGaN layer (106) and the GaN light guide layer, a light emitting layer composed of MQW of Ga1-xInxN / Ga1-yInyN, The interface formed by the three layers of the active layer (107) made of the GaN light guide layer and the p-AlGaN cladding layer (108) has an inclination of about 20 degrees, and the GaN buffer layer (203) is 8 μm thick. For this reason, the reflected light at the interface between the substrate (201) and the GaN buffer layer (202) is reflected at a position shifted by 6 μm or more from the light emitting region, so that it does not return to the active layer light emitting region, and the optical disturbance It did not cause.

原理2のレーザ場合、(0 0 0 1)面上に成長した類似の構造のレーザと比べて、光出力が2倍以上あった。これは傾斜面の傾きが(0 0 0 1)面から略20度であり、概略(1 1 4)面と一致しているため、AlGaNクラッド層(208)にMgをドーピングした場合、飽和Mg濃度、飽和キャリア濃度がともにが(0 0 1)面上に比べて略40%あがることによる。   In the case of the principle 2 laser, the light output was more than twice that of a laser having a similar structure grown on the (0 0 0 1) plane. This is because the inclination of the inclined surface is approximately 20 degrees from the (0 0 0 1) plane, and is approximately coincident with the (1 1 4) plane, so when Mg is doped into the AlGaN cladding layer (208), saturated Mg This is because both the concentration and the saturation carrier concentration are increased by about 40% compared to the (0 0 1) plane.

原理2のうち図2(b)のように形成したものでは、特に歩留りを上げることが出来た。これは、これは図2(a)の場合と比べて凹凸が小さいので(205)−(209)の層を成長する際に均一に成長しやすいとともに、エッチングしたときに残ったひさし(214)がプロセス中に折れて残さが出ることが少ないことによる。   Of the principle 2, those formed as shown in FIG. 2 (b) were able to increase the yield. This is because the unevenness is small compared to the case of FIG. 2A, and it is easy to grow uniformly when growing the layer of (205)-(209), and the eaves remaining after etching (214) This is due to the fact that there is little breakage during the process.

(原理3)
図4は、本発明の原理3に係る端面発光半導体素子であり、サファイア基板上に形成された埋め込み型の端面発光半導体素子の活性層の光の導派方向に垂直な断面である。
(Principle 3)
FIG. 4 is an end surface light emitting semiconductor device according to Principle 3 of the present invention, and is a cross section perpendicular to the light guiding direction of the active layer of a buried type end surface light emitting semiconductor device formed on a sapphire substrate.

図中の(401)−(412)はそれぞれ表面が(0 0 0 1)面であるサファイア基板(401)、GaN低温成長バッファー層と高温バッファー層よりなる第一バッファー層(402)、選択成長により形成されたn−GaN第二バッファー層(403)、n−AlGaNクラッド(404)、GaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層よりなる活性層(405)、p-AlGaNクラッド層(406)、p-GaNコンタクト層(407)、電流狭窄のメサ構造(408)、AlGaN埋込み層(409)、エッチング面(410)、n電極(411)、p電極(412)である。   (401)-(412) in the figure are sapphire substrates (401) whose surfaces are (0 0 0 1) planes, a first buffer layer (402) comprising a GaN low temperature growth buffer layer and a high temperature buffer layer, and selective growth. N-GaN second buffer layer (403), n-AlGaN cladding (404), GaN light guide layer, Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light emitting layer, GaN light guide layer, and AlGaN current blocking layer Active layer (405) made of GaN light guide layer, p-AlGaN cladding layer (406), p-GaN contact layer (407), current confinement mesa structure (408), AlGaN buried layer (409), etching surface (410 ), N electrode (411), and p electrode (412).

図5、6は図4の原理3に係るの光半導体素子作成工程図であり、以下図5、6を参照しながら作成方法について説明する。   5 and 6 are optical semiconductor element production process diagrams according to Principle 3 of FIG. 4, and the production method will be described below with reference to FIGS.

まずサファイア基板(401)上にMOCVDにより480℃で45nm、1080℃で6μm成長したGaN第一バッファー層(402)を形成した。次に左から10μmのSiOマスク(501)、30μmのスペース、200μmのマスク(502)、50μmのスペースの計300μmのパターンを繰り返し形成した。この後GaN第二バッファー層(403)、AlGaNクラッド(404)、GaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層よりなる活性層(405)、AlGaNクラッド層(406)、GaNコンタクト層(407)を選択成長した。ここに図5(a)は選択成長の鳥瞰図、図5(b)は選択成長マスクパターンの上面図である。次に、SiO(506)を1.5μm幅でパターニングして、このSiO(506)をマスクにして電流狭窄のメサ構造(408)を形成した(図6(a))。次にメサ構造(408)をAlGaN埋込み層(409)で埋め込んだ(図6(b))。その後エッチングによりAlGaN埋込み層(409)とGaN第二バッファー層(403)一部分までをエッチングしてGaN第二バッファー層(405)上にn電極(411)を形成した。またSiO(506)を除去した後にp電極(412)を形成した(図6(c))。 First, a GaN first buffer layer (402) grown at 45 nm at 480 ° C. and 6 μm at 1080 ° C. was formed on a sapphire substrate (401). Next, a 10 μm SiO 2 mask (501), a 30 μm space, a 200 μm mask (502), and a 50 μm space total 300 μm pattern were repeatedly formed from the left. Thereafter, a GaN second buffer layer (403), an AlGaN cladding (404), a GaN light guide layer, a Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light-emitting layer, a GaN light guide layer, an AlGaN current blocking layer, and a GaN light guide layer are formed. An active layer (405), an AlGaN cladding layer (406), and a GaN contact layer (407) were selectively grown. FIG. 5A is a bird's eye view of selective growth, and FIG. 5B is a top view of the selective growth mask pattern. Next, SiO 2 (506) was patterned to a width of 1.5 μm, and a current confinement mesa structure (408) was formed using this SiO 2 (506) as a mask (FIG. 6A). Next, the mesa structure (408) was buried with an AlGaN buried layer (409) (FIG. 6B). Thereafter, the AlGaN buried layer (409) and a part of the GaN second buffer layer (403) were partially etched to form an n-electrode (411) on the GaN second buffer layer (405). Further, after removing SiO 2 (506), a p-electrode (412) was formed (FIG. 6C).

(原理4)
図7は、本発明の原理4に係る光半導体素子であり、SiC基板上に形成された導波方向が基板と傾斜した方向となる光半導体素子を示す。
(Principle 4)
FIG. 7 shows an optical semiconductor device according to Principle 4 of the present invention, in which the waveguide direction formed on the SiC substrate is inclined with respect to the substrate.

図中の(701)−(713)はそれぞれ表面が(0 0 0 1)面であるp−SiC基板(701)、p−GaNバッファー層(702)、p-GaN層とp-GaAlN層よりなるクラッド層(703)、GaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層よりなる活性層(704)、活性層(704)の中のGaN光ガイド層に形成された回折格子(705)、n−AlGaNクラッド層(706)、n−GaNコンタクト層(707)、n電極(708)、p電極(709)、共振器の端面(710)および(711)、ARコート膜(712)、HRコート膜(713)である。   (701)-(713) in the figure are the p-SiC substrate (701), p-GaN buffer layer (702), p-GaN layer, and p-GaAlN layer each having a (0 0 0 1) surface. A clad layer (703), an GaN light guide layer, an AlGaN current blocking layer, a GaN light guide layer, a Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light emitting layer, and an active layer (704) comprising a GaN light guide layer, an active layer (704) ), A n-AlGaN cladding layer (706), an n-GaN contact layer (707), an n-electrode (708), a p-electrode (709), a resonator These are end surfaces (710) and (711), an AR coat film (712), and an HR coat film (713).

図8は図7の原理4に係る光半導体素子作成工程図であり、以下図8を参照しながら作成方法について説明する。   FIG. 8 is an optical semiconductor device production process diagram according to Principle 4 of FIG. 7, and the production method will be described below with reference to FIG.

まずSiC基板(701)上にMOCVD法によりGaNバッファー層(702)を形成した。次に図8(a)に示すような、空隙の太い部分と狭い部分の繰り返しパターンを持つSiO選択成長マスク(801)を形成した。ここで、空隙の狭い部分は50μm、太い部分は300μmとし、マスク全体の幅は600μmとした。太い部分と狭い部分の繰り返しピッチは1mmとした。次にGaN層とGaAlN層よりなるクラッド層(703)、GaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層よりなる活性層(704)をMOCVDによる選択成で形成し、活性層(704)の中のGaN光ガイド層上に回折格子(705)を形成した。この時のストライプ方向の断面ABを図8(b)に示す。マスクの空隙の広い部分では成長速度が遅く狭い部分では速くなった。次にMOCVD法によりAlGaNクラッド層(706)とGaNコンタクト層(707)を成長した(図8(c))。其の後幅1μm 残してGaNコンタクト層(707)、AlGaNクラッド層(706)、GaN光ガイド層とAlGaN電流ブロック層とGaN光ガイド層とGa1−xInxN/Ga1−yInyNのMQW発光層とGaN光ガイド層よりなる活性層(704)、およびGaN層とGaAlN層よりなるクラッド層(703)のうちのGaN層の途中までエッチング除去して、メサ構造(802)を形成した。その後、メサの両側を、AlGaN層(803)で埋め込んだ。n電極(708)とp電極(709)を形成した後、エッチングにより平坦部(804)を除去して同時にチップ端面(710)と(711)を形成した。その後ウェハーをバー状にしてSiNでAR膜(712)を形成した。其の後、端面(711)上にSiNのパッシベーション膜をつけた上で酸化ハフニウムとSiOのHRコート膜(713)を形成した。 First, a GaN buffer layer (702) was formed on the SiC substrate (701) by MOCVD. Next, as shown in FIG. 8A, a SiO 2 selective growth mask (801) having a repeated pattern of thick and narrow gaps was formed. Here, the narrow gap portion was 50 μm, the thick portion was 300 μm, and the width of the entire mask was 600 μm. The repetition pitch between the thick part and the narrow part was 1 mm. Next, a cladding layer (703) made of a GaN layer and a GaAlN layer, a GaN light guide layer, an AlGaN current blocking layer, a GaN light guide layer, a Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light emitting layer, and an active layer made of a GaN light guide layer (704) was selectively formed by MOCVD, and a diffraction grating (705) was formed on the GaN light guide layer in the active layer (704). A cross section AB in the stripe direction at this time is shown in FIG. The growth rate was slow in the wide part of the mask gap and fast in the narrow part. Next, an AlGaN clad layer (706) and a GaN contact layer (707) were grown by MOCVD (FIG. 8C). Thereafter, the width of 1 μm is left, the GaN contact layer (707), the AlGaN cladding layer (706), the GaN light guide layer, the AlGaN current blocking layer, the GaN light guide layer, the Ga1-xInxN / Ga1-yInyN MQW light-emitting layer, and the GaN light. The mesa structure (802) was formed by etching to the middle of the GaN layer of the active layer (704) made of the guide layer and the clad layer (703) made of the GaN layer and the GaAlN layer. Thereafter, both sides of the mesa were embedded with an AlGaN layer (803). After forming an n-electrode (708) and a p-electrode (709), the flat portion (804) was removed by etching, and chip end faces (710) and (711) were formed at the same time. Thereafter, the wafer was formed into a bar shape and an AR film (712) was formed from SiN. After that, a passivation film of SiN was formed on the end face (711), and an HR coating film (713) of hafnium oxide and SiO 2 was formed.

原理4に係るレーザでは共振器の長手方向に基板(701)とGaN−(702)のなす界面と活性層(704)周辺の界面が傾斜しているので基板(701)とGaN−(702)のなす界面で反射した光はARコート膜(712)を形成した端面(710)側に集中する。このため、レーザの出力を効率よく取り出すことができた。また原理4に係るレーザは基板としてpタイプのSiCを用いたので電極抵抗を減らすことができた。またp-AlGaNを活性層形成前に形成できるのでp側を活性層上に形成した場合に比べて、より高濃度にMgを添加しても活性層中への拡散を抑制することができた。またメサ形成の際に結晶軸とメサ方向がほぼ平行なので対象性の良いメサ構造を形成でき、光のリークが少ないのでしきい値を下げることができた。   In the laser according to the principle 4, since the interface between the substrate (701) and the GaN- (702) and the interface around the active layer (704) are inclined in the longitudinal direction of the resonator, the substrate (701) and the GaN- (702) The light reflected at the interface formed by the light is concentrated on the end surface (710) side on which the AR coating film (712) is formed. For this reason, the output of the laser was able to be taken out efficiently. In addition, since the laser according to the principle 4 uses p-type SiC as the substrate, the electrode resistance can be reduced. Moreover, since p-AlGaN can be formed before forming the active layer, diffusion into the active layer could be suppressed even when Mg was added at a higher concentration than when the p-side was formed on the active layer. . In addition, since the crystal axis and the mesa direction are almost parallel when forming the mesa, a mesa structure with good objectivity can be formed, and the threshold value can be lowered because there is little light leakage.

原理4に係るレーザでは回折格子を作製したが、特に回折格子で決まる共振器の波長を活性層の発光のピーク波長よりも数十meV長波長側に設定すると特にしきい値を下げることができた。これは活性層が結晶の特異面から傾斜しているために活性層内でIn組成の高い部分が規則正しくできており、発光のピークよりも長波長側にキャリアの注入効率の高いエネルギー領域が形成されているためである。   In the laser according to the principle 4, a diffraction grating is manufactured. In particular, the threshold value can be lowered particularly when the wavelength of the resonator determined by the diffraction grating is set to a wavelength longer by several tens of meV than the peak wavelength of light emission of the active layer. It was. This is because the active layer is tilted from the singular plane of the crystal, so that the portion with a high In composition is regularly formed in the active layer, and an energy region with high carrier injection efficiency is formed on the longer wavelength side than the emission peak. It is because it has been.

原理4に係るレーザでは回折格子を作製し端面にはAR、HRコートを施したが、端面が共振器の方向と垂直になるように端面をエッチングあるいは研磨すれば、このような端面処理が無くともレーザ発振させることができる。   In the laser according to Principle 4, a diffraction grating is manufactured and AR and HR coatings are applied to the end face. However, if the end face is etched or polished so that the end face is perpendicular to the direction of the resonator, there is no such end face treatment. Both can be laser-oscillated.

(原理5)
図9は、本発明の原理5に係る発光素子であり、サファイア基板上に形成された埋め込み型の発光素子を示す。
(Principle 5)
FIG. 9 shows a light-emitting element according to Principle 5 of the present invention, which is an embedded light-emitting element formed on a sapphire substrate.

図中(901)−(920)はサファイア基板(901)、GaN低温バッファー層(902)、GaN高温バッファー層(903)、GaN第二バッファー層(904)、AlGaNとGaInNよりなるMQWバッファー層(905)、n−GaN第三バッファー層(906)、n−GaInN層(907)、n−GaN層(908)、n−GaAlN中間組成層(909)、n−GaAlNクラッド層(910)、GaN光ガイド層とGaInN/GaInNのMQW発光層とGaInN光ガイド層とGaN光ガイド層とAlGaN光ガイド層よりなる活性層(911)、p−GaNエッチストップ層(912)、p-GaAlNクラッド層(915)、p-AlGaN中間組成層(916)、p-GaNコンタクト層(917)、パッシベーション膜(918)、n−電極(919)、p電極(920)、p-AlGaN埋込み層(913)、n−GaAlN埋込み層(914)よりなる。   In the figure, (901)-(920) are a sapphire substrate (901), a GaN low temperature buffer layer (902), a GaN high temperature buffer layer (903), a GaN second buffer layer (904), an MQW buffer layer made of AlGaN and GaInN ( 905), n-GaN third buffer layer (906), n-GaInN layer (907), n-GaN layer (908), n-GaAlN intermediate composition layer (909), n-GaAlN cladding layer (910), GaN An active layer (911) comprising a light guide layer, a GaInN / GaInN MQW light emitting layer, a GaInN light guide layer, a GaN light guide layer and an AlGaN light guide layer, a p-GaN etch stop layer (912), a p-GaAlN cladding layer ( 915), p-AlGaN intermediate composition layer (916), p-GaN contact layer (917), passivation film (918), n-electrode (919) p electrode (920), p-AlGaN buried layer (913) consists of n-GaAlN buried layer (914).

原理5に係る発光素子では、サファイア基板(901)上に、厚さ50nmのGaN低温バッファー層(902)、厚さ300μmのGaN高温バッファー層(903)を形成後、GaN高温バッファー層(903)を(1 −1 0 0)方向に2度傾けて研磨した。その後GaN第二バッファー層(904)、AlGaNとGaInNよりなるMQWバッファー層(905)、GaN第三バッファー層(906)、GaInN層(907)、GaN層(908)、GaAlN中間組成層(909)、GaAlNクラッド層(910)、GaN光ガイド層とGaInN/GaInNのMQW発光層とGaInN光ガイド層とGaN光ガイド層とAlGaN光ガイド層よりなる活性層(911)、GaNエッチストップ層(912)、GaInNダミー層を形成した。この上にSiNの選択成長マスクを幅1.5μmで導波方向が基板と傾斜した方向となるように形成し、GaAlNクラッド層(910)の一部、GaN光ガイド層とGaInN/GaInNのMQW発光層とGaInN光ガイド層とGaN光ガイド層とAlGaN光ガイド層よりなる活性層(911)、GaNエッチストップ層(912)、GaInNダミー層をエッチングしてメサ構造を形成した。この後p−AlGaN埋込み層(913)、n−GaAlN埋込み層(914)を形成した。SiN膜を除去した後燐酸系のエッチャントまたはドライエッチングでGaInNダミー層を除去した。この後、GaAlNクラッド層(915)、AlGaN中間組成層(916)、GaNコンタクト層(917)をMOCVD法で形成した。この後、GaN層(908)の一部、GaAlN中間組成層(909)、GaAlNクラッド層(910)、GaAlNクラッド層(915)、AlGaN中間組成層(916)、GaNコンタクト層(917)をエッチングしてGaN層(908)の表面を出した。この後、パッシベーション膜(918)を形成するとともに、n−電極(919)、p電極(920)を形成した。   In the light emitting device according to the fifth principle, a GaN low temperature buffer layer (902) having a thickness of 50 nm and a GaN high temperature buffer layer (903) having a thickness of 300 μm are formed on a sapphire substrate (901), and then a GaN high temperature buffer layer (903). Was polished at an angle of 2 degrees in the (1 -1 0 0) direction. Thereafter, a GaN second buffer layer (904), an MQW buffer layer (905) made of AlGaN and GaInN, a GaN third buffer layer (906), a GaInN layer (907), a GaN layer (908), and a GaAlN intermediate composition layer (909) , GaAlN cladding layer (910), GaN light guide layer, GaInN / GaInN MQW light emitting layer, GaInN light guide layer, GaN light guide layer, active layer (911) made of AlGaN light guide layer, GaN etch stop layer (912) A GaInN dummy layer was formed. A SiN selective growth mask is formed thereon with a width of 1.5 μm so that the waveguide direction is inclined with respect to the substrate, a part of the GaAlN cladding layer (910), a GaN light guide layer, and a GaInN / GaInN MQW. The mesa structure was formed by etching the light emitting layer, the GaInN light guide layer, the GaN light guide layer, and the active layer (911) composed of the AlGaN light guide layer, the GaN etch stop layer (912), and the GaInN dummy layer. Thereafter, a p-AlGaN buried layer (913) and an n-GaAlN buried layer (914) were formed. After removing the SiN film, the GaInN dummy layer was removed by phosphoric acid-based etchant or dry etching. Thereafter, a GaAlN cladding layer (915), an AlGaN intermediate composition layer (916), and a GaN contact layer (917) were formed by MOCVD. Thereafter, a part of the GaN layer (908), GaAlN intermediate composition layer (909), GaAlN cladding layer (910), GaAlN cladding layer (915), AlGaN intermediate composition layer (916), and GaN contact layer (917) are etched. Thus, the surface of the GaN layer (908) was exposed. Thereafter, a passivation film (918) was formed, and an n-electrode (919) and a p-electrode (920) were formed.

原理5に係る半導体レーザでは基板を研磨しているので、光の反射を抑制する効果に加えて、ウェハーの傾きが均一であり、活性層内のInの組成、pクラッド層のMg濃度が特に均一にでき、レーザのしきい値を下げることができた。また基板と活性層の間にMQWを設けたので、転移がMQWと平行に走り、MQWの上と下とで転移密度が略2桁違っていた。更に、GaInN層(907)を設けたので、この上部と下部での格子定数差に伴う歪みを吸収し、内部に欠陥を生成することで活性層側に転移が生成するのを防ぐことができた。この効果は(0 0 0 1)面上でも同じように生じるが、本発明の場合(0 0 0 1)面から傾いているので、転移がGaInN内で成長せず、活性層側に大きな転移網として伝播することがより少なかった。このため、原理5に係る半導体レーザでは、基板側に設けたGaNとは大きく格子定数が異なるAlGaNを埋込み層に用いても基板と埋込み層との間での転位の発生が抑制され、埋め込みレーザ本来の性能が発揮でき、リッジ型のレーザに比べてしきい値を数分の一にすることができた。また原理5に係る半導体レーザでは電極抵抗を下げるためにGaNコンタクト層(917)とAlGaNクラッド層(915)の中間にAl組成がその中間であるAlGaN中間組成層(916)を設けた。このヘテロ界面は同時にMgの拡散防止の効果も有する。原理5の場合、Mgのドーピング濃度、p型キャリア濃度を上げやすいが、このため、不純物の拡散が突発的に起こることがある。AlGaN中間組成層(916)を導入することでこの影響を低減でき歩留まりを上げることができた。   In the semiconductor laser according to the principle 5, since the substrate is polished, in addition to the effect of suppressing the reflection of light, the inclination of the wafer is uniform, the composition of In in the active layer, and the Mg concentration in the p-cladding layer are particularly It was possible to make it uniform and to lower the laser threshold. Also, since MQW was provided between the substrate and the active layer, the transition ran parallel to the MQW, and the transition density was almost two orders of magnitude above and below the MQW. Furthermore, since the GaInN layer (907) is provided, it is possible to absorb the strain accompanying the difference in lattice constant between the upper part and the lower part, and to prevent the generation of transition on the active layer side by generating defects inside. It was. This effect occurs in the same way on the (0 0 0 1) plane, but in the case of the present invention, since it is inclined from the (0 0 0 1) plane, the transition does not grow in GaInN, and a large transition to the active layer side occurs. Less propagated as a net. For this reason, in the semiconductor laser according to Principle 5, even when AlGaN having a lattice constant that is significantly different from that of GaN provided on the substrate side is used for the buried layer, the occurrence of dislocation between the substrate and the buried layer is suppressed, and the buried laser The original performance could be demonstrated, and the threshold value could be reduced to a fraction of that of the ridge type laser. Further, in the semiconductor laser according to Principle 5, in order to reduce the electrode resistance, an AlGaN intermediate composition layer (916) having an intermediate Al composition is provided between the GaN contact layer (917) and the AlGaN cladding layer (915). This heterointerface also has the effect of preventing Mg diffusion. In the case of Principle 5, it is easy to increase the Mg doping concentration and the p-type carrier concentration, but for this reason, impurity diffusion may occur suddenly. By introducing the AlGaN intermediate composition layer (916), this influence can be reduced and the yield can be increased.

以上に、本発明の実施形態のデバイスの構造の原理について説明した。次に、上述の各原理を踏まえて、本発明の実施形態について説明する。   The principle of the device structure according to the embodiment of the present invention has been described above. Next, embodiments of the present invention will be described based on the above-described principles.

(実施形態1)
図10は本発明の実施形態1の半導体光素子に関わる概略説明図である。
(Embodiment 1)
FIG. 10 is a schematic explanatory diagram relating to the semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention.

SiC基板(1101)はpタイプの6H−SiCの(0 0 0 1)面から(1 1 −2 0)方向に約80度傾斜した基板であり、(1102)−(1112)はp−GaNバッファー層(1102)、p−AlGaN/GaN超格子バッファー層(1103)、p-GaNバッファー層(1104)、p-GaInNバッファー層(1105)、p-GaNコンタクト層(1106)、p−AlGaNクラッド層(1107)、GaN/GaInNの量子井戸発光層(1108)、n−AlGaNクラッド層(1109)、n−GaNコンタクト層(1110)、絶縁膜(1111)、n−電極(1112)、p電極(1113)である。   The SiC substrate (1101) is a substrate tilted by about 80 degrees in the (1 1 -2 0) direction from the (0 0 0 1) plane of p-type 6H—SiC, and (1102)-(1112) are p-GaN. Buffer layer (1102), p-AlGaN / GaN superlattice buffer layer (1103), p-GaN buffer layer (1104), p-GaInN buffer layer (1105), p-GaN contact layer (1106), p-AlGaN cladding Layer (1107), GaN / GaInN quantum well light emitting layer (1108), n-AlGaN cladding layer (1109), n-GaN contact layer (1110), insulating film (1111), n-electrode (1112), p-electrode (1113).

本実施形態の場合成長したGaN等は(4 4 −8 1)面で成長した。(0 0 0 1)面から(1 1 −2 0)方向に約80傾斜したSiC基板(1101)を用いたので、2HのSiCでいうなら略(4 4 −8 1)面と一致した面が出ている。SiCとGaNの格子定数差が小さいのでがGaN(1102)が成長する際に基板と類似の面が形成されたからである。基板にSiCを用いたので熱伝導率が高く温度特性が向上できた。特にp型になり易いSiC基板(1101)を用いることで電極抵抗を下げる事ができた。また基板(1101)の面方位が(4 4 −8 1)であり、(1 1 −2 4)の場合以上に転移が超格子に沿って方向を変える効率が高かったので活性層中の転位密度を下げることができた。また基板裏面から電極を取れるのでプロセスが容易であった。   In the case of the present embodiment, the grown GaN or the like grew on the (4 4-8 1) plane. Since the SiC substrate (1101) inclined by about 80 in the (1 1 -2 0) direction from the (0 0 0 1) plane was used, in terms of 2H SiC, a plane substantially coincident with the (4 4-8 1) plane Is out. The difference in lattice constant between SiC and GaN is small because a surface similar to the substrate was formed when GaN (1102) was grown. Since SiC was used for the substrate, the thermal conductivity was high and the temperature characteristics could be improved. In particular, the electrode resistance could be lowered by using a SiC substrate (1101) that tends to be p-type. Also, the plane orientation of the substrate (1101) is (4 4-8 1), and the dislocation in the active layer has a higher efficiency of changing the direction along the superlattice than in the case of (1 1 -2 4). The density could be lowered. In addition, the process was easy because the electrode could be taken from the back side of the substrate.

本実施形態では6−HのSiCを用いたが4−Hや2−H、15R、3C等のSiCを用いてよいことは言うまでもない。本実施形態ではSiCを基板に用いたが(4 4 −8 1)のGaNを基板に用いた場合、発光領域まですべて窒化物で良好な結晶が形成でき、発光効率の高い素子が得られた。またGaNがウルツァイト構造で(4 4 −8 1)面の結晶に対して縦横ともに完全に結晶格子が基板上にエピタキシーする層と一致するので良質な結晶が成長できることにもよる。また本実施形態では(0 0 0 1)面から約80度傾けたが2−HのSiCに換算しての(h m −h−m n)(|n/h|または|n/m |の一方が3 以上または1/3以下、nは0ではない)の指数付けが行われる面方位のSiCあるいは当該指数のGaNを用いればいずれの方向でも本発明を適用することが出来る。本実施形態では基板にpタイプのものを用いたが、nタイプのものを用いて上下反対方向に電流を流してもよいことは言うまでもない。   Although 6-H SiC is used in the present embodiment, it goes without saying that SiC such as 4-H, 2-H, 15R, and 3C may be used. In this embodiment, SiC is used for the substrate, but when GaN of (44-81) is used for the substrate, a good crystal can be formed with nitride all the way to the light emitting region, and an element with high luminous efficiency was obtained. . Further, GaN has a wurtzite structure, and the crystal lattice completely coincides with the layer where the crystal lattice is epitaxy on the substrate with respect to the (4 4-8 1) plane crystal. Further, in the present embodiment, although tilted by about 80 degrees from the (0 0 0 1) plane, (h m −h−m n) (| n / h | or | n / m | converted to 2-H SiC. The present invention can be applied in any direction by using SiC having a surface orientation on which indexing is performed, i.e., one is 3 or more or 1/3 or less, and n is not 0). In the present embodiment, a p-type substrate is used, but it goes without saying that an n-type substrate may be used to pass current in the opposite direction.

(実施形態2)
図11は本発明の実施形態2の電界効果型トランジスターに関わる概略説明図である。
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a schematic explanatory diagram relating to the field effect transistor according to the second embodiment of the present invention.

図中(1201)−(1210)はそれぞれAlN基板(1201)、GaN電子走行層(1202)、幅0.1μmのAlNゲート層(1203)、GaNコンタクト層(1204)、Siのイオン注入により形成した高濃度のnタイプのソース領域(1205)、イオン注入により形成した高濃度のnタイプのドレイン領域(1206)、絶縁膜(1207)、ソース電極(1208)、ゲート電極(1209)、ドレイン電極(1210)である。   In the figure, (1201)-(1210) are formed by AlN substrate (1201), GaN electron transit layer (1202), 0.1 μm wide AlN gate layer (1203), GaN contact layer (1204), and Si ion implantation, respectively. High-concentration n-type source region (1205), high-concentration n-type drain region (1206) formed by ion implantation, insulating film (1207), source electrode (1208), gate electrode (1209), drain electrode (1210).

本実施例中のGaN電子走行層(1202)はAlNと略2%の格子歪みを有する。このためGaNの臨界膜厚は2〜3nmであり本実施形態でもこれ以下の厚さにしないと急激にリーク電流の増加が認められた。GaNとAlNの場合電子障壁差の最も小さな方向でもGaAsとAlAsの1.5倍程度ある。このため2次元電子ガスの密度は数桁大きくできる。本実施形態のGaN電子走行層(1202)の厚さは通常のHEMTと比べて1桁程度小さいが、蓄積可能な2次元電子ガス密度が高いのでトータルのシート密度は1013cm−2以上の高い値が得られた。また、GaN走行層(1202)の厚さが薄く、AlNの耐圧が高いためにAlNゲート層(1203)の厚さを数十nmと薄くできたことも有り、大きなゲインを得ることができた。またAlN、GaNの臨界電圧が高いことも有り、ftが50GGHzと高速動作が可能であった。サファイア基板上に形成した場合と比べるとAlNの誘電定数が大きいことおよびGaNが臨界膜厚以下と薄いことから電界の広がりが大きくサファイア基板上に同様のディメンジョンで形成した場合と比べて、ゲートドレイン間の電圧を30%以上かけることができた。またAlNの熱伝導率が高いためにサファイア基板を用いた場合と比べるとほぼ同様の構造の電界効果デバイスで動作電力を3倍以上とることができた。ゲート(1203)の一部分にSiをドーピングすると特に2次元電子ガスの密度を上げることができた。 The GaN electron transit layer (1202) in this example has a lattice strain of about 2% with AlN. For this reason, the critical film thickness of GaN is 2 to 3 nm. Even in this embodiment, if the thickness is not less than this, a sudden increase in leakage current was recognized. In the case of GaN and AlN, the direction of the smallest electron barrier difference is about 1.5 times that of GaAs and AlAs. For this reason, the density of the two-dimensional electron gas can be increased by several orders of magnitude. The thickness of the GaN electron transit layer (1202) of this embodiment is about an order of magnitude smaller than that of a normal HEMT, but since the two-dimensional electron gas density that can be accumulated is high, the total sheet density is 10 13 cm −2 or more. A high value was obtained. Moreover, since the thickness of the GaN traveling layer (1202) is thin and the breakdown voltage of AlN is high, the thickness of the AlN gate layer (1203) can be reduced to several tens of nanometers, and a large gain can be obtained. . In addition, the critical voltage of AlN and GaN was high, and ft was 50 GHz and high-speed operation was possible. Compared to the case where it is formed on a sapphire substrate, the dielectric constant of AlN is large, and since the GaN is thinner than the critical film thickness, the electric field spreads greatly and the gate drain is compared with the case where it is formed on the sapphire substrate with the same dimension. The voltage in between could be applied 30% or more. In addition, since the thermal conductivity of AlN is high, a field effect device having substantially the same structure as that of the case where a sapphire substrate is used was able to obtain operating power three times or more. When a part of the gate (1203) was doped with Si, the density of the two-dimensional electron gas could be increased.

(実施形態3)
図12は本発明の実施形態3の電界効果型トランジスターに関わる概略説明図である。
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a schematic explanatory diagram relating to the field effect transistor according to the third embodiment of the present invention.

図中(1301)−(1312)は、SiC(0 0 0 1)面から(1 1 −2 0)方向に略10度傾いた基板(1301)、AlGaN/GaNの超格子バッファー(1302)、AlNバッファー層(1303)、GaN電子走行層(1304)、高濃度のn型不純物を添加したGaInNドレインコンタクト層(1305)、高濃度のn型不純物を添加したGaInNソースコンタクト層(1306)、AlNゲート層(1307)、GaInNゲート制御層(1308)、絶縁膜(1309)、ドレイン電極(1310)、ゲート電極(1311)、ソース電極(1312)である。   In the figure, (1301)-(1312) are a substrate (1301) inclined by about 10 degrees in the (1 1-2 0) direction from the SiC (0 0 0 1) plane, an AlGaN / GaN superlattice buffer (1302), AlN buffer layer (1303), GaN electron transit layer (1304), GaInN drain contact layer (1305) doped with high-concentration n-type impurities, GaInN source contact layer (1306) doped with high-concentration n-type impurities, AlN A gate layer (1307), a GaInN gate control layer (1308), an insulating film (1309), a drain electrode (1310), a gate electrode (1311), and a source electrode (1312).

本実施形態では(1 1 −2 −8)面のGaN、AlN、AlGaNが形成されたので、n−タイプの不純物は取り込まれやすかったが、pタイプの不純物は入りにくく特に2次元電子ガスの移動度を容易に上げることができた。またSiC基板を用いたことで熱伝導度が高く温度上昇が小さかったのでエレメントの高密度が容易で素子のハイパワー化ができた。またAlNバッファー層(1303)の厚さを2μm以上にした場合には、ゲートとドレイン間のリーク電流、素子間のクロストークともにAlN基板上に形成した場合と大きな差はなかった。本実施形態では電子走行層にGaNを用いているがSiCを用いてもよく、この場合AlNとの格子定数差が小さいので電子走行層の厚さを10−15nm程度まで厚くすることができ、またAlNとのヘテロバリアも高くなるので2次元電子ガスの密度で1014cm−2ときわめて高い値を実現できた。 In this embodiment (1 1 -2 -8) plane of GaN, AlN, since AlGaN is formed, the n- type impurity is apt captured, the p-type impurity of incoming difficult especially 2-dimensional electron gas It was able to increase the mobilities easily. In addition, since the SiC substrate was used, the thermal conductivity was high and the temperature rise was small, so that the density of the elements could be easily increased and the power of the element could be increased. Further, when the thickness of the AlN buffer layer (1303) was 2 μm or more, the leakage current between the gate and the drain and the crosstalk between the elements were not significantly different from those formed on the AlN substrate. In this embodiment, GaN is used for the electron transit layer, but SiC may also be used. In this case, since the lattice constant difference from AlN is small, the thickness of the electron transit layer can be increased to about 10-15 nm. In addition, since the hetero barrier with AlN is also increased, the density of the two-dimensional electron gas was as high as 10 14 cm −2 .

以上に、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、AlN、GaN、SiCの基板に関しては、バルク結晶でも、他の基板の上に堆積した後他の基板を剥離したものでもよい。また、厚さが十分有りその上に形成する素子に対して、バルクの性質を示せば他の基板の上に形成したもので良い。この場合の厚さは、数十μm 以上となる。また基板としてはAlxGayIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1)でもよく、この場合格子定数をAlNとGaNとInNの間の任意の値に設定できるのでデバイスに加わる歪みを低減することができる。また電気的にもコンタクト抵抗を下げる等のデバイス特性の向上を実現できる。   Although various embodiments of the present invention have been described above, the substrate of AlN, GaN, or SiC may be a bulk crystal or a substrate that has been deposited on another substrate and then separated from the other substrate. In addition, an element formed on the substrate having a sufficient thickness may be formed on another substrate as long as it shows a bulk property. In this case, the thickness is several tens of μm or more. Further, the substrate may be AlxGayIn1-xyN (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ 1-xy ≦ 1). In this case, the lattice constant may be any value between AlN, GaN, and InN. Since it can be set to a value, distortion applied to the device can be reduced. Also, it is possible to improve device characteristics such as reducing contact resistance electrically.

基板のoff方向としては特定の特異面からのoff角度のみならずoffの方向に関して特定の結晶軸に固定されるものではなく、種々の方向また結晶軸からわずかにずれた方向であってもよいことは言うまでもない。   The off direction of the substrate is not fixed to a specific crystal axis with respect to the off direction as well as the off angle from a specific singular plane, and may be various directions or directions slightly deviated from the crystal axis. Needless to say.

101、201、401、901・・・サファイア基板
102、202、902・・・GaN低温成長バッファー層
103、203、903・・・GaN高温成長層
104、204・・・斜め研磨面
105、205・・・n−GaNバッファー層
106、206、404、706、910・・・n−AlGaNクラッド層
107、207、405、704、911・・・活性層
108、208、406、915・・・p−AlGaNクラッド層
109、209、407、917・・・p−GaNコンタクト層
110・・・活性領域を形成するメサ構造
111、409・・・AlGaN埋込み層
112・・・n電極用コンタクト面
113、213、411、708、919・・・n電極
114、212、412、709、920・・・p電極
210、408・・・電流狭窄のメサ構造
211、918・・・パッシベーション膜
214・・・ひさし
215、410・・・エッチング面
216・・・素子分離のためのメサ構造
301・・・エッチングマスク
402・・・第一バッファ層
403・・・n−GaN第二バッファ層
501、502、506、801・・・SiOマスク
701・・・表面が(0 0 0 1)面であるp−SiC基板
702・・・p−GaNバッファ層
703・・・p−GaN層とp−GaAlN層からなるクラッド層
705・・・回折格子
706・・・n−GaNコンタクト層
710、711・・・共振器の端面
712・・・ARコート膜
713・・・HRコート膜
802・・・メサ構造
803・・・AlGaN層
804・・・平坦部
904・・・GaN第二バッファ層
905・・・MQWバッファ層
906・・・n−GaN第三バッファ層
907・・・n−GaInN層
913・・・p−AlGaN埋め込み層
914・・・n−GaAlN埋め込み層
908・・・n−GaN層
909・・・n−GaAlN中間組成層
912・・・p−GaNエッチストップ層
916・・・p−GaAlN中間組成層
1101・・・SiC基板
1102・・・p−GaNバッファー層
1103・・・p−AlGaN/GaN超格子バッファー層
1104・・・p-GaNバッファー層
1105・・・p-GaInNバッファー層
1106・・・p-GaNコンタクト層
1107・・・p−AlGaNクラッド層
1108・・・GaN/GaInNの量子井戸発光層
1109・・・n−AlGaNクラッド層
1110・・・n−GaNコンタクト層
1111・・・絶縁膜
1112・・・n−電極
1113・・・p−電極
1201・・・AlN基板
1202、1304・・・GaN電子走行層
1203、1307・・・AlNゲート層
1204・・・GaNコンタクト層
1205・・・n−ソース領域
1206・・・n−ドレイン領域
1207、1309・・・絶縁膜
1208、1312・・・ソース電極
1209、1311・・・ゲート電極
1210、1310・・・ドレイン電極
1301・・・SiC基板
1302・・・AlGaN/GaNの超格子バッファー
1303・・・AlNバッファー層
1305・・・n−GaInNドレインコンタクト層
1306・・・n−GaInNソースコンタクト層
1308・・・GaInNゲート制御層
101, 201, 401, 901 ... sapphire substrates 102, 202, 902 ... GaN low temperature growth buffer layers 103, 203, 903 ... GaN high temperature growth layers 104, 204 ... slant polishing surfaces 105, 205 .. n-GaN buffer layers 106, 206, 404, 706, 910... N-AlGaN cladding layers 107, 207, 405, 704, 911... Active layers 108, 208, 406, 915. AlGaN cladding layers 109, 209, 407, 917... P-GaN contact layers 110... Mesa structures 111, 409... AlGaN buried layers 112. 411, 708, 919... N electrode 114, 212, 412, 709, 920... P electrode 2 0, 408 ... current confinement mesa structure 211, 918 ... passivation film 214 ... eaves 215, 410 ... etching surface 216 ... mesa structure 301 for element isolation ... etching mask 402 ... First buffer layer 403 ... n-GaN second buffer layer 501, 502, 506, 801 ... SiO 2 mask 701 ... p-SiC substrate whose surface is a (0 0 0 1) plane 702... P-GaN buffer layer 703... Cladding layer 705 consisting of p-GaN layer and p-GaAlN layer... Diffraction grating 706... N-GaN contact layers 710 and 711. End surface 712... AR coating film 713... HR coating film 802... Mesa structure 803... AlGaN layer 804. Layer 905 ... MQW buffer layer 906 ... n-GaN third buffer layer 907 ... n-GaInN layer 913 ... p-AlGaN buried layer 914 ... n-GaAlN buried layer 908 ... n-GaN layer 909 ... n-GaAlN intermediate composition layer 912 ... p-GaN etch stop layer 916 ... p-GaAlN intermediate composition layer 1101 ... SiC substrate 1102 ... p-GaN buffer layer 1103 ... p-AlGaN / GaN superlattice buffer layer 1104 ... p-GaN buffer layer 1105 ... p-GaInN buffer layer 1106 ... p-GaN contact layer 1107 ... p-AlGaN cladding layer 1108 ..GaN / GaInN quantum well light emitting layer 1109... N-AlGaN cladding layer 1110... N-G N contact layer 1111 ... insulating film 1112 ... n-electrode 1113 ... p-electrode 1201 ... AlN substrate 1202, 1304 ... GaN electron transit layer 1203, 1307 ... AlN gate layer 1204 GaN contact layer 1205... N-source region 1206... N-drain region 1207 and 1309... Insulating films 1208 and 1312... Source electrodes 1209 and 1311. Drain electrode 1301 ... SiC substrate 1302 ... AlGaN / GaN superlattice buffer 1303 ... AlN buffer layer 1305 ... n-GaInN drain contact layer 1306 ... n-GaInN source contact layer 1308 GaInN gate control layer

Claims (5)

AlN結晶上に設けられ、少なくとも前記AlN結晶に対して臨界膜厚以下の厚さのAlxGayIn1−x−yN(0≦x<1、0≦y≦1、0≦1−x−y≦1)結晶、または、少なくとも前記AlN結晶に対して臨界膜厚以下の厚さのSiC結晶、のいずれかからなる電子走行層と
前記電子走行層上に設けられたAlおよびNを含有する層と、
を具備し、
前記AlおよびNを含有する層をはさんで、前記電子走行層の反対側にゲート電極を有する電界効果トランジスターであることを特徴とする半導体素子。
AlxGayIn1-xyN (0 ≦ x <1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ 1-xy ≦ 1) provided on the AlN crystal and having a thickness that is at least a critical thickness with respect to the AlN crystal . An electron transit layer made of either a crystal or a SiC crystal having a thickness equal to or less than a critical film thickness with respect to the AlN crystal ,
A layer containing Al and N provided on the electron transit layer;
Comprising
A semiconductor device comprising a field effect transistor having a gate electrode on the opposite side of the electron transit layer across the layer containing Al and N.
前記電子走行層上に設けられた前記AlおよびNを含有する層が、AlzGa1−zN(0<z≦1)からなることを特徴とする請求項1に記載半導体素子。2. The semiconductor element according to claim 1, wherein the layer containing Al and N provided on the electron transit layer is made of AlzGa1-zN (0 <z ≦ 1). 前記電子走行層上に設けられた前記AlおよびNを含有する層が絶縁性であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体素子。The semiconductor element according to claim 1, wherein the layer containing Al and N provided on the electron transit layer is insulative. 前記電子走行層に接合するように設けられたソース領域およびドレイン領域をさらに具備することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体素子。4. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a source region and a drain region provided so as to be joined to the electron transit layer. 前記電子走行層上に設けられた前記AlおよびNを含有する層上に設けられたコンタクト層、をさらに具備し、  A contact layer provided on the layer containing Al and N provided on the electron transit layer;
前記ゲート電極は、前記コンタクト層に接するように設けられたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体素子。  The semiconductor element according to claim 1, wherein the gate electrode is provided so as to be in contact with the contact layer.
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