JP5389728B2 - 窒化物系半導体素子の製造方法及び窒化物系半導体素子 - Google Patents
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窒化物系半導体素子は、窒化物系半導体基板上に有機金属気相堆積法によって、窒化物系半導体各層を結晶成長させることによって製造される。
図17は、窒化物系半導体基板を模式的に示した斜視図である。
図18は、このようにして得られた従来の窒化物系半導体の積層構造を転位集中領域の延在方向と直角方向から視た模式図である。窒化物系半導体基板1701の表面1702には、結晶成長層1801、1802、1803が形成されている。これらの結晶成長層1801、1802、1803において、膜厚は、一定でなく、例えば、転位集中領域1704、1705近くの端部1804、1805で厚く、中央部1806で薄く、不均一となっている。
このような結晶成長層1801、1802、1803を有する窒化物系半導体から窒化物系半導体レーザ素子を作製するためには、光閉じ込め構造を得るのに、ストライプ状の光導波路を形成する必要がある。光導波路形成には様々な方法があるが、リッジ型光導波路は、深さや幅を百分の一μm程度の精度で精密に制御したエッチング技術により形成される。
そこで、本発明は、窒化物系半導体基板の非転位集中領域の表面に、窒化物系半導体の積層構造を膜厚が均一な結晶成長層を有する窒化物系半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、前記溝形成工程は、前記窒化物系半導体基板の表面に前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域を除く非転位集中領域にエッチングマスクを形成するマスク形成サブ工程と、前記転位集中領域を含み、転位集中領域に沿った非転位集中領域をエッチングするエッチングサブ工程と、前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスクを除去するマスク除去サブ工程とを有することとしている。
また、前記マスク形成サブ工程で形成されるエッチングマスクは、SiO2から成り、前記エッチングサブ工程は、Cl2ガスを用いた反応性イオンエッチングであることとしている。
また、前記マスク形成サブ工程で形成されたエッチングマスク間の距離で決まるエッチングサブ工程で形成される溝の幅と、前記エッチングサブ工程で形成される溝の深さとは、後続の積層工程で転位集中領域の表面に積層されるべき窒化物系半導体層の非転位集中領域へのマイグレーションを抑制できる幅と深さとに形成されることとしている。
また、前記溝形成工程で形成される溝は、異方性エッチングで形成され、非転位集中領域の段部が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に略直角に形成されることとしている。
また、前記溝形成工程で形成される溝は、非転位集中領域の段部の斜面が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に転位集中領域側に傾斜したメサ形状に形成されることとしている。
このような方法によって、エッジ効果が低減して膜厚の均一性を更に高めることができる。
このような方法によって、吸着種のマイグレーションを更に抑制することができる。
また、前記溝形成工程で形成される溝と同時に、非転位集中領域に前記溝と直角方向に延在する直角溝を間隔を開けて形成する直角溝形成工程を更に有することとしている。
また、前記窒化物系半導体基板の表面は、(0001)結晶面からなることとしている。
このような方法によって、窒化物系半導体素子を分離する際、劈開により容易にすることができる。
本発明は、ストライプ状の転位集中領域を有する窒化物系半導体基板を用いた窒化物系半導体素子であって、窒化物系半導体基板の非転位集中領域の少なくとも一端部に段部が形成され、当該段部の底部には転位集中領域が延在し、前記非転位集中領域の表面に窒化物系半導体各層が形成されていることとしている。
このような構成によって、窒化物系半導体素子を構成する窒化物系半導体各層の膜厚を均一にすることができ、半導体特性の優れた、製品歩留まりの良好な窒化物系半導体素子を得ることができる。
(実施の形態1)
図1は、本発明に係る窒化物系半導体素子の製造方法の実施の形態1でGaN基板に形成された積層構造の膜厚を説明するための断面図である。
GaN基板102には、表面103と裏面105とを貫通したストライプ状の結晶欠陥の集中した転位集中領域106、107が形成されている。この転位集中領域106、107の延在方向に沿って溝108、109が形成されている。
ところで、これらのIII族元素とN元素との吸着種は、転位集中領域106、107の表面には、殆ど吸着しない。本来、転位集中領域106、107に吸着すべき吸着種は、GaN基板102に形成された溝108、109に堆積する。また、溝108、109は表面103から深さdを有して形成されているので、溝108、109の非転位集中領域に堆積された吸着種が溝108、109外の非転位集中領域110の表面103にマイグレーションすることが抑制される。
なお、溝108、109がエッチングにより形成されているので、溝108、109と表面103との境界に角が形成される。角の立っている部分に吸着種が吸着されやすい(エッジ効果)ので、角部分111、112では、結晶成長層104に若干の盛り上がり勾配113、114が形成されている。
図2(a)に示すように、GaN基板102の(0001)結晶面を表面103として、溝が形成される転位集中領域106、107に沿う(図の紙面を貫く方向)非転位集中領域以外の非転位集中領域110の表面103にSiO2層をマスク201としてPCVD法(Plasma Chemical Vaper Deposition)で形成する。なお、マスク201の材料としてNi(ニッケル)、フォトレジスト、Al2O3、SiNなどの絶緑材料を用いてもよい。マスク201の膜厚は、例えば、0.36μmとされる。
図2(b)は、溝形成工程で得られたGaN基板102の断面図である。GaN基板102の表面103には、深さd=1μm、幅w=100μmの溝108、109が形成されている。
図3は、図2(b)の上方からGaN基板102を模式的に示した上面図である。GaN基板102の表面103には、ストライプ状の転位集中領域106、107、・・・に沿った溝108、109、・・・が形成されている。この溝108、109の中心間の間隔は、例えば、400μmである。
図4は、積層工程を説明するための断面図である。以下の積層工程は、MOCVD法により行う。
このクラッド層形成工程は、Ga原料であるTMGa(トリメチルガリウム)およびTMAl(トリメチルアルミニウム)、n型導電性を得るためのGe不純物の原料であるGeH4(モノゲルマン)を含んだ水素ガスを反応炉内に供給し、GeドープAl0.07Ga0.93Nからなるn型クラッド層402を約1.5μmの厚さで形成する。
このキャリアブロック層形成工程は、Ga原料であるTMGaおよびAl原料であるTMAlを含んだ水素ガスを反応炉内に供給し、Al0.2Ga0.8Nからなるn側キャリアブロック層403を約20nmの厚さで形成する。
(4)発光層404をn側キャリアブロック層403上に形成する。
MQW活性層の上面には、同様にTEGaおよびTMInを供給し、約0.1μmの膜厚を有するアンドープのIn0.01Ga0.99Nからなるp側光ガイド層を形成する。
p側光ガイド層の上面にGa原料であるTMGaおよびAl原料であるTMAlを反応炉に供給し、約20nmの膜厚を有するAl0.25Ga0.75Nからなるp側キャリアブロック層を形成する。
(5)p型クラッド層405を発光層404上に形成する。
このクラッド層形成工程は、再びGaN基板102の温度を1000℃付近まで加熱し、反応炉内にNH3ガスを供給した水素および窒素雰囲気中で、p型不純物であるMgの原料であるMg(C5H5)2(シクロペンタジェニルマグネシウム)、Ga原料であるTMGaおよびAl原料であるTMAlを反応炉に供給し、MgドープAl0.07Ga0.93Nからなるp型クラッド層405を約0.5μmの膜厚で形成する。
このコンタクト層形成工程は、再度GaN基板温度を800℃付近まで下げ、反応炉にNH3ガスを供給した窒素雰囲気中で、Ga原料であるTEGaおよびIn原料であるTMInを供給し、約2nmの厚さのアンドープのIn0.07Ga0.93Nからなるp側コンタクト層406を形成する。
次に、窒化物系半導体レーザ素子の積層構造を形成した基板407に光導波路を形成する。
光導波路形成工程は、図5に示すように、基板407のp側コンタクト層406上のほぼ中央に転位集中領域106、107の延在方向とほぼ平行に幅約1.5μmの帯状のSiO2層からなるマスク501の形成と、Cl2ガスを用いたRIE法によるリッジ形成エッチングとを含む。
次に、p型クラッド層601の平坦部とこの突状部602の側面にSiO2層からなる電流ブロック層701を図7に示すように形成し、マスク501を除去する。この電流ブロック層は、約0.2μmの膜厚に形成される。マスク501が除去された部分は、帯状溝702となる。
更にGaN基板102の裏面105を劈開し易い厚さまで研磨した後、GaN基板102の裏面105にn側オーミック電極803とn側パッド電極804とを形成し、窒化物系半導体レーザ素子を生成する。
なお、上記実施の形態では、GaN基板102の転位集中領域106等に沿った溝108等を形成させたけれども、他の溝形成パターンとして、図9に示すような溝を形成させてもよい。
図10は、溝断面1001をメサ形状としている。このような形状にすることによって、エッジ効果を低減することができる。このとき、溝深さを2μmとしている。
図11は、溝断面1101を逆メサ形状としている。このような形状にすると、溝内から溝外への吸着種のマイグレーションは更に少なくなる。
また、上記各溝108等は、転位集中領域106等を含めたけれども、転位集中領域106をエッチングすることなく、転位集中領域106の両側の非転位集中領域に一対の溝1301、1302を形成するようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、n型GaN基板102を用いて説明したけれども、p型GaN基板を用いてよいのは勿論である。
また、上記実施の形態では、窒化物系半導体各層の結晶成長をMOCVD法を用いて行ったけれども、この方法に限ることはなく、HVPE(ハライドベイパーフェイズエピタキシー)法、または、Al、Ga、In、NH3、SiH4、GeH4およびMg(C5H5)2などを原料ガスとして用いるガスソースMBE(モレキュラービームエピタキシー)法、Al、Ga、In、GeH4、Mgとラジカル窒素またはヒドラジンを用いたMBE法などを用いて結晶成長を行ってもよい。
また、上記実施の形態では、発光層としてMQW構造を用いたけれども、発光層は単一量子井戸構造であっても同様の効果を得ることができる。
また、本発明の内容は膜厚の均一性を向上する技術に関するものであるので発光層の膜厚などを均一にするなどの観点から発光ダイオードや受光素子にも有効である。更には複雑なエッチングパターンや電極パターンを有するFETなどの能動素子においても有効である。
図14は、膜厚の均一性を比較するための膜厚測定方法を示している。結晶成長層の最大膜厚部分と最小膜厚部分との膜厚差を△tとする。
比較例には、従来例のように溝を形成しない場合と、実施の形態1で説明した図3に示した溝パターンと、図9に示した溝パターンとの3種類で比較した。第1欄に膜厚差を示し、第2欄に膜厚差を平均膜厚で除した値を%表示している。
この図から、窒化物系半導体の結晶成長層を形成する前に、溝形成をすることによって、吸着種のマイグレーションが抑制され、膜厚の均一性が向上することが理解される。特に、溝パターンを転位集中領域に沿った方向とその直角方向との2方向に形成させたとき、膜厚の均一性は完全に保たれる。
したがって、溝の深さを0.7μm〜2.5μmの範囲とし、溝の半値幅をそれに応じて70μm〜20μmの範囲とするのが効率的である。
102 GaN基板
103 表面
104 結晶成長層
105 裏面
106,107 転位集中領域
108,109 溝
201 マスク
401 バッファ層
402 n型クラッド層
403 n側キャリアブロック層
404 発光層
405 p型クラッド層
406 p型コンタクト層
407 基板
501 マスク
601 p型クラッド層
602 突状部
701 電流ブロック層
702 帯状溝
801 p側オーミック電極
802 p側パッド電極
803 n側オーミック電極
804 n側パッド電極
901,902 直角溝
1001 メサ型溝
1101 逆メサ型溝
1201 階段状溝
1301,1302 一対の溝
Claims (6)
- ストライプ状の転位集中領域と非転位集中領域とが交互に存在し、転位集中領域が表面から裏面に貫通しているGaN基板を用いた窒化物系半導体素子の製造方法であって、
前記GaN基板の表面に前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域に溝を形成する溝形成工程と、
前記溝形成工程の後に、前記GaN基板上に窒化物系半導体層を積層する積層工程とを備え、
前記積層工程は、前記非転位集中領域の表面、前記溝の側面および底面に接するAlGaNバッファ層を形成する工程を含み、
前記溝形成工程は、前記転位集中領域に沿った近傍の非転位集中領域に形成される前記溝に対して直角方向に延在する直角溝を形成する直角溝形成工程を含むことを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。 - 前記AlGaNバッファ層を形成する工程の後に、AlGaNクラッド層を形成する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝形成工程で形成される溝は、異方性エッチングで形成され、非転位集中領域の段部が窒化物系半導体基板の表面から溝底方向に略直角に形成されることを特徴とする請求項1または2記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝形成工程で形成される溝は、断面が階段状に形成されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝の深さを0.7μm〜2.5μmの範囲とし、前記溝の半値幅を70μm〜20μmの範囲とすることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
- 前記溝と前記窒化物半導体基板の表面との境界に角が形成され、前記角の部分では、前記窒化物系半導体層に盛り上がり勾配が形成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の窒化物系半導体素子の製造方法。
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