JP5598149B2

JP5598149B2 - 化合物半導体層の形成方法

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Publication number: JP5598149B2
Application number: JP2010178484A
Authority: JP
Inventors: 憲佐藤
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2030-08-09
Also published as: JP2012038955A

Description

本発明は、エピタキシャル成長を用いた化合物半導体層の形成方法に関する。

半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子やフォトダイオード等の受光素子、或いは高耐圧パワーデバイス等に、例えばIII−Ｖ族窒化物半導体等からなる、化合物半導体装置が使用されている。代表的なIII−Ｖ族窒化物半導体は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表され、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等である。

エピタキシャル成長によって化合物半導体層上に他の化合物半導体層を形成することができる。例えば、異種基板上に化合物半導体層をヘテロエピタキシャル成長させて、化合物半導体基板として使用する方法が用いられている。しかし、種基板上に形成された化合物半導体層には、種基板と化合物半導体層の格子不整合や熱膨張係数差のために転位が発生する。化合物半導体層に転位がある場合、その化合物半導体層上に成長させた他の化合物半導体層に転位が伝搬する。また、同種基板上に化合物半導体層をホモエピタキシャル成長させる場合、種基板の転位が化合物半導体層に伝搬する。このため、転位の少ない化合物半導体層を成長させる方法が望まれている。

例えば、種基板上に形成した第１の窒化物半導体層の転位発生箇所にエッチングによってエッチピットを形成し、このエッチピット内に保護膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。保護膜を選択成長マスクにして第２の窒化物半導体層を成長させることにより、転位密度の低い窒化物半導体基板を形成できる。

特許第３８３２３１３号公報

しかしながら、上記方法で形成されるエッチピットの大きさには制約がある。また、貫通転位は刃状転位、螺旋転位、混合転位の３種類に分類され、貫通転位の種類によってエッチピットの大きさが異なることが知られている。このため、エッチピットが小さすぎる場合にエピタキシャル成長工程を追加したり、十分長い時間をかけてエッチピットを形成する必要がある。一方、エッチピットが大きくなると選択成長マスクが大きくなり、化合物半導体層を成長させる工程において横方向の成長速度を速くする必要がある。このため、縦方向の成長速度が遅くなり、成長時間が長くなる。即ち、所望の厚みの化合物半導体層を成長させるために、工程数の増大、工程の長時間化を伴うという問題があった。

上記問題点に鑑み、本発明は、工程数の増大及び工程の長時間化が抑制された、転位の少ない化合物半導体層をエピタキシャル成長できる化合物半導体層の形成方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）第１の化合物半導体層の主面を酸化して、主面に酸化膜を形成すると共に、主面から第１の化合物半導体層内部に延伸する転位に沿った第１の化合物半導体層内部の転位領域が直接に酸化された、主面に沿った長さが数ｎｍ〜数十ｎｍであり主面から第１の化合物半導体層内部に延伸する酸化膜を形成するステップと、（ロ）転位領域に形成された酸化膜を除去せずに、主面に形成された酸化膜を除去するステップと、（ハ）転位領域に形成された酸化膜の主面に露出した部分を覆うように、主面上に第２の化合物半導体層をエピタキシャル成長させるステップとを含む化合物半導体層の形成方法が提供される。

本発明によれば、工程数の増大及び工程の長時間化が抑制された、転位の少ない化合物半導体層をエピタキシャル成長できる化合物半導体層の形成方法を提供できる。

本発明の実施形態に係る化合物半導体層の形成方法を説明するための模式的な工程図である（その１）。本発明の実施形態に係る化合物半導体層の形成方法を説明するための模式的な工程図である（その２）。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各部の長さの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る化合物半導体層の形成方法は、第１の化合物半導体層の主面を酸化して、主面、及び主面から第１の化合物半導体層内部に延伸する転位に沿った第１の化合物半導体層内部の転位領域に酸化膜を形成するステップと、転位領域に形成された酸化膜を除去せずに、主面に形成された酸化膜を除去するステップと、転位領域に形成された酸化膜の主面に露出した部分を覆うように、主面上に第２の化合物半導体層をエピタキシャル成長させるステップとを含む。以下では、第１の化合物半導体層が、図１（ａ）に示すような、主面１１から内部に延伸する転位１０１〜１０２を有する種基板１０である場合について例示的に説明する。転位１０１〜１０２は、例えば種基板１０を貫通する貫通転位である。

種基板１０には、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）基板などのIII−Ｖ族窒化物半導体基板などが使用される。或いは、半絶縁性基板や絶縁性基板の上に化合物半導体層を形成したテンプレート基板を、種基板１０に採用してもよい。

種基板１０の主面１１を酸化することにより、図１（ｂ）に示すように、主面１１に酸化膜（以下において、「表面酸化膜」という。）２２が形成される。このとき、主面１１から種基板１０内部に延伸する転位１０１〜１０２に沿った転位領域１１１〜１１２は、種基板１０の転位が発生していない他の領域に比べて、酸化レートが速い。このため、転位領域１１１〜１１２においては、転位１０１〜１０２に沿って種基板１０の膜厚方向に深く酸化が進む。その結果、図１（ｂ）に示すように、主面１１から種基板１０の内部に延伸する酸化膜（以下において、「転位領域酸化膜」という。）２１１〜２１２が転位領域１１１〜１１２に形成される。

一般的に、転位の無い単結晶領域よりも、転位（粒界）領域において転位に沿う方向に原子が拡散しやすいことが知られている。特に低温において、単結晶領域での原子の拡散係数は転位領域での原子の拡散係数よりも小さい。

したがって、上記に述べたように、転位領域１１１〜１１２において転位１０１〜１０２に沿って種基板１０の膜厚方向に深く酸化が進み、転位領域１１１〜１１２に転位領域酸化膜２１１〜２１２が形成される。

表面酸化膜２２及び転位領域酸化膜２１１〜２１２の形成には、ウェット酸化法、ドライ酸化法、加圧酸化法などの熱酸化法を採用可能である。例えば種基板１０がＧａＮ基板の場合、酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）膜である表面酸化膜２２及び転位領域酸化膜２１１〜２１２が形成される。

或いは、ケミカル酸化法やプラズマ酸化法を用いて表面酸化膜２２及び転位領域酸化膜２１１〜２１２を形成してもよい。

なお、転位領域酸化膜２１１〜２１２の主面１１に露出した部分の面積は、できるだけ小さいことが好ましい。例えば、転位領域酸化膜２１１〜２１２の主面１１に露出した部分の主面１１に沿った長さｗは、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度である。一般的に、転位領域酸化膜２１１〜２１２の主面１１に露出した部分の主面１１に沿った長さは、表面酸化膜２２の膜厚と同程度である。したがって、表面酸化膜２２の膜厚が数ｎｍ〜数十ｎｍ程度になるように、酸化の条件を設定する。

例えば、酸素流量５ｍリットル／分、酸化温度９００℃、加熱時間３０分の条件で窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）膜を酸化すると、膜厚１０ｎｍ程度の酸化膜が形成される。したがって、例えば、膜厚が数十ｎｍの表面酸化膜２２を形成するためには、加熱時間を９０分程度に設定する。即ち、転位領域酸化膜２１１〜２１２の長さｗを数十ｎｍ程度にするためには、加熱時間を９０分程度に設定すればよい。ただし、転位領域１１１〜１１２での原子の拡散係数が転位の無い領域での原子の拡散係数に比べて大きいことから、拡散係数の差を考慮して酸化膜形成時の加熱時間を短縮することも可能である。

次に、図１（ｃ）に示すように、種基板１０の主面１１に形成された表面酸化膜２２を、機械的研磨法や化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法などにより除去する。表面酸化膜２２のみを選択的に除去し、転位領域酸化膜２１１〜２１２を残すために、化学的研磨法よりも機械的研磨法を採用することが好ましい。なお、表面酸化膜２２を完全に除去するために、オーバーエッチングによって種基板１０の上部の一部まで除去してもよい。

表面酸化膜２２を除去した後、転位領域酸化膜２１１〜２１２を選択成長マスクとして、種基板１０の主面１１上に第２の化合物半導体層として化合物半導体層３０をエピタキシャル成長させる。

エピタキシャル成長開始直後においては、図２（ａ）に示すように、種基板１０の主面１１の転位領域酸化膜２１１〜２１２が形成されていない領域にエピタキシャル層が成長し、転位領域酸化膜２１１〜２１２上にはエピタキシャル層は形成されない。つまり、転位領域酸化膜２１１〜２１２は、種基板１０の主面１１の転位１０１〜１０２が生じている位置にエピタキシャル層を成長させないマスクである。このため、化合物半導体層３０に、転位１０１〜１０２に起因する転位は形成されない。

そして、化合物半導体層３０の膜厚が厚くなるにつれて、横方向にもエピタキシャル成長が進む。その結果、図２（ｂ）に示すように、転位領域酸化膜２１１〜２１２の主面１１に露出した部分が化合物半導体層３０によって覆われる。

転位領域酸化膜２１１〜２１２の主面１１に露出した部分の面積は小さく、例えば主面１１に沿った長さｗは数ｎｍ〜数十ｎｍ程度である。このため、転位領域酸化膜２１１〜２１２の主面１１に露出した部分を覆うよう成長させる化合物半導体層３０のエピタキシャル成長条件は、膜厚方向にエピタキシャル層を成長させる一般的な条件でもよい。ただし、化合物半導体層３０の所望の膜厚が薄い場合には、膜厚方向の成長速度に対する膜厚方向に垂直な横方向の成長速度の比率を大きくすることが好ましい。これにより、化合物半導体層３０の膜厚が比較的薄い場合にも、転位領域酸化膜２１１〜２１２の主面１１に露出した部分を化合物半導体層３０によって覆うことができる。一方、化合物半導体層３０の膜厚が厚い場合には、膜厚方向の成長速度に対する横方向の成長速度の比率を小さくすることにより、化合物半導体層３０の成長時間の増大を抑制できる。

化合物半導体層３０は、例えば、ＧａＮ層などのIII−Ｖ族窒化物半導体である。エピタキシャル成長によって種基板１０上に化合物半導体層３０を形成するため、所望の化合物半導体層３０の材料に応じて、種基板１０の材料は適宜選択される。化合物半導体層３０のエピタキシャル成長には、例えばハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、ナトリウム（Ｎａ）フラックス法、アモノサーマル法などを採用可能である。

化合物半導体層３０から種基板１０を除去することにより、図２（ｃ）に示すように、化合物半導体基板として化合物半導体層３０が得られる。例えば、化合物半導体層３０が露出するまで、種基板１０を研磨して除去する。これにより、化合物半導体層３０をフリースタンディングの低転位基板として使用できる。或いは、化合物半導体層３０から種基板１０を除去せずに、低転位の化合物半導体層３０をテンプレートとして使用してもよい。

以上に説明したように、本発明の実施形態に係る化合物半導体層の形成方法では、種基板１０の主面１１の転位１０１〜１０２が生じている位置をマスクするように、転位領域酸化膜２１１〜２１２が形成される。転位領域酸化膜２１１〜２１２が形成された主面１１に化合物半導体層３０を成長させることによって、種基板１０の転位１０１〜１０２の影響を受けずに、化合物半導体層３０が形成される。これにより、転位の少ない化合物半導体層を得ることができる。

ＧａＮ膜にエッチピットを形成することは容易でないが、本発明の実施形態に係る化合物半導体層の形成方法によれば、エッチピットを形成することなく、転位の少ない化合物半導体層３０を形成することができる。

上記のように、本発明の実施形態に係る化合物半導体層の形成方法によれば、工程数の増大及び工程の長時間化が抑制された、転位の少ない化合物半導体層３０をエピタキシャル成長することができる。

なお、上記では種基板１０に化合物半導体層３０を成長される例を示したが、転位の少ない化合物半導体層３０を成長させる下地が種基板に限られないことはもちろんである。例えば、化合物半導体層を積層して製造される半導体レーザやＬＥＤなどの発光素子、フォトダイオードなどの受光素子についても、転位の少ない化合物半導体層を有するデバイス構造を実現できる。

（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施形態の説明においては、ＧａＮ層などのIII−Ｖ族窒化物半導体層を化合物半導体層３０として形成する場合を説明した。しかし、エピタキシャル成長により形成されるエピタキシャル層であれば、化合物半導体層３０としてIII−Ｖ族窒化物半導体層以外の化合物半導体層を形成してもよい。表面を酸化できる種基板であれば、種基板上に転位の発生が抑制されたエピタキシャル層を成長させることができる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

１０…種基板
１１…主面
２２…表面酸化膜
３０…化合物半導体層
１０１〜１０２…転位
１１１〜１１２…転位領域
２１１〜２１２…転位領域酸化膜

Claims

第１の化合物半導体層の主面を酸化して、前記主面に酸化膜を形成すると共に、前記主面から前記第１の化合物半導体層内部に延伸する転位に沿った前記第１の化合物半導体層内部の転位領域が直接に酸化された、前記主面に沿った長さが数ｎｍ〜数十ｎｍであり前記主面から前記第１の化合物半導体層内部に延伸する酸化膜を形成するステップと、
前記転位領域に形成された前記酸化膜を除去せずに、前記主面に形成された前記酸化膜を除去するステップと、
前記転位領域に形成された前記酸化膜の前記主面に露出した部分を覆うように、前記主面上に第２の化合物半導体層をエピタキシャル成長させるステップと
を含むことを特徴とする化合物半導体層の形成方法。
熱酸化法によって前記第１の化合物半導体層の主面を酸化することを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体層の形成方法。
機械的的な研磨法によって前記主面に形成された酸化膜を除去す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層の形成方法。
前記主面に形成された酸化膜を除去する場合に、前記第１の化合物半導体層の上部の一部まで除去することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物半導体層の形成方法。
前記第１の化合物半導体層が、III−Ｖ族窒化物半導体層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の化合物半導体層の形成方法。
前記第２の化合物半導体層から前記第１の化合物半導体層を除去するステップを更に含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の化合物半導体層の形成方法。