JP6328258B2 - 半導体層積層体を製造するための方法およびオプトエレクトロニクス半導体部品 - Google Patents

Description

本発明は、半導体層積層体を製造するための方法、および、上記の半導体層積層体を含むことができるオプトエレクトロニクス半導体部品に関する。

特許文献１は、半導体層積層体を製造するための方法およびこのような半導体層積層体を有するオプトエレクトロニクス半導体チップを記載している。

米国特許第６，０９１，０８５号

達成すべき目的は、特にコスト効率的に実行することができる半導体層積層体を製造するための方法を提供することである。達成すべきさらなる目的は、特に効率的なオプトエレクトロニクス半導体部品を提供することである。

半導体層積層体を製造するための方法の少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、成長側に成長表面を有する成長基板を用意する方法ステップを含む。例えば、半導体層を成長基板の成長表面上の成長側にエピタキシャル成長させるように、成長基板を用意する。成長基板を、電気的に伝導性または電気的に絶縁性とすることができる。さらに、成長基板を、放射透過性、放射反射性または放射吸収性とすることができる。成長基板は、例えば、サファイア、ＳｉＣまたはシリコンで形成される成長表面を有する。例えば、成長基板を、サファイア・ウェハとすることができる。成長基板は、完成したオプトエレクトロニクス半導体部品内に残るように設けられる。すなわち、成長基板は、剥離されるものではない。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、第１の窒化物半導体層を成長基板の成長側に成長させる方法ステップを含む。第１の窒化物半導体層を、例えば、成長基板の成長表面に直接隣接させることができる。少なくとも１つのさらなる層、例えば、バッファ層を、成長基板と第１の窒化物半導体層との間に配置することもさらに可能である。

一般に、ここでおよび以降に説明する層および要素は、特に、相互にそれぞれ直接隣接することができる。所々で、例えば、バッファ層などのさらなる層を、記述した層間に配置することもさらに可能である。

窒化物半導体層は、ここでおよび以降では、窒化物化合物半導体材料に基づく単層の半導体層または多層の半導体層を意味することが理解される。

本件の文脈では、「窒化物化合物半導体材料に基づく」は、半導体層積層体またはその少なくとも一部、特に好ましい方式では少なくとも１つの能動ゾーンが、窒化物化合物半導体材料、好ましくは、Ａｌ_ｎＧａ_ｍＩｎ_{１−ｎ−ｍ}Ｎを含むまたはこれから構成されることを意味し、ここでは、０≦ｎ≦１、０≦ｍ≦１そしてｎ＋ｍ≦１である。この材料は、上記の化学式にしたがった数学的に正確な組成を無条件に示さなくてもよい。むしろ、この材料は、１つまたは複数のドーパントおよび追加の成分を含むことができる。しかしながら、簡単にするために、上記の化学式は、基本的な成分が少量のさらなる物質によって一部を置き換えられるおよび／または補足される場合でさえ、結晶格子の基本的な成分（Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｎ）だけを含んでいる。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、第２の窒化物半導体層を第１の窒化物半導体層上に堆積する方法ステップを含む。第２の窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層とは異なる組成を含む。第２の窒化物半導体層は、所々で、第１の窒化物半導体層と直接隣接することができる。代わりにまたは加えて、１つまたは複数のさらなる層を、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間に配置することが可能である。しかしながら、特に、第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層が相互に直接隣接する少なくとも１つの領域を設けることが好ましい。

第２の窒化物半導体層は少なくとも１つの開口部を含む、または少なくとも１つの開口部が第２の窒化物半導体層内に作られる、または少なくとも１つの開口部、特に複数の開口部が成長させるステップ中に第２の窒化物半導体層内に作成される。言い換えると、窒化物半導体層は、少なくとも１つの開口部を作成するステップの後でまたは作るステップの後で、層によって閉じられるのではなく、むしろ第２の窒化物半導体層が、開口部によって分断される。開口部は、好ましくは、第２の窒化物半導体層を少なくとも所々で完全に貫通して延びる。

特に、第２の窒化物半導体層は、成長基板の成長表面の主延在方向と平行な面内に、第２の窒化物半導体層の材料によって一緒に接続されていない多数の相互に離間された領域を含むことが可能である。言い換えると、第２の窒化物半導体層を、成長基板から反対に面する第１の窒化物半導体層の側に第２の窒化物半導体層の材料から構成されている多数のアイランドに配置することができる。特に、これらのアイランドの領域では、第２の窒化物半導体層の材料は、所々で第１の窒化物半導体層の材料と直接接触することができる。

代わりにまたは加えて、第２の窒化物半導体層は、成長基板の成長表面の主延在方向と平行な面内で繰り返して連続的であることが可能である。第２の窒化物半導体層は、そのケースでは、例えば、個々の材料アイランドへと分割されるのではなく、上記の面に垂直な方向におよび／または垂直な方向成分を有する方向に第２の窒化物半導体層を完全に貫通して延びるホール、開口部を含む。これらの開口部の領域では、さらなる層を堆積するステップの前に、第１の窒化物半導体層を露出させることが可能である。

開口部を、第２の窒化物半導体層の成長中に作成することができる。例えば、材料を、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間の所々に配置することができ、そこでは、第２の窒化物半導体材料が、上記の材料上では成長しない、またはわずかな量しか成長しない。この材料が設けられていない場所では、第２の窒化物半導体層の材料を、第１の窒化物半導体層の上に配置することができ、そこから第２の窒化物半導体層の材料から構成されている説明したアイランドを成長させることができる。

例えば、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間の格子定数の違いのために、開口部を成長プロセス中にクラックとして作り出すこともさらに可能である。

最後に、第２の窒化物半導体層の成長が終わった後で、開口部を、エッチングなどのプロセスによって作るまたは拡大させることが可能である。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、第１の窒化物半導体層の少なくとも一部分を、第２の窒化物半導体層内の開口部を通して除去する方法ステップを含む。第２の窒化物半導体層内の開口部のために、第１の窒化物半導体層をその場所において露出させる、または露出させることができる可能性がある。したがって、開口部を介して、少なくとも第１の窒化物半導体層を露出させた位置で、例えば、化学的方法または機械的方法によって第１の窒化物半導体層を除去することが可能である。このようにして、領域を、第２の窒化物半導体層の下にも作ることができ、次いで、その領域から、以前に設けられている第１の窒化物半導体層の材料を除去する。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、第３の窒化物半導体層を第２の窒化物半導体層上に成長させる方法ステップを含み、第３の窒化物半導体層は、少なくとも所々で開口部を覆う。

第３の窒化物半導体層は、例えば、それ自体の材料の点で第１および／または第２の窒化物半導体層とは異なる。第３の窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層内の開口部を覆うこと、そして埋めることさえもできる。したがって、例えば、第３の窒化物半導体層が、第２の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層内の開口部を完全に覆い、その結果、第３の窒化物半導体層の成長の後では、半導体層積層体の小さな侵入深さでの表面近くの上面視（例えば、走査型電子顕微鏡）では、第２の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層内の開口部をもはや見ることができないことがあり得る。

特に、第１の窒化物半導体層の材料が開口部を通して除去されている領域は、第３の窒化物半導体層の材料で埋められない、すなわち、キャビティが、成長基板と次に続く半導体層との間に形成され、このキャビティが半導体材料で埋められないことが可能である。これらのキャビティは、例えば、気体で満たされる。

半導体層積層体を製造するための方法の少なくとも１つの実施形態によれば、方法は、
− 成長側に成長表面を有する成長基板を用意するステップと、
− 成長側に第１の窒化物半導体層を成長させるステップと、
− 第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層を成長させるステップであって、第２の窒化物半導体層が少なくとも１つの開口部を含む、または少なくとも１つの開口部が第２の窒化物半導体層内に作られる、または少なくとも１つの開口部が成長させるステップ中に第２の窒化物半導体層内に作成される、第２の窒化物半導体層を成長させるステップと、
− 第２の窒化物半導体層内の開口部を通して第１の窒化物半導体層の少なくとも一部分を除去するステップと、
− 第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層を成長させるステップであって、第３の窒化物半導体層が少なくとも所々で開口部を覆う、第３の窒化物半導体層を成長させるステップと、
を含む。

本明細書において説明する方法を使用することによって、キャビティが成長基板と次に続く半導体層積層体との間に形成されている半導体層積層体を作成することが特に可能であり、このキャビティは、例えば、気体で満たされる。半導体層積層体をオプトエレクトロニクス半導体部品に使用する場合には、これらのキャビティを、例えば、キャビティの領域内でまたはキャビティの端部での屈折、散乱および／または反射を利用する光学的な方法で使用することができる。

半導体層積層体をオプトエレクトロニクス半導体部品内でまたは電子半導体部品内で使用する場合には、本明細書において説明する方法を、熱分離が成長基板の成長表面と次に続く半導体層との間のキャビティの領域内で行われる半導体層積層体を作成するために使用することができる。例えば、気体で満たされたキャビティは、キャビティを囲む半導体材料よりも熱伝導性が悪い。このようにして、キャビティ間よりもキャビティ全体にわたりより大きな程度に加熱される領域を有する半導体部品を、作成することができる。成長基板の熱負荷を、キャビティの領域で減少させることもできる。動作中に生じた熱を、窒化物半導体層を介して選択的に消散させることがさらに可能である。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、第２の窒化物半導体層のアルミニウム濃度は、第１の窒化物半導体層よりも高い。例えば、第１の窒化物半導体層のアルミニウム濃度は、１０％以下または２０％以下である。したがって、第２の窒化物半導体層のアルミニウム濃度は、第１の窒化物半導体層よりも少なくとも１．５％多い、特に少なくとも５％多い、または少なくとも１０％多い。アルミニウム濃度は、したがって、例えば、少なくとも２１．５％、または少なくとも２５％、または少なくとも３０％である。第２の窒化物半導体層をも、例えば、ＡｌＮで形成する、またはＡｌＮから構成することができる。

第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間のアルミニウム濃度の違いのために、例えば、第１の窒化物半導体層の少なくとも一部を除去するための方法、例えば、エッチング方法を使用することが可能であり、この方法では、材料除去の蓋然性は、アルミニウム濃度が増加するにつれて減少する。低いアルミニウム濃度を有する第１の窒化物半導体層は、高いアルミニウム濃度を有する第２の窒化物半導体層よりもこの方法によってより大きく除去される。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、第２の窒化物半導体層を堆積するステップに先立って、マスク層を、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間に配置する。マスク層を、例えば、第１の窒化物半導体層の上に直接設けることができる。

マスク層は、例えば、原子的に薄い層であり、第１の窒化物半導体層を完全には覆わない単層材料で形成される。

引き続く方法ステップでは、第１の窒化物半導体層がマスク層によって覆われていない場所に最も高い確率で、第２の窒化物半導体層を第１の窒化物半導体層上に成長させる。この点で、マスク層は、例えば、第１の窒化物半導体層がマスク層によって覆われていない開口部を含む。例えば、マスク層は、第１の窒化物半導体層を完全には覆わないが、カバレッジの程度は、少なくとも７０％、かつ９０％以下である。マスク層の材料に関して、第２の窒化物半導体層を成長させるときに選択性を生じさせる方法により、材料を選択する、すなわち、第２の窒化物半導体層の材料は、例えば、第１の窒化物半導体層の材料上よりも低い効率でマスク層の材料上に成長する。結果として、第２の窒化物半導体層の材料が、第１の窒化物半導体層に向かってマスク層の開口部に主に集まり、その場所に、第２の窒化物半導体層の材料のアイランドを形成することが可能である。マスク層および窒化物半導体層を、好ましくはその場でエピタキシャル成長させることができる。

第２の窒化物半導体層の成長の後で、第１の窒化物半導体層から反対に面するマスク層の表面の少なくとも一部分には、第２の窒化物半導体層の材料がなく、これによって、第２の窒化物半導体層は、少なくとも１つの開口部を含む。すなわち、マスク層のおかげで、第２の窒化物半導体層の選択成長が、マスク層の開口部の領域内で生じる。したがって、マスク層の開口部間では、第２の窒化物半導体層は、第２の窒化物半導体層内に少なくとも１つの開口部を含む。

例えば、この実施形態では、第１の窒化物半導体層に関して、アルミニウム濃度が２０％以下である窒化物化合物半導体材料を選択する。したがって、第２の窒化物半導体層に関して、第１の窒化物半導体層のアルミニウム濃度よりも好ましくは少なくとも１．５％多い、例えば、多くとも１０％多いアルミニウム濃度を有する窒化物化合物半導体材料を選択する。アルミニウム濃度は、したがって、例えば、２１．５％と３０％との間である。したがって、マスク層に関して、窒化シリコン、ＳｉＮを材料として選択することができる。

マスク層を、窒化物半導体層と同じエピタキシャル・システム内で、すなわちその場で堆積することができる。この実施形態では、ＳｉＮ層を、このように第１の窒化物半導体層上にその場で堆積する。

ＳｉＮマスク層は、第１の窒化物半導体層を完全には覆わないが、例えば、少なくとも７０％、そして９０％以下まで覆う。マスク層を堆積した後で、アルミニウム含有窒化物半導体層、例えば、第１の窒化物半導体層よりもアルミニウム濃度が高いＡｌＧａＮ層を堆積する。したがって、第２の窒化物半導体層のアイランドが、マスク層の開口部内に形成される。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、マスク層を、第１の窒化物半導体層の一部の除去に先立って除去する。マスク層を、第１の窒化物半導体層に対してと同じ方法を使用して除去することができる。方法が、例えば、エッチング方法である場合には、初めにマスク層を、引き続いて露出した第１の窒化物半導体層を除去することができる。第２の窒化物半導体層は、このケースではまったく除去されない、またはこのエッチング方法ではゆっくりと除去され、そうであるから第２の窒化物半導体層の少なくとも１つの残留物が残る。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、代わりにまたは加えて、第２の窒化物半導体層の成長中に、クラックが、第２の窒化物半導体層内に作られ、このクラックが第２の窒化物半導体層内に開口部を形成する。開口部のいくつかまたは開口部のすべてが、第１の窒化物半導体層から反対に面する第２の窒化物半導体層の側から第２の窒化物半導体層を貫通して第１の窒化物半導体層まで完全に延びる。例えば、マスク層の代わりにまたはマスク層に加えて、高濃度にアルミニウムを含有する第２の窒化物半導体層を堆積することができる。例えば、高濃度にアルミニウムを含有する層を、ＡｌＮ層とすることもできる。低いアルミニウム濃度を有しかつ例えば、ＧａＮで形成されている第１の窒化物半導体層に対するミスマッチのために、数ナノメートルの層厚さの第２の窒化物半導体材料の後で、クラックが作られ、このクラックが、第２の窒化物半導体層内に開口部を形成する。例えば、エッチング用に使用することができるプロセス・ガスが第２の窒化物半導体層のこれらの開口部を通って、第１の窒化物半導体層に出入りすることができる。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、第１の窒化物半導体層の少なくとも一部分を、水素の流れを増加させることによって除去し、ここでは、第１の窒化物半導体層を、水素と第１の窒化物半導体層の材料との間の化学反応によって除去する。すなわち、第１の窒化物半導体層を、例えば、Ｈ_２ガスによってエッチングする。このようにして、除去を、窒化物半導体層の成長と同じプロセス・チャンバ内で行うことができる。水素の流れの増加と同時に、プロセス・チャンバ内の温度を高くすることおよび／またはプロセス・チャンバ内の窒素の流れを減少させることが可能である。例えば、ＮＨ_３の流れをこの目的で減少させることができる。これらの方策を使用することによって、第１の窒化物半導体層を溶解させることを、加速させることができる。さらに、ＳｉＨ_４またはＨＣｌなどの材料を、使用することができる。

すなわち、第１の窒化物半導体層を除去するために、Ｈ_２リッチ雰囲気を、プロセス・チャンバ、例えば、ＭＯＶＰＥプロセス・チャンバ内に生成する。

例えば、ＳｉＮから構成されるマスク層を設ける場合には、初めにマスク層を、そしてそれから続いて第１の窒化物半導体層をエッチングする。このケースでは、第１の窒化物半導体層のアルミニウム濃度が第２の窒化物半導体層のアルミニウム濃度よりも低い場合に、有利である。アルミニウム濃度が増加するにつれて、窒化物半導体層は、特にこれまで以上にゆっくりとエッチングされる。

エッチング媒体水素は、このように第２の窒化物半導体層をアンダーカットする。小さなアルミニウム濃度を有しかつ例えばＧａＮで形成されているまたはＧａＮから構成されている第１の窒化物半導体層とより高いアルミニウム濃度を有する第２の窒化物半導体層との間のエッチング選択性は、エッチングによって数百ナノメートルの層厚さの第１の窒化物半導体層を除去するために十分である。除去に先立って成長させた第２の窒化物半導体層の材料から構成されている構造は、実質的にアンダーカットされ、しかも平面視のように、第２の窒化物半導体層の変化が、見られない、またはほとんど見られない。

第１の窒化物半導体層の一部分を除去した後で、例えば、第３の窒化物半導体層を堆積し、これによって、第２の窒化物半導体層の材料内の開口部およびトレンチがくっつく。

同じようにして、マスク層を用いない実施形態でさえ、クラックとして形成された開口部を介したエッチングによって、気体包有物が、第２の窒化物半導体層の下に作られる。

方法の少なくとも１つの実施形態によれば、第３の窒化物半導体層は、放射を発生させるためまたは放射を検出するために設けられた能動ゾーンを含み、すなわち、第１の窒化物半導体層の一部分の除去の後で、オプトエレクトロニクス半導体部品の一部とすることができる第３の窒化物半導体層を、この実施形態では成長させる。例えば、そのケースでは、オプトエレクトロニクス半導体部品を、発光ダイオード、レーザ・ダイオードまたはフォトダイオードとすることができる。第２の窒化物半導体層と成長基板との間のキャビティ、すなわち、気体包有物を、このようなケースでは特に光学的に使用することができる。

オプトエレクトロニクス半導体部品をも提供する。オプトエレクトロニクス半導体部品は、本明細書において説明した方法を使用して製造されている半導体層積層体を含むことができる。すなわち、方法に関して開示した特徴のすべてが、オプトエレクトロニクス半導体部品に対しても開示され、逆も同様である。

オプトエレクトロニクス半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス部品は、成長側に成長表面を有する成長基板を含む。成長側に、オプトエレクトロニクス半導体部品は、第１の窒化物半導体層を含む。第２の窒化物半導体層を、成長基板から反対に面する第１の窒化物半導体層の側に配置する。第３の窒化物半導体層を、第１の窒化物半導体層から反対に面する第２の窒化物半導体層の側に配置する。第２の窒化物半導体層は、第３の窒化物半導体層によって少なくとも所々で覆われるおよび／または埋められる少なくとも１つの開口部を含む。

説明した半導体層積層体を、本明細書において説明した方法を使用して製造することがこれによって可能である。

オプトエレクトロニクス半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つのキャビティが、成長表面と第２の窒化物半導体層との間に配置され、このキャビティが気体で満たされ、そして第３の窒化物半導体層は、放射を発生させるためまたは放射を検出するために設けられた能動ゾーンを含む。

言い換えると、キャビティが、成長基板の成長表面と次に続く半導体材料、例えば、第２および／または第３の窒化物半導体層との間に形成され、気体が上記キャビティ内に含まれる。例えば、成長基板の材料および／または窒化物半導体層の材料によって、キャビティの境界を定めることができる。キャビティのサイズを、長さで少なくとも１μｍ以上にすることができる。キャビティの（成長基板の成長表面の主延在方向と平行に広がる面に対して垂直な断面内の）直径を、平均で少なくとも１０ｎｍ、好ましくは少なくとも１００ｎｍ、例えば、少なくとも１μｍとすることができる。

オプトエレクトロニクス半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、オプトエレクトロニクス半導体部品は、成長側に成長表面を有する成長基板と、成長側の第１の窒化物半導体層と、成長基板から反対に面する第１の窒化物半導体層の側の第２の窒化物半導体層と、第１の窒化物半導体層から反対に面する第２の窒化物半導体層の側の第３の窒化物半導体層とを含み、第２の窒化物半導体層は、第３の窒化物半導体層によって覆われている少なくとも１つの開口部を含み、少なくとも１つのキャビティが、成長表面と窒化物半導体層のうちの少なくとも一方との間に配置され、このキャビティが、気体で満たされ、第３の窒化物半導体層が、放射を発生させるためまたは放射を検出するために設けられた能動層を含む。

オプトエレクトロニクス半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、動作中に能動ゾーン内で発生するまたは能動ゾーン内で検出すべき電磁放射は、キャビティによって光学的に影響を受ける。例えば、放射は、キャビティを通過する。電磁放射を、例えば、キャビティ内でまたはキャビティの端部で光学的に散乱させるおよび／または光学的に屈折させることができる。このようにして、成長基板と窒化物半導体層との間のキャビティは、例えば、放射が半導体部品を出るときに、例えば、全反射の確率を減少させるという点で、能動ゾーン内で発生した電磁放射についてのアウトカップリング確率および／または能動ゾーン内で検出すべき電磁放射についての入射確率を増加させることが可能である。

本明細書において説明するオプトエレクトロニクス半導体部品の背後にある考慮すべき事項は、とりわけ、気体を満たしたキャビティを設けることによって、成長表面が構造体を有する事前構造化成長基板の使用を省略することができることである。これらの基板を、例えば、いわゆるパターンド・サファイア基板（ＰＳＳ）とすることができる。しかしながら、平坦な構造化されていない成長表面上の成長とは対照的に、基板の事前構造化成長表面上の成長は、別のエピタキシャル・プロセスを必要とすることを意味する。すなわち、事前構造化基板を使用するときには、他の−おそらくより費用がかかる−エピタキシャル・プロセスを使用しなければならず、これがオプトエレクトロニクス半導体部品の製造コストを増加させる。これとは対照的に、本事例では、成長基板の平坦で構造化されていない成長表面を使用する方法を使用して、窒化物半導体層を成長させることができる。このようにして、キャビティおよびその光学的効果のために効率が向上しているオプトエレクトロニクス半導体部品を、従来のケースよりもさらにコスト効率の優れた方法で製造することができる。

オプトエレクトロニクス半導体部品は、特に、放射透過性成長基板をも含むことができる。オプトエレクトロニクス部品が、例えば、発光ダイオードなどの放射放出部品である場合には、オプトエレクトロニクス部品は、例えば、放出した電磁放射の少なくとも２０％、特に少なくとも３０％が成長基板の横方向表面を通って部品を出る、いわゆるボリューム・エミッタを形成することができる。特に、このようなオプトエレクトロニクス半導体部品は、汎用の照明での使用に特に良く適している。しかしながら、電磁放射の大部分が成長基板から反対に面する側から出ることも可能性がある。

すなわち、本明細書において説明するオプトエレクトロニクス半導体部品では、成長基板は、部品内に残り、剥離されない。

オプトエレクトロニクス半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、第２の窒化物半導体層は、成長表面の上への投影視で、第１の窒化物半導体層よりも大きな範囲まで成長表面を覆っている。すなわち、製造方法では、非常に多くの材料が、第１の窒化物半導体層から除去され、成長表面の小さな割合、例えば、５０％以下、特に３０％以下だけが第１の窒化物半導体層の材料で覆われている。この意味で、第２の窒化物半導体層の材料によるカバレッジを、成長基板の上への投影視で、大きくすることができ、例えば、少なくとも３５％、好ましくは少なくとも５５％、少なくとも７５％、少なくとも９５％、少なくとも９９％に至るまでにすることができる。

オプトエレクトロニクス半導体部品の少なくとも１つの実施形態によれば、成長基板の成長表面は、構造化されていない、すなわち、製造公差の範囲内で、平坦な成長表面を含む成長基板を与える。成長表面は、製造公差の範囲内で、成長基板の主延在方向と平行に広がることができる。しかしながら、成長表面は、成長基板の主延在面に対して階段状であり、かつ傾斜するように広がることも可能である。

特に、成長基板内にまたは上には、例えば、成長基板の材料でまたは第１の窒化物半導体層の材料とは異なる別の材料で形成されている成長構造が、設けられていない。

本明細書において説明する方法および本明細書において説明するオプトエレクトロニクス半導体部品が、例示となる実施形態および関係する図を用いて以降により詳細に説明されるであろう。

半導体層積層体を製造するための方法の第１の例示となる実施形態を示す図である。 半導体層積層体を製造するための方法の第１の例示となる実施形態を示す図である。 半導体層積層体を製造するための方法の第１の例示となる実施形態を示す図である。 半導体層積層体を製造するための方法の第１の例示となる実施形態を示す図である。 オプトエレクトロニクス半導体部品の第１の例示となる実施形態の模式的断面図である。 半導体層積層体を製造するための方法の第２の例示となる実施形態の模式的断面図である。 半導体層積層体を製造するための方法の第２の例示となる実施形態の模式的断面図である。 半導体層積層体を製造するための方法の第２の例示となる実施形態の模式的断面図である。 オプトエレクトロニクス半導体部品のさらなる例示となる実施形態の模式的断面図である。

同一の、類似の要素または同じようにして動作する要素を、図では同じ参照番号を用いて与える。図および互いの要素のサイズ比は、図に図示されているように、一定の縮尺であるように考えるべきではない。むしろ、個々の要素は、明確さを向上させるためおよび／または理解を向上させるために極端に大きく図示されることがある。

本明細書において説明する方法の第１の方法ステップを、図１Ａに関連して模式的断面図を用いてより詳細に説明する。図１Ａから図１Ｄの例示となる実施形態では、最初に、サファイアで形成されている、またはサファイアから構成されるサファイア基板である成長基板を用意する。

成長基板５０は、サファイアから構成されている成長表面５１を含む。成長表面５１は、好ましくは構造化されていない、すなわち、成長表面は、例えば、何らかの規則的にまたは不規則に配置された隆起または窪みを含まず、むしろ製造公差の範囲内で平坦であり、ここでは、１００ｎｍに至るまでの粗さが、小領域内では可能である。成長表面５１を、成長基板５０の成長側５０ａに配置する。

例えば、第１の窒化物半導体層１０を、成長表面５１の上に直接堆積する。第１の窒化物半導体層１０は、多数の層を含み、そして厚さは、例えば、少なくとも１０ｎｍと２０００ｎｍ以下との間である。第１の窒化物半導体層を、例えば、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎで形成する。アルミニウム濃度ｘは、好ましくは２０％以下である。

マスク層４０を、成長基板５０から反対に面する第１の窒化物半導体層１０の上面の上に設け、このマスク層を、本事例では、ＳｉＮおよび／もしくはＳｉＧａＮで形成する、またはＳｉＮもしくはＳｉＧａＮ、例えば、ＳｉＧａＮ_３から構成する。マスク層の厚さは、例えば、５０ｎｍ以下、特に１０ｎｍ以下である。例えば、マスク層を、覆われていない領域を有する単層材料によって形成する。例えば、マスク層は、第１の窒化物半導体層１０を完全に覆わずに、少なくとも７０％、そして９０％以下まで覆う。このために、マスク層４０は、第１の窒化物半導体層に向かう開口部を含み、この開口部の直径は、例えば、小さくとも１００ｎｍ、そして１０００ｎｍ以下である。

引き続く方法ステップでは、第２の窒化物半導体層２０を、マスク層４０および第１の窒化物半導体層１０上に堆積する。

第２の窒化物半導体層を、例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮで形成し、ここでは、アルミニウム濃度ｘは、第１の窒化物半導体層中よりも、例えば、少なくとも１．５％多く、そして例えば、多くとも１０％多い。第２の窒化物半導体層は、選択的に、好ましくは第１の窒化物半導体層１０上に成長するが、マスク層４０上には成長しない。結果として、第２の窒化物半導体層２０の材料から構成されているアイランドが形成され、このアイランド間には、第２の窒化物半導体層２０の開口部２１が形成される。例えば、第２の窒化物半導体層２０の材料から構成されている直接隣接するアイランド間の距離は、小さくとも１０ｎｍと５００ｎｍ以下との間である。

第２の窒化物半導体層は、第１の窒化物半導体層１０から反対に面する第２の窒化物半導体層の側にカバー表面を含み、このカバー表面は、例えば、結晶学的Ｃ面に平行に広がる。第２の窒化物半導体層２０の材料から構成されているアイランドの横方向表面２３を、結晶学的Ｃ面に対して傾斜するように配置する。その場所では、アルミニウム濃度は、カバー表面２２におけるよりも低い。

図１Ｂは、第２の窒化物半導体層２０の材料から構成されているアイランドの４５°の角度および平面視でのＳＥＭ像を示す。マスク層４０または第１の窒化物半導体層１０を、これらのアイランド間に見ることができる。

引き続く方法ステップでは、図１Ｃを参照して、第１の窒化物半導体層１０の材料を、水素雰囲気中でエッチ・バックする。第１の窒化物半導体層１０の材料を、所々で除去し、これによって、キャビティ６０が、第２の窒化物半導体層２０の下に作られる。引き続く方法ステップ、図１Ｄでは、第３の窒化物半導体層３０を設け、この層は、例えば、電磁放射を発生させるおよび／または検出するために設けられる能動ゾーン３１を含む。

あるいは、能動ゾーン３１を、電子半導体部品の機能層とすることができる。キャビティ６０が成長基板５０と半導体層の材料との間に形成され、このキャビティが気体で満たされている半導体層積層体を製造する。

本明細書において説明するオプトエレクトロニクス半導体部品を、図２の模式的断面図に関連してより詳細に説明する。オプトエレクトロニクス半導体部品は、本事例において、例えば、電磁放射、例えば、光３２を第３の窒化物半導体層３０の能動ゾーン３１内で発生する放射発生半導体部品である。図２から分かるように、光３２の全反射および／または散乱は、キャビティ６０で、例えば、キャビティ６０の端部の反射率の急激な変化および／または凹凸構造のためにキャビティ６０の端部で生じる。このようにして、キャビティ６０は、オプトエレクトロニクス半導体部品の効率を高めるオプティカル構造体として作用することができる。

本明細書において説明する方法のさらなる例示となる実施形態を、図３Ａから図３Ｃの模式的断面図に関連してより詳細に説明する。この方法では、成長基板５０には、成長側５０ａに成長表面５１が再び設けられる。成長基板を、例えば、サファイア基板またはシリコン基板とすることができる。

第１の窒化物半導体層１０を、成長基板５０上に堆積する。第１の窒化物半導体層１０を、例えば、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎで形成することができ、ここでは、アルミニウム濃度は、例えば、２０％以下である。第２の窒化物半導体層２０が、成長基板５０から反対に面する第１の窒化物半導体層１０の側に続く。第２の窒化物半導体層２０を、例えば、ＡｌＧａＮまたはＡｌＮで形成し、アルミニウム濃度が下にある第１の窒化物半導体層よりも高い。本件の例示となる実施形態では、第２の窒化物半導体層中のアルミニウム濃度を、２５％よりも多く、特に５０％よりも多く、例えば、１００％とすることも可能である。

第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との間の格子定数の違いのために、クラックが、第２の窒化物半導体層の成長中または成長後の第２の窒化物半導体層の緩和で形成される。第２の窒化物半導体層２０の格子定数は、例えば、第１の窒化物半導体層１０よりも小さいことがある。第２の窒化物半導体層の層厚さは、例えば、少なくとも５ｎｍと１００ｎｍ以下との間である。

次の方法ステップ、図３Ｂでは、第１の窒化物半導体層１０を、上に重なる第２の窒化物半導体層２０内にクラックによって形成される開口部２１を通して選択的にエッチングする。結果として、キャビティ６０が作られ、例えば、第１の窒化物半導体層１０の材料および第２の窒化物半導体層２０の材料によって境界を定められる。

次の方法ステップ、図３Ｃでは、第３の窒化物半導体層３０を、第１の窒化物半導体層１０から反対に面する第２の窒化物半導体層２０の側に堆積する。第３の窒化物半導体層３０は、第２の窒化物半導体層２０内の開口部２１を覆う。第３の窒化物半導体層３０を、例えば、ＡｌＩｎＧａＮで形成する。第３の窒化物半導体層３０を、少なくとも所々に、第１の窒化物半導体層１０と同一の形式に設計することができる。さらに、第３の窒化物半導体層３０は、例えば、電磁放射を動作中に発生するまたは検出する能動ゾーン３１を含むことができる。

図４は、第１の窒化物半導体層１０、第２の窒化物半導体層２０および第３の窒化物半導体層３０を有するこのような半導体層積層体のＴＥＭ像に対応する断面図を示す。第２の窒化物半導体層２０内のクラックを明確に見ることができ、このクラックは、第２の窒化物半導体層２０を完全に貫通して延びている第２の窒化物半導体層２０内の開口部２１を形成する。キャビティ６０は、第１の窒化物半導体層１０内に、クラックの終点で水素ガスを用いたエッチングによって作られる。第１の窒化物半導体層１０中のアルミニウムの割合が小さいほどエッチング速度が大きいという事実を使用する。

この例示となる実施形態では、例えば、窒化シリコンを用いて形成されるマスク層を省略することができ、これによって、通常はマスク層によってもたらされる半導体層内の欠陥形成への影響を防止する。

本明細書において説明するキャビティ６０は、例えば、放射発生半導体部品のケースでは、光のアウトカップリングの速度を増加させる。このようにして製造したオプトエレクトロニクス半導体部品の放射出射表面の平面視では、キャビティを、ルミナス・フィールドにおける輝点として見ることができる。第２の窒化物半導体層２０の成長条件を適合させることによって、キャビティ６０の密度を調節することができる。例えば、第２の窒化物層２０の材料を堆積させる時間を長くすることによって、開口部２１の密度すなわちキャビティ６０の密度を、増加させることができる。エッチング時間、Ｎ_２に対するＨ_２の比、ＮＨ_３の量ならびに／またはプロセス・チャンバ内の温度および／もしくは圧力によって、キャビティのサイズ、例えば、その最大直径を、調節することができる。

例示となる実施形態を参照して行った説明は、発明をこれらの実施形態に限定しない。むしろ、任意の新しい特徴または特徴の任意の組み合わせが特許請求の範囲または例示となる実施形態にそれ自体明示的に示されていない場合でさえも、発明は、任意の新しい特徴、および特に特許請求の範囲内の特徴の任意の組み合わせを含む特徴の任意の組み合わせを包含する。

特許の開示が参照により本明細書に明確に組み込まれている独国特許出願１０２０１４１０２４６１．３の優先権を主張するものである。

１０ 第１の窒化物半導体層
２０ 第２の窒化物半導体層
２１ 開口部
２２ カバー表面
２３ 横方向表面
３０ 第３の窒化物半導体層
３１ 能動ゾーン
３２ 光
５０ 成長基板
５１ 成長表面
５０ａ 成長側
６０ キャビティ
６１ キャビティの端部

Claims (8)

1. 半導体層積層体を製造するための方法であって、
   成長側（５０ａ）に成長表面（５１）を有する成長基板（５０）を用意するステップと、
   前記成長側に第１の窒化物半導体層（１０）を成長させるステップと、
   前記第１の窒化物半導体層（１０）上に第２の窒化物半導体層（２０）を、前記第２の窒化物半導体層（２０）の成長プロセス中に少なくとも１つの開口部（２１）が前記第２の窒化物半導体層（２０）内に作成されるように、成長させるステップと、
   前記第２の窒化物半導体層（２０）内の前記開口部（２１）を通して前記第１の窒化物半導体層（１０）の少なくとも一部分を除去するステップと、
   第３の窒化物半導体層（３０）が少なくとも所々で前記開口部（２１）を覆うように、前記第２の窒化物半導体層（２０）上に前記第３の窒化物半導体層（３０）を成長させるステップと、
   を含む、方法。
2. 前記第２の窒化物半導体層（２０）のアルミニウム濃度が、前記第１の窒化物半導体層（１０）よりも高い、
   請求項１に記載の方法。
3. マスク層（４０）が、前記第１の窒化物半導体層（１０）と前記第２の窒化物半導体層（２０）との間に配置され、
   前記第２の窒化物半導体層（２０）は、前記第１の窒化物半導体層（１０）が前記マスク層（４０）によって覆われていない場所で前記第１の窒化物半導体層（１０）上に成長され、
   前記第１の窒化物半導体層（１０）から反対に面する前記マスク層（４０）の表面の少なくとも一部分に、前記第２の窒化物半導体層（２０）の材料がなく、これによって、前記第２の窒化物半導体層（２０）が前記少なくとも１つの開口部（２１）を含む、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記マスク層（４０）が、前記第１の窒化物半導体層（１０）の少なくとも一部分の前記除去に先立って除去される、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記第２の窒化物半導体層（２０）の前記成長中に、前記第２の窒化物半導体層（２０）内に前記開口部（２１）を形成するクラックが、前記第２の窒化物半導体層（２０）内に作られ、
   前記開口部（２１）の少なくともいくつかが、前記第１の窒化物半導体層（１０）から反対に面する前記第２の窒化物半導体層（２０）の上面から前記第２の窒化物半導体層（２０）を貫通して前記第１の窒化物半導体層（１０）まで完全に延びる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１の窒化物半導体層（１０）の少なくとも一部分が、水素の流れを増加させること、および／または、ＮＨ_３の流れを減少させることによって除去され、
   前記第１の窒化物半導体層（１０）が、前記水素と前記第１の窒化物半導体層（１０）の材料との間の化学反応のために除去される、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記水素の流れが、前記温度を高くする間、および／または、窒素の流れを減少させる間、増加される、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記第３の窒化物半導体層（３０）が、放射を発生させるため、または、放射を検出するために設けられた能動ゾーン（３１）を含む、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。