JPH10256151A - 半導体微小構造体の製造方法 - Google Patents

半導体微小構造体の製造方法

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JPH10256151A
JPH10256151A JP5458597A JP5458597A JPH10256151A JP H10256151 A JPH10256151 A JP H10256151A JP 5458597 A JP5458597 A JP 5458597A JP 5458597 A JP5458597 A JP 5458597A JP H10256151 A JPH10256151 A JP H10256151A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】基板面に対して垂直で、原子レベルで平坦なフ
ァセット面を持つ窒化物半導体の微小な六角柱構造体を
形成する方法を提供することを目的とする。 【解決手段】主表面が(0 0 0 1)面であるサファイア
基板の主表面上にアモルファス構造の第1の窒化物半導
体薄膜を形成し、それを固相エピタキシャル成長によっ
て単結晶化し、その上に第2の窒化物半導体薄膜を気相
エピタキシャル成長させ、さらにその上に二酸化シリコ
ン薄膜からなり、開口率が50%以上であり、かつ隣接
する窓との最短距離が100μm以下である、第2の窒
化物半導体薄膜の表面を露出する複数の窓を有するマス
クを形成し、その窓の部分に露出する第2の窒化物半導
体薄膜の上に窒化物半導体の微小構造体を気相選択エピ
タキシャル成長させることにより、前記課題を解決す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電子機能素子や
光機能素子を実現するための半導体薄膜の製造方法に関
するもので、より詳細には、基板主表面に対して垂直な
ファセット面を有する半導体のサブμmのスケールの微
小構造体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】より高度な電子機能素子や光機能素子を
実現するためには、半導体結晶の作製および加工技術の
一層の向上が要求される。例えば、光機能素子である半
導体レーザを考えると、光の誘導放出を有効に誘起する
ために、基板に対して完全に垂直な半導体の平坦面を作
製する必要がある。このための技術として、従来は、劈
開法やウェットエッチング(文献:S. L. McCall, A.
F. J. Levi, R. E. Slusher, S. J. Pearton and R. A.
Logan, Appl. Phys. Lett. 60, 289(1992))および
ドライエッチング(文献:A. Behfar-Red, S. S. Wong,
J. M. Ballantyne,B. A. Soltz and C. M. Harding, A
ppl. Phys. Lett. 54, 493(1989))またはマスクを利
用した選択成長(文献:T. Fukui and S. Ando, Appl.
Phys. Lett.58, 2018(1991))が使用されてきた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように基
板に対して完全に垂直な半導体の平坦面の作製が行われ
ていたが、窒化物半導体に限っては、以下に示す問題点
があった。
【0004】まず、窒化物半導体は劈開性に乏しく、原
子レベルで平坦な劈開面が得られない。また、劈開法で
は100μm程度の大きなスケールでしか加工ができな
い。さらに、窒化物半導体は一般に非常に固く、また化
学的にも不活性であるため、物理的あるいは化学的なエ
ッチング技術により基板面に対して垂直な平坦面を加工
することは困難であった。
【0005】本願発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、基板面に対して垂直で、
原子レベルで平坦なファセット面を持つ窒化物半導体の
μmスケールの微小な六角柱構造体を形成する方法を提
供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本願発明の半導体微小構
造体の製造方法の概略を以下に示す。
【0007】まず、主表面が(0 0 0 1)面であるサフ
ァイア基板を加熱し、その主表面に窒素化合物を含有す
るガスと、III族元素の化合物を含有するガスとを導入
し、その主表面上にアモルファス構造の第1の窒化物半
導体薄膜を形成し、これを窒素化合物を含有するガスの
雰囲気中で加熱することにより、固相エピタキシャル成
長によって単結晶の窒化物半導体薄膜とする。
【0008】ついで、加熱したこの単結晶の窒化物半導
体薄膜の表面に、窒素化合物を含有するガスと、III族
元素の化合物を含有するガスとを導入し、比較的厚い第
2の窒化物半導体薄膜を気相エピタキシャル成長させ
る。
【0009】さらに、この第2の窒化物半導体薄膜の上
に、フォトリソグラフィ法により、二酸化シリコン薄膜
からなり、開口率が50%以上であり、かつ隣接する窓
との最短距離が100μm以下である、この第2の窒化
物半導体薄膜の表面を露出する窓を有するマスクを形成
する。
【0010】最後に、前記マスク形成後の基板を加熱
し、窒素化合物を含有するガスと、III族元素の化合物
を含有するガスとを導入することによって、窒化物半導
体の微小構造体を前記窓の部分に気相選択エピタキシャ
ル成長させる。このようにして成長した窒化物半導体の
微小構造体は平坦かつ基板面に垂直なファセット面であ
る{1 -1 0 0}面に囲まれた六角柱構造体となる。な
お、前記の面を表すミラー指数の表記法においては、負
符号を、数字の上部にではなく、数字の左側に表示して
いる。本願においては、図面中を除いて、この表記法を
使用する。
【0011】前記の窓が少なくとも1対の平行な直線か
らなる辺を含み、かつ、その辺が前記サファイア基板の
[1 -1 0 0]方向に平行である場合には、前記のファセ
ットはその辺を出発点として形成されるので、そのファ
セットの位置を正確に定めることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は、この発明に用いる半導体
薄膜作製装置の基本構成を示す構成図である。同図にお
いて、1は反応槽、2は基板支持台、3は基板を加熱す
るためのヒータ、4は主表面が(0 0 0 1)面であるサ
ファイア基板、そして5は成長させる半導体薄膜の原料
となるガスを供給する供給管である。
【0013】まず、反応槽1内の基板支持台2上にサフ
ァイア基板4を設置し、不活性ガスおよび水素を供給管
5を通して数 slm 流しながら圧力を約 76 Torr に保
ち、基板4を 1000 ℃程度に加熱する。ここに、slm は
standard liter per minuteの略であり、気体の量を標
準状態(0℃、1気圧)における体積で表したときの体
積速度の単位(リットル/分)である。この状態を約 1
0 分間継続し、サファイア基板4の表面を熱的にクリー
ニングする。次に、反応槽1内にアンモニアガスを 0.2
5 slm 程度導入し、1分間程度待つ。この過程で、サフ
ァイア基板4の表面が窒化され、窒化ガリウム薄膜に対
して格子不整合の小さい窒化アルミニウムの薄い層(数
原子層)が形成される。次に、基板4の温度を約 600
℃まで低下させて、供給管5よりトリメチルガリウムを
約 6 マイクロモル/分の速さで導入し、アモルファス
構造の窒化ガリウム薄膜を約 40 nm の厚さまで堆積す
る。
【0014】トリメチルガリウムの供給を止め、基板4
の温度を再び 1000 ℃程度まで上昇させると、前記のア
モルファス構造の窒化ガリウム薄膜が固相エピタキシャ
ル成長を起こし、単結晶構造となる。さらに、再びトリ
メチルガリウムを約 6 マイクロモル/分の速さで導入
して気相エピタキシャル成長を行い、1500 nm 厚の単結
晶窒化ガリウム薄膜を形成する。なお、この単結晶窒化
ガリウム薄膜とサファイア基板との結晶方位関係は、図
2に示したように、以下のようであった。
【0015】サファイアの〈0 0 0 1〉方向は窒化ガリ
ウムの〈0 0 0 1〉方向に平行、サファイアの[1 1 -2
0]方向は窒化ガリウムの[1 -1 0 0]方向に平行、サ
ファイアの[1 -1 0 0]方向は窒化ガリウムの[1 1 -2
0]方向に平行。
【0016】すなわち、窒化ガリウム薄膜がc軸〈0 0
0 1〉を軸にして30度回転することにより、サファイア
基板と窒化ガリウム薄膜との格子不整合がより小さくな
り、高品質な単結晶窒化ガリウム薄膜が成長しているこ
とが分かった。なお、図2において、窒化ガリウムはG
aNによって表現されている。
【0017】前記の 1500 nm 厚の単結晶窒化ガリウム
薄膜の表面に、スパッタリング法を用いて約 50 nm 厚
の二酸化シリコン薄膜を形成する。次に、フォトリソグ
ラフィ法を用いて、この二酸化シリコンに、円形、六角
形あるいは長方形の微細な窓パターンを形成し、単結晶
窒化ガリウム薄膜の表面を一部露出させる。本実施例で
は、窓の開口率(窒化ガリウム薄膜が露出している窓の
面積合計の、基板主表面全面積に対する比率)は75%
とした。各パターンの例を図3に示す。図3において、
灰色の部分は窓の部分を表し、矢印はサファイア基板の
方位を表している。この場合に、長方形パターン(図3
(a))の長手方向、および六角形パターン(図3
(b))の各辺が、サファイア基板の[1 -1 0 0]方向
(窒化ガリウム薄膜の[1 1 -2 0]方向)に平行である
ことが重要である。
【0018】これを再び反応槽1に挿入して基板支持台
2に設置し、不活性ガスおよび水素を供給管5を通して
数 slm 流して圧力を約 76 Torr に保つ。次に、温度を
約 1000 ℃まで上げて、反応槽1内に供給管5を通して
アンモニアガスを 0.25 slmおよびトリメチルガリウム
を約 6 マイクロモル/分の速さで導入する。すると、
二酸化シリコンのマスクがなくて単結晶窒化ガリウム薄
膜が露出した開口部にのみ選択的に窒化ガリウムがエピ
タキシャル成長し、二酸化シリコン薄膜上には窒化ガリ
ウムは析出しない。この結果、平坦な垂直ファセット面
に囲まれた数μm以下のスケールの微小な窒化物半導体
の六角柱構造体が形成される。
【0019】図4に、以上の工程を経て、直径5μmの
円形窓パターンの上に成長した六角柱の走査電子顕微鏡
による写真(図4(a))および断面の模式図(図4
(b))を示す。図4(b)において、窒化ガリウムお
よび二酸化シリコンは、それぞれ、GaNおよびSiO
2によって表現されている。なお、図4(b)において
は、六角柱の稜も表示してある。図4(a)が示すよう
に、中心点を通る対角線の長さが5μm強で高さが8μ
mという非常に背高の六角柱が形成されていることが分
かる。この六角柱の側面は等価な六つの{1 -1 0 0}面
であり、基板面に対して完全に垂直である。また、六角
柱の上端面((0 0 0 1)面)および側面({1 -1 0
0}面)は極めて平坦である。この六角柱は光の閉じこ
め効果が高いので、低いしきい値で発振が可能なリング
共振器レーザに応用できる。
【0020】図4に示した六角柱は円形のパターンから
少しはみ出して成長するオーバーグロース成長をしてい
る。原料ガスであるアンモニアとトリメチルガリウムと
の流量比を変えることにより、六角柱の高さを一定に保
ったまま、このオーバーグロースの大きさを調節するこ
とができる。このため、図5に示すように、酸化シリコ
ンのマスク上に大きくはみ出した窒化物半導体の六角柱
も作製できる。なお、図5は断面の模式図であるが、図
4(b)と同様に、窒化ガリウムおよび二酸化シリコン
を、それぞれ、GaNおよびSiO2によって表現し、
かつ、六角柱の稜も表示している。このはみ出した部分
(図5中の斜線部分)は、格子定数が異なるサファイア
基板の影響を受けにくいため格子欠陥が少ない。このた
め、この部分はサファイア基板上に直接形成した窒化物
半導体よりも優れた光学的・電気的特性を有する。
【0021】図6に、中心を通る対角線の長さが 16 μ
mの六角形窓パターンの上に成長した窒化ガリウム六角
柱の走査電子顕微鏡写真を示す。六角形窓パターンの一
辺はサファイア基板の[1 -1 0 0]方向(窒化ガリウム
薄膜の[1 1 -2 0]方向)に平行である。このように、
中心点を通る対角線の長さが大きな六角柱においても、
極めて平坦なトップサーフェス(上端面)が得られてい
る。異物質であるサファイア基板上に直接窒化ガリウム
を選択成長させると、マスクパターンの周辺が盛り上が
り、真中が凹む、いわゆるリッジ成長が起こり、デバイ
スへの応用が難しい形状の構造体が形成される。本願発
明では、窒化ガリウム上に選択成長を行ったので、均一
で二次元的な結晶成長が促進され、中心点を通る対角線
の長さが大きくても、平坦なトップサーフェスを持つ六
角柱構造体が得られた。これは、ダブルヘテロ構造や超
格子構造が必要なレーザダイオードやトランジスタへの
応用に有利な特徴である。
【0022】長方形の形状を有する窓パターンを用いる
と、図7に示したような長方形の長辺に平行な長い二つ
の辺を有する六角形を底面とする六角柱が形成される。
図7において、(a)は平面図であり、(b)は断面図
であるが、この場合にも、図4(b)および図5と同様
に、窒化ガリウムおよび二酸化シリコンは、それぞれ、
GaNおよびSiO2によって表現され、かつ、六角柱
の稜も表示されている。平坦な垂直ファセットを得るた
めには長方形のマスクの長辺がサファイア基板の[1 -1
0 0]方向(窒化ガリウム薄膜の[1 1 -2 0]方向)に
平行であることが重要である。
【0023】本願発明の製造方法により、六角柱が形成
される機構としては、開口部に露出した窒化ガリウム表
面において原料が効果的に分解し、横方向に気相拡散し
て六角柱を形成する窓に到達することにより、六角柱を
形成するために必要な原料が十分供給されるためと推定
される。従って、前記隣接する窓と窓との間隔が広すぎ
る場合は、隣接する窓に露出した窒化ガリウム表面にお
いて分解した原料が、六角柱を形成する窓に到達する前
に気相中に拡散してしまい、有効に六角柱を形成する窓
に供給されない。種々の間隔の場合について検討した結
果、六角柱を形成する窓と隣接する窓との間隔が、10
0μm以下の場合に、垂直なファセットを有する六角柱
を成長させることができ、本願発明の効果が有効に得ら
れることを確認した。また、前記機構に関連して、開口
率についても最適な範囲が存在する。例えば、開口率2
5%の場合についての実験結果では、前記のいゆるリッ
ジ成長が顕著に生じてしまうため、垂直なファセットを
有する六角柱を成長させることはできなかった。そこ
で、開口率についても種々の場合について検討した結
果、開口率が50%以上の場合に、垂直なファセットを
有する六角柱を成長させることができ、本願発明の効果
が有効に得られることを確認した。開口率を大きく保つ
ための窓としては、六角柱を形成するための窓を必要な
個数だけ設けても良いが、、六角柱から前記で述べた必
要な距離だけ離れた部分に、大面積の窓を設けても良
い。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、平坦な垂直ファセット面に囲まれた数μmないし十
数μm程度といったスケールの微小な窒化物半導体の六
角柱構造体が製造可能となる。このため、窒化物半導体
を用いた高性能な微小ファセットレーザの製造が可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願発明の実施例において使用する反応槽の模
式図である。
【図2】サファイア基板と窒化ガリウム薄膜との結晶方
位の関係を示す図である。
【図3】窒化ガリウム微小構造体を選択成長させるため
の窓パターンを示す図である。
【図4】選択成長により作製した窒化ガリウムの六角柱
の走査電子顕微鏡写真および模式図である。
【図5】二酸化シリコンマスク上にオーバーグロースし
た窒化ガリウムの六角柱の模式図である。
【図6】中心を通る対角線の長さが16μmの六角形窓パ
ターンの上に成長した窒化ガリウム六角柱の走査電子顕
微鏡写真を示す図である。
【図7】長方形窓パターンを用いて形成した窒化ガリウ
ムの六角柱の模式図である。
【符号の説明】
1…反応槽、2…基板支持台、3…基板を加熱するため
のヒータ、4…サファイア基板、5…原料ガス供給管。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 直樹 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】主表面が(0 0 0 1)面であるサファイア
    基板を加熱し、前記主表面上に、窒素化合物を含有する
    ガスと、III族元素の化合物を含有するガスとを導入し
    て、前記主表面上にアモルファス構造の第1の窒化物半
    導体薄膜を形成する第1の工程と、 前記第1の窒化物半導体薄膜を、窒素化合物を含有する
    ガスの雰囲気中で加熱して、固相エピタキシャル成長に
    よって単結晶化する第2の工程と、 加熱した前記第1の窒化物半導体薄膜の表面に、窒素化
    合物を含有するガスと、III族元素の化合物を含有する
    ガスとを導入して、第2の窒化物半導体薄膜を気相エピ
    タキシャル成長させる第3の工程と、 上記第2の窒化物半導体薄膜の表面に、二酸化シリコン
    薄膜からなり、開口率が50%以上であり、かつ隣接す
    る窓との最短距離が100μm以下である、前記第2の
    窒化物半導体薄膜を露出する複数の窓を有するマスクを
    形成する第4の工程と、 加熱した前記第2の窒化物半導体薄膜が露出した窓の部
    分に、窒素化合物を含有するガスと、III族元素の化合
    物を含有するガスとを導入することによって、窒化物半
    導体の微小構造体を前記窓の部分に気相選択エピタキシ
    ャル成長させる第5の工程とを有することを特徴とする
    半導体微小構造体の製造方法。
  2. 【請求項2】前記窓が、少なくとも1対の平行な直線か
    らなる辺を含み、かつ前記平行な辺が前記サファイア基
    板の[1 -1 0 0]方向に平行であることを特徴とする請
    求項1に記載の半導体微小構造体の製造方法。
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