JPH11126948A - 半導体素子およびその製造方法ならびに半導体発光素子 - Google Patents
半導体素子およびその製造方法ならびに半導体発光素子Info
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Abstract
に、膜厚を薄くすることができる半導体素子およびその
製造方法ならびに半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 サファイアよりなる基板1の上にバッフ
ァ層2を介して下地層3を形成したのち、複数の開口部
4cが設けられたSiO2 よりなる第1のマスク層4a
を介してGaNよりなる第1の選択成長層5aを選択的
に成長させ、その上に同様に第2のマスク層4bを介し
て第2の選択成長層5bを成長させる。この時、第1の
マスク層4aの開口部4cの上方には第2のマスク層4
bのマスク部4dを形成する。その後、III族ナイト
ライド化合物半導体よりなる半導体層を積層する。下地
層3における貫通転位は第1のマスク層4aおよび第1
のマスク層4bにより遮断され半導体層には伝わらな
い。
Description
イド化合物半導体などよりなる半導体素子およびその製
造方法ならびに半導体発光素子に関する。
イトライド化合物半導体を用い、可視領域から紫外領域
までの発光を得ることができる半導体レーザや発光ダイ
オード(light emitting diode;LED)などの半導体
発光デバイスの開発が活発に行われている。その中でも
特に、光記録の分野では、光ディスクなどの記録密度を
向上させるために、短波長域の光が得られる半導体レー
ザの実用化が求められている。
において、サファイアよりなる基板の上にガリウムナイ
トライド(GaN)よりなるバッファ層を介してIII
族ナイトライド化合物半導体よりなる層を有機金属気相
成長(Metal Organic Chemical Vapor Deposition ;M
OCVD)法により成長させることにより、室温におけ
る300時間の連続発振が達成されている(Jpn. J. Ap
pl. Phys. 35 L74 (1996) ;同誌36 L1059 (1997) )。
しかし、使用による動作電圧の経過曲線を見てみると、
通電の初期から緩やかな上昇が見られ、徐々に劣化が進
行していることが分かる。この劣化の原因としては、基
板の上に形成したIII族ナイトライド化合物半導体よ
りなる層が、1×108 〜1×109 個/cm2 程度の
貫通転位(転位欠陥が伝ぱんされて結晶中を突きぬける
転位)を有していることが考えられる。従って、1万時
間以上の実用的寿命を実現するためにはこの貫通転位の
密度を低減することが必要であり、種々の検討がなされ
ている。
上にバッファ層を介してGaN層を形成し、その上に1
〜4μm幅の帯状の二酸化ケイ素(SiO2 )よりなる
マスク部を7μmのピッチで形成したマスク層を積層す
ると共に、このマスク層の上にハライド気相成長法によ
りGaN層を横方向に選択的に成長させ方法がある(Jp
n. J. Appl. Phys. 36 L899 (1997))。この方法によれ
ば、マスク層の上に形成したGaN層における貫通転位
の密度を、1×107 個/cm2 程度にまで低減するこ
とができる。
法では、マスク層の上に形成させるGaN層の表面に凹
凸が生じやすく、平坦面となりにくい。これは、このG
aN層の成長が、まず、マスク層の開口部(すなわち各
マスク部の間)で進行して山形の突起ができ、それから
マスク部の上(すなわち横方向)に進むからである。よ
って、表面を平坦面とするには、このGaN層の厚さを
少なくとも10μm以上と厚くする必要があった。従っ
て、成長に長時間を要すると共に、サファイアよりなる
基板との格子定数の不一致により欠陥や反りが発生する
など種々の問題があった。
いては横方向の選択成長により貫通転位が伝わることを
抑制できるが、開口部においてはマスク層の下のGaN
層からの貫通転位をそのまま引き継ぐことになる。よっ
て、マスク部の上の領域では貫通転位の密度が低減され
るが、開口部の上の領域では貫通転位の密度が高くな
り、全面的において密度を低減することができなかっ
た。従って、従来の方法では、マスク部の上の領域に正
確に発光領域を形成しなければならず、製造における自
由度が小さいと共に、製造工程が煩雑となり、製造が困
難であるという問題があった。
させる技術は、ハライド気相成長法以外でもMOCVD
法による報告がある(J. Crtst. Growth 144 133 (199
4) )。しかし、これはマスク層の上の選択成長に焦点
があてられた報告ではない。また、最近では、マスク層
の上にMOCVD法により選択成長させる際の異方性を
調べた報告もなされている。これによれば、サファイア
よりなる基板の上にバッファ層を介してGaN層を形成
し、その上に、<11−20>方向に帯状のマスク部を
複数形成したマスク層を介してGaN層を形成する場
合、ある条件において横方向の成長が助長され、開口部
における山形の突起成長が抑制されてC面に近い比較的
平坦な成長表面が得られることが報告されている(App
l. Phys. Lett. 71 1204 (1997))。しかし、この報告
は転位密度などへの言及はなされておらず、横方向への
良好な結晶成長が可能であることを示したにすぎない。
は、本来外1に示したように数字の上にオーバーライン
を引いて表すものであるが、ここでは便宜上、数字の前
に“−”を付けて表す(以下、同様の表現を用いる場合
は同様に表示する)。
ので、その目的は、貫通転位の密度を全面において低減
することができると共に、膜厚を薄くすることができる
半導体素子およびその製造方法ならびに半導体発光素子
を提供することにある。
は、開口部が形成されたマスク層と、このマスク層を介
して選択的に成長された半導体よりなる選択成長層と
を、それぞれ2層以上交互に備えたものである。
板の上に、開口部を有するマスク層と、このマスク層を
介して選択的に成長させた半導体よりなる選択成長層と
を、それぞれ2層以上交互に積層する工程と、マスク層
と選択成長層とをそれぞれ2層以上積層したのち、その
上に半導体層を積層する工程とを含むものである。
に、半導体よりそれぞれなる第1導電型クラッド層,活
性層および第2導電型クラッド層が少なくとも順次積層
されたものであって、基板と第1導電型クラッド層との
間に、開口部が形成されたマスク層と、このマスク層を
介して選択的に成長された半導体よりなる選択成長層と
を、それぞれ2層以上交互に備えたものである。
選択成長層とをそれぞれ2層以上交互に備えているの
で、積層方向に貫通転位が伝わるのが遮断され、貫通転
位の密度が低減される。
基板の上に、マスク層と選択成長層がそれぞれ2層以上
交互に積層され、これにより、積層方向に貫通転位が伝
わるのが遮断される。そののち、その上に半導体層が積
層される。
電型クラッド層と第2導電型クラッド層との間に電圧が
印加されると、活性層に電流が注入され発光が起こる。
ここでは、基板と第1導電型クラッド層との間に、マス
ク層と選択成長層とをそれぞれ2層以上交互に備えてい
るので、積層方向に貫通転位が伝わるのが遮断され、第
1導電型クラッド層や活性層や第2導電型クラッド層に
おける貫通転位の密度が低減される。
て図面を参照して詳細に説明する。
導体発光素子の構成を表すものである。図2は図1に示
した半導体発光素子の一部を拡大して表している。この
半導体発光素子は、例えば、サファイアよりなる基板1
のC面上に、積層方向における厚さ(以下、単に厚さと
いう)30nmのGaNよりなるバッファ層2を介し
て、厚さ2μmのGaNよりなる下地層3が積層されて
いる。ここで、バッファ層2は低温で成長させた非晶質
に近い結晶層よりなり、下地層3を成長させる際の核と
なるものである。下地層3は結晶よりなり、図2におい
て細線で示したように積層方向に延びる貫通転位Mを1
×108 〜1×109 個/cm2 程度有している。ま
た、下地層3の表面はほぼ平坦となっている。
がそれぞれ設けられた2層以上のマスク層(ここでは第
1のマスク層4aと第2のマスク層4b)と、これら各
マスク層4a,4bを介してそれぞれ選択的に成長され
た2層以上の選択成長層(ここでは第1の選択成長層5
aと第2の選択成長層5b)とが、交互に積層されてい
る。これは、各マスク層4a,4bの上において各選択
成長層5a,5bをそれぞれ横方向(積層方向と垂直な
方向)に選択的に成長させることにより、下地層3から
積層方向に貫通転位Mが伝わるのを遮断するためである
(図2参照)。これにより、最上層の選択成長層(ここ
では第2の選択成長層5b)における貫通転位Mの密度
は下地層3に比べて低く、1×103 個/cm2 程度以
下となっている。なお、以下、2層のマスク層(第1の
マスク層4aおよび第2のマスク層4b)が形成された
場合について具体的に説明する。
4bは、例えば、厚さが100〜200nmであり、二
酸化ケイ素や窒化ケイ素(S3 N4 )や酸化アルミニウ
ム(Al2 O3 )などの誘電体によりそれぞれ構成され
ている。第1のマスク層4aおよび第2のマスク層4b
は、また、例えば<11−20>方向(図1においては
図面に対して垂直な方向)に延長された複数の帯状のマ
スク部4dをそれぞれ有している(すなわち、各マスク
部4dの間に<11−20>方向に延長された複数の帯
状の開口部4cをそれぞれ有している)。第1のマスク
層4aおよび第2のマスク層4bにおけるマスク部4d
の幅(マスク幅)L1は例えば1.5〜4μmであり、
ピッチ幅L2は例えば3〜6μmである。なお、マスク
幅L1およびピッチ幅L2は図2において矢印で示した
とおりである。また、第1のマスク層4aと第2のマス
ク層4bのマスク幅L1とピッチ幅L2はそれぞれ同一
となっている。
層4bは開口部4cの形成位置が異なっており、第1の
マスク層4aの開口部4cは積層方向から見て第2のマ
スク層4bのマスク部4dにより完全に覆われるように
なっている。これは、第1のマスク層4aの開口部4c
を介して下地層3から引き続く貫通転位Mを、第2のマ
スク層4bのマスク部4dにより遮断するためである
(図2参照)。従って、第1のマスク層4aおよび第2
のマスク層4bにおけるマスク幅L1は開口部4cの幅
(開口幅)L3よりも広い方が好ましい。貫通転位Mを
有効に遮断するためである。なお、開口幅L3は図2に
おいて矢印で示したとおりである。
長層5bは、例えば、GaNによりそれぞれ構成されて
おり、それらを合わせた厚さが10nm以下(例えば7
〜8μm程度)と比較的薄くなっている。これは、開口
部4cの形成位置が異なる第1のマスク層4aと第2の
マスク層4bとを積層することにより、選択成長により
生ずる第1の選択成長層5aの窪みの部分を第2の選択
成長層5bにより優先的に成長させることができるの
で、厚く積層しなくても表面を平坦化することができる
からである。
だけ薄い方が好ましく、横方向の選択成長により第1の
マスク層4aのマスク部4dが完全に覆われていれば十
分である。すなわち、表面が平坦でなく、開口部4cの
上方に位置する領域が突起し、マスク部4dの上方に位
置する領域が窪んでいる状態でもよい。厚さが厚くなる
と、成長に時間を要すると共に、サファイアよりなる基
板1との格子不整合による欠陥の発生や反りなどの問題
が発生するからである。また、第2の選択成長層5bの
厚さは、表面が平坦となるのに十分な厚さであることが
好ましい。その上に良好な半導体層を成長させることが
できるようにするためである。
としてn側コンタクト層6,第1導電型クラッド層とし
てのn型クラッド層7,第1のガイド層8,活性層9,
劣化防止層10,第2のガイド層11,第2導電型クラ
ッド層としてのp型クラッド層12およびp側コンタク
ト層13が順次積層されている。
μmであり、n型不純物としてケイ素(Si)を添加し
たn型GaNにより構成されている。n型クラッド層7
は、例えば、厚さが0.5μmであり、n型不純物とし
てケイ素を添加したn型AlGaN混晶により構成され
ている。第1のガイド層8は、例えば、厚さが0.1μ
mであり、n型不純物としてケイ素を添加したn型Ga
Nにより構成されている。活性層9は、例えば、井戸の
厚さが3nmでありバリア層の厚さが4nmの多重量子
井戸構造を有するGaInN混晶により構成されてい
る。
mのAlGaNにより構成されている。第2のガイド層
11は、例えば、厚さが0.1nmであり、p型不純物
としてマグネシウム(Mg)を添加したp型GaNによ
り構成されている。p型クラッド層12は、例えば、厚
さが0.5nmであり、p型不純物としてマグネシウム
を添加したp型AlGaN混晶により構成されている。
p側コンタクト層13は、例えば、厚さが0.5nmで
あり、p型不純物としてマグネシウムを添加したp型G
aN混晶により構成されている。
イ素などの絶縁材料よりなる絶縁層14と共に、この絶
縁層14に設けられた開口14aを介してp側電極15
が形成されている。p側電極15は、p側コンタクト層
13の側からニッケル(Ni)と金(Au)が順次積層
された構成となっている。なお、このp側電極15は、
電流狭窄をするために細い帯状(図1においては図面に
対して垂直方向に延長された帯状)に形成されている。
また、n側コンタクト層6の上には、n側コンタクト層
6の側からチタン(Ti),アルミニウム(Al)およ
び金(Au)が順次積層されたn側電極16が設けられ
ている。
いが、p側電極15の長さ方向(すなわち共振器長方
向)と垂直な一対の側面に、反射鏡層がそれぞれ設けら
れている。
は、次のようにして製造することができる。図3はその
一製造方法における工程の一部を表すものである。
し、例えばMOCVD法により、C面上にGaNよりな
るバッファ層2を形成する。その際、例えば、基板1の
温度は520℃とし、原料ガスにはトリメチルガリウム
ガス((CH3 )3 Ga)とアンモニアガス(NH3 )
を用いる。次いで、バッファ層2の上に、例えばMOC
VD法により、同様にしてGaNよりなる下地層3を形
成する。但し、基板1の温度は1020℃とする。な
お、この下地層3には図3(a)において細線で示した
ように高濃度の貫通転位Mが存在している。
(Chemical Vapor Deposition )法により、基板1の温
度を450℃として、SiO2 よりなる第1のマスク層
4aを形成する。そののち、その上に、図示しないレジ
スト膜を塗布してフォトリソグラフィにより複数の平行
な帯状のマスクパターンを形成し、これをマスクとして
エッチングを行い第1のマスク層4aを選択的に除去し
て、<11−20>方向に延長された帯状の複数のマス
ク部4dと複数の開口部4cとをそれぞれ形成する。
トン(CH3 COCH3 )とメタノール(CH3 OH)
により洗浄を行い、更に、希釈した塩酸(HCl)また
は希釈したフッ酸(HF)に10秒程度浸したのち、純
水により洗浄を行う。
えばハライド気相成長法により、GaNよりなる第1の
選択成長層5aを横方向に選択的に成長させる。ここ
で、ハライド気相成長法とは、ハロゲンが輸送もしくは
反応に寄与する気相成長法を言う(なお、ハライド気相
成長法はハイドライド気相成長法とも言う)。その際、
例えば、基板1の温度は1000℃とし、原料にはアン
モニアと金属ガリウムと塩酸とを用いる。具体的には、
例えば、2リットル/分の流量でアンモニアガスを流し
ながら、基板1を1000℃まで加熱したのち、金属ガ
リウム上に塩酸ガスを流し、塩化ガリウム(GaCl)
ガスを供給する。GaClガスの供給条件は、成長速度
が20μm/時程度となるようにする。
3(a)に示したように、第1のマスク層4aの開口部
4cの上方において{1−101}面に囲まれた山形に
突起した第1の選択成長層5aが形成される。ここで、
第1の選択成長層5aのうち第1のマスク層4aの開口
部4cの上方に位置する領域では、下地層3からの貫通
転位MがC軸方向(すなわち積層方向)に沿って引き継
がれるので、下地層3と同様に貫通転位Mが発生する。
一方、第1の選択成長層5aのうちマスク部4dの上方
に位置する領域では、横方向に成長が起こるので、下地
層3からの貫通転位Mは伝わらず、貫通転位Mは発生し
ない。なお、第1の選択成長層5aの成長時間は、第1
の選択成長層5aが横方向に選択的に成長してマスク部
4dの上を完全に覆い更に少し成長する程度の時間とす
ることが好ましい。
3(b)に示したように、その上に、第1のマスク層4
aと同様にして第2のマスク層4bを形成すると共に、
複数のマスク部4dと複数の開口部4cとをそれぞれ形
成する。但し、第2のマスク層4bにおいては、開口部
4cを第1のマスク層4aと異なった位置に形成し、第
1のマスク層4aの開口部4cを積層方向から見て第2
のマスク層4bのマスク部4dで完全に覆うようにす
る。すなわち、第1のマスク層4aの開口部4cの上に
第2のマスク層4bのマスク部4dが位置し、第1のマ
スク層4aのマスク部4dの上に第2のマスク層4bの
開口部4cが位置するようにする。これにより、第2の
マスク層4bの開口部4cが第1の選択成長層5aの窪
みに対応して形成される。
トンとメタノールにより洗浄を行い、更に、希釈した塩
酸または希釈したフッ酸に10秒程度浸したのち、純水
により洗浄を行う。
1の選択成長層5aと同様にして、第2の選択成長層5
bを横方向に選択的に成長させる。これにより例えば1
6分間成長を行うと、図3(c)に示したように、第2
のマスク層4bの開口部4cの上方において第1の選択
成長層5aの窪みを埋めるように優先的に成長が起こ
り、表面がほぼ平坦な第2の選択成長層5bが形成され
る。すなわち、第1の選択成長層5aおよび第2の選択
成長層5bを厚く成長させなくても、表面が平坦とな
る。
のマスク層4bのマスク部4dの上方に位置する領域で
は、横方向に成長が起こるので、第1のマスク層4aの
開口部4cを介して下地層3から引き継がれた第1の選
択成長層5aの貫通転位Mは遮断され、貫通転位Mは発
生しない。また、第2の選択成長層5bのうち第2のマ
スク層4bの開口部4bの上方に位置する領域でも、そ
の下の第1の選択成長層5aの領域に貫通転位Mが存在
していないので、貫通転位Mは発生しない。すなわち、
第2の選択成長層5aでは全面において貫通転位Mが発
生しない。
は、表面が平坦になるように十分な時間とすることが好
ましい。ちなみに、ここで示した条件により第1の選択
成長層5aおよび第1の選択成長層5bをそれぞれ成長
させる場合には、2層合わせて約8μm程度の厚さで表
面がほぼ平坦となる。
成したのち、その上に、例えばMOCVD法により、各
半導体層、すなわちn側コンタクト層6,n型クラッド
層7,第1のガイド層8,活性層9,第2の活性層1
0,p型クラッド層12およびp側コンタクト層13を
それぞれ成長させる。その際、例えば、基板1の温度は
800〜1000℃とし、アルミニウムの原料ガスとし
てはトリメチルアルミニウムガス((CH3 )3 A
l),ガリウムの原料ガスとしてはトリメチルガリウム
ガス,窒素の原料ガスとしてはアンモニアガス,ケイ素
の原料ガスとしてはモノシランガス(SiH4 ),マグ
ネシウムの原料ガスとしてはビス=メチルシクロペンタ
ジェニルマグネシウムガス(MeCp2 Mg)やビス=
シクロペンタジェニルマグネシウムガス(Cp2 Mg)
をそれぞれ用いる。なお、これらの各半導体層には、第
2の選択成長層5bに貫通転位Mが存在していないの
で、貫通転位Mは発生しない。
コンタクト層13の上に、例えばCVD法により、Si
O2 よりなる絶縁層14を形成する。次いで、絶縁層1
4の上に、図示しないレジスト膜を塗布し、フォトリソ
グラフィによってp側電極15の形成位置に対応したマ
スクパターンを形成する。そののち、これをマスクとし
てエッチングを行い、絶縁層14を選択的に除去してp
側電極15の形成位置に対応した開口14aを形成す
る。
的に除去されたp側コンタクト層13の上および図示し
ないレジスト膜の上)に、例えば、ニッケルおよび金を
順次蒸着し、図示しないレジスト膜をこのレジスト膜の
上に蒸着されたニッケルおよび金と共に除去して(リフ
トオフ)、p側電極15を形成する。
6の形成位置に対応して、絶縁層14,p側コンタクト
層13,p型クラッド層12,第2のガイド層11,劣
化防止層10,活性層9,第1のガイド層8およびn型
クラッド層7を順次選択的に除去する。そののち、n側
コンタクト層6の上にチタン,アルミニウムおよび金を
選択的に順次蒸着してn側電極16を形成する。
側電極15の長さ方向(共振器長方向)と垂直に所定の
幅で劈開し、その劈開面に反射鏡層を形成する。これに
より、図1に示した半導体発光素子が形成される。
しても製造することができる。図4はその他の製造方法
における工程の一部を表すものである。
し、先の製造方法と同様にして、バッファ層2と下地層
3を形成する。次いで、下地層3の上に、先の製造方法
と同様にして、第1のマスク層4aを形成したのち、複
数のマスク部4dと複数の開口部4cとをそれぞれ形成
し、洗浄する。
ばMOCVD法により、GaNよりなる第1の選択成長
層5aを横方向に選択的に成長させる。その際、例え
ば、基板1の温度は1050℃とし、原料ガスにはアン
モニアガスとトリメチルガリウムガスを用いる。具体的
には、例えば、10リットル/分と多めの流量でアンモ
ニアガスを流しながら、成長速度が4μm/時程度とな
るようにトリメチルガリウムガスを供給し、常圧下にお
いて反応させる。
図4(a)に示したように、第1のマスク層4aの開口
部4cの上方に位置する領域が若干膨らんだほぼ平坦な
第1の選択成長層5aが形成される。ここで、第1の選
択成長層5aのうち第1のマスク層4aの開口部4cの
上方に位置する領域では、先の製造方法と同様に、下地
層3からの貫通転位Mが引き継がれ貫通転位Mが発生す
る。一方、第1の選択成長層5aのうちマスク部4dの
上方に位置する領域では、先の製造方法と同様に、横方
向への成長により下地層3からの貫通転位Mは遮断さ
れ、貫通転位Mは発生しない。
4(b)に示したように、その上に、先の製造方法と同
様にして、第2のマスク層4bを形成すると共に、複数
のマスク部4dと複数の開口部4cとをそれぞれ形成
し、洗浄する。
1の選択成長層5aと同様にして、第2の選択成長層5
bを横方向に選択的に成長させる。これにより例えば1
時間成長を行うと、図4(c)に示したように、表面が
ほぼ平坦な第2の選択成長層5bが形成される。ここ
で、第2の選択成長層5bのうち第2のマスク層4bの
マスク部4dの上方に位置する領域では、先の製造方法
と同様に、第1のマスク層4aの開口部4cを介して下
地層3から引き継がれた第1の選択成長層5aの貫通転
位Mは遮断され、貫通転位Mは発生しない。また、第2
の選択成長層5bのうち開口部4bの上方に位置する領
域でも、先の製造方法と同様に、その下の第1の選択成
長層5の領域に貫通転位Mが存在していないので、貫通
転位Mは発生しない。すなわち、第2の選択成長層5b
では全面において貫通転位Mが発生しない。ちなみに、
ここで示した条件により第1の選択成長層5aおよび第
2の選択成長層5bをそれぞれ成長させる場合には、2
層合わせて約7μm程度の厚さで表面がほぼ平坦とな
る。
成したのち、先の製造方法と同様にして、各半導体層、
すなわちn側コンタクト層6,n型クラッド層7,第1
のガイド層8,活性層9,第2の活性層10,p型クラ
ッド層12およびp側コンタクト層13をそれぞれ成長
させる。そののち、先の製造方法と同様にして、絶縁層
14,p側電極15およびn側電極16を形成し、所定
の幅で劈開して反射鏡層を形成する。これにより、図1
に示した半導体発光素子が形成される。
は、次のように作用する。
p側電極15との間に所定の電圧が印加されると、活性
層9に電流が注入され、電子−正孔再結合により発光が
起こる。ここでは、基板1と半導体層(n側コンタクト
層6,n型クラッド層7,第1のガイド層8,活性層
9,劣化防止層10,第2のガイド層11,p型クラッ
ド層12およびp側コンタクト層13)との間に、第1
のマスク層4aおよび第2のマスク層4bと第1の選択
成長層5aおよび第2の選択成長層5bを交互に備えて
いるので、これらにより積層方向に貫通転位Mが伝わる
のが遮断され、半導体層における貫通転位Mの密度が低
くなっている。よって、電圧の印加による劣化が起こり
にくく、使用による動作電圧の上昇が抑えられ、素子の
寿命が長くなる。
素子によれば、第1のマスク層4aおよび第2のマスク
層4bと第1の選択成長層5aおよび第2の選択成長層
5bを交互に備えるようにしたので、第1の選択成長層
5aおよび第2の選択成長層5bの厚さを薄くすること
ができると共に、全面において貫通転位Mの密度を低減
することができる。よって、サファイアよりなる基板1
との格子不整合による欠陥や反りの発生を防止すること
ができ、素子の品質を保持することができると共に、使
用による動作電圧の上昇を抑えることができ、素子の寿
命を延長させることができる。
のマスク層4aの開口部4cを積層方向において第2の
マスク層4bのマスク部4dで完全に覆うようにしたの
で、下地層3から貫通転位Mが伝わることを有効に遮断
することができる。
の製造方法によれば、第1のマスク層4aおよび第2の
マスク層4bと第1の選択成長層5aおよび第2の選択
成長層5bを交互に積層したのち、各半導体層(n側コ
ンタクト層6,n型クラッド層7,第1のガイド層8,
活性層9,第2の活性層10,p型クラッド層12およ
びp側コンタクト層13)をそれぞれ積層するようにし
たので、第1の選択成長層5aおよび第2の選択成長層
5bの厚さを薄くすることができると共に、全面におい
て貫通転位Mの密度を低減することができる。よって、
成長時間を短縮することができ、製造効率を向上させる
ことができると共に、発光領域の形成位置が限定される
ことなく、製造における自由度が大きくなり、容易に本
発明の半導体発光素子を製造することができる。
積層する半導体層と同一の方法(本実施の形態ではMO
CVD法)により形成すれば、それらを連続して成長さ
せることができ、不純物の混入を防止することができる
と共に、製造工程を簡素化することができる。
の実施の形態に係る半導体発光素子を表すものである。
この第2の実施の形態は、基板1がn型不純物として例
えばケイ素を添加したn型の単結晶GaNにより構成さ
れると共に、n側電極16が基板1の裏面に形成され、
かつ基板1の上に直接第1のマスク層4aが形成され、
更に第2の選択成長層5bとn型クラッド層7との間に
下地層21を備えたことを除き、第1の実施の形態と同
一の構成を有している。よって、ここでは、同一の構成
要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略す
る。
を導電性の材料で構成し、n側電極16を基板1の裏面
に形成するようにしたものである。また、基板1をその
上に形成する半導体層と同様のIII族ナイトライド化
合物半導体で構成し、基板1の上に直接第1のマスク層
4aおよび第1の選択成長層5aを積層できるようにな
っている。なお、選択成長層5は、第1の実施の形態と
は異なり導電性が必要なので、n型不純物として例えば
ケイ素を添加したn型GaNにより構成されている。ま
た、下地層21は、例えば、n型不純物としてケイ素を
添加したn型GaNにより構成されている。
は、第1の実施の形態と同様にして製造することができ
ると共に、第1の実施の形態と同様に作用し、第1の実
施の形態と同一の効果を有する。
したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるもので
はなく、種々の変形が可能である。例えば、上記各実施
の形態においては、バッファ層2,下地層3,21,選
択成長層5,n側コンタクト層6,n型クラッド層7,
第1のガイド層8,活性層9,劣化防止層10,第2の
ガイド層11,p型クラッド層12およびp側コンタク
ト層13をそれぞれ構成する半導体について具体的な例
を挙げて説明したが、本発明は、他の適宜な半導体によ
り各層をそれぞれ構成する場合にも適用することができ
る。但し、本発明は、適宜なIII族ナイトライド化合
物半導体(すなわち、ガリウム,アルミニウム,ホウ素
およびインジウムからなる群より選ばれた少なくとも1
種のIII族元素と、窒素とを含むIII族ナイトライ
ド化合物半導体)により各層をそれぞれ構成する場合に
おいて、特に有効である。
のマスク層(第1のマスク層4aおよび第2のマスク層
4b)を備えた場合について具体的に説明したが、3以
上のマスク層を備える場合にも同様に構成することがで
き、同様にして製造することができる。但しその場合、
上記各実施の形態においては、第1のマスク層4aの開
口部4cを積層方向から見て第2のマスク層4bのマス
ク部4dにより完全に覆うようにしたが、複数のマスク
層のマスク部により完全に覆うようにしてもよい。すな
わち、少なくとも1層のマスク層は、他の少なくとも1
層のマスク層と開口部の形成位置が異なっており、開口
部が積層方向から見て他の少なくとも1層のマスク層の
マスク部により完全に覆われるようになっていればよ
い。
のマスク層4aおよび第2のマスク層4bに帯状の開口
部4cとマスク部4dをそれぞれ設けるようにしたが、
開口部4cおよびマスク部4dの形状はどのようなもの
でもよく、少なくとも1層のマスク層の開口部が積層方
向から見て他の少なくとも1層のマスク層のマスク部に
より完全に覆われればよい。
1のマスク層4aおよび第2のマスク層4bを誘電体に
より構成するようにしたが、第1の選択成長層5aおよ
び第1の選択成長層5bが積層方向に成長することを阻
止できるものであればその他の材料により構成するよう
にしても良い。
は、第1のマスク層4aおよび第1の選択成長層5aを
下地層3の上にそれぞれ形成するようにしたが、バッフ
ァ層2の上にそれぞれ形成するようにしてもよい。
は、活性層9を第1のガイド層8と第2のガイド層22
とで挟み、更にそれをn型クラッド層7とp型クラッド
層12とで挟んだ半導体発光素子について説明したが、
本発明は、活性層をガイド層を挿入せずにクラッド層で
挟んだものなど種々の構造を有する半導体発光素子に対
して適用することができる。
半導体発光素子として半導体レーザを具体的に挙げて説
明したが、本発明は、LEDなどのその他の半導体発光
素子についても適用することができる。また、上記各実
施の形態においては、半導体発光素子についてのみ説明
したが、本発明は、FET(Field Effect Transistor
;電界効果トランジスタ)などのその他の半導体素子
についても適用することができる。
は、第1の選択成長層5aおよび第2の選択成長層5b
をMOCVD法やハライド気相成長法により成長させる
場合について説明したが、分子線エピタキシー(Molecu
lar Beam Epitaxy;MBE)法などの他の気相成長法に
より成長させるせるようにしてもよい。また、上記各実
施の形態においては、バッファ層2,下地層3,21,
n側コンタクト層6,n型クラッド層7,第1のガイド
層8,活性層9,劣化防止層10,第2のガイド層1
1,p型クラッド層12およびp側コンタクト層13を
MOCVD法によりそれぞれ形成する場合について説明
したが、MBE法やハライド法などの他の気相成長法に
より形成するようにしてもよい。
第1の選択成長層5aおよび第2の選択成長層5bを成
長させる際の条件について具体的な例を挙げて説明した
が、その他種々の条件により成長させるようにしてもよ
い。例えば、ハライド気相成長法により成長させる場合
にも、上記第1の実施の形態とは異なった条件とするこ
とにより、上記第2の実施の形態において示したように
表面が比較的平坦な第2の選択成長層5bを成長させる
ことができる。なお、このように比較的平坦な表面を有
する第2の選択成長層5bを成長させれば、その上にマ
スク層4a,4bを容易に形成することができるので好
ましい。
いずれか1に記載の半導体素子によれば、マスク層と選
択成長層とをそれぞれ2層以上交互に備えるようにした
ので、選択成長層の厚さを薄くすることができると共
に、全面において貫通転位の密度を低減することができ
る。よって、例えばサファイアよりなる基板との格子不
整合による欠陥や反りの発生を防止することができ、素
子の品質を保持することができると共に、貫通転位の減
少による素子の品質向上も図ることができるという効果
を奏する。
記載の半導体素子の製造方法によれば、マスク層と選択
成長層とをそれぞれ2層以上交互に積層したのち、半導
体層を積層するようにしたので、選択成長層の厚さを薄
くすることができると共に、全面において貫通転位の密
度を低減することができる。よって、成長時間を短縮す
ることができ、製造効率を向上させることができると共
に、製造における自由度が大きくなり、容易に本発明の
半導体素子を製造することができるという効果を奏す
る。
記載の半導体発光素子によれば、本発明の半導体素子と
同一の構成を備えるようにしたので、本発明の半導体素
子と同様に、選択成長層の厚さを薄くすることができる
と共に、全面において貫通転位の密度を低減することが
できる。よって、例えばサファイアよりなる基板との格
子不整合による欠陥や反りの発生を防止することがで
き、素子の品質を保持することができると共に、使用に
よる動作電圧の上昇を抑えることができ、素子の寿命を
延長させることができるという効果を奏する。
子の構成を表す断面図である。
表す断面図である。
断面図である。
表す断面図である。
子の構成を表す断面図である。
第1のマスク層、4b…第2のマスク層、4c…開口
部、4d…マスク部、5a…第1の選択成長層、5b…
第2の選択成長層、6…n側コンタクト層、7…n型ク
ラッド層(第1導電型クラッド層)、8…第1のガイド
層、9…活性層、10…劣化防止層、11…第2のガイ
ド層、12…p型クラッド層(第2導電型クラッド
層)、13…p側コンタクト層、14…絶縁層、15…
p側電極、16…n側電極、M…貫通転位、L1…マス
ク幅、L2…ピッチ幅、L3…開口幅
Claims (31)
- 【請求項1】 開口部が形成されたマスク層と、このマ
スク層を介して選択的に成長された半導体よりなる選択
成長層とを、それぞれ2層以上交互に備えたことを特徴
とする半導体素子。 - 【請求項2】 前記複数のマスク層のうちの少なくとも
1層は、他の少なくとも1層と開口部の形成位置が異な
っており、積層方向から見て開口部が他の少なくとも1
層のマスク部により完全に覆われていることを特徴とす
る請求項1記載の半導体素子。 - 【請求項3】 前記マスク層は誘電体よりなることを特
徴とする請求項1記載の半導体素子。 - 【請求項4】 前記マスク層は二酸化ケイ素もしくは窒
化ケイ素もしくは酸化アルミニウムよりなることを特徴
とする請求項3記載の半導体素子。 - 【請求項5】 基板の上に前記マスク層と前記選択成長
層とを介して積層された半導体層を備えると共に、この
半導体層は、ガリウム(Ga),アルミニウム(A
l),ホウ素(B)およびインジウム(In)からなる
群のうちの少なくとも1種のIII族元素と窒素(N)
とを含むIII族ナイトライド化合物半導体よりなるこ
とを特徴とする請求項1記載の半導体素子。 - 【請求項6】 前記選択成長層はガリウムと窒素とを含
むIII族ナイトライド化合物半導体よりなることを特
徴とする請求項5記載の半導体素子。 - 【請求項7】 前記基板はサファイアよりなることを特
徴とする請求項5記載の半導体素子。 - 【請求項8】 前記マスク層は前記基板の上にバッファ
層を介して形成されたことを特徴とする請求項7記載の
半導体素子。 - 【請求項9】 前記基板は単結晶のガリウムナイトライ
ドよりなることを特徴とする請求項5記載の半導体素
子。 - 【請求項10】 前記マスク層は前記基板の上に直接形
成されたことを特徴とする請求項9記載の半導体素子。 - 【請求項11】 基板の上に、開口部を有するマスク層
と、このマスク層を介して選択的に成長させた半導体よ
りなる選択成長層とを、それぞれ2層以上交互に積層す
る工程と、 マスク層と選択成長層とをそれぞれ2層以上積層したの
ち、その上に半導体層を積層する工程とを含むことを特
徴とする半導体素子の製造方法。 - 【請求項12】 マスク層の形成においては、複数のマ
スク層のうちの少なくとも1層について、開口部を他の
少なくとも1層と異なった位置に形成し、その開口部を
積層方向から見て他の少なくとも1層のマスク部により
完全に覆うことを特徴とする請求項11記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項13】 マスク層を誘電体により形成すること
を特徴とする請求項11記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項14】 マスク層を二酸化ケイ素もしくは窒化
ケイ素もしくは酸化アルミニウムにより形成することを
特徴とする請求項13記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項15】 半導体層を、ガリウム(Ga),アル
ミニウム(Al),ホウ素(B)およびインジウム(I
n)からなる群のうちの少なくとも1種のIII族元素
と窒素(N)とを含むIII族ナイトライド化合物半導
体により形成することを特徴とする請求項11記載の半
導体素子の製造方法。 - 【請求項16】 選択成長層を、ガリウムと窒素とを含
むIII族ナイトライド化合物半導体により形成するこ
とを特徴とする請求項15記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項17】 選択成長層を、気相成長法により成長
させることを特徴とする請求項11記載の半導体素子の
製造方法。 - 【請求項18】 基板にはサファイアを用いることを特
徴とする請求項11記載の半導体素子の製造方法。 - 【請求項19】 基板の上にバッファ層を介してマスク
層を形成することを特徴とする請求項18記載の半導体
素子の製造方法。 - 【請求項20】 基板には単結晶のガリウムナイトライ
ドを用いることを特徴とする請求項11記載の半導体素
子の製造方法。 - 【請求項21】 基板の上にマスク層を直接形成するこ
とを特徴とする請求項20記載の半導体素子の製造方
法。 - 【請求項22】 基板の上に、半導体よりそれぞれなる
第1導電型クラッド層,活性層および第2導電型クラッ
ド層が少なくとも順次積層された半導体発光素子であっ
て、 基板と第1導電型クラッド層との間に、開口部が形成さ
れたマスク層と、このマスク層を介して選択的に成長さ
れた半導体よりなる選択成長層とを、それぞれ2層以上
交互に備えたことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項23】 複数の前記マスク層のうちの少なくと
も1層は、他の少なくとも1層と開口部の形成位置が異
なっており、積層方向から見て開口部が他の少なくとも
1層のマスク部により完全に覆われていることを特徴と
する請求項22記載の半導体発光素子。 - 【請求項24】 前記マスク層は誘電体よりなることを
特徴とする請求項22記載の半導体発光素子。 - 【請求項25】 前記マスク層は二酸化ケイ素もしくは
窒化ケイ素もしくは酸化アルミニウムよりなることを特
徴とする請求項24記載の半導体発光素子。 - 【請求項26】 前記半導体層は、ガリウム(Ga),
アルミニウム(Al),ホウ素(B)およびインジウム
(In)からなる群のうちの少なくとも1種のIII族
元素と窒素(N)とを含むIII族ナイトライド化合物
半導体よりなることを特徴とする請求項22記載の半導
体発光素子。 - 【請求項27】 前記選択成長層はガリウムと窒素とを
含むIII族ナイトライド化合物半導体よりなることを
特徴とする請求項26記載の半導体発光素子。 - 【請求項28】 前記基板はサファイアよりなることを
特徴とする請求項22記載の半導体発光素子。 - 【請求項29】 前記マスク層は前記基板の上にバッフ
ァ層を介して形成されたことを特徴とする請求項28記
載の半導体発光素子。 - 【請求項30】 前記基板は単結晶のガリウムナイトラ
イドよりなることを特徴とする請求項22記載の半導体
発光素子。 - 【請求項31】 前記マスク層は前記基板の上に直接形
成されたことを特徴とする請求項30記載の半導体発光
素子。
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