JPH11243056A

JPH11243056A - Ｉｉｉ族窒化物半導体の製造方法

Info

Publication number: JPH11243056A
Application number: JP4224198A
Authority: JP
Inventors: Shinji Ogino; 慎次荻野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 1999-09-07
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JP3890726B2

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン基板へのＩＩＩ族窒化物半導体のヘテ
ロエピタキシにおいて、割れを防止する。【解決手段】基板と分子線エピタキシー装置の分子線源
との間に、格子状のマスクを配置し、エピタキシャル膜
を小区画に分割して成長させて、内部応力を解放する。
基板表面に、その上の正常なエピタキシャル成長を阻害
するような酸化膜、窒化物、金属膜等の格子状の異物を
設けても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】ＩＩＩ族窒化物半導体レーザ
を含むＩＩＩ族窒化物半導体に関するものであり、特に
劈開が可能なＩＶ族半導体基板上にエピタキシャル成長
して良質なＩＩＩ族窒化物半導体を得る方法に関する。

【０００２】

【従来技術】直接遷移で、しかも光学エネルギーギャッ
プが１．９〜６．２ｅＶの範囲で制御可能な窒化アルミ
ガリウムインジウム（以下Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮと
記す）系材料を使った半導体レーザーや発光ダイオード
が試作されている。そのＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ系材
料を使った半導体レーザーや発光素子には、エピタキシ
ャル成長用の基板として、格子定数や熱膨張係数の整合
性の良さから、主としてサファイア基板やスピネル（Ｍ
ｇＡｌ₂Ｏ₄）基板が使用されている。そして、シリコ
ン（Ｓｉ）やマグネシウム（Ｍｇ）を添加することによ
るｎ型やｐ型の価電子制御や、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-y
Ｎのｘやｙを変える組成制御により光学エネルギーギャ
ップの制御が実現され、ダブルへテロ（ＤＨ）構造のレ
ーザが試作されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
絶縁性基板を使用すると、基板裏面に電極を取り付ける
ことができないため、基板表面に電極を設けねばならな
い。また基板として、炭化けい素（ＳｉＣ）を使ってダ
ブルへテロ（ＤＨ）構造のレーザが試作されているが、
ＳｉＣ基板は非常に高価であり、量産に適さない。

【０００４】そこで、最も一般的で安価なシリコン（以
下Ｓｉと記す）基板上へ窒化ガリウム（以下ＧａＮと記
す）などのＩＩＩ族窒化物からなるダブルへテロ（Ｄ
Ｈ）構造を形成することが試みられているが、厚さが１
μｍ以上の膜をエピタキシャル成長すると割れが生じて
しまい、良好な半導体となっていない。Ｓｉ基板上にＩ
ＩＩ族窒化物をエピタキシャル成長すると、そのエピタ
キシャル層が割れてしまう原因としては、次の二つが考
えられる。

【０００５】Ｓｉの格子定数は０．５４３１ｎｍであ
るので、Ｓｉ（１１１）面上での原子間隔は０．３８４
０ｎｍ（＝０．５４３１／√２）となる。これに対し
て、ＧａＮの格子定数は０．３８１９ｎｍなので、格子
間隔はＧａＮの方が狭く、Ｓｉ（１１１）面上にヘテロ
エピタキシャル成長したＧａＮ膜には引っ張り応力が発
生する。

【０００６】Ｓｉの線膨張係数は２．６×１０^-6Ｋ^-1
であるのに対して、ＧａＮのそれは５．６×１０^-6Ｋ^-1
と大きい。従って通常８００℃以上の成長温度から室温
に降温する際に、ＧａＮの収縮の方が大きく、ＧａＮに
引っ張り応力が発生する．この問題に鑑み本発明の目的
は、一般的で安価なＩＶ族半導体を基板とし、厚いＩＩ
Ｉ族窒化物層をエピタキシャル成長しても割れを生ぜ
ず、もって良好なＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題解決のため本
発明は、ＩＶ族半導体基板上にＩＩＩ族元素の窒化物半
導体をエピタキシャル成長する方法において、多数の区
画された結晶性の良好な小領域としてエピタキシャル成
長するものとする。そのようにすれば、小領域では小面
積範囲であるので応力が過大にならないため、結晶性が
良好で、厚いエピタキシャル膜を成長しても割れを生じ
難い。

【０００８】具体的な方法としては、ＩＶ族半導体基板
上と蒸着源との間に、格子状のマスクを配置し、分子線
エピタキシー法でエピタキシャル成長するものとする。
分子線エピタキシー法では、蒸着源から蒸発した金属等
が直進するので、格子状のマスク部分にはエピタキシャ
ル成長せず、分画された小領域がエピタキシャル成長す
る。

【０００９】また、ＩＶ族半導体基板上に、ＩＶ族半導
体基板の酸化膜、窒化膜、アルミニウム他の金属膜等で
その上には正常なエピタキシャル成長が阻害されるよう
な格子状の異物を配置した後エピタキシャル成長しても
良い。そのようにすれば、格子状の異物上には、多量の
結晶欠陥を含んだ不良エピタキシャル膜が成長する。そ
して、その不良エピタキシャル膜が応力緩和領域となる
ので、それ以外の部分には結晶性の良好な小領域として
エピタキシャル成長する。

【００１０】特に格子状の異物としてアルミニウムを用
い、ＩＶ族半導体基板上に最初に窒化アルミニウムのバ
ッファ層を成長するものとする。そのようにすれば、窒
化アルミニウムのエピタキシャル成長のためのアルミニ
ウム源を用いて格子を形成できるので、改めて金属源を
設ける必要がない。反応性イオンエッチングもしくは逆
スパッタリングにより、基板表面に格子状の結晶欠陥の
多い領域を形成した後エピタキシャル成長しても良い。

【００１１】その場合も、結晶欠陥の多い領域上には、
多量の結晶欠陥を含んだ不良エピタキシャル膜が成長す
る。そして、その不良エピタキシャル膜が応力緩和領域
となるので、それ以外の部分には結晶性の良好な小領域
としてエピタキシャル成長する。有機金属気相成長法ま
たは、分子線エピタキシー法によりエピタキシャル成長
するものとする。

【００１２】基板上に格子状の異物を設ける方法は、有
機金属気相成長法または、分子線エピタキシー法のどち
らにも適用できる。特に、ＩＶ族半導体基板がシリコン
であるものとする。シリコンは、最も一般的で入手し易
く、価格も低いので、エピタキシャル成長用基板として
適する。

【００１３】ＩＩＩ族元素がアルミニウム、ガリウム、
インジウムのいずれかを含むものとする。実際に窒化ア
ルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウムあるいはこ
れらの混合窒化物の、エピタキシャル成長をおこない、
効果があることが確かめられた。半導体基板を劈開する
ことにより方形のエピタキシャル膜から多数の半導体素
子を得るものとする。

【００１４】例えば、劈開面を発光面とするＩＩＩ族窒
化物半導体レーザーのように、劈開により多数の半導体
素子が得られるものとすれば、製造が容易であり、量産
に適する。特に、区画された結晶性の良好な小領域の一
辺が、２００μｍ以上５ｍｍ以下であるものとする。

【００１５】半導体レーザーとするには、一辺が２００
μｍ以上であることを要する。また後述する実験結果が
示すように、一辺が５ｍｍ以下であれば、厚さ２μｍの
エピタキシャル膜を成膜しても、割れを生じない。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、ＩＶ族半導体基板上に
ＩＩＩ族元素の窒化物半導体をエピタキシャル成長する
方法において、シリコン半導体基板上の全面に均一にエ
ピタキシャル膜を形成するのではなく、多数の区画され
た結晶性の良好な小領域としてエピタキシャル成長する
ものである。

【００１７】以下図面を参照しながら本発明の実施の形
態を説明する。［実施例１］図１（ａ）ないし（ｃ）は、本発明第一の
方法を説明するための工程順の断面図である。エピタキ
シャル成長方法としては、分子線エピタキシー法（以下
ＭＢＥ法と記す）による。シリコン基板１をＭＢＥ装置
にセットする。図の下方には図示していないＧａフラッ
クス源と窒素ラジカル源がある。このＧａフラックス源
及び窒素ラジカル源とＳｉ基板１との間に例えばステン
レス鋼薄板の金属マスク１１を置く［図１（ａ）］。

【００１８】Ｇａフラックス源及びチッ素ラジカル源か
ら、Ｓｉ基板１上にＧａとＮが供給され、金属マスク１
１によって遮蔽されなかったＳｉ基板１上（図では下
面）に、ＧａＮのエピタキシャル膜１２が成長して行く
［同図（ｂ）］。所定の膜厚に達したら、成長を止めて
ＭＢＥ装置から取り出す［同図（ｃ）］。

【００１９】先ず、格子状の金属マスクを用いて多数の
区画された結晶性の良好な小領域としてエピタキシャル
成長することにより、半導体基板とエピタキシャル膜の
格子定数の差および熱膨張率差を原因とする割れを防ぐ
方法の実験をおこなった。［実験］先ず、窒素ラジカル源からの窒素照射によるシ
リコン基板表面の窒化を防ぐために厚さ５原子層分のア
ルミニウムを照射した上に、図１（ａ）〜（ｃ）のよう
な方法で、５５０℃で厚さ２０ｎｍの窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）のバッファ層を形成した後、成長温度を８４
０℃一定として種々の厚さのＧａＮ層を堆積し、そのエ
ピタキシャル膜の割れの発生状況を光学顕微鏡で調べ
た。

【００２０】図２は、割れの発生におよぼす格子の寸法
およびエピタキシャル膜厚の依存性を示す特性図であ
る。横軸は格子状マスクの一辺の内寸長、縦軸はエピタ
キシャル膜の厚さである。○は割れの発生しない条件、
×は割れの発生する条件を意味している。図２から格子
幅を狭くすると、厚いエピタキシャル層を成長しても割
れは生じないことがわかる。例えば、格子の内寸幅が５
ｍｍ以下であれば、通常のＤＨ構造のレーザ素子を形成
するのに十分な厚さである厚さ２μｍのエピタキシャル
膜の割れの無い成膜が可能なことになる。通常、半導体
レーザチップの寸法は２００μｍ×２００μｍ以上の大
きさを有している。従って、レーザの発光面を劈開によ
って形成するために、方形部分の少なくとも一辺は、２
００μｍ以上を確保する必要があるが、これも満足でき
ることになる。格子状マスク内寸幅を狭くすれば、更に
厚いエピタキシャル膜の成長が可能である。

【００２１】そこでレーザ素子の試作を行ってみた。用
いたステンレス鋼薄板の金属マスクの寸法は、厚さ０．
１ｍｍで、格子の内寸は、３００μｍ×５ｍｍ、格子の
幅は２００μｍとした。図３は、図１の方法によりエピ
タキシャル膜を成膜した基板の斜視図である。Ｓｉ基板
１の上に多数の短冊状のエピタキシャル膜１２が成長し
ており、その幅ａはほぼ３００μｍである。

【００２２】図４は、図１の方法により作製した半導体
レーザの断面図である。低抵抗率（１５ｍΩ・ｃｍ）の
ｎ型Ｓｉ（１１１）基板１上に膜厚２０ｎｍのｎ型Ａｌ
Ｎ第一バッファー層２、膜厚５００ｎｍのｎ型ＧａＮ第
二バッファー層３を形成後、膜厚１５０ｎｍのｎ型Ａｌ
_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層４、膜厚８０ｎｍのＧａＮ活
性層５、膜厚１５０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラ
ッド層６から成るＤＨ構造、膜厚１００ｎｍのｐ型Ｇａ
Ｎキャップ層７を順に形成した。ＡｌＮ第一バッファー
層２は、シリコン基板１上にＩＩＩ族窒化物エピタキシ
ャル膜を成長を可能とするための下地層であり、ＧａＮ
第二バッファー層３は、その上のｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8
Ｎクラッド層４以降のエピタキシャル膜の結晶性を向上
させるための層である。ｎ型、ｐ型のドーピングには、
それぞれＳｉ、Ｍｇを使用した。最後にオーミック電極
としてスパッタ法によりＮｉ／Ｍｏ／Ａｕの電極８を形
成した。その後、Ｓｉ基板１の劈開が容易におこなえる
ように、エピタキシャル膜側を研磨用の試料支持台に張
り付け、Ｓｉ基板１の裏面から通常の機械的な研磨によ
り厚さを５０μｍ程度まで薄くした。その後、純水で洗
浄した裏面（研磨したＳｉ基板表面）に、スパッタ法に
よりＡｌ電極９を厚さ５００ｎｍ形成した。その後、ス
クライブしてレーザーバーを作製し、更に２００μｍ幅
（図３のｂ）に劈開してＩＩＩ族窒化物半導体のレーザ
ーチップを得た。そのチップを組み立て、レーザー発光
を確認した。

【００２３】［実施例２］図５（ａ）ないし（ｃ）は本
発明第二の方法を説明するための工程順の断面図であ
る。Ｓｉ基板１表面に熱酸化膜を形成し、フォトリソグ
ラフィによりで格子状の酸化膜格子パターン１３を形成
する［図５（ａ）］。酸化膜の厚さは１００ｎｍ、格子
パターン１３の幅は２００μｍ、内寸は、３００μｍ×
５ｍｍとした。

【００２４】このようにして得られたＳｉ基板１上に実
施例１と同様にＭＢＥ法で成長をおこなったところ、酸
化膜パターン１３上には、エピタキシャル成長が殆ど起
こらず、エピタキシャル膜１２は、方形に区画されて成
長した［同図（ｂ）］。但し、横方向への成長が多少見
られた。エピタキシャル成長後，不要な酸化膜格子パタ
ーン１３をふっ酸で除去した［同図（ｃ）］。成長した
エピタキシャル膜１２には割れは見られなかった。

【００２５】その後の電極形成、裏面研磨、スクライブ
化等は実施例１と同様とし、レーザーを作製したとこ
ろ、レーザー発光が確認された。この例のように、基板
の上に直接エピタキシャル成長を阻害する異物のパター
ンを形成しても、エピタキシャル膜は区画された結晶性
の良好な小領域が形成され、割れを防止できる。

【００２６】尚、場合によっては、図５（ｃ）で酸化膜
パターン１３を必ずしも除去しなくて良い。［実施例３］第６図（ａ）ないし（ｃ）は本発明第三の
方法を説明するための工程順の断面図である。

【００２７】この実施例では先ずＭＢＥ装置中で、シリ
コン基板１と図示されないイオン源との間に細い線状の
開口部を設けた金属マスク１１ａを配置する［図５
（ａ）］。基板温度４００℃で短冊状の金属マスク１１
ａを使用してアルミニウム（Ａｌ）をＳｉ基板１上に蒸
着し、更にこの短冊形状が直交する別の金属マスクでも
う一度Ａｌを蒸着してＡｌ格子パターン１４を形成する
［同図（ｂ）］。Ａｌ格子パターン１４の幅は２００μ
ｍ、バターンの内寸は、３００μｍ×５ｍｍとした。特
にＡｌ格子パターン１４の厚さを２０原子層以上にする
ことが重要である。

【００２８】次に、実施例１や実施例２と同様のエピタ
キシャル膜１２を成膜する。Ａｌの厚さが１０原子層以
下では正常なエピタキシャル膜１２が成長するが、２０
原子層以上にするとその上には、正常なエピタキシャル
膜１２は成長せず、表面モホロジが悪化した欠陥エピタ
キシャル膜１５が形成される［同図（ｃ）］。透過電子
顕微鏡で観察したところ、この表面モホロジが悪化した
欠陥エピタキシャル膜１５は極めて、多数の結晶欠陥を
含む領域であることがわかった。

【００２９】Ａｌ格子パターン１４のなかった方形領域
には、良好なエピタキシャル膜１２が成長し、割れも観
察されなかった。これは格子状の欠陥エピタキシャル膜
１５は結晶性が悪く結晶欠陥が多いため、応力を吸収す
る領域として働いたものと考えられる。その後の電極形
成、裏面研磨、スクライブ化等は実施例１と同様とし、
レーザーを作製したところ、レーザー発光が確認され
た。

【００３０】Ａｌのかわりに金（Ａｕ）のパターンを形
成しても同じ作用が得られ、レーザーができた。但し、
ＭＢＥ装置中にはＡｌＮバッファ層を作るためにＡｌ源
が準備されているので、新たなソースを設定する必要が
ない点で、格子を形成する金属としてはＡｌの方が都合
が良い。

【００３１】［実施例４］図７（ａ）ないし（ｃ）は本
発明第四の方法を説明するための工程順の断面図であ
る。この実施例では、先ずＳｉ基板上に熱酸化膜を形成
した後、フォトリソグラフィにより格子状の部分の熱酸
化膜を除去して、後にエピタキシャル成長をする方形部
分の熱酸化膜１６を残す。［図５（ａ）］。熱酸化膜１
６の寸法は、３００μｍ×５ｍｍ、間隔は２００μｍと
した。

【００３２】次いでこのＳｉ基板１をスパッタ装置に入
れ、Ａｒガスで逆スパッタを１００Ｗで５分間行う。Ｓ
ｉ基板１１の熱酸化膜１６を残さなかった格子状の部分
には逆スパッタによって表面層に結晶欠陥の多い格子状
のダメージパターン１７が形成される［同図（ｂ）］。
Ｓｉ基板１をフッ酸に浸して熱酸化膜１６を除去した
後、ＭＢＥ装置で実施例１と同様のエピタキシャル膜１
２を成膜する。その結果，図７（ａ）て熱酸化膜１６を
残した方形部分には正常なエピタキシャル膜１２が成長
するが、ダメージパターン１７の上には、正常なエピタ
キシャル膜１２は成長せず、表面モホロジが悪化した欠
陥エピタキシャル膜１５が成長する［同図（ｃ）］。

【００３３】ダメージパターン１７のなかった方形領域
には、良好なエピタキシャル膜１２が成長し、割れも観
察されなかった。この場合も表面モホロジが悪化した欠
陥エピタキシャル膜１５が、多数の結晶欠陥を含んでい
て応力緩和領域となったためと考えられる。その後の電
極形成、裏面研磨、スクライブ化等は実施例１と同様と
し、レーザーを作製したところ、レーザー発光が確認さ
れた。

【００３４】本実施例の逆スパッタではなく、ダメージ
パターン１７の形成方法として、四ふっ化炭素（Ｃ
Ｆ₄）を用いた反応性イオンエッチングを施しても同様
の効果を得ることができた．

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｉ
Ｖ族半導体基板上にＩＩＩ族元素の窒化物半導体をエピ
タキシャル成長する方法において、格子状のマスクを用
い、或いは基板上の格子状の異物を配置して、多数の区
画された結晶性の良好な小領域としてエピタキシャル成
長することにより、厚い良質のＩＩＩ族窒化物層のエピ
タキシャル成長が可能となった。

【００３６】一般的で安価なＩＶ族半導体を基板とする
本発明の方法により、ＩＩＩ族窒化物半導体の量産が可
能となり、ＩＩＩ族窒化物レーザー等の発展および普及
に貢献するところ大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第一の方法を説明す
る工程順の断面図

【図２】格子の内寸幅を変えたときのエピタキシャル層
の厚さと割れの関係を示す特性図

【図３】金属マスクを用いて選択成長したエピタキシャ
ル膜の斜視図

【図４】試作レーザーの断面図

【図５】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第二の方法を説明す
る工程順の断面図

【図６】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第三の方法を説明す
る工程順の断面図

【図７】（ａ）〜（ｃ）は本発明の第四の方法を説明す
る工程順の断面図

【符号の説明】

１シリコン基板２ＡｌＮバッファ層３ｎ型ＧａＮバッファ層４ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層５ＧａＮ活性層６ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層７ｐ型ＧａＮキャップ層８Ｎｉ／Ｍｏ／Ａｕ電極９Ａｌ電極１１、１１ａ金属マスク１２エピタキシャル膜１３酸化膜格子パターン１４Ａｌ格子パターン１５欠陥エピタキシャル膜１６熱酸化膜パターン１７ダメージパターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩＶ族半導体基板上にＩＩＩ族元素の窒化
物半導体をエピタキシャル成長する方法において、多数
の区画された結晶性の良好な小領域としてエピタキシャ
ル成長することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体の製
造方法。
【請求項２】ＩＶ族半導体基板と蒸着源との間に、格子
状のマスクを配置してエピタキシャル成長することによ
り、多数の区画された結晶性の良好な小領域を得ること
を特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製
造方法。
【請求項３】ＩＶ族半導体基板上に、その上には正常な
エピタキシャル成長が阻害されるような格子状の異物を
配置した後エピタキシャル成長することにより、多数の
区画された結晶性の良好な小領域を得ることを特徴とす
る請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】格子状の異物がＩＶ族半導体基板の酸化膜
からなることを特徴とする請求項３記載のＩＩＩ族窒化
物半導体の製造方法。
【請求項５】格子状の異物がＩＶ族半導体基板の窒化膜
からなることを特徴とする請求項３記載のＩＩＩ族窒化
物半導体の製造方法。
【請求項６】格子状の異物が金属膜からなることを特徴
とする請求項３記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方
法。
【請求項７】金属膜がアルミニウムであることを特徴と
する請求項６記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】ＩＶ族半導体基板上に最初に窒化アルミニ
ウムのバッファ層を成長することを特徴とする請求項７
記載のＩＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項９】ＩＶ族半導体基板の表面層に、結晶欠陥の
多い領域を格子状に形成した後エピタキシャル成長する
ことにより、多数の区画された結晶性の良好な小領域を
得ることを特徴とする請求項１記載のＩＩＩ族窒化物半
導体の製造方法。
【請求項１０】反応性イオンエッチングもしくはスパッ
タリングにより、基板表面に格子状の結晶欠陥の多い領
域を形成することを特徴とする請求項９記載のＩＩＩ族
窒化物半導体の製造方法。
【請求項１１】有機金属気相成長法または、分子線エピ
タキシー法によりエピタキシャル成長することを特徴と
する請求項３ないし１０のいずれかに記載のＩＩＩ族窒
化物半導体の製造方法。
【請求項１２】ＩＶ族半導体基板がシリコンであること
を特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のＩ
ＩＩ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１３】ＩＩＩ族元素がアルミニウム、ガリウ
ム、インジウムのいずれかを含むことを特徴とする請求
項１ないし１２のいずれかに記載のＩＩＩ族窒化物半導
体の製造方法。
【請求項１４】半導体基板を劈開することにより方形状
のエピタキシャル膜から多数の半導体素子を得ることを
特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載のＩＩ
Ｉ族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１５】請求項１４記載のＩＩＩ族窒化物半導体
の製造方法において、劈開面を発光面とすることを特徴
とするＩＩＩ族窒化物半導体レーザーの製造方法。
【請求項１６】区画された結晶性の良好な小領域の一辺
が、２００μｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とする
請求項１４記載のＩＩＩ族窒化物半導体レーザーの製造
方法。