JP3934320B2 - GaN-based semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体結晶のエピタキシャル成長方法に関し、格子定数や、熱膨張係数の異なる基板上にIII−V族化合物半導体結晶膜をエピタキシャル成長させる方法及びこの成長方法これによって得られるIII−V族化合物半導体膜に関する。特に結晶欠陥の少ない半導体膜の形成が困難なGaN系半導体のエピタキシャル成長方法の適用に有効である。
【0002】
さらにGaN系半導体素子及びその製造方法に関し、結晶欠陥の少ないGaN半導体膜上に形成されたGaN系半導体素子及びその製造方法に関する。
【0003】
【従来の技術】
III−V族化合物半導体で、例えば窒化ガリウム(GaN)は、禁制帯幅が3.4eVと大きく、かつ直接遷移型であることから青色発光素子材料として注目されている。
【0004】
この材料を用いた発光デバイスを作製するための基板材料としては、成長させるエピタキシャル層と同じ物質のバルク結晶を用いることが望ましい。しかしながら、GaNのような結晶では、窒素の解離圧が高いことによりバルク結晶の作製が非常に困難であった。したがってバルク結晶の作製が非常に困難な材料を用いてデバイスを作製する場合は、例えばサファイア(Al2O3)基板などのような格子定数、熱膨張係数などの物理的性質や、化学的性質も全く異なる基板が用いられてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このようなヘテロ基板上にエピタキシャル成長を行うと、基板や、エピタキシャル層に歪みや、欠陥が発生し、特に厚い膜を成長した場合には、クラックが発生することが報告されている「ジャパニーズジャーナル オブ アプライド フィジックス第32巻(1993)第1528−1533頁」(Jpn.J. Appl.Phys.Vol 32(1993) pp.1528-1533)。このような場合には、デバイスとしての性能が極端に悪くなるばかりではなく、成長層が粉々に破壊されるという結果をしばしば招いた。
【0006】
また格子不整合系のエピタキシャル成長において、転位密度が少ない高品質のエピタキシャル成長層を得るために、最初の結晶成長で1μmのSiO2膜でストライプを形成したサファイア基板上にGaN膜の選択成長を行い、格子欠陥や転位を特定の領域に集中させることが特開平8−64791号公報に記載されている。しかし特開平8−64791号公報の例ではSiO2膜部分で成長が起こらないために全面に平坦な成長層を得ることができず、素子形成箇所に制約が生じていた。
【0007】
本発明の目的は、格子定数や熱膨張係数が異なるヘテロ基板を用いてエピタキシャル成長を行っても、基板やエピタキシャル成長層への歪みや欠陥の発生が少なく、また厚い膜を成長してもクラックが入りにくいエピタキシャル成長層を得るための成長方法を提供することにある。
【0008】
さらに本発明の他の目的は、上記エピタキシャル成長をGaN系半導体の成長に利用し結晶欠陥の少ないGaN系半導体膜を提供することにある。
【0009】
また本発明の他の目的は、上記エピタキシャル成長により形成されたGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子構造(例えばGaN系半導体発光素子構造)を作製することにより、優れた素子特性の得られるGaN系半導体素子(例えばGaN系半導体発光素子)を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するため手段】
本発明のGaN系半導体積層構造の形成方法は、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面にパターニングされたマスク材料により成長領域を形成する工程と、前記成長領域にGaN系半導体がファセット構造を形成するように成長させるとともに転位を曲げ、隣接する成長領域のGaN系半導体とともに前記マスク材料を覆い表面を平坦化する工程と、前記GaN系半導体膜上にGaN系半導体素子の積層構造を形成する工程を有することを特徴とする。
【0011】
また、本発明のGaN系半導体積層構造の形成方法は、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面にパターニングされたマスク材料により成長領域を形成する工程と、前記成長領域にGaN系半導体がファセット構造を形成するように成長させるとともに転位を曲げ、隣接する成長領域のGaN系半導体とともに前記マスク材料を覆い表面を平坦化する工程と、前記GaN系半導体膜から少なくとも前記基板、マスク材料を除去する工程と、前記GaN系半導体膜上にGaN系半導体素子の積層構造を形成する工程とを有することを特徴とする。あるいは、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面にパターニングされたマスク材料により成長領域を形成する工程と、前記成長領域にGaN系半導体がファセット構造を形成するように成長させるとともに転位を曲げ、隣接する成長領域のGaN系半導体とともに前記マスク材料を覆い表面を平坦化する工程と、前記GaN系半導体膜上にGaN系半導体素子の積層構造を形成する工程と、前記GaN系半導体膜から少なくとも前記基板、マスク材料を除去する工程とを有することを特徴とする。
【0012】
さらに、本発明のGaN系半導体積層構造の形成方法は、前記GaN系半導体素子は、ダブルへテロ構造を含むGaN系半導体発光素子であることを特徴とする。また前記GaN系発光素子がGaN系半導体レーザであることを特徴とする。
【0013】
本発明のGaN系半導体積層構造は、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板と、前記基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面に成長領域を形成するパターニングされたマスク材料と、前記成長領域でファセット構造を形成しながら成長し転位を曲げ、GaN系半導体が隣接する成長領域のGaN系半導体の成長とともに前記マスク材料を覆い、さらに前記GaN系半導体の成長により前記ファセット構造が埋め込まれて平坦化されたGaN系半導体膜と、前記平坦化されたGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子の積層構造が形成されていることを特徴とする。さらに、前記GaN系半導体積層構造から少なくとも前記基板、マスク材料が除去されていることを特徴とする。
【0014】
また、本発明のGaN系半導体積層構造は、前記GaN系半導体素子は、ダブルへテロ構造を含むGaN系半導体発光素子であることを特徴とする。さらに、前記GaN系発光素子がGaN系半導体レーザであることを特徴とする。
【0015】
本発明のGaN系半導体素子の製造方法は、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面にパターニングされたマスク材料により成長領域を形成する工程と、前記成長領域にGaN系半導体がファセット構造を形成するように成長させるとともに転位を曲げ、隣接する成長領域のGaN系半導体とともに前記マスク材料を覆い表面を平坦化する工程と、前記平坦化されたGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子を形成する工程を有することを特徴とする。
【0016】
また、本発明のGaN系半導体素子の製造方法は、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面にパターニングされたマスク材料により成長領域を形成する工程と、前記成長領域にGaN系半導体がファセット構造を形成するように成長させるとともに転位を曲げ、隣接する成長領域のGaN系半導体とともに前記マスク材料を覆い表面を平坦化する工程と、前記GaN系半導体膜から少なくとも前記基板、マスク材料を除去する工程と、前記平坦化されたGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子を形成する工程を有することを特徴とする。あるいは、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面にパターニングされたマスク材料により成長領域を形成する工程と、前記成長領域にGaN系半導体がファセット構造を形成するように成長させるとともに転位を曲げ、隣接する成長領域のGaN系半導体とともに前記マスク材料を覆い表面を平坦化する工程と、前記平坦化されたGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子を形成する工程と、前記GaN系半導体膜から少なくとも前記基板、マスク材料を除去する工程とを有することを特徴とする。
【0017】
さらに、本発明のGaN系半導体素子の製造方法は、前記GaN系半導体素子は、ダブルへテロ構造を含むGaN系半導体発光素子であることを特徴とする。また、前記GaN系発光素子がGaN系半導体レーザであることを特徴とする。
【0018】
本発明のGaN系半導体素子は、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数が異なる基板と、前記基板表面、あるいは前記基板上に形成されたGaN系半導体表面に成長領域を形成するパターニングされたマスク材料と、前記成長領域でファセット構造を形成しながら成長し転位を曲げ、GaN系半導体が隣接する成長領域のGaN系半導体の成長とともに前記マスク材料を覆い、さらに前記GaN系半導体の成長により前記ファセット構造が埋め込まれて平坦化されたGaN系半導体膜と、前記平坦化されたGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子が形成されていることを特徴とする。また、前記GaN系半導体素子から少なくとも前記基板、マスク材料が除去されていることを特徴とする。
【0019】
さらに前記GaN系半導体素子は、ダブルへテロ構造を含むGaN系半導体発光素子であることを特徴とする。前記GaN系発光素子がGaN系半導体レーザであることを特徴とする。
【0020】
本発明のGaN系半導体積層構造およびその形成方法において、GaN系半導体発光素子がアンドープ量子井戸活性層を有することを特徴とする。
【0021】
本発明のGaN系半導体素子およびその製造方法において、GaN系半導体発光素子がアンドープ量子井戸活性層を有することを特徴とする。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【0023】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態について、III−V族化合物半導体のエピタキシャル成長を例に図1を参照して説明する。
【0024】
初めに、基板材料とは性質を異にし、その次の工程で成長する材料と同じか、あるいはその材料と格子定数や熱膨張係数の似た性質を有するIII−V族化合物半導体12を基板上に成長し、その表面上にフォトリソグラフィー法とウエットエッチング法を用いて基板上の成長領域を制限するマスク14を形成する。マスクの形状はストライプとし、このときマスク14の厚さは10nmから2μm程度であり、成長領域13およびマスク14のストライプ幅は、通常0.1μmから10μm程度とした。(図1(a))。
【0025】
次に、成長領域に対しIII−V族化合物半導体膜のエピタキシャル成長を行う。マスク14の付いた基板をエピタキシャル装置の反応管に挿入して、水素ガス、窒素ガス、または、水素と窒素の混合ガスとV族原料ガスを供給しながら基板11を所定の成長温度まで昇温する。温度が安定してからIII族原料を供給して、成長領域13にIII−V族化合物半導体15を成長する。結晶成長方法は、好ましくはIII族原料に塩化物を用いる塩化物輸送法による気相成長(VPE:Vapor Phase Epitaxy)で行うが、III族原料に有機金属を用いる有機金属化合物気相成長(MOCVD:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)を用いてもよい。
【0026】
III−V族化合物半導体15は、初期段階ではマスク14上に成長せず、成長領域13のみで結晶成長が起こり、成長領域上のIII−V族化合物半導体15にはファセット構造が形成される。このときのIII−V族化合物半導体15の成長条件はファセット構造が形成されるよう650℃から1100℃の成長温度、III族原料の供給量に対し等倍から200000倍を供給するV族原料の供給量の範囲で行う。(図1(b))。
【0027】
さらにエピタキシャル成長を続けると、III−V族化合物半導体15はファセット構造の面に対して垂直な方向に成長が進むため、成長領域だけでなくマスク14を覆うようになる。そして隣接する成長領域のIII−V族化合物半導体15のファセット構造と接触する(図1(c))。
【0028】
さらにエピタキシャル成長を続けると、ファセット構造が埋め込まれ(図1(d))、最終的には、平坦な表面を有するIII−V族化合物半導体膜15を得ることができる(図1(e))。
【0029】
通常、基板上に格子定数や熱膨張率の異なるIII−V族化合物半導体の結晶成長を行うと、基板との界面で発生した結晶欠陥にともなう転位は、界面と垂直方向に伸びるために、たとえエピタキシャル膜を厚くしても、転位の低減は見られない。
【0030】
本実施の形態による方法では、選択成長により成長領域にファセット構造を形成している。このファセットは成長速度が他の面より遅いために現れる。ファセットの出現により転位がファセットに向かって進み、基板と垂直に伸びていた転位が垂直な方向へ伸びることができなくなる。結晶欠陥はファセットの成長とともに横方向に曲げられ、エピタキシャル膜の膜厚増加に伴い、成長領域では結晶欠陥が減少していき、結晶の端に出てしまうか、閉ループを形成することがわかった。これにより、エピタキシャル膜内の欠陥の低減が計られる。このようにファセット構造を形成して成長することで、結晶欠陥を大幅に減らせる。
【0031】
特にIII族原料に塩化物を用いる塩化物輸送法による気相成長では、III−V族化合物半導体15の成長が速いため、ファセット構造のうち基板面と同じ面が消えるのがはやい。したがって基板と垂直に伸びる転位は、はやくからファセット構造のうち基板面と異なる面の方向に伸びることになりIII−V族化合物半導体15における垂直に伸びる転位を大幅に減らすことができる。
【0032】
なお、III族原料に有機金属を用いる有機金属化合物気相成長は塩化物輸送法による気相成長と比べて成長速度が遅くなるが、上述のようにのIII−V族化合物半導体15のファセット構造のうち基板面と同じ面がはやく消えるようにすればよい。例えば成長領域に対するマスクの面積を大きくすればマスク上からの成長種の供給量が増えるため成長領域におけるIII−V族化合物半導体15の成長をはやめることができる。
【0033】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態について、III−V族化合物半導体のエピタキシャル成長を例に図5を参照して説明する。
【0034】
図5(a)〜(b)までは第1の実施の形態の図1(a)から(e)と同様な工程で作製しているため説明を省略する。第2の実施の形態では、III−V族化合物半導体のエピタキシャル成長を行い成長層を平坦化した後に、第2のマスクを設け(図5(c))、第1の実施の形態と同様にファセット構造を形成し、平坦化を行っている(図5(d))。
【0035】
第2の実施の形態では、図1(a)から(e)の作製工程を繰り返すことにより形成したIII−V族化合物半導体膜の欠陥密度をさらに低減することができる。
【0036】
第1の実施の形態あるいは第2の実施の形態は、基板と格子定数や熱膨張係数の異なる材料を結晶成長する場合に有効であり、Al2O3,Si,SiC,MgAl2O4,LiGaO2,ZnO等の基板への、GaN、GaAlN、InGaN、InN等のIII−V族化合物半導体の成長に適用できる。
【0037】
また図1あるいは図5では基板にその次の工程で成長する物質と同じ、あるいはその物質と格子定数や熱膨張係数の似た性質を有するIII−V族化合物半導体膜表面にマスクを形成した例を示したが、基板11表面に直接マスクを形成して図1(b)〜(e)あるいは図5(b)〜(d)のプロセスを行っても同様な効果が得られる。
【0038】
さらに本実施の形態ではマスク14としてストライプ状のパターンを用いた成長領域について説明を行ったが、これに限られるものではなく、ファセット構造が現れるものであれば、成長領域の形状が矩形状、丸状、又は三角状となるマスクでもよい。
【0039】
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。第3の実施の形態は、第1の実施の形態あるいは第2の実施の形態で説明したIII−V族化合物半導体のエピタキシャル成長をGaN系半導体の成長に利用しGaN系半導体膜を形成するものである。
【0040】
第3の実施の形態は、第1の実施の形態あるいは第2の実施の形態で説明したエピタキシャル成長をGaN系半導体に利用したものであり、共通する箇所については説明を簡略化する。
【0041】
はじめに、GaN系半導体と熱膨張係数や格子定数の異なる基板材料上に、フォトリソグラフィー法とウエットエッチング法を用いて基板上の成長領域を制限するマスクを形成する。
【0042】
次に成長領域に対しGaN系半導体のエピタキシャル成長を行う。成長領域に成長するGaN系半導体の結晶成長方法は、III族原料にガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)の反応生成物である塩化ガリウム(GaCl)とV族原料にアンモニア(NH3)ガスを用いる塩化物輸送法による気相成長(VPE:Vapor Phase Epitaxy )であるハイドライドVPE法や、Ga原料に有機金属を用いる有機金属化合物気相成長(MOCVD:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)を用いる。成長温度は650℃から1100℃で行い、V族原料の供給量はIII族原料の供給量に対し等倍から200000倍を供給すればよい。
【0043】
GaN系半導体層のエピタキシャル成長は、第1の実施の形態と同様に、GaN系半導体が初期段階ではマスク上に成長せず成長領域のみで結晶成長が起こり、成長領域上のGaN系半導体膜には基板の面方位とは異なる面方位のファセット構造が形成される。
【0044】
エピタキシャル成長を続けると、GaN系半導体はファセット構造の面に対して垂直な方向に成長が進むため、成長領域だけでなくマスクを覆うようになる。そして隣接する成長領域のGaN系半導体のファセット構造と接触する。さらにエピタキシャル成長を続けると、GaN系半導体によりファセット構造が埋め込まれ、最終的には、平坦な表面を有するGaN系半導体膜を得ることができる。
【0045】
GaNはバルク結晶の作製が困難なため、従来のGaN系半導体の結晶成長では基板としてサファイア基板、SiC基板等を用いてきたが、これらの基板はGaN系半導体とは格子定数や熱膨張率が異なっている。このためGaN系半導体のエピタキシャル成長を行うと、基板との界面で発生した結晶欠陥にともなう転位が界面と垂直方向に伸び、たとえエピタキシャル膜を厚くしても転位の低減は見られなかった。
【0046】
本実施の形態によるエピタキシャル成長方法では、GaN系半導体と熱膨張係数や格子定数の異なる基板材料上のマスク材料により選択的に形成された成長領域に、基板面方位とは異なる面方位のファセット構造を有するGaN系半導体をエピタキシャル成長している。このファセットは成長速度が他の面より遅いために現れ、ファセットの出現により、基板とGaN系半導体の界面付近から発生した転位がファセットに向かって進むようになり、基板と垂直に伸びていた転位が垂直な方向へ伸びることができなくなる。
【0047】
したがってGaN系半導体の結晶欠陥はファセットの成長とともに横方向に曲げられ、GaN系半導体のエピタキシャル成長による膜厚の増加に伴い、成長領域では結晶欠陥が減少していき、結晶の端に出てしまうか、閉ループを形成する。これにより、エピタキシャル膜内の欠陥の低減が計られる。
【0048】
このように基板上にマスクにより選択的に形成された成長領域にファセット構造を有するGaN系半導体膜を成長することで、GaN系半導体膜の結晶欠陥を大幅に減らすことが可能となる。
【0049】
さらに、第3の実施の形態で得られるGaN系半導体膜は膜厚を所望の厚さに成長してから基板(サファイア基板等)とマスクとGaN系半導体の一部を除去することで、結晶欠陥の少ないGaN系半導体膜の基板として用いることができる。このようなGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子を作製することで、GaN系半導体素子の積層構造の結晶性を改善することができる。
【0050】
またGaN系半導体素子がGaN系半導体発光素子の場合は、サファイア基板等で問題となっていたGaN系半導体発光素子における基板裏面への電極形成が可能になる。
【0051】
さらにGaN系半導体発光素子がGaN系半導体レーザの場合は、GaN系半導体とへき開面が異なるヘテロ基板上にレーザ構造を形成しても、へき開による共振器ミラーの作製が可能になる。
【0052】
なお、第3の実施の形態におけるGaN系半導体膜の形成は説明上第1の実施の形態のエピタキシャル成長を用いた記載としたが、第2の実施の形態でも適用可能である。
【0053】
第3の実施の形態の説明では、GaN系半導体と格子定数や熱膨張係数の異なる基板表面に直接マスクを形成する例を示したが、基板上にGaN系半導体を成長した後に、該GaN系半導体表面にマスクを形成しても同様な効果が得られる。
【0054】
さらに本実施の形態に用いるマスクとしては第1の実施の形態あるいは第2の実施の形態と同様な材料、寸法、形状を適用することができる。また本実施の形態におけるGaN系半導体膜としてはGaN、AlGaN、InGaN等があげられるがGaNが最も好ましい。
【0055】
またGaN系半導体素子としては、GaN系半導体レーザやGaN系LED等のGaN系半導体発光素子の他にFETやHBTなどのデバイスにも適用可能である。
【0056】
(第4の実施の形態)
本発明の第4の実施の形態について、図6を参照して説明する。
【0057】
第4の実施の形態は、GaN系半導体と熱膨張係数や格子定数が異なる基板上に、第1の実施の形態のエピタキシャル成長を利用してGaN系半導体厚膜を成長し、さらにこのGaN系半導体厚膜上にGaN系半導体素子を作製するものである。
【0058】
第4の実施の形態ではGaN系半導体膜上のGaN系半導体素子としてGaN系半導体発光素子を用いた場合について説明する。
【0059】
はじめに、基板表面にマスクを形成し、フォトリソグラフィー法とウエットエッチングでマスクと成長領域に分離する。基板には、GaN系半導体と熱膨張係数や格子定数の異なる基板材料上にGaN系半導体が形成された基板を用いる。
【0060】
マスク及び成長領域の形状としては、第1の実施の形態の説明のように成長領域のGaN系半導体にファセットが出現する形状とする。
【0061】
次に成長領域に対しGaN系半導体のエピタキシャル成長を行う。GaN系半導体の成長法は、III族原料にガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)の反応生成物である塩化ガリウム(GaCl)とV族原料にアンモニア(NH3 )ガスを用いるハイドライドVPE法が好ましいが、有機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いてもよい。
【0062】
GaN系半導体のエピタキシャル成長は、第1の実施の形態と同様に、GaN系半導体が初期段階ではマスク上に成長せず成長領域のみで結晶成長が起こり、成長領域上のGaN系半導体には基板の面方位とは異なる面方位のファセット構造が形成される。
【0063】
エピタキシャル成長を続けると、GaN系半導体はファセット構造の面に対して垂直な方向に成長が進むため、成長領域だけでなくマスクを覆うようになる。そして隣接する成長領域のGaN系半導体膜のファセット構造と接触する。さらにエピタキシャル成長を続けると、GaN系半導体によりファセット構造が埋め込まれ、最終的には、平坦な表面を有するGaN系半導体膜を得ることができる。
【0064】
次にGaN系半導体膜上にGaN系半導体発光素子の素子構造を作製する。GaN系半導体膜を形成した後、GaN系半導体膜が形成された基板をMOCVD装置にセットし、所定の温度、ガス流量、V/III比で、n型GaN層、n型AlGaNクラット層、n型GaN光ガイド層、アンドープInGaN量子井戸層とアンドープInGaN障壁層からなる多重量子井戸構造活性層、p型AlGaN層、p型GaN光ガイド層、p型AlGaNクラッド層、p型GaNコンタクト層を順次形成しレーザー構造を作製する。
【0065】
次に、レーザー構造を形成した基板を研磨器にセットし、基板、SiO2マスク、およびGaN系半導体膜の一部を研磨してGaN系半導体膜を露出させる。露出したGaN系半導体膜の面、すなわちGaN系半導体発光素子裏面側にn型電極を形成し表面側にp型電極を形成する。
【0066】
第4の実施の形態により以下の効果が得られる。
【0067】
第1の実施の形態のエピタキシャル成長で得られたGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子構造を成長することにより、従来のサファイア基板を用いた成長で問題となっていたGaN系半導体素子構造におけるエピタキシャル成長膜の結晶性が改善でき、GaN系半導体素子特性を向上させることができる。
【0068】
さらにGaN系半導体素子がGaN系半導体発光素子の場合においては、裏面に電極を形成することができるため、従来のようにドライエッチング等複雑な作製工程で電極をGaN系半導体膜の表面に形成することなく素子を作製でき電極作製工程が簡略化できる。
【0069】
またGaN系半導体発光素子がGaN系半導体レーザの場合は、結晶欠陥が少ないGaN系半導体厚膜を形成した後に基板、マスクを除去することで、へき開によりGaN系半導体レーザ構造の共振器ミラー面を形成できる。このため従来のドライエッチング等による複雑な工程で共振器ミラー面を形成したものに比べ大幅に簡略化でき歩留まりも大幅に向上できる。
【0070】
なお、第4の実施の形態は上記の説明に限定されるものではなく、必要に応じて他の構成、成長法を採ることが可能である。
【0071】
例えば、GaN系半導体膜のエピタキシャル成長は第1の実施の形態だけでなく、第2の実施の形態の適用もできる。
【0072】
さらにGaN系半導体膜上にGaN系半導体素子の積層構造を作製した後に基板、マスクを除去したが、GaN系半導体膜形成後に基板、マスクとGaN系半導体膜の一部を除去した後にGaN系半導体素子の積層構造を作製してもよい。
【0073】
なお、GaN系半導体膜から基板、マスクを除去した例を説明したが、GaN系半導体膜上に形成されたGaN系半導体素子の結晶性の効果だけ得たいのであれば、基板、マスクの除去を行わず、GaN系半導体素子表面側に電極を形成する構成としてもよい。
【0074】
さらに本実施の形態に用いるマスクとしては第1の実施の形態あるいは第2の実施の形態と同様な材料、寸法、形状を適用することができる。また本実施の形態におけるGaN系半導体膜としてはGaN、AlGaN、InGaN等があげられるがGaNが最も好ましい。
【0075】
またGaN系半導体素子としては、GaN系半導体レーザやGaN系LED等のGaN系半導体発光素子の他にFETやHBTなどのデバイスにも適用可能である。
【0076】
【実施例】
次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【0077】
(第1の実施例)
本発明の実施例について、図1を参照して説明する。本実施例では、基板として、(0001)面サファイア(Al2O3)基板11上に1μm程度の膜厚のGaN膜12をあらかじめ形成した基板を用いた。このGaN膜12表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウエットエッチングでマスク14と成長領域13に分離した。成長領域13およびマスク14は、それぞれ5μmおよび2μmの幅のストライプ状である。ストライプ方向は<11−20>方向とした((図1(a))。
【0078】
成長領域13に成長するGaN膜15は、III族原料にガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)の反応生成物である塩化ガリウム(GaCl)とV族原料にアンモニア(NH3 )ガスを用いるハイドライドVPE法を用いた。基板11をハイドライドの成長装置にセットし、水素雰囲気で成長温度1000℃に昇温する。成長温度が安定してから、HCl流量を20cc/毎分で供給し、NH3流量1000cc/毎分で5分程度供給することで、成長領域13にGaN膜15の{1−101}面からなるファセット構造を成長させた(図1(b))。さらに、20分間程度エピタキシャル成長を続け、マスク14を覆うまでファセット構造16を発達させた(図1(c))。
【0079】
エピタキシャル成長を続けることによりファセット構造を埋め込み(図1(d))、最終的には、5時間の成長で200μm程度の平坦な表面を有するGaN膜を形成させた(図1(e))。GaN膜15を形成後、アンモニアガスを供給しながら、常温まで冷却し成長装置より取り出した。
【0080】
第1の実施例では成長領域を制限する選択成長により、側壁が{1−101}面からなるファセットを形成して結晶成長を行っている。このファセットは成長速度が他の面より遅いために現れてくる。ファセットが現れる前は、基板と垂直に伸びていた転位が、ファセットの出現でこの方向へ伸びることができなくなる。
【0081】
本発明により成長した結晶を詳細に調べると、ファセットの出現で、横方向に曲げられ、エピタキシャル膜の膜厚増加に伴い、結晶の端に出ることがわかった。これにより、エピタキシャル膜内の欠陥の低減が計られる。
【0082】
第1の実施例によって形成されたGaN膜15には、サファイア基板11と格子定数や熱膨張係数が違うにもかかわらずクラックが入っていないことが確認された。しかも、厚膜成長を行ったGaN膜には、欠陥が非常に少なく、欠陥密度は106cm2程度であった。
【0083】
本実施例で成長したGaN膜は欠陥が非常に少なく、この上にレーザ、FET、およびHBTなどの高品質なデバイス構造を成長することで、デバイス特性を向上させることが可能となる。
【0084】
さらにサファイア基板11を研磨等によって除去することで、GaN膜15を基板材料として用いることもできる。
【0085】
第1の実施例では、GaN膜のエピタキシャル成長にハイドライドVPE法を用いて形成したが、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)を用いても同様な効果が得られる。またAl2O3基板11を用いたが、Si基板、ZnO基板、SiC基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板等を用いても同様な効果が得られる。さらにAl2O3基板11上にGaN膜12をあらかじめ形成したが、基板11上に直接マスクを形成してもよい。
【0086】
またマスク14としてSiO2を用いたがこれに限られるものではなく、SiNx等の絶縁体膜でもよい。この実施例ではマスク14の幅を2μmとしたが、マスクを埋め込むことのできる幅であれば同様な効果が得られる。さらにストライプを<11−20>方向に形成したが、ファセットが形成されれば、これと垂直の方向<1−100>でもよく、これらの方向から傾けた角度であっても結晶成長の条件により、成長領域にファセット構造を形成することができる。なおファセット構造が形成される結晶成長の条件は材料によってそれぞれ異なる。
【0087】
またGaNのエピタキシャル成長について述べたが、InGaN膜、AlGaN膜、InN膜をエピタキシャル成長しても同様な効果が得られる。さらに成長するIII−V族化合物に不純物の添加しても同様な効果が得られる。
【0088】
(第2の実施例)
本発明の第2の実施例について、第1の実施例と同じく図1を参照して説明する。
【0089】
第2の実施例では、基板として、(0001)面SiC基板11上に1μm程度の膜厚のAl0.1Ga0.9N膜12をあらかじめ形成した結晶を用いた。このAl0.1Ga0.9N膜12表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウエットエッチングでマスク14と成長領域13に分離した。成長領域13、およびマスク14は、それぞれ2μm、および10μmの幅のストライプ状である。ストライプ方向は<1−100>方向とした((図1(a))。
【0090】
成長領域13に成長するGaN膜15は、III族原料にガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)の反応生成物である塩化ガリウム(GaCl)とV族原料にアンモニア(NH3 )ガスを用いるハイドライドVPE法を用いた。基板11をハイドライドの成長装置にセットし、水素雰囲気で成長温度1000℃に昇温する。成長温度が安定してから、HCl流量を20cc/毎分で供給し、NH3 流量2000cc/毎分で5分程度供給することで、成長領域13にGaN膜15の{1−101}面からなるファセット構造を成長させた(図1(b))。
【0091】
さらに、20分間程度エピタキシャル成長を続け、マスク14を覆うまでGaNのファセット構造15を発達させた(図1(c))。
【0092】
エピタキシャル成長を続けることによりファセット構造を埋め込み(図1(d))、最終的には、5時間の成長で200μm程度の平坦な表面を有するGaN膜を形成させた(図1(e))。GaN膜15の形成後、NH3ガスを供給しながら常温なで冷却し、成長装置より取り出す。
【0093】
第2の実施例によって形成されたGaN膜15には、SiC基板11との格子定数や熱膨張係数が違うにもかかわらずクラックが入っていないことが確認された。しかも、厚膜成長を行ったGaN膜には、欠陥が非常に少なく欠陥密度は106cm2程度であった。
【0094】
本実施例で成長したGaN膜は欠陥が非常に少なく、この上にレーザ、FET、およびHBTなどの高品質なデバイス構造を成長することで、デバイス特性を向上させることが可能となる。
【0095】
また、SiC基板11を研磨等によって除去することで、GaN膜15を基板材料として用いることもできる。
【0096】
第2の実施例では、GaN膜のエピタキシャル成長にハイドライドVPE法を用いて形成したが、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)を用いても同様な効果が得られる。また本実施例では、SiC基板11を用いたが、Si基板、ZnO基板、Al2O3基板基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板等を用いても同様な効果が得られる。さらにSiC基板11上に膜厚のGaN膜12をあらかじめ形成したが、基板11上に直接マスクを形成してもよい。
【0097】
またマスク14としてSiO2を用いたがこれに限られるものではなく、SiNx等の絶縁体膜でもよい。この実施例ではマスク14の幅を10μmとしたが、マスクを埋め込むことのできる幅であれば同様な効果が得られる。さらにストライプを<1−100>方向に形成したが、ファセットが形成されれば、これと垂直の方向<1−120>でもよく、これらの方向から傾けた角度であっても結晶成長の条件により、成長領域にファセット構造を形成することができる。なおファセット構造が形成される結晶成長の条件は材料によってそれぞれ異なる。
【0098】
またさらに基板11上の膜としてAl組成0.1のAlGaNを用いたが、この組成は任意のものでよく、この膜としてその他にAlN、InGaNなどを用いても同様な効果が得られる。さらにGaNのエピタキシャル成長について述べたが、InGaN膜、AlGaN膜、InN膜をエピタキシャル成長しても同様な効果が得られる。また成長するIII−V族化合物に不純物の添加しても同様な効果が得られる。
【0099】
(第3の実施例)
本発明の第3の実施例について、図2を参照して説明する。
【0100】
第3の実施例では、基板として、(111)面のMgAl2O4基板21を用いた。この基板21表面にSiO2膜23を形成し、フォトリソグラフィー法とウエットエッチングでマスク23と成長領域22に分離した。成長領域22、およびマスク23は、それぞれ4μm、および3μmの幅のストライプ状である。ストライプ方向は<11−20>方向とした((図2(a))。
【0101】
GaN膜の成長は、マスク23上に多結晶のGaNが付着を抑制するのに適したハイドライドVPE法を用いた。この手法では、III族原料にガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)の反応生成物である塩化ガリウム(GaCl)と、V族原料にアンモニア(NH3)ガスを用いる。
【0102】
まず、基板21を成長装置にセットし、水素ガスを供給しながら1000℃程度の高温で熱処理した後、500℃に降温させ、HCl流量を0.5cc/毎分で供給し、NH3 流量1000cc/毎分で5分程度供給することで、結晶成長領域23に約20nmの膜厚のGaNバッファ層24を形成する(図2(b))。
【0103】
この状態で、NH3ガスを供給しながら1000℃に昇温する。成長温度が安定してから、HCl流量を20cc/毎分で供給し、NH3 流量1500cc/毎分で5分程度供給することで、成長領域22のGaNバッファー層24上にGaNの{1−101}面からなるファセット構造25を成長させた(図2(c))。
【0104】
さらに、エピタキシャル成長を続け、マスク23を覆うまでGaN膜25のファセット構造を発達させた後、ファセット構造を埋め込みながら成長を続け、最終的には、5時間の成長で200μm程度の平坦な表面を有するGaN膜25を形成させた(図2(d))。GaN膜25の形成後、NH3 ガスを供給しながら常温まで冷却し成長装置より取り出す。
【0105】
第3の実施例によって形成されたGaN膜25には、MgAl2O4基板21との格子定数や熱膨張係数が違うにもかかわらずクラックが入っていないことが確認された。しかも、厚膜成長を行ったGaN膜には、欠陥が非常に少なく、106cm2程度であった。
【0106】
本実施例で成長したGaN膜は欠陥が非常に少なく、この上にレーザ、FET、およびHBTなどの高品質なデバイス構造を成長することで、デバイス特性を向上させることが可能となる。またMgAl2O4基板21を研磨等によって除去することで、GaN膜25を基板材料として用いることもできる。
【0107】
第3の実施例では、GaN膜のエピタキシャル成長にハイドライドVPE法を用いて形成したが、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)を用いても同様な効果が得られる。また実施例では、MgAl2O4基板21を用いたが、Si基板、ZnO基板、SiC基板、LiGaO2 基板、Al2 O3 基板等を用いても同様な効果が得られる。さらにMgAl2 O4 21上に直接マスクを形成したが、基板21上にGaN膜をあらかじめ形成してもよい。
【0108】
またマスク14としてSiO2を用いたがこれに限られるものではなく、SiNx等の絶縁体膜でもよい。さらにマスク24の幅を10μmとしたが、マスクを埋め込むことのできる幅であれば同様な効果が得られる。本実施例では、ストライプを<11−20>方向に形成したが、ファセットが形成されれば、これと垂直の方向<1−100>でもよく、これらの方向から傾けた角度でも結晶成長の条件により、成長領域にファセット構造を形成することができる。なお、ファセット構造が形成される結晶成長の条件は材料によってそれぞれ異なる。
【0109】
また本実施例では基板上に低温バッファ層を設けた後にGaN膜の成長を行っているため、結晶欠陥をより少なくすることが可能となる。
【0110】
さらに、実施例では、GaNのエピタキシャル成長について述べたが、InGaN膜、AlGaN膜、InN膜をエピタキシャル成長しても同様な効果が得られる。さらに成長するIII−V族化合物に不純物の添加しても同様な効果が得られる。
【0111】
(第4の実施例)
本発明の第4の実施例について、図3、図4を参照して説明する。図3は選択的にエピタキシャル成長する成長領域の形状を丸形状、三角形状及び矩形状とした概略図である。
【0112】
本実施例では、基板として(0001)面のAl2O3基板41上に1μm程度の膜厚のGaN膜42をあらかじめ形成した結晶基板を用いた。
【0113】
このGaN膜42表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウエットエッチングでマスク43と成長領域44に分離した。成長領域44は、4μmの直径の丸状(図3(a))、一辺が3μmの三角形状(図3(b))、および5μm角の矩形状(図3(c))の3種類となるマスクをそれぞれ用いた。
【0114】
形成した成長領域44に成長するGaN膜45は、III族原料にトリメチルガリウム(TMGa)及びトリメチルアルミニウム(TMAl)とV族原料にアンモニア(NH3 )ガスを用いる有機金属化合物気相成長法を用いた。
【0115】
図4は図3の成長領域を形成した基板上に気相成長法を用いてIII−V族化合物半導体膜を形成する工程の概略図である。基板41を有機金属化合物気相成長装置にセットし、水素ガスとNH3ガスを供給しながら1050℃の成長温度に昇温する。成長温度が安定してから、トリメチルガリウム流量を5cc/毎分で供給し、NH3 流量5000cc/毎分で10分程度供給することで、成長領域44にGaN膜45の{1−101}面からなるファセット構造を成長させた(図4(a))。
【0116】
さらに、30分間程度エピタキシャル成長を続け、マスク43を覆うまでGaN層45のファセット構造を発達させた(図4(b))。
【0117】
エピタキシャル成長を続けることによりGaN層45のファセット構造を埋め込み(図4(c))、最終的には、12時間の成長で100μm程度の平坦な表面を有するGaN膜45を形成させた(図4(d))。
【0118】
3種類の形状の成長領域に形成したGaN膜45は、成長領域の形状によらず平坦な表面が得られ、サファイア基板41にクラックが入っていないことが確認された。また、本実施例では成長領域の形状を丸状、三角形状、および矩形状の3種類としたが、マスク領域を埋め込むことのできる形状であれは多角形の形状、大きさによらず同様の効果がある。
【0119】
本実施例で成長したGaN膜は欠陥が非常に少なく、この上にレーザ、FET、およびHBTなどの高品質なデバイス構造を成長することで、デバイス特性を向上させることが可能となる。
【0120】
さらにサファイア基板41を研磨等によって除去することで、GaN膜45を基板材料として用いることもできる。
【0121】
第4の実施例では、GaN膜のエピタキシャル成長にハイドライドVPE法を用いて形成したが、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)を用いても同様な効果が得られる。またAl2O3基板41を用いたが、Si基板、ZnO基板、SiC基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板等を用いても同様な効果が得られる。さらにAl2O3基板41上に膜厚のGaN膜42をあらかじめ形成したが、基板41上に直接マスクを形成してもよい。
【0122】
またマスク43としてSiO2を用いたがこれに限られるものではなく、SiNx等の絶縁体膜でもよい。
【0123】
またGaNのエピタキシャル成長について述べたが、InGaN膜、AlGaN膜、InN膜をエピタキシャル成長しても同様な効果が得られる。さらに成長するIII−V族化合物に不純物の添加しても同様な効果が得られる。
【0124】
(第5の実施例)
本発明の第5の実施例について、図5を参照して説明する。
【0125】
基板51には、1μmの膜厚のGaN膜52が形成された(0001)面のサファイア基板51を用いた。
【0126】
この基板51表面にSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウエットエッチングで第1のマスク53と第1の成長領域54に分離した。第1の成長領域54、および第1のマスク53は、それぞれ2μm、および5μmのストライプ状とした。ストライプ方向は、<11−20>とした(図5(a))。
【0127】
第1の成長領域54に成長する第1のGaN膜55は、上記の実施例1と同様にIII族原料にガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)の反応生成物である塩化ガリウム(GaCl)とV族原料にアンモニア(NH3)ガスを用いるハイドライドVPE法を用いた。基板51をハイドライドの成長装置にセットし、水素雰囲気で成長温度1000℃に昇温する。650℃の温度から基板51をNH3ガス雰囲気にする。成長温度が安定してから、HCl流量を10cc/毎分で供給し、NH3流量4000cc/毎分で60分間の成長で、第1の実施例で説明した図1の(a)から(e)の成長工程を経て、第1のマスク53を埋め込んだ第1のGaN膜55を形成する(図5(b))。第1のGaN膜55を形成後、NH3ガス雰囲気で常温まで冷却し、成長装置より取り出す。
【0128】
次に、GaN膜55上に再びSiO2膜を形成し、第2の成長領域56と第2のマスク57を形成する。それぞれのストライプ幅は、2μm、および5μmであり、ストライプ方向は<11−20>とした(図5(c))。この基板51上に、再び、第1の実施例で説明した図1の(a)から(e)の成長工程を経て、第2のマスク57を埋め込み、およそ150μmの第2のGaN層58を成長させ平坦化した表面を得た(図5(d))。
【0129】
成長した第2のGaN膜58の欠陥を断面透過電子顕微鏡で調べた結果、欠陥が105 cm2以下と極めて少ないものであった。ここでは、2段階の選択成長について述べたが、上記工程を繰り返すことでさらに欠陥密度を減少させることができる。
【0130】
第5の実施例では、GaN膜のエピタキシャル成長にハイドライドVPE法を用いて形成したが、有機金属化合物気相成長法(MOCVD)を用いても同様な効果が得られる。またAl2O3基板51を用いたが、Si基板、ZnO基板、SiC基板、LiGaO2基板、MgAl2O4基板等を用いても同様な効果が得られる。さらにAl2O3基板51上にGaN膜52を成長した後にマスクを形成したが、これに限らず、基板上にGaN膜52を成長せず、直接第1のマスク53を成長してもよい。
【0131】
またマスク53としてSiO2を用いたがこれに限られるものではなく、SiNx等の絶縁体膜でもよい。さらに成長領域がストライプとなるようにパターニングされたマスクを用いたが、これに限らず、丸形状、矩形状、三角形状でもよい。またGaNのエピタキシャル成長について述べたが、InGaN膜、AlGaN膜、InN膜をエピタキシャル成長しても同様な効果が得られる。さらに成長するIII−V族化合物に不純物の添加しても同様な効果が得られる。
【0132】
本発明の各実施例ではGaN系のIII−V族化合物半導体を用いた例について述べたが、これに限られるものではなく、基板と格子定数あるいは熱膨張係数が異なるIII−V族化合物半導体の成長に適用可能であることはいうまでもない。
【0133】
(第6の実施例)
本発明の第6の実施例について、図6を参照して説明する。図6は本発明のエピタキシャル成長をGaN膜の成長に用い、さらにこのGaN膜上にGaN系半導体レーザを製造する工程を説明するための概略図である。
【0134】
図6に示す基板61には、1μmの膜厚のGaN膜62が形成された(0001)面のサファイア基板61を用いた。この基板61表面にSiO2膜を形成し、第1から第4の実施例と同様にフォトリソグラフィー法とウエットエッチングで第1のマスク63と第1の成長領域64に分離した。第1の成長領域64、および第1のマスク63は、それぞれ5μm、および2μmのストライプ状とした。ストライプ方向は、<11−20>方向から10度傾けて形成した(図6(a))。
【0135】
第1の成長領域64に成長する第1のGaN膜65は、上記の実施例1と同様にIII族原料にガリウム(Ga)と塩化水素(HCl)の反応生成物である塩化ガリウム(GaCl)とV族原料にアンモニア(NH3 )ガスを用いるハイドライドVPE法を用いた。基板61をハイドライドの成長装置にセットし、水素雰囲気で成長温度1000℃に昇温する。650℃の温度から基板51をNH3 ガス雰囲気にする。成長温度が安定してから、HCl流量を40cc/毎分で供給し、NH3 流量1000cc/毎分、およびシラン(SiH4)流量0.01cc/毎分で150分間の成長で、第1の実施例で説明した図1の(a)から(e)の成長工程を経て、第1のマスク63を埋め込んだ膜厚200μmの第1のGaN膜65を形成する(図5(b))。第1のGaN膜65を形成後、NH3ガス雰囲気で常温まで冷却し、成長装置より取り出す。GaN膜65は、n型で、1×1018cm-3以上のキャリア濃度であった。
【0136】
次に、GaN系半導体レーザ構造の作製には、有機金属化学気相成長法(MOVPE)を用いて作製した。GaN膜65を形成後、MOCVD装置にセットし、水素雰囲気で成長温度1050℃に昇温する。650℃の温度からNH3ガス雰囲気にする。Siを添加した1μmの厚さのn型GaN層66、Siを添加した0.4μmの厚さのn型Al0.15Ga0.85Nクラット層67、Siを添加した0.1μmの厚さのn型GaN光ガイド層68、2.5nmの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と5nmの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる10周期の多重量子井戸構造活性層69、マグネシウム(Mg)を添加した20nmの厚さのp型Al0.2Ga0.8N層70、Mgを添加した0.1μmの厚さのp型GaN光ガイド層71、Mgを添加した0.4μmの厚さのp型Al0.15Ga0.85Nクラッド層72、Mgを添加した0.5μmの厚さのp型GaNコンタクト層73を順次形成しレーザー構造を作製した。p型のGaNコンタクト層73を形成した後は、HN3 ガス雰囲気で常温まで冷却し、成長装置より取り出す(図6(c))。2.5nmの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と5nmの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる多重量子井戸構造活性層69は、780℃の温度で形成した。
【0137】
次に、レーザー構造を形成したサファイア基板61を研磨器にセットし、サファイア基板61、GaN層62、SiO2マスク63、およびGaN膜65の50μm研磨してGaN膜65を露出させる。露出したGaN層65面には、チタン(Ti)−アルミ(Al)のn型電極74を形成し、p型のGaN層73上にはニッケル(Ni)−金(Au)のp型電極75を形成する(図6(d))。
【0138】
図6に示すレーザ構造では、裏面にn型電極が形成されており、従来のようにドライエッチング等複雑な作製工程でn型の電極を窒化物表面に形成することなく素子を形成できるため電極作製工程が簡略化できる。
【0139】
また、サファイアとGaN系半導体とは結晶のへき開面が異なるため、従来サファイア基板上に作製したレーザ構造の共振器ミラーはへき開により形成することが困難であった。
【0140】
これに対し、本実施例では結晶欠陥が少ないGaN層65を厚く成長することができるため、サファイア基板やマスク材料を除去してもGaN65上に形成したGaN系半導体のレーザ構造には影響がなく、またGaN層65上のレーザ構造はへき開により共振器ミラー面を形成できる利点を持っているため、従来のドライエッチング等による複雑な工程で共振器ミラー面を形成したものに比べ大幅に簡略化でき歩留まりも大幅に向上した。
【0141】
本実施例では、GaN層65上にレーザー構造形成してから、サファイア基板51、GaN膜62、SiO2マスク63を研磨したが、レーザー構造を作製する前にサファイア基板61、GaN膜62、SiO2マスク63を研磨しても同様な効果が得られる。
【0142】
また、本実施例では、サファイア基板61、GaN層62、SiO2 マスク63の研磨、およびGaN膜65の一部を研磨して、n型の電極を形成したが、研磨を行わずにドライエッチングによりn型のGaN層66または65まで除去しn型電極を形成し、共振器ミラー面を形成することで従来の構造を作製することもできる。
【0143】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるIII−V族化合物半導体の成長方法は、初期成長段階で、マスクにより基板上の成長領域を制限し、ファセット成長を促すことで、成長するIII−V族化合物半導体層と基板結晶の熱膨張係数差、および格子定数差によって生じるクラックを抑え、欠陥の導入を抑制して、高品質のIII−V族化合物半導体層を形成することができる。従って、本発明による結晶を用いれば、この上に高品質の半導体素子、例えばレーザ構造や、トランジスタ構造を作製することができ、その特性が飛躍的に向上することが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のIII−V族化合物半導体の形成方法を説明する工程概略図である。
【図2】AlGaN膜が形成されたMgAl2O4基板上にハイドライドVPE法を用いて、GaN膜を形成する工程の概略図である。
【図3】選択的にエピタキシャル成長する成長領域の形状を丸形状、三角形状、及び矩形状に形成した概略図である。
【図4】図3の丸形状、三角形状、及び矩形状の成長領域を形成した基板上に気相成長法を用いてIII−V族化合物半導体膜を形成する工程の概略図である。
【図5】本発明の成長方法を2回繰り返して形成したGaN膜の概略図である。
【図6】本発明の成長方法を用いて形成したGaN膜上にGaN系半導体レーザー構造を形成する工程の概略図である。
【符号の説明】
11 基板
12 基板に形成されたIII−V族化合物半導体膜
13 III−V族化合物半導体を成長させる成長領域
14 マスク
15 エピタキシャル成長したIII−V族化合物半導体膜
16 III−V族化合物半導体のファセット構造
21 (0001)面のサファイア基板
22 GaN膜
23 マスク
25 エピタキシャル成長したGaN膜
31 (111)面のMgAl2O4基板
32 1μmのGaN膜、またはAlGaN膜
32 基板上に形成された成長領域
33 基板上に形成したSiO2膜のマスク
34 エピタキシャル成長したGaNバッファ層
35 ハイドライドVPE法で成長したGaN膜
43 マスク
44 成長領域
51 (0001)面のサファイア基板
53 第1のマスク
54 第1の成長領域
55 第1のGaN層
56 第2の成長領域
57 第2のマスク
58 第2のGaN層
65 n型GaN膜
66 n型GaN層
67 n型Al0.15Ga0.85Nクラット層
68 n型GaN光ガイド層
69 10周期の多重量子井戸構造活性層
70 p型Al0.2Ga0.8N層
71 p型GaN光ガイド層
72 p型Al0.15Ga0.85Nクラット層
73 p型GaNコンタクト層
74 Ti-Alのn型電極
75 Ni-Auのp型電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for epitaxial growth of a semiconductor crystal, a method for epitaxially growing a III-V compound semiconductor crystal film on a substrate having different lattice constants and thermal expansion coefficients, and this growth method. About. In particular, it is effective for the application of a GaN-based semiconductor epitaxial growth method in which it is difficult to form a semiconductor film with few crystal defects.
[0002]
Furthermore, the present invention relates to a GaN-based semiconductor element and a method for manufacturing the same, and more particularly to a GaN-based semiconductor element formed on a GaN semiconductor film with few crystal defects and a method for manufacturing the same.
[0003]
[Prior art]
Among group III-V compound semiconductors, gallium nitride (GaN), for example, has attracted attention as a blue light emitting element material because it has a large forbidden band of 3.4 eV and is a direct transition type.
[0004]
As a substrate material for manufacturing a light emitting device using this material, it is desirable to use a bulk crystal of the same substance as the epitaxial layer to be grown. However, in the case of a crystal such as GaN, it is very difficult to produce a bulk crystal due to the high dissociation pressure of nitrogen. Therefore, when manufacturing devices using materials that are very difficult to manufacture bulk crystals, for example, sapphire (Al 2 O Three ) Substrates with completely different physical properties and chemical properties such as lattice constant and thermal expansion coefficient, such as substrates, have been used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It has been reported that when epitaxial growth is performed on such a hetero-substrate, distortion and defects occur in the substrate and the epitaxial layer, and cracks occur especially when a thick film is grown. Applied Physics Vol. 32 (1993) pp. 1528-1533 ”(Jpn. J. Appl. Phys. Vol 32 (1993) pp. 1528-1533). In such a case, not only the performance as a device is extremely deteriorated, but also the growth layer is often destroyed.
[0006]
In addition, in the lattice-mismatched epitaxial growth, in order to obtain a high-quality epitaxial growth layer having a low dislocation density, the first crystal growth of 1 μm SiO 2 Japanese Patent Laid-Open No. 8-64791 discloses that a GaN film is selectively grown on a sapphire substrate in which stripes are formed by a film to concentrate lattice defects and dislocations in a specific region. However, in the example of JP-A-8-64791, SiO 2 Since no growth occurs in the film portion, a flat growth layer cannot be obtained on the entire surface, and the element formation location is restricted.
[0007]
The object of the present invention is that even if epitaxial growth is performed using a hetero-substrate having a different lattice constant or thermal expansion coefficient, distortion and defects are not generated in the substrate or the epitaxial growth layer, and cracks are generated even if a thick film is grown. The object is to provide a growth method for obtaining a difficult epitaxial growth layer.
[0008]
Still another object of the present invention is to provide a GaN-based semiconductor film having few crystal defects by utilizing the above-mentioned epitaxial growth for the growth of a GaN-based semiconductor.
[0009]
Another object of the present invention is to produce a GaN-based semiconductor device structure (for example, a GaN-based semiconductor light-emitting device structure) on the GaN-based semiconductor film formed by the above epitaxial growth, thereby obtaining excellent device characteristics. The object is to provide a semiconductor device (for example, a GaN-based semiconductor light-emitting device).
[0010]
[Means for solving the problems]
The method for forming a GaN-based semiconductor multilayer structure according to the present invention includes a substrate surface having a lattice constant and a thermal expansion coefficient different from those of a GaN-based semiconductor, or a growth region formed by a mask material patterned on the surface of a GaN-based semiconductor formed on the substrate. And forming the GaN-based semiconductor so as to form a facet structure in the growth region. And bending dislocations A step of covering the mask material together with a GaN-based semiconductor in an adjacent growth region and flattening the surface; and a step of forming a stacked structure of GaN-based semiconductor elements on the GaN-based semiconductor film.
[0011]
Also, the method for forming a GaN-based semiconductor multilayer structure according to the present invention grows with a mask material patterned on a substrate surface having a lattice constant or thermal expansion coefficient different from that of a GaN-based semiconductor, or on a GaN-based semiconductor surface formed on the substrate. Forming a region, and growing a GaN-based semiconductor to form a facet structure in the growth region. And bending dislocations A step of covering the mask material together with a GaN-based semiconductor in an adjacent growth region, planarizing a surface, a step of removing at least the substrate and the mask material from the GaN-based semiconductor film, and a GaN-based layer on the GaN-based semiconductor film And a step of forming a stacked structure of semiconductor elements. Alternatively, a step of forming a growth region with a mask material patterned on a substrate surface having a lattice constant or a thermal expansion coefficient different from that of a GaN-based semiconductor or a GaN-based semiconductor surface formed on the substrate, and a GaN-based semiconductor in the growth region Growing semiconductors to form faceted structures And bending dislocations A step of covering the mask material together with a GaN-based semiconductor in an adjacent growth region, planarizing a surface, a step of forming a laminated structure of GaN-based semiconductor elements on the GaN-based semiconductor film, and at least from the GaN-based semiconductor film And a step of removing the substrate and the mask material.
[0012]
Furthermore, the method for forming a GaN-based semiconductor multilayer structure according to the present invention is characterized in that the GaN-based semiconductor element is a GaN-based semiconductor light-emitting element including a double heterostructure. The GaN-based light emitting device is a GaN-based semiconductor laser.
[0013]
The GaN-based semiconductor multilayer structure of the present invention is patterned to form a growth region on a substrate having a lattice constant or thermal expansion coefficient different from that of the GaN-based semiconductor, and on the substrate surface or the GaN-based semiconductor surface formed on the substrate. Growing while forming a facet structure in the growth area with the mask material Bending dislocations, The GaN-based semiconductor film covers the mask material along with the growth of the GaN-based semiconductor in the adjacent growth region, and the planarized GaN-based semiconductor film is embedded and planarized by the growth of the GaN-based semiconductor. A laminated structure of GaN-based semiconductor elements is formed on the GaN-based semiconductor film. Furthermore, at least the substrate and mask material are removed from the GaN-based semiconductor multilayer structure.
[0014]
In the GaN-based semiconductor multilayer structure according to the present invention, the GaN-based semiconductor element is a GaN-based semiconductor light-emitting element including a double heterostructure. Furthermore, the GaN-based light emitting device is a GaN-based semiconductor laser.
[0015]
The method for manufacturing a GaN-based semiconductor device according to the present invention forms a growth region by using a mask material patterned on a substrate surface having a lattice constant or thermal expansion coefficient different from that of a GaN-based semiconductor, or on a GaN-based semiconductor surface formed on the substrate. And growing the GaN-based semiconductor so as to form a facet structure in the growth region. And bending dislocations And a step of covering the mask material together with a GaN-based semiconductor in an adjacent growth region and planarizing the surface, and a step of forming a GaN-based semiconductor element on the planarized GaN-based semiconductor film.
[0016]
In addition, the method for manufacturing a GaN-based semiconductor device according to the present invention provides a growth region using a mask material patterned on a substrate surface having a lattice constant or a thermal expansion coefficient different from that of a GaN-based semiconductor, or a GaN-based semiconductor surface formed on the substrate. And forming a GaN-based semiconductor in the growth region so as to form a facet structure. And bending dislocations A step of covering the mask material together with a GaN-based semiconductor in an adjacent growth region, planarizing a surface, a step of removing at least the substrate and the mask material from the GaN-based semiconductor film, and the planarized GaN-based semiconductor film It has the process of forming a GaN-type semiconductor element on it. Alternatively, a step of forming a growth region with a mask material patterned on a substrate surface having a lattice constant or a thermal expansion coefficient different from that of a GaN-based semiconductor or a GaN-based semiconductor surface formed on the substrate, and a GaN-based semiconductor in the growth region Growing semiconductors to form faceted structures And bending dislocations A step of covering the mask material together with a GaN-based semiconductor in an adjacent growth region, planarizing a surface, forming a GaN-based semiconductor element on the planarized GaN-based semiconductor film, and from the GaN-based semiconductor film And a step of removing at least the substrate and the mask material.
[0017]
Furthermore, the GaN-based semiconductor device manufacturing method of the present invention is characterized in that the GaN-based semiconductor device is a GaN-based semiconductor light-emitting device including a double heterostructure. The GaN-based light emitting device is a GaN-based semiconductor laser.
[0018]
The GaN-based semiconductor device according to the present invention includes a substrate having a lattice constant or a thermal expansion coefficient different from that of a GaN-based semiconductor, and a patterned mask that forms a growth region on the substrate surface or a GaN-based semiconductor surface formed on the substrate. Growing with material and faceted structure in the growth region Bending dislocations, The GaN-based semiconductor film covers the mask material along with the growth of the GaN-based semiconductor in the adjacent growth region, and the planarized GaN-based semiconductor film is embedded and planarized by the growth of the GaN-based semiconductor. A GaN-based semiconductor element is formed on the GaN-based semiconductor film. Further, at least the substrate and the mask material are removed from the GaN-based semiconductor element.
[0019]
Furthermore, the GaN-based semiconductor element is a GaN-based semiconductor light-emitting element including a double hetero structure. The GaN-based light emitting device is a GaN-based semiconductor laser.
[0020]
In the GaN-based semiconductor multilayer structure and the method for forming the same according to the present invention, the GaN-based semiconductor light-emitting element has an undoped quantum well active layer.
[0021]
In the GaN-based semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the GaN-based semiconductor light-emitting device has an undoped quantum well active layer.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0023]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 by taking epitaxial growth of a group III-V compound semiconductor as an example.
[0024]
First, a group III-
[0025]
Next, the III-V group compound semiconductor film is epitaxially grown on the growth region. The substrate with the
[0026]
The III-
[0027]
If the epitaxial growth is further continued, the group III-
[0028]
When the epitaxial growth is further continued, the facet structure is embedded (FIG. 1D), and finally a III-V group
[0029]
Normally, when crystal growth of a III-V group compound semiconductor having a different lattice constant or thermal expansion coefficient is performed on a substrate, dislocations due to crystal defects generated at the interface with the substrate extend in a direction perpendicular to the interface. Even if the epitaxial film is thickened, no reduction in dislocation is observed.
[0030]
In the method according to the present embodiment, the facet structure is formed in the growth region by selective growth. This facet appears because the growth rate is slower than the other aspects. Due to the appearance of the facet, the dislocation advances toward the facet, and the dislocation extending perpendicular to the substrate cannot extend in the vertical direction. It was found that crystal defects were bent laterally with facet growth, and as the thickness of the epitaxial film increased, crystal defects decreased in the growth region and appeared at the edge of the crystal or formed a closed loop. . Thereby, reduction of defects in the epitaxial film is measured. By forming and growing the facet structure in this way, crystal defects can be greatly reduced.
[0031]
In particular, in the vapor phase growth by the chloride transport method using chloride as a group III material, the growth of the group III-
[0032]
In addition, the organometallic compound vapor phase growth using an organic metal as the group III material has a slower growth rate than the vapor phase growth by the chloride transport method, but the facet structure of the group III-
[0033]
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5 by taking epitaxial growth of a III-V group compound semiconductor as an example.
[0034]
Since FIGS. 5A to 5B are manufactured in the same steps as FIGS. 1A to 1E of the first embodiment, the description thereof is omitted. In the second embodiment, after the III-V group compound semiconductor is epitaxially grown and the growth layer is planarized, a second mask is provided (FIG. 5C), and facets are formed as in the first embodiment. A structure is formed and planarization is performed (FIG. 5D).
[0035]
In the second embodiment, the defect density of the group III-V compound semiconductor film formed by repeating the manufacturing steps of FIGS. 1A to 1E can be further reduced.
[0036]
The first embodiment or the second embodiment is effective for crystal growth of a material having a lattice constant or thermal expansion coefficient different from that of the substrate. 2 O Three , Si, SiC, MgAl 2 O Four , LiGaO 2 , ZnO, etc., and can be applied to the growth of III-V group compound semiconductors such as GaN, GaAlN, InGaN, InN.
[0037]
In FIG. 1 or FIG. 5, an example is shown in which a mask is formed on the surface of a group III-V compound semiconductor film having the same property as that of the material grown in the next step on the substrate or similar to the material and the lattice constant and thermal expansion coefficient. However, the same effect can be obtained by forming a mask directly on the surface of the
[0038]
Further, in the present embodiment, the growth region using a stripe pattern as the
[0039]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, the GaN-based semiconductor film is formed by using the epitaxial growth of the III-V group compound semiconductor described in the first embodiment or the second embodiment for the growth of the GaN-based semiconductor. is there.
[0040]
In the third embodiment, the epitaxial growth described in the first embodiment or the second embodiment is used for a GaN-based semiconductor, and the description of the common parts is simplified.
[0041]
First, a mask for limiting a growth region on a substrate is formed on a substrate material having a thermal expansion coefficient and a lattice constant different from those of a GaN-based semiconductor by using a photolithography method and a wet etching method.
[0042]
Next, epitaxial growth of a GaN-based semiconductor is performed on the growth region. A crystal growth method for a GaN-based semiconductor grown in a growth region is based on gallium chloride (GaCl), which is a reaction product of gallium (Ga) and hydrogen chloride (HCl), as a group III material, and ammonia (NH) as a group V material. Three ) Vapor Phase Epitaxy (VPE), a vapor transport method using a chloride transport method using gas, and Metalorganic Vapor Phase Epitaxy (MOCVD) using an organic metal as a Ga raw material . The growth temperature is 650 ° C. to 1100 ° C., and the supply amount of the group V raw material may be from 1 to 200,000 times the supply amount of the group III raw material.
[0043]
In the epitaxial growth of the GaN-based semiconductor layer, as in the first embodiment, the GaN-based semiconductor does not grow on the mask in the initial stage and crystal growth occurs only in the growth region. A facet structure having a plane orientation different from the plane orientation of the substrate is formed.
[0044]
If the epitaxial growth is continued, the GaN-based semiconductor grows in a direction perpendicular to the facet structure surface, and thus covers not only the growth region but also the mask. And it contacts the facet structure of the GaN-based semiconductor in the adjacent growth region. When the epitaxial growth is further continued, the facet structure is embedded by the GaN-based semiconductor, and finally, a GaN-based semiconductor film having a flat surface can be obtained.
[0045]
Since GaN is difficult to produce bulk crystals, sapphire substrates, SiC substrates, etc. have been used as substrates in conventional GaN-based semiconductor crystal growth, but these substrates have lattice constants and thermal expansion coefficients that are different from those of GaN-based semiconductors. Is different. For this reason, when epitaxial growth of a GaN-based semiconductor is performed, dislocations accompanying crystal defects generated at the interface with the substrate extend in a direction perpendicular to the interface, and even if the epitaxial film is thickened, no reduction in dislocation was observed.
[0046]
In the epitaxial growth method according to the present embodiment, a facet structure having a plane orientation different from the substrate plane orientation is formed in a growth region selectively formed by a mask material on a substrate material having a thermal expansion coefficient or lattice constant different from that of a GaN-based semiconductor. A GaN-based semiconductor is epitaxially grown. This facet appears because the growth rate is slower than the other planes, and with the appearance of the facet, dislocations generated from the vicinity of the interface between the substrate and the GaN-based semiconductor proceed toward the facet, and the dislocations extended perpendicular to the substrate. Cannot extend in the vertical direction.
[0047]
Therefore, the crystal defects of the GaN-based semiconductor are bent in the lateral direction as the facet grows, and as the film thickness increases due to the epitaxial growth of the GaN-based semiconductor, the crystal defects decrease in the growth region and appear at the end of the crystal. Form a closed loop. Thereby, reduction of defects in the epitaxial film is measured.
[0048]
As described above, by growing a GaN-based semiconductor film having a facet structure in a growth region selectively formed on a substrate by a mask, crystal defects in the GaN-based semiconductor film can be greatly reduced.
[0049]
Furthermore, after the GaN-based semiconductor film obtained in the third embodiment is grown to a desired thickness, the substrate (such as a sapphire substrate), the mask, and a part of the GaN-based semiconductor are removed. It can be used as a substrate for a GaN-based semiconductor film with few defects. By producing a GaN-based semiconductor element on such a GaN-based semiconductor film, the crystallinity of the laminated structure of the GaN-based semiconductor element can be improved.
[0050]
When the GaN-based semiconductor light-emitting element is a GaN-based semiconductor light-emitting element, it is possible to form an electrode on the back surface of the substrate in the GaN-based semiconductor light-emitting element that has been a problem with sapphire substrates and the like.
[0051]
Further, when the GaN-based semiconductor light-emitting device is a GaN-based semiconductor laser, it is possible to produce a resonator mirror by cleavage even if a laser structure is formed on a hetero substrate having a cleavage plane different from that of the GaN-based semiconductor.
[0052]
The formation of the GaN-based semiconductor film in the third embodiment has been described using the epitaxial growth of the first embodiment for the sake of explanation, but it can also be applied to the second embodiment.
[0053]
In the description of the third embodiment, an example in which a mask is directly formed on a substrate surface having a lattice constant or a thermal expansion coefficient different from that of a GaN-based semiconductor has been described. A similar effect can be obtained even if a mask is formed on the semiconductor surface.
[0054]
Furthermore, as the mask used in this embodiment, the same material, size, and shape as those in the first embodiment or the second embodiment can be applied. In addition, as the GaN-based semiconductor film in the present embodiment, GaN, AlGaN, InGaN and the like can be mentioned, but GaN is most preferable.
[0055]
Further, as a GaN-based semiconductor element, in addition to a GaN-based semiconductor light-emitting element such as a GaN-based semiconductor laser and a GaN-based LED, it can be applied to devices such as FETs and HBTs.
[0056]
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0057]
In the fourth embodiment, a GaN-based semiconductor thick film is grown on a substrate having a thermal expansion coefficient and a lattice constant different from those of the GaN-based semiconductor by using the epitaxial growth of the first embodiment. A GaN-based semiconductor element is produced on a thick film.
[0058]
In the fourth embodiment, a case where a GaN-based semiconductor light-emitting element is used as a GaN-based semiconductor element on a GaN-based semiconductor film will be described.
[0059]
First, a mask is formed on the substrate surface, and the mask and the growth region are separated by photolithography and wet etching. As the substrate, a substrate in which a GaN-based semiconductor is formed on a substrate material having a thermal expansion coefficient or a lattice constant different from that of the GaN-based semiconductor is used.
[0060]
The shape of the mask and the growth region is a shape in which facets appear in the GaN-based semiconductor in the growth region as described in the first embodiment.
[0061]
Next, epitaxial growth of a GaN-based semiconductor is performed on the growth region. The growth method of a GaN-based semiconductor is based on gallium chloride (GaCl), which is a reaction product of gallium (Ga) and hydrogen chloride (HCl), as a group III source and ammonia (NH) as a group V source. Three ) A hydride VPE method using a gas is preferable, but a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE) may be used.
[0062]
In the epitaxial growth of the GaN-based semiconductor, as in the first embodiment, the GaN-based semiconductor does not grow on the mask in the initial stage, and crystal growth occurs only in the growth region. A facet structure having a plane orientation different from the plane orientation is formed.
[0063]
If the epitaxial growth is continued, the GaN-based semiconductor grows in a direction perpendicular to the facet structure surface, and thus covers not only the growth region but also the mask. Then, it contacts the facet structure of the GaN-based semiconductor film in the adjacent growth region. When the epitaxial growth is further continued, the facet structure is embedded by the GaN-based semiconductor, and finally, a GaN-based semiconductor film having a flat surface can be obtained.
[0064]
Next, an element structure of a GaN-based semiconductor light-emitting element is fabricated on the GaN-based semiconductor film. After forming the GaN-based semiconductor film, the substrate on which the GaN-based semiconductor film has been formed is set in an MOCVD apparatus, and the n-type GaN layer, the n-type AlGaN clat layer, n at a predetermined temperature, gas flow rate, and V / III ratio. -Type GaN light guide layer, multi-quantum well structure active layer comprising undoped InGaN quantum well layer and undoped InGaN barrier layer, p-type AlGaN layer, p-type GaN light guide layer, p-type AlGaN cladding layer, p-type GaN contact layer in order Form a laser structure.
[0065]
Next, the substrate on which the laser structure is formed is set in a polishing machine, and the substrate, SiO 2 The mask and a part of the GaN-based semiconductor film are polished to expose the GaN-based semiconductor film. An n-type electrode is formed on the exposed surface of the GaN-based semiconductor film, that is, the back surface side of the GaN-based semiconductor light-emitting element, and a p-type electrode is formed on the front surface side.
[0066]
The following effects are obtained by the fourth embodiment.
[0067]
By growing a GaN-based semiconductor device structure on the GaN-based semiconductor film obtained by the epitaxial growth of the first embodiment, the epitaxial growth in the GaN-based semiconductor device structure that has been a problem in the growth using the conventional sapphire substrate The crystallinity of the film can be improved, and the characteristics of the GaN-based semiconductor element can be improved.
[0068]
Furthermore, when the GaN-based semiconductor device is a GaN-based semiconductor light-emitting device, an electrode can be formed on the back surface, so that the electrode is formed on the surface of the GaN-based semiconductor film by a complicated manufacturing process such as dry etching as in the prior art. The device can be manufactured without any problems, and the electrode manufacturing process can be simplified.
[0069]
When the GaN-based semiconductor light-emitting device is a GaN-based semiconductor laser, the substrate mirror and the mask are removed after the GaN-based semiconductor thick film with few crystal defects is formed. Can be formed. For this reason, compared with the conventional method in which the resonator mirror surface is formed by a complicated process such as dry etching, the yield can be greatly improved.
[0070]
Note that the fourth embodiment is not limited to the above description, and other configurations and growth methods can be adopted as necessary.
[0071]
For example, not only the first embodiment but also the second embodiment can be applied to the epitaxial growth of a GaN-based semiconductor film.
[0072]
Furthermore, the substrate and the mask were removed after the laminated structure of the GaN-based semiconductor element was formed on the GaN-based semiconductor film, but after the formation of the GaN-based semiconductor film, the substrate, the mask, and a part of the GaN-based semiconductor film were removed, and then the GaN-based semiconductor A stacked structure of elements may be manufactured.
[0073]
The example in which the substrate and the mask are removed from the GaN-based semiconductor film has been described. However, if only the crystallinity effect of the GaN-based semiconductor element formed on the GaN-based semiconductor film is desired, the substrate and the mask are removed. Instead of this, an electrode may be formed on the surface side of the GaN-based semiconductor element.
[0074]
Furthermore, as the mask used in this embodiment, the same material, size, and shape as those in the first embodiment or the second embodiment can be applied. In addition, as the GaN-based semiconductor film in the present embodiment, GaN, AlGaN, InGaN and the like can be mentioned, but GaN is most preferable.
[0075]
Further, as a GaN-based semiconductor element, in addition to a GaN-based semiconductor light-emitting element such as a GaN-based semiconductor laser and a GaN-based LED, it can be applied to devices such as FETs and HBTs.
[0076]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0077]
(First embodiment)
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the substrate is a (0001) plane sapphire (Al 2 O Three 1) A substrate in which a
[0078]
The
[0079]
By continuing the epitaxial growth, the facet structure was embedded (FIG. 1D), and finally a GaN film having a flat surface of about 200 μm was formed by the growth for 5 hours (FIG. 1E). After the
[0080]
In the first embodiment, crystal growth is performed by forming facets whose side walls are {1-101} planes by selective growth that limits the growth region. This facet appears because the growth rate is slower than the other aspects. Before the facets appear, dislocations that extend perpendicular to the substrate cannot extend in this direction due to the appearance of the facets.
[0081]
Examining the crystal grown according to the present invention in detail, it was found that the facet was bent in the lateral direction with the appearance of the facet, and emerged at the end of the crystal as the thickness of the epitaxial film increased. Thereby, reduction of defects in the epitaxial film is measured.
[0082]
It was confirmed that the
[0083]
The GaN film grown in this example has very few defects, and device characteristics can be improved by growing high-quality device structures such as lasers, FETs, and HBTs thereon.
[0084]
Furthermore, the
[0085]
In the first embodiment, a hydride VPE method is used for epitaxial growth of a GaN film, but the same effect can be obtained by using a metal organic compound vapor deposition method (MOCVD). Also Al 2 O Three Substrate 11 was used, but Si substrate, ZnO substrate, SiC substrate, LiGaO 2 Substrate, MgAl 2 O Four Even if a substrate or the like is used, the same effect can be obtained. Furthermore Al 2 O Three Although the
[0086]
Further, as the
[0087]
Moreover, although the GaN epitaxial growth has been described, the same effect can be obtained by epitaxially growing an InGaN film, an AlGaN film, or an InN film. Further, the same effect can be obtained by adding impurities to the growing III-V group compound.
[0088]
(Second embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, as in the first embodiment.
[0089]
In the second embodiment, an Al film having a thickness of about 1 μm on a (0001)
[0090]
The
[0091]
Further, the epitaxial growth was continued for about 20 minutes, and the
[0092]
By continuing the epitaxial growth, the facet structure was embedded (FIG. 1D), and finally a GaN film having a flat surface of about 200 μm was formed by the growth for 5 hours (FIG. 1E). After forming the
[0093]
It was confirmed that the
[0094]
The GaN film grown in this example has very few defects, and device characteristics can be improved by growing high-quality device structures such as lasers, FETs, and HBTs thereon.
[0095]
Further, the
[0096]
In the second embodiment, a hydride VPE method is used for epitaxial growth of a GaN film, but the same effect can be obtained by using a metal organic compound vapor deposition method (MOCVD). In this embodiment, the
[0097]
Further, as the
[0098]
Further, although AlGaN having an Al composition of 0.1 is used as the film on the
[0099]
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0100]
In the third embodiment, as the substrate, (111) MgAl 2 O Four A substrate 21 was used. The surface of this
[0101]
For the growth of the GaN film, a hydride VPE method suitable for suppressing the deposition of polycrystalline GaN on the
[0102]
First, the
[0103]
In this state, NH Three The temperature is raised to 1000 ° C. while supplying gas. After the growth temperature is stabilized, the HCl flow rate is supplied at 20 cc / min, NH Three By supplying about 1500 minutes at a flow rate of 1500 cc / min, a
[0104]
Further, the epitaxial growth is continued and the facet structure of the
[0105]
The
[0106]
The GaN film grown in this example has very few defects, and device characteristics can be improved by growing high-quality device structures such as lasers, FETs, and HBTs thereon. MgAl 2 O Four The
[0107]
In the third embodiment, a hydride VPE method is used for epitaxial growth of a GaN film, but the same effect can be obtained by using an organic metal compound vapor phase growth method (MOCVD). In the examples, MgAl 2 O Four Substrate 21 was used, but Si substrate, ZnO substrate, SiC substrate, LiGaO 2 Substrate, Al 2 O Three Even if a substrate or the like is used, the same effect can be obtained. MgAl 2 O Four Although the mask is directly formed on the
[0108]
Further, as the
[0109]
In this embodiment, since the GaN film is grown after providing the low-temperature buffer layer on the substrate, it is possible to reduce crystal defects.
[0110]
Furthermore, in the embodiments, the epitaxial growth of GaN has been described. However, the same effect can be obtained even if an InGaN film, an AlGaN film, or an InN film is epitaxially grown. Further, the same effect can be obtained by adding impurities to the growing III-V group compound.
[0111]
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic diagram in which the shape of the growth region for selective epitaxial growth is round, triangular, and rectangular.
[0112]
In this example, (0001) plane Al is used as the substrate. 2 O Three A crystal substrate in which a GaN film 42 having a thickness of about 1 μm was previously formed on the
[0113]
On the surface of the GaN film 42, SiO 2 A film was formed and separated into a
[0114]
The
[0115]
FIG. 4 is a schematic view of a process of forming a group III-V compound semiconductor film by vapor deposition on the substrate on which the growth region of FIG. 3 is formed. The
[0116]
Further, the epitaxial growth was continued for about 30 minutes, and the facet structure of the
[0117]
By continuing the epitaxial growth, the facet structure of the
[0118]
It was confirmed that the
[0119]
The GaN film grown in this example has very few defects, and device characteristics can be improved by growing high-quality device structures such as lasers, FETs, and HBTs thereon.
[0120]
Further, the
[0121]
In the fourth embodiment, a hydride VPE method is used for epitaxial growth of a GaN film, but the same effect can be obtained by using a metal organic compound vapor deposition method (MOCVD). Also Al 2 O Three Substrate 41 was used, but Si substrate, ZnO substrate, SiC substrate, LiGaO 2 Substrate, MgAl 2 O Four Even if a substrate or the like is used, the same effect can be obtained. Furthermore Al 2 O Three Although the GaN film 42 having a film thickness is formed in advance on the
[0122]
Further, as the
[0123]
Moreover, although the GaN epitaxial growth has been described, the same effect can be obtained by epitaxially growing an InGaN film, an AlGaN film, or an InN film. Further, the same effect can be obtained by adding impurities to the growing III-V group compound.
[0124]
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0125]
As the
[0126]
On the surface of this
[0127]
The
[0128]
Next, SiO is again formed on the
[0129]
As a result of examining the defect of the grown second GaN film 58 with a cross-sectional transmission electron microscope, it was found that the defect was 10 Five cm 2 The following were extremely few. Although the two-stage selective growth has been described here, the defect density can be further reduced by repeating the above steps.
[0130]
In the fifth embodiment, a hydride VPE method is used for epitaxial growth of a GaN film, but the same effect can be obtained by using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD). Also Al 2 O Three Substrate 51 was used, but Si substrate, ZnO substrate, SiC substrate, LiGaO 2 Substrate, MgAl 2 O Four Even if a substrate or the like is used, the same effect can be obtained. Furthermore Al 2 O Three Although the mask is formed after the
[0131]
Further, as a
[0132]
In each embodiment of the present invention, an example using a GaN-based group III-V compound semiconductor has been described. However, the present invention is not limited to this, and a group III-V compound semiconductor having a lattice constant or a thermal expansion coefficient different from that of the substrate is not limited thereto. Needless to say, it is applicable to growth.
[0133]
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic view for explaining a process of using the epitaxial growth of the present invention for growing a GaN film and manufacturing a GaN-based semiconductor laser on the GaN film.
[0134]
A
[0135]
The
[0136]
Next, the GaN-based semiconductor laser structure was fabricated using metal organic chemical vapor deposition (MOVPE). After the
[0137]
Next, the
[0138]
In the laser structure shown in FIG. 6, an n-type electrode is formed on the back surface, and an element can be formed without forming an n-type electrode on the nitride surface by a complicated manufacturing process such as dry etching as in the prior art. The manufacturing process can be simplified.
[0139]
In addition, since sapphire and GaN-based semiconductors have different crystal cleavage planes, it has been difficult to form a resonator mirror having a laser structure on a conventional sapphire substrate by cleavage.
[0140]
In contrast, in this embodiment, since the
[0141]
In this embodiment, after forming a laser structure on the
[0142]
In this embodiment, the
[0143]
【The invention's effect】
As described above, the III-V compound semiconductor growth method according to the present invention is a group III-V compound compound that grows by limiting the growth region on the substrate with a mask and promoting facet growth at the initial growth stage. A high quality III-V compound semiconductor layer can be formed by suppressing cracks caused by the difference in thermal expansion coefficient between the semiconductor layer and the substrate crystal and the difference in lattice constant and suppressing the introduction of defects. Therefore, if the crystal according to the present invention is used, a high-quality semiconductor element, for example, a laser structure or a transistor structure can be produced thereon, and it is expected that the characteristics are dramatically improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process schematic diagram illustrating a method for forming a III-V compound semiconductor according to the present invention.
FIG. 2 MgAl on which an AlGaN film is formed 2 O Four It is the schematic of the process of forming a GaN film | membrane using a hydride VPE method on a board | substrate.
FIG. 3 is a schematic diagram in which the shape of a growth region for selective epitaxial growth is formed into a round shape, a triangular shape, and a rectangular shape.
4 is a schematic view of a step of forming a group III-V compound semiconductor film using a vapor phase growth method on a substrate on which the round, triangular, and rectangular growth regions shown in FIG. 3 are formed.
FIG. 5 is a schematic view of a GaN film formed by repeating the growth method of the present invention twice.
FIG. 6 is a schematic view of a process for forming a GaN-based semiconductor laser structure on a GaN film formed by using the growth method of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Substrate
12 Group III-V compound semiconductor film formed on substrate
13 Growth region for growing group III-V compound semiconductor
14 Mask
15 Epitaxially grown III-V compound semiconductor film
16 Facet structure of III-V compound semiconductor
21 (0001) sapphire substrate
22 GaN film
23 Mask
25 Epitaxially grown GaN film
31 (111) MgAl 2 O Four substrate
32 1 μm GaN film or AlGaN film
32 Growth region formed on substrate
33 SiO formed on the substrate 2 Membrane mask
34 Epitaxially grown GaN buffer layer
35 GaN film grown by hydride VPE method
43 Mask
44 Growth area
51 (0001) plane sapphire substrate
53 First mask
54 First growth region
55 First GaN layer
56 Second growth area
57 second mask
58 Second GaN layer
65 n-type GaN film
66 n-type GaN layer
67 n-type Al 0.15 Ga 0.85 N clat layer
68 n-type GaN optical guide layer
69 10-period active layer with multiple quantum well structure
70 p-type Al 0.2 Ga 0.8 N layers
71 p-type GaN optical guide layer
72 p-type Al 0.15 Ga 0.85 N clat layer
73 p-type GaN contact layer
74 Ti-Al n-type electrode
75 Ni-Au p-type electrode
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