JP4784012B2

JP4784012B2 - 窒化物半導体基板、及びその製造方法

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Publication number: JP4784012B2
Application number: JP2001228429A
Authority: JP
Inventors: 准也成田; 真吾枡井
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Current assignee: Nichia Corp
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Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2011-09-28
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）から成る基板の成長方法、及び該窒化物半導体基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、サファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と異なる異種基板上に、窒化物半導体を成長させる研究が種々検討されている。これは発光素子等に利用可能な結晶性のよい窒化物半導体のバルク単結晶を得るのが困難だからである。格子定数や熱膨張係数が不整合であるためサファイア基板などの上にバッファ層を介して貫通転位を低減させる方法や、その他には以下に示す方法が報告されている。
【０００３】
貫通転位を低減させる方法として、ラテラル成長を利用することにより窒化物半導体基板を形成するものである。特開平１０−３１２９７１号公報には、ＳｉＯ_２等のマスク材料を用いて基板上にパターニングし、選択成長によりマスク材料を埋め込むまで成長させることによりマスク上における結晶成長過程で転位の伝播方向が曲げられることにより転位密度の低減がなされるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法では、マスク材料を埋め込む際に、マスク上を成長面に対して結晶の横方向成長が進むにつれ結晶軸が傾くためチルトが発生する。このチルトした結晶同士が合体することにより新たな転位欠陥が発生する。また、マスクを有する状態で窒化物半導体を成長させれば、窒化物半導体素子の成長時に保護膜の分解による汚染が発生していた。そのため、半導体素子の特性劣化が問題となっている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記に示すようにＳｉＯ_２等のマスク材料を用いることなく貫通転位であり、かつ結晶性の良い窒化物半導体基板、及びその成長方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板であって、前記異種基板の表面の一部に、該表面が窒化処理された窒化処理領域を有し、前記窒化処理領域を有する異種基板上に第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層と、を備え、前記第１の窒化物半導体層は、同一面上に成長した、多結晶から成る多結晶領域と、これに隣接して単結晶から成る単結晶領域と、を有し、前記多結晶領域は前記窒化処理領域上にあって、前記第２の窒化物半導体層は、前記単結晶領域を核として成長したことを特徴とする。
【０００７】
本発明における窒化処理領域とはバッファ層が成長しないか、又はバッファ層の成長速度の遅い領域を示す。図７のＡＦＭ写真に示すように該窒化処理領域は基板表面の凹凸の高低差が５〜３０μｍ、幅間隔が５０〜３００μｍ程度である。これに対して保護膜下である基板表面を図８に示す。上記に示すように基板の表面上に窒化物半導体を成長すれば、該窒化処理領域上には多結晶から成る窒化物半導体が成長する。これは、後工程でのバッファ層形成ができないためである。また、窒化処理をした領域以外の基板上には単結晶から成る窒化物半導体が成長する。この単結晶から成る窒化物半導体は、多結晶から成る窒化物半導体に隣接している。つまり、単結晶と多結晶とは基板の同一面上に成長させた窒化物半導体であるが、結晶性に違いを有する。そのため分解速度の差が生じる。そこで、窒化物半導体を再成長させる場合、熱処理を行うことで選択的に多結晶から成る窒化物半導体層の分解を行うことができる。これは多結晶が単結晶に比べて原子間の結合が不規則であり、結合力も弱く熱等に対して不安定だからである。また、単結晶から成る窒化物半導体層においても分解は多少あるものの、単結晶では結晶性の弱い部分において分解が生じるため、結晶性の向上が期待できる。以上より、熱処理による分解を行うことで基板上の窒化物半導体層には凹凸を形成する。ここで、結晶性のよい凸部は単結晶から成る半導体層である。この単結晶から成る窒化物半導体を核として窒化物半導体を縦方向、及び横方向成長する。横方向成長した窒化物半導体同士が接合し、その後、平坦化した窒化物半導体層を形成する。そのため、単結晶の窒化物半導体を核として成長した窒化物半導体層において、横方向成長した領域（以下、第２の領域）においては貫通転位の成長も屈曲させ横方向に延ばすことになる。これより、転位は大幅に低減され、第２の領域における単位面積あたりの転位密度は１０^７個／ｃｍ^２以下とすることができる。
【０００８】
前記窒化物半導体基板において、前記多結晶領域と前記第２の窒化物半導体層との間には空洞を有することを特徴とする。
【０００９】
この空洞は平坦な窒化物半導体層を成長させた後に、凹部である多結晶から成る窒化物層上にできるものである。この空洞を有することにより、多結晶領域からの縦方向に延びる貫通転位を抑制することができる。さらに、この空洞がエアギャップとしての効果も有するため、基板と窒化物半導体との格子不整合により発生する反り緩和の効果も有する。
【００１０】
窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板であって、前記異種基板の表面の一部に、該表面が窒化処理された窒化処理領域を有し、前記窒化処理領域を有する異種基板上に第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層を核として成長した第２の窒化物半導体層と、を備え、前記窒化処理領域と前記第２の窒化物半導体層との間には、前記異種基板の表面が露出された空洞を有することを特徴とする。
【００１１】
この窒化物半導体基板は、基板上に部分的に単結晶から成る窒化物半導体層を有し、該単結晶から成る窒化物半導体層を核として縦方向、及び横方向に窒化物半導体層を成長させるものである。基板表面の窒化処理した領域は窒化物半導体が成長しにくいため、選択的に前記核より窒化物半導体を成長させることができる。また再成長する場合に単結晶から成る窒化物半導体層からの成長が窒化処理領域上への成長に比べて成長速度が速い。そのため、凹凸形成された凸部である単結晶から成る窒化物半導体層と、凹部である基板の窒化処理領域との高低差は小さくてもよく、再成長後の膜厚を薄膜とすることもできる。
【００１２】
窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる窒化物半導体基板の製造方法であって、前記異種基板の表面の一部を窒化処理して窒化処理領域を形成する第１工程と、前記窒化処理領域が形成された異種基板上に第１の窒化物半導体層を成長させる第２工程と、前記窒化処理領域上の第１の窒化物半導体層を熱処理により分解させ、前記第１の窒化物半導体層に、前記窒化処理領域上に凹部を有する凹凸を形成する第３工程と、前記凹凸が形成された第１の窒化物半導体層の凸部を核として第２の窒化物半導体層を成長させる第４工程とを有することを特徴とする。
【００１３】
これは、単結晶から成る窒化物半導体層を核として窒化物半導体を成長させるものであって、この単結晶から成る窒化物半導体層の上面、及び側面からの成長となる。そのため、両隣の核の側面からの横方向成長した窒化物半導体同士が接合し、さらに成長を続ければ、平坦化し、且つ鏡面である窒化物半導体から成る窒化物半導体基板となる。この横方向成長を選択的に行い平坦化させることで薄膜基板とすることもできる。横方向成長は、Ｖ／ＩＩＩ比を小さくする、又は減圧条件、高温条件、Ｍｇをドープさせる等により選択的に横方向成長させることができる。さらに、この成長は窒化物半導体の縦方向かつ横方向成長を利用したものであるが、窒化物半導体層を成長させた後に保護膜を有しないため、保護膜上への横方向成長とは異なり保護膜が分解することにより結晶特性が劣化する心配はない。
【００１４】
また、この窒化物半導体核は、窒化物半導体層をＲＩＥ等のエッチングで削ることにより形成したものではない。そのため、窒化物半導体核の側面にはエッチングによるダメージを有しないため、この単結晶から成る窒化物半導体を核として横方向成長させた窒化物半導体層は結晶性がよい。
【００１５】
窒化物半導体基板の製造方法であって、前記第１工程において、窒素を含有するガス雰囲気中で熱処理をすることにより前記窒化処理領域を形成することを特徴とする。
【００１６】
窒化物半導体基板の製造方法であって、前記熱処理は７００℃以上で行うことを特徴とする。この熱処理は４００℃以上でも可能であるが、７００℃以上であれば短時間で効率よく窒化処理領域を形成することができる。
【００１７】
窒化物半導体基板の製造方法であって、前記単結晶から成る窒化物半導体層の平面形状は、ストライプ状、島状、矩形状、又は格子状に形成されることを特徴とする。また、前記第１工程の熱処理において、前記窒素を含有するガスの流量を５リットル／分以上、及び処理時間を５分以上とすることを特徴とする。さらに、前記第３工程において、前記凹部に前記基板の表面を露出させることを特徴とする。
【００１８】
以上より、基板と平坦な窒化物半導体層との界面には空洞を有することにより、基板から縦方向に進む貫通転位の伝播は抑制される。そのため、単結晶から成る窒化物半導体層上には転位欠陥が多く存在するものの、これを核として横方向成長した領域には転位欠陥も屈曲して横方向に延びるため、単位面積あたりの転位数を低減させることができる。またＥＬＯＧ成長では窒化物半導体を保護膜上に横方向成長させた場合に応力が発生し、さらに、窒化物半導体同士が接合することにより形成された接合部には段差が形成されていた。しかしながら、本発明における成長方法では、窒化物半導体の成長を強引に横方向成長させるのではなく、窒化物半導体核よりストレスを有さず横方向成長させるものである。さらに縦方向及び横方向に再成長し、表面形状が平坦かつ鏡面とすることができる。また、空洞を有するため、基板の反りを抑制できる。具体的な数値としては、単位面積あたりの転位数をバッファ層のみ用いた場合に比べて２桁以上低減することができ、転位密度が１×１０^７個／ｃｍ^２以下である窒化物半導体基板を提供することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本実施形態における窒化物半導体基板は、基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板であって、前記基板の表面には窒化処理領域を有し、該窒化処理領域上には多結晶から成る窒化物半導体層を有し、これに隣接して単結晶から成る窒化物半導体層と、該単結晶から成る窒化物半導体層を核として単結晶から成る窒化物半導体層、及び多結晶から成る窒化物半導体層上に成長した平坦な窒化物半導体層とを有することを特徴とする窒化物半導体基板である。
【００２０】
上記に示す窒化処理領域を有する基板であれば、その上に成長させる窒化物半導体に選択的に結晶性の異なる領域を形成する。窒化処理領域上には多結晶の窒化物半導体となり、窒化処理領域以外の上部には単結晶の窒化物半導体が成長する。これらの窒化物半導体の結晶性の違いから分解速度に差が生じる。そのため、アニール等の熱処理を行い、多結晶の窒化物半導体を分解させ凹凸を形成する。しかも、凸部は結晶性の良い部分であり、この凸部を核として縦方向、及び横方向に再成長を行えば結晶性のよい基板を形成することができる。また、貫通転位も横方向成長により屈曲させることができ低転位領域を形成することができる。
【００２１】
上記に示す本実施形態の成長方法は、保護膜上に窒化物半導体を成長させるものではない。そのため、保護膜上に強引に横方向成長させることで応力を発生させることなく、単結晶の窒化物半導体層を核として横方向成長させ、窒化物半導体基板を形成するものである。図６−ｂに示す第２の領域は転位欠陥を大幅に低減させた領域であり、単位面積あたりの転位数は１×１０^７個／ｃｍ^２以下、さらに好ましくは１×１０^６個／ｃｍ^２以下となる。また、第１の領域は縦方向に進む貫通転位が残るため、転位数は１×１０^８〜１×１０^１０個／ｃｍ^２程度となる。
【００２２】
以下、図を用いて本発明の実施形態における各工程を更に詳細に説明する。
図１は基板１上に、開口部を有する保護膜２を成膜させる工程を行った模式的断面図である。
この基板１としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子接合する酸化物基板等を用いることができる。また、同種から成る窒化物半導体の単体基板、具体的には一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）から成る単体基板を用いることもできる。この単体基板を用いれば、ホモエピタキシャル成長になるため、窒化物半導体を成長後の基板の反りをより抑制することができる。
【００２３】
次に、基板１上に成膜される保護膜２としては、表面上に窒化物半導体を成長させるものではないため、アニール等の熱処理に対して耐熱性を有するものであればよい。
この保護膜２の具体例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）、窒化酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等の酸化物、窒化物、または１２００℃以上の融点を有する金属やこれらの多層膜が挙げられる。
【００２４】
この保護膜２の成膜方法としては、例えば、ＣＶＤ、スパッタリング及び、蒸着法等を用い成膜させる。また保護膜の膜厚は、保護膜下の基板表面を熱処理時に保護できていればよく、特に限定する必要はないが膜厚を０．２〜１０μｍの範囲で形成すれば、保護膜下の基板表面を変質させることなく、また後工程での保護膜除去も容易にすることができる。また保護膜の平面形状はストライプ形状や格子状、その他に島状、円形、又は多角形等を用いることができる。さらには円形や多角形の開口部を有するものがある。また、保護膜に開口部を形成するエッチング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング等の方法がある。また、ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ＩＣＰ、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、アッシャー等の装置がある。ここに示すいずれの方法もエッチングガスを適宜選択することにより、保護膜に開口部を形成するエッチングをすることができる。
【００２５】
この保護膜２の開口部の大きさとしては、後工程において多結晶領域となる範囲である。例えば保護膜をストライプ形状とする場合の開口部の幅としては１〜１００μｍ、好ましくは２〜１５μｍである。この開口部の幅が多結晶領域の幅であり、単結晶領域の幅との比としては（多結晶領域／単結晶領域）が０．１〜１０とする。
【００２６】
また、保護膜２をストライプ状に形成する場合に、基板１をサファイア基板とすれば、オリフラ面をサファイアのＡ面とし、このオリフラ面の垂直軸に対して左右どちらかにずらして保護膜２を形成してもよい。こうすることで、窒化物半導体を成長させた後の表面をより平坦化させることができる。具体的には、このオリフラ面の垂直軸に対して左右にθ＝０°〜５°の範囲とする。
【００２７】
図２は基板１上に、開口部を形成した保護膜２を熱処理することで、窒化処理した領域を形成するものである。この熱処理の条件としては処理温度を７００℃以上、及び／又は原料ガスにＮ系ガスを使用する。具体的にはＮ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４、又はこれらの混合ガスを用いる。処理時間としては５分以上とし、５リットル／ｍｉｎ以上とする。
【００２８】
次に、図３に示すように窒化処理後に保護膜を除去する。除去方法としては、ドライエッチングやウェットエッチング等を用いる。
【００２９】
その後、基板１上に下地層（図示されていない）を成長させる。下地層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。この下地層は、成長温度を３００℃以上９００℃以下、好ましくは７００℃以下とし、膜厚１０オングストローム以上０．５μｍ以下で成長される。これは基板１上に成長させる窒化物半導体層との格子定数不整を緩和するためであり、転位欠陥を低減させる緩衝層としての効果を有する。
【００３０】
図４は保護膜を除去後、基板上に下地層を介して前記窒化処理領域上には多結晶から成る窒化物半導体層３ａと、これに隣接する単結晶から成る窒化物半導体層３ｂとを形成するものである。また、この下地層は省略することもできる。
【００３１】
上記の窒化物半導体層３は、成長温度を９００℃〜１１００℃で異種基板上に成長する。また、膜厚は、特に限定されないが、１．０μｍ以上であればよい。この窒化物半導体層３としては、アンドープの窒化物半導体、及びＳｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＳ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体、その他にＭｇやＺｎ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体、又はｎ型不純物とｐ型不純物とを同時ドーピングした窒化物半導体を用いることができる。
【００３２】
次に図５に示すように熱処理をする。この熱処理により窒化物半導体層３の表面を分解させるが、特に多結晶から成る窒化物半導体層３ａを選択的に分解させる。この分解は基板が露出するまで行ってもよく、または図５ａに示すように途中で止めてもよい。具体的な分解条件としては、温度を７００℃以上とし、Ｈ_２雰囲気を１０分以上行う。また、ＮＨ_３を１．０リットル／ｍｉｎ以下、好ましくは０．５リットル／ｍｉｎ以下で０．１リットル／ｍｉｎ程度加えてもよい。
【００３３】
図６に示すように、前記単結晶から成る窒化物半導体層を核として単結晶から成る窒化物半導体層３ｂ、及び多結晶から成る窒化物半導体層３ａ上に平坦な窒化物半導体層４を形成し窒化物半導体基板とする。
【００３４】
これより窒化物半導体層同士が接合し平坦な鏡面を有する窒化物半導体基板を形成することができる。また、窒化処理領域上には空洞を形成することもできる。
【００３５】
この窒化物半導体層４としては、アンドープの窒化物半導体、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体、またはＭｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体、その他にｎ型不純物とｐ型不純物とを同時ドープさせた窒化物半導体を用いることができる。また、成長温度としては、９００〜１１００℃とする。この膜厚としては、窒化物半導体基板を形成するために、窒化物半導体同志が接合できる膜厚であればよく、３μｍ以上、好ましくは５〜３０μｍとする。以上により転位欠陥を低減させた単位面積あたりの転位数が１×１０^７個／ｃｍ^２以下の窒化物半導体基板を得ることができる。
【００３６】
本発明において、下地層（図示されていない）、窒化物半導体層３、窒化物半導体層４は、いずれも一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）によって表される組成を有する。但し、これらは互いに異なる組成であってもよい。また、本発明の窒化物半導体の成長方法としては、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等の気相成長方法を適用することができる。
【００３７】
また、ＨＶＰＥ法との組み合わせにより厚膜成長させ、この厚膜成長時に貫通転位を収束させることで転位を低減させる方法が挙げられる。このＨＶＰＥ法で窒化物半導体を成長させる場合、例えばＧａＮであれば、ＨＣｌガスとＧａ金属が反応することでＧａＣｌやＧａＣｌ_３を形成し、さらにこのＧａ塩化物がアンモニアと反応することでＧａＮを基板上に堆積させるものである。ＨＶＰＥ法による窒化物半導体の成長時に成長速度を変化させ、２段階成長させることで結晶欠陥を大幅に低減させることができる。また、ＨＶＰＥ法により窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体を厚膜成長させた場合には、この厚膜の窒化物半導体基板から異種基板を除去することにより窒化物半導体のみから成る単体基板を形成することができる。厚膜の窒化物半導体基板から異種基板を除去する方法としては、異種基板を研磨により除去する方法、その他には、異種基板と窒化物半導体との界面にエキシマレーザ照射することにより異種基板を除去する方法が挙げられる。そのため、サファイア基板のような絶縁体基板上に成長させた窒化物半導体基板であってもサファイア基板除去することで窒化物半導体から成る単体基板とし、裏面電極構造とする窒化物半導体レーザダイオード等を提供することができる。
【００３８】
次に、前記窒化物半導体基板上に形成する窒化物半導体素子を示す。前記窒化物半導体基板上にｎ側コンタクト層１０１としてｎ型不純物をドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を５μｍ程度で成長させる。このｎ側コンタクト層上にクラック防止層（図示されていない）としてｎ型不純物ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を０．２μｍ程度で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。続いて、クラック防止層上にｎ側クラッド層１０２を成長させる。このｎ側クラッド層としては、超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｎ型不純物をドープしたｎ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚１．２μｍ程度の超格子構造よりなるｎ側クラッド層を成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１０３を０．１μｍ程度の膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００３９】
次に、障壁層にノンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）と井戸層にｎ型不純物ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）とからなる単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造である活性層１０４を成長させる。多重量子井戸構造であれば、障壁層と井戸層とを同一温度で２〜５回程度で交互に積層し、最後に障壁層とし総膜厚を２００〜５００Åとする。
【００４０】
次に、活性層上にｐ側キャップ層（図示されていない）としてｐ型不純物をドープしたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を成長させる。このｐ側キャップ層は膜厚を５０〜５００Å程度で成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１０５を０．０５〜０．５μｍ程度の膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層１０５は、ｐ型不純物をドープしてもよい。次に、ｐ側光ガイド層上にｐ側クラッド層１０６を成長させる。このｐ側クラッド層としては、ｎ側クラッド層と同様に超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｐ型不純物をドープしたｐ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚０．３〜０．８μｍ程度の超格子構造よりなるｐ側クラッド層を成長させる。最後に、ｐ側クラッド層の上に、ｐ型不純物をドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）からなるｐ側コンタクト層１０７を成長させる。
【００４１】
ここで、不純物濃度としては、特に限定する必要はないが、好ましくはｎ型不純物、及びｐ型不純物は１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^２０／ｃｍ^３とする。また、前記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｄ等が挙げられ、ｐ型不純物としてはＢｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられる。
【００４２】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成後、ｐ電極とｎ電極とを同一面側に形成する場合には、ｎ電極を形成するためにｎ側コンタクト層をエッチングにより露出させる。次に、ストライプ状の光導波路領域を形成するためにエッチングすることによりリッジを形成する。ここで、エッチングはリッジを形成するには異方性エッチングであるのが好ましく、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置等を使用する。ここで形成されるリッジ幅としては本発明においては後工程で形成する埋め込み層や出力にもよるが、リッジ幅は１．０〜３．０μｍと広くすることができる。また、エッチング深さとしては窒化物半導体素子内の少なくともｐ側クラッド層までエッチングするものとする。さらに、リッジ形状は、順メサ型、逆メサ型、垂直型から成り、これらの形状であれば横方向の光閉じ込めができ好ましい。
【００４３】
リッジを形成後、露出したリッジの側壁部からリッジの両側表面の窒化物半導体層上に絶縁体である絶縁体から成る埋め込み膜（例えば、ＺｒＯやＤＬＣ、ガラス等）をスパッタ法等により形成する。この埋め込み膜の効果としては、電流狭窄、及び横方向の光閉じ込めである。横方向の光閉じ込めをするためには窒化物半導体層との間に屈折率差を設ける必要があり、またコア領域内に光を閉じ込めるには窒化物半導体よりも屈折率の小さい材料を埋め込み層に用いる。また、縦方向の光閉じ込めは屈折率の高いコア領域と、屈折率の低いｐ、ｎ側クラッド層とで屈折率差をつけることでコア内に光を閉じ込めている。
【００４４】
その後、ｐ電極２０１を形成するためにリッジ最上面に成膜された埋め込み層をリフトオフ等により除去する。次に、除去後、露出したｐ側コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極をストライプ状に形成し、ｐ電極を形成後、ｎ側コンタクト層の表面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２０２をリッジストライプと平行に形成する。次に取り出し電極であるパッド電極２０３をｐ電極、及びｎ電極上に形成する。
【００４５】
また、ｐ電極をＮｉ／Ａｕ／ＲｈＯとし、ｐ側パッド電極をＲｈＯ／Ｐｔ／Ａｕとする組み合わせとすることもできる。パッド電極を形成する前に、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等から成る誘電体多層膜を共振器面（光出射端面側）に形成してもよい。この誘電体多層膜を有することにより高出力時における光出射端面の端面劣化を抑制することができる。
【００４６】
さらに、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側からバー状にヘキカイし、ヘキカイ面（（１１−００）面、六方晶系の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を形成する。この共振器面に誘電体多層膜を形成し、電極に平行な方向でバーを切断して窒化物半導体レーザ素子とする。この窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに設置し、ワイヤーボンディングし、キャップで封止することで窒化物半導体レーザダイオードとする。
【００４７】
以上により得られた窒化物半導体レーザダイオードを用いて室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２０ｎｍ、閾値電流密度２．９ｋＡ／ｃｍ^２において連続発振を示し、５ｍＷ程度の低出力時だけでなく３０ｍＷ以上、好ましくは５０ｍＷ程度の光出力時でもリップルが発生せず、３０００時間以上の寿命特性を示す。
【００４８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれに限定されない。
［実施例１］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ装置を用い、温度を５００℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなる下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００４９】
次に基板１上にＣＶＤ法によりＳｉＯ_２よりなる保護膜２を５μｍの膜厚で成膜し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、アッシャーによりストライプ幅１０μｍ、開口部幅１０μｍのＳｉＯ_２よりなる保護膜３を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００５０】
その後、パターニングした基板をアンモニア雰囲気で熱処理する。これにより開口部は基板１の露出部分が改変される。条件としては９００℃、約２０分で８Ｌのアンモニアを流す。その後、保護膜２をウェットエッチングで除去する。
【００５１】
次に、窒化処理領域を有する基板１をＭＯＣＶＤ装置において、常圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）を２３０μｍｏｌ／ｍｉｎ（Ｖ／III比＝９１０）、アンモニアを０．２ｍｏｌ／ｍｉｎを用い、アンドープＧａＮよりなる単結晶、及び多結晶から成る窒化物半導体層３を２．５μｍの膜厚で成長させる。
【００５２】
その後、ＭＯＣＶＤ装置内において窒化物半導体層３を成長させた基板１を熱処理する。この条件としては、水素雰囲気でアンモニアを流さず、９００℃で１分間とし、窒化物半導体層を分解させる。分解速度は多結晶から成る窒化物半導体層３ａが約2.5μm/分，単結晶から成る窒化物半導体層３ｂが約１μm/分である。また、単結晶から成る窒化物半導体層３ｂの結晶性の悪い部分も分解される。以上より基板１上に結晶性の良い単結晶から成る窒化物半導体層３ｂのストライプができる。
【００５３】
その後、ＭＯＣＶＤ装置において、窒化物半導体層４を単結晶から成る窒化物半導体層３ｂを成長起点として縦方向及び横方向に成長させ、隣り合う窒化物半導体同士が接合することで平坦な窒化物半導体基板を形成する。成長条件としては、原料ガスにＴＭＧ２３０μｍｏｌ／ｍｉｎ（Ｖ／III比＝７９０）、アンモニアを０．２ｍｏｌ／ｍｉｎを用い、アンドープＧａＮを常圧で、温度を１０５０℃にし、膜厚を単結晶から成る窒化物半導体層上に１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５４】
以上より得られた窒化物半導体基板は表面における単位面積あたりの転位数が１×１０^７個／ｃｍ^２以下である窒化物半導体基板とすることができる。
【００５５】
［実施例２］
実施例１において、熱処理により多結晶から成る窒化物半導体層３ａを基板１が露出させるまで分解させる。その他の条件は実施例１と同様にする。条件としては、水素雰囲気でアンモニアを流さず、９００℃で３分間とし、窒化物半導体層を分解させる。以上より得られる窒化物半導体基板は結晶性の良い基板である。
【００５６】
［実施例３］
実施例１において、多結晶、及び単結晶から成る窒化物半導体層３、窒化物半導体層４の成長条件にシランガスを加える他は、実施例１と同様に成長させる。得られる窒化物半導体基板はＳｉドープのｎ型窒化物半導体基板を得ることができる。
【００５７】
［実施例４］
次に、実施例１で得られた窒化物半導体基板上に窒化物半導体素子を形成する。
［アンドープｎ側コンタクト層（図示されていない）］
前記窒化物半導体基板を形成したウェーハをＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットし、１０５０℃で窒化物半導体に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるアンドープｎ型コンタクト層を１μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＧａＮからなる窒化物半導体基板とｎ側コンタクト層をはじめとする半導体素子との間で、緩衝層としての機能を有する。
【００５８】
［ｎ側コンタクト層１０１］
次にアンドープｎ側コンタクト層上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるｎ側コンタクト層１０１を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５９】
［クラック防止層（図示されていない）］
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を９００℃にしてＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎよりなるクラック防止層を０．１５μｍの膜厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。
【００６０】
［ｎ側クラッド層１０２］
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。この操作を２００回繰り返しＡ層とＢ層との積層構造とし、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ側クラッド層１０２を成長させる。
【００６１】
［ｎ側光ガイド層１０３］
次に、シランガスを止め、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ側光ガイド層１０３を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層１０３は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００６２】
［活性層１０４］
次に、温度を９００℃にし、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚で成長させ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎよりなる井戸層を２５Åの膜厚で成長させることにより、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層の順に積層し、最後に障壁層として、ＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを成長させる。活性層６は、総膜厚５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００６３】
［ｐ側キャップ層（図示されていない）］
次に、活性層と同じ温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ側キャップ層を１００Åの膜厚で成長させる。
【００６４】
［ｐ側光ガイド層１０５］
次に、Ｃｐ_２Ｍｇ、ＴＭＡを止め、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００６５】
［ｐ側クラッド層１０６］
次に、１０５０℃でアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ_２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１０６を成長させる。ｐ側クラッド層は、ＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ側クラッド層を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、しきい値を低下させる上で非常に有効である。
【００６６】
［ｐ側コンタクト層１０７］
最後に、１０５０℃で、ｐ側クラッド層の上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層を１５０Åの膜厚で成長させる。反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００６７】
アニーリング後、窒化物半導体を積層させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ_２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法を用いＣｌ_２ガスによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層の表面を露出させる。
【００６８】
次に、レジストをマスクとして形成し、ＲＩＥを用いＣｌ_２ガス、及びＳｉＣｌ_４ガスとによりエッチングすることにより、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプをリッジのストライプ幅を１．８μｍで形成する。このエッチングはｐ側ガイド層までエッチングして、ストライプ状の光導波路領域となるリッジを形成する。その後、スパッタ装置を用いて埋め込み層であるＺｒＯ_２を膜厚５５０Åで形成する。その後、剥離液によりリッジ上部を露出させる。
【００６９】
次に前記リッジ最上面の露出したｐ側コンタクト層上にｐ電極２０１をＮｉ／Ａｕで１００μｍのストライプ幅で形成し、また、エッチングにより露出したｎ側コンタクト層上にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極を形成する。このｐ電極は、リッジ上にストライプ形成されており、同じくストライプ形成されているｎ電極２０２とは平行な方向で形成する。
【００７０】
次に、光反射端面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を設けた後、ｐ電極、及びｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパット電極２０３をそれぞれ形成する。
【００７１】
以上のようにして得られた窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに設置し、それぞれのパッド電極２０３にワイヤーボンディングをすることで窒化物半導体レーザダイオードとする。以上より、この窒化物半導体レーザダイオードを用いて、室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ^２、５〜３０ｍＷの出力においてリップルが発生せず、３０００時間以上の寿命特性を有する発振波長４０５ｎｍの連続発振の窒化物半導体レーザダイオードを得ることができる。
【００７２】
【発明の効果】
上記に示すように、本発明の窒化物半導体の成長方法によれば、応力を有する状態で保護膜上に窒化物半導体を成長させず成長させ低転位欠陥の窒化物半導体基板を提供することができる。また、結晶性のよい部分を核として成長させるため、結晶性の向上も期待でき、さらに一連の工程を反応装置内で行うため、エッチングによるダメージや不純物の混入を無くした量産性のよい基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における各工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図２】本発明における各工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図３】本発明における各工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図４】本発明における各工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図５】本発明における各工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図６】本発明における各工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図７】本発明における窒化処理をした基板表面のＡＦＭ写真である。
【図８】本発明における基板表面のＡＦＭ写真である。
【図９】本発明における一実施形態における窒化物半導体レーザ基板を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・保護膜
３・・・窒化物半導体層
４・・・窒化物半導体層
１０１・・・ｎ側コンタクト層
１０２・・・ｎ側クラッド層
１０３・・・ｎ側光ガイド層
１０４・・・活性層
１０５・・・ｐ側光ガイド層
１０６・・・ｐ側クラッド層
１０７・・・ｐ側コンタクト層
２０１・・・ｐ電極
２０２・・・ｎ電極
２０３・・・パッド電極

Claims

窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板であって、
前記異種基板の表面の一部に、該表面が窒化処理された窒化処理領域を有し、
前記窒化処理領域を有する異種基板上に第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層と、を備え、
前記第１の窒化物半導体層は、同一面上に成長した、多結晶から成る多結晶領域と、これに隣接して単結晶から成る単結晶領域と、を有し、
前記多結晶領域は前記窒化処理領域上にあって、
前記第２の窒化物半導体層は、前記単結晶領域を核として成長したことを特徴とする窒化物半導体基板。
前記多結晶領域と前記第２の窒化物半導体層との間には空洞を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させた窒化物半導体基板であって、
前記異種基板の表面の一部に、該表面が窒化処理された窒化処理領域を有し、
前記窒化処理領域を有する異種基板上に第１の窒化物半導体層と、該第１の窒化物半導体層を核として成長した第２の窒化物半導体層と、を備え、
前記窒化処理領域と前記第２の窒化物半導体層との間には、前記異種基板の表面が露出された空洞を有することを特徴とする窒化物半導体基板。
窒化物半導体と異なる異種基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させる窒化物半導体基板の製造方法であって、
前記異種基板の表面の一部を窒化処理して窒化処理領域を形成する第１工程と、
前記窒化処理領域が形成された異種基板上に第１の窒化物半導体層を成長させる第２工程と、
前記窒化処理領域上の第１の窒化物半導体層を熱処理により分解させ、前記第１の窒化物半導体層に、前記窒化処理領域上に凹部を有する凹凸を形成する第３工程と、
前記凹凸が形成された第１の窒化物半導体層の凸部を核として第２の窒化物半導体層を成長させる第４工程と
を有することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
前記第１工程において、窒素を含有するガス雰囲気中で熱処理をすることにより前記窒化処理領域を形成することを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記第１工程の熱処理において、前記窒素を含有するガスの流量を５リットル／分以上、及び処理時間を５分以上とすることを特徴とする請求項５に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記第３工程において、前記凹部に前記異種基板の表面を露出させることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。