JPH10190059A - 窒化化合物半導体素子及びその製造方法 - Google Patents
窒化化合物半導体素子及びその製造方法Info
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- JPH10190059A JPH10190059A JP34783996A JP34783996A JPH10190059A JP H10190059 A JPH10190059 A JP H10190059A JP 34783996 A JP34783996 A JP 34783996A JP 34783996 A JP34783996 A JP 34783996A JP H10190059 A JPH10190059 A JP H10190059A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 プロセスが容易で特性の優れた窒化化合物半
導体素子、及び該素子の製造方法を提供する。 【解決手段】 窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒
化インジウムの中から選ばれる1種の層、あるいはこれ
らの中から選ばれる2種以上の混晶の層を有する窒化化
合物半導体素子であって、(0001)面以外の面方位
のウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム系半導体基板を有
し、該半導体基板が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム
及び窒化インジウムの中から選ばれる1種の窒化ガリウ
ム系半導体、あるいはこれらの中から選ばれる2種以上
の混晶の窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とす
る窒化化合物半導体素子。
導体素子、及び該素子の製造方法を提供する。 【解決手段】 窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒
化インジウムの中から選ばれる1種の層、あるいはこれ
らの中から選ばれる2種以上の混晶の層を有する窒化化
合物半導体素子であって、(0001)面以外の面方位
のウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム系半導体基板を有
し、該半導体基板が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム
及び窒化インジウムの中から選ばれる1種の窒化ガリウ
ム系半導体、あるいはこれらの中から選ばれる2種以上
の混晶の窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とす
る窒化化合物半導体素子。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、III−V族化合物
半導体素子及びその製造方法に関し、特に、V族元素が
窒素である窒化化合物半導体素子及びその製造方法に関
する。
半導体素子及びその製造方法に関し、特に、V族元素が
窒素である窒化化合物半導体素子及びその製造方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】窒化ガリウム(GaN)や窒化アルミニ
ウム(AlN)は、バンドギャップが大きく、そのバン
ドギャップエネルギーは紫外光に対応する。これら窒化
ガリウムや窒化アルミニウムと窒化インジウム(In
N)との混晶である窒化インジウムガリウム(InGa
N)や窒化インジウムアルミニウム(InAlN)、窒
化インジウムガリウムアルミニウム(InGaAlN)
も、組成によって青色光や紫外光に対応するバンドギャ
ップをもつ。
ウム(AlN)は、バンドギャップが大きく、そのバン
ドギャップエネルギーは紫外光に対応する。これら窒化
ガリウムや窒化アルミニウムと窒化インジウム(In
N)との混晶である窒化インジウムガリウム(InGa
N)や窒化インジウムアルミニウム(InAlN)、窒
化インジウムガリウムアルミニウム(InGaAlN)
も、組成によって青色光や紫外光に対応するバンドギャ
ップをもつ。
【0003】このため、これらの窒素を含むIII−V族
化合物半導体(以下「窒化ガリウム系半導体」とい
う。)は、青色光や紫外光の発光デバイスの材料とし
て、また高耐圧あるいは耐高温環境電子デバイスの材料
として注目されている。中村(S.Nakamura)他は、Jpn.
J.Appl.Phys.Vol.35,p.L74(1996)に、これらの化合物半
導体を使用した青色レーザーダイオードの作製を報告し
ている。図5はこのレーザーダイオードの断面図であ
る。
化合物半導体(以下「窒化ガリウム系半導体」とい
う。)は、青色光や紫外光の発光デバイスの材料とし
て、また高耐圧あるいは耐高温環境電子デバイスの材料
として注目されている。中村(S.Nakamura)他は、Jpn.
J.Appl.Phys.Vol.35,p.L74(1996)に、これらの化合物半
導体を使用した青色レーザーダイオードの作製を報告し
ている。図5はこのレーザーダイオードの断面図であ
る。
【0004】図5に示すように、中村らによるレーザー
ダイオードは、(0001)面を表面とするサファイア
基板501上に厚さ30nmの窒化ガリウムバッファ層
502と、ケイ素(Si)が添加された厚さ3μmのn
型窒化ガリウム層503と、ケイ素が添加された厚さ
0.1μmのn型In0.1Ga0.9N層504と、ケイ素
が添加された厚さ0.4μmのn型Al0.15Ga0.85N
層505と、ケイ素が添加された厚さ0.1μmのn型
窒化ガリウム層506と、厚さ2.5nmのIn 0.2G
a0.8N量子井戸層と厚さ5nmのIn0.05Ga0.95N
障壁層の26周期からなる多重量子井戸層507と、マ
グネシウム(Mg)が添加された厚さ20nmのp型A
l0.2Ga0.8N層508と、マグネシウムが添加された
厚さ0.1μmのp型窒化ガリウム層509と、マグネ
シウムが添加された厚さ0.4μmのp型Al0.15Ga
0.85N層510と、マグネシウムが添加された厚さ0.
5μmのp型窒化ガリウム層511とを順次積層した構
造である。そして、最上層の窒化ガリウム層511上
に、ニッケル(Ni)と金(Au)の2層からなるp電
極512を設け、n型窒化ガリウム層503上に、チタ
ン(Ti)とアルミニウム(Al)の2層からなるn電
極513を設けている。レーザーのキャビティーミラー
面としては反応性イオンエッチングによってエッチング
した面を用いている。
ダイオードは、(0001)面を表面とするサファイア
基板501上に厚さ30nmの窒化ガリウムバッファ層
502と、ケイ素(Si)が添加された厚さ3μmのn
型窒化ガリウム層503と、ケイ素が添加された厚さ
0.1μmのn型In0.1Ga0.9N層504と、ケイ素
が添加された厚さ0.4μmのn型Al0.15Ga0.85N
層505と、ケイ素が添加された厚さ0.1μmのn型
窒化ガリウム層506と、厚さ2.5nmのIn 0.2G
a0.8N量子井戸層と厚さ5nmのIn0.05Ga0.95N
障壁層の26周期からなる多重量子井戸層507と、マ
グネシウム(Mg)が添加された厚さ20nmのp型A
l0.2Ga0.8N層508と、マグネシウムが添加された
厚さ0.1μmのp型窒化ガリウム層509と、マグネ
シウムが添加された厚さ0.4μmのp型Al0.15Ga
0.85N層510と、マグネシウムが添加された厚さ0.
5μmのp型窒化ガリウム層511とを順次積層した構
造である。そして、最上層の窒化ガリウム層511上
に、ニッケル(Ni)と金(Au)の2層からなるp電
極512を設け、n型窒化ガリウム層503上に、チタ
ン(Ti)とアルミニウム(Al)の2層からなるn電
極513を設けている。レーザーのキャビティーミラー
面としては反応性イオンエッチングによってエッチング
した面を用いている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述の中村らによる青
色レーザーダイオードをはじめとして窒化ガリウムを用
いた半導体素子は、そのほとんどが(0001)面を表
面とするサファイア基板上に作製されている。
色レーザーダイオードをはじめとして窒化ガリウムを用
いた半導体素子は、そのほとんどが(0001)面を表
面とするサファイア基板上に作製されている。
【0006】しかしながら、(0001)面を表面とす
るサファイア基板は、へき開することが容易でない上に
硬いため、この基板上にデバイスを作製することは容易
ではない。
るサファイア基板は、へき開することが容易でない上に
硬いため、この基板上にデバイスを作製することは容易
ではない。
【0007】また、サファイアは絶縁体であるため、通
常の発光デバイスのように基板を電極の一方に用いるこ
とは不可能であり、窒化化合物成長層に2つの電極をプ
ロセス形成しなければならないという欠点がある。
常の発光デバイスのように基板を電極の一方に用いるこ
とは不可能であり、窒化化合物成長層に2つの電極をプ
ロセス形成しなければならないという欠点がある。
【0008】また、サファイア基板上に窒化ガリウム系
半導体を成長した後に室温まで冷却する際に、サファイ
ア基板と窒化ガリウム系半導体の熱膨張係数の差のため
に、素子の内部に歪みや欠陥が生じ、素子特性に悪い影
響を及ぼすという欠点もある。
半導体を成長した後に室温まで冷却する際に、サファイ
ア基板と窒化ガリウム系半導体の熱膨張係数の差のため
に、素子の内部に歪みや欠陥が生じ、素子特性に悪い影
響を及ぼすという欠点もある。
【0009】さらにレーザーダイオードにおいては、通
常、へき開面をレーザー発振のためのキャビティーミラ
ー面として利用するが、ヘき開面を形成できない(00
01)面を表面とするサファイア基板を用いる場合には
この方法を利用することができず、上述のようにドライ
エッチングでキャビティミラー面を形成しなければなら
ない等の手間のかかる方法を用いざるを得ない。
常、へき開面をレーザー発振のためのキャビティーミラ
ー面として利用するが、ヘき開面を形成できない(00
01)面を表面とするサファイア基板を用いる場合には
この方法を利用することができず、上述のようにドライ
エッチングでキャビティミラー面を形成しなければなら
ない等の手間のかかる方法を用いざるを得ない。
【0010】以上のように、窒化ガリウム系化合物半導
体デバイスの作製において、サファイア基板を用いるこ
とは欠点が多い。
体デバイスの作製において、サファイア基板を用いるこ
とは欠点が多い。
【0011】また、窒化ガリウム系半導体は、価電子帯
の状態密度が大きいため、良好なレーザーダイオード特
性を得ることが難しいと考えられている。これを解決す
る手段として、堂免他は、第43回応用物理学関係連合
講演会予稿集No.1,p.336(1996)の中で、窒化ガリウム系
半導体に(0001)面内に異方的な歪みをかけると、
価電子帯状態密度が低減できるという方法を提案してい
る。
の状態密度が大きいため、良好なレーザーダイオード特
性を得ることが難しいと考えられている。これを解決す
る手段として、堂免他は、第43回応用物理学関係連合
講演会予稿集No.1,p.336(1996)の中で、窒化ガリウム系
半導体に(0001)面内に異方的な歪みをかけると、
価電子帯状態密度が低減できるという方法を提案してい
る。
【0012】しかしながら、(0001)面内に異方的
な歪みをかけるには、窒化ガリウム系半導体をc軸方位
でない方向に成長させて格子不整合なヘテロ構造を作製
するのが最も簡単な方法であるが、通常、サファイア基
板上では面方位によらず窒化ガリウム系半導体はc軸方
向に成長しやすいために、サファイア基板を利用する従
来の方法で(0001)面内に異方的な歪みをかけるこ
とは困難である。
な歪みをかけるには、窒化ガリウム系半導体をc軸方位
でない方向に成長させて格子不整合なヘテロ構造を作製
するのが最も簡単な方法であるが、通常、サファイア基
板上では面方位によらず窒化ガリウム系半導体はc軸方
向に成長しやすいために、サファイア基板を利用する従
来の方法で(0001)面内に異方的な歪みをかけるこ
とは困難である。
【0013】そこで本発明の目的は、プロセスが容易で
特性の優れた窒化化合物半導体素子、及びプロセスが容
易な該素子の製造方法を提供することにある。
特性の優れた窒化化合物半導体素子、及びプロセスが容
易な該素子の製造方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の目
的を達成するために種々の検討を重ねた結果、本発明を
完成した。
的を達成するために種々の検討を重ねた結果、本発明を
完成した。
【0015】第1の発明は、窒化ガリウム、窒化アルミ
ニウム及び窒化インジウムの中から選ばれる1種の層、
あるいはこれらの中から選ばれる2種以上の混晶の層を
有する窒化化合物半導体素子であって、(0001)面
以外の面方位のウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム系半
導体基板を有し、該半導体基板が、窒化ガリウム、窒化
アルミニウム及び窒化インジウムの中から選ばれる1種
の窒化ガリウム系半導体、あるいはこれらの中から選ば
れる2種以上の混晶の窒化ガリウム系半導体からなるこ
とを特徴とする窒化化合物半導体素子に関する。
ニウム及び窒化インジウムの中から選ばれる1種の層、
あるいはこれらの中から選ばれる2種以上の混晶の層を
有する窒化化合物半導体素子であって、(0001)面
以外の面方位のウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム系半
導体基板を有し、該半導体基板が、窒化ガリウム、窒化
アルミニウム及び窒化インジウムの中から選ばれる1種
の窒化ガリウム系半導体、あるいはこれらの中から選ば
れる2種以上の混晶の窒化ガリウム系半導体からなるこ
とを特徴とする窒化化合物半導体素子に関する。
【0016】第2の発明は、閃亜鉛鉱型結晶構造を有す
る半導体の(100)基板またはその15度以内の傾斜
基板上に、III族原料として塩化物を用いた気相成長法
によって窒化ガリウム系半導体を成長した後に、溶液エ
ッチングによって前記基板の閃亜鉛鉱型結晶構造を有す
る半導体を取り除き、次いで、このようにして作製され
た、(0001)面以外の面方位のウルツ鉱構造を有す
る窒化ガリウム系半導体基板上に、半導体層を成長する
ことを特徴とする第1の発明の窒化化合物半導体素子の
製造方法に関する。
る半導体の(100)基板またはその15度以内の傾斜
基板上に、III族原料として塩化物を用いた気相成長法
によって窒化ガリウム系半導体を成長した後に、溶液エ
ッチングによって前記基板の閃亜鉛鉱型結晶構造を有す
る半導体を取り除き、次いで、このようにして作製され
た、(0001)面以外の面方位のウルツ鉱構造を有す
る窒化ガリウム系半導体基板上に、半導体層を成長する
ことを特徴とする第1の発明の窒化化合物半導体素子の
製造方法に関する。
【0017】
【発明の実施の形態】まず、本発明の窒化化合物半導体
素子が特性の優れたものとなる理由、及び本発明の製造
方法で本発明の素子を容易に作製できる理由について、
本発明者らによる新たな知見に基づいて、以下に説明す
る。
素子が特性の優れたものとなる理由、及び本発明の製造
方法で本発明の素子を容易に作製できる理由について、
本発明者らによる新たな知見に基づいて、以下に説明す
る。
【0018】本発明者らが「山口他、Jpn.J.Appl.Phys.
Vol.35p.L873(1996)」の中で報告しているように、III
族元素の原料として塩化物を用いた気相成長法で窒化ガ
リウム系半導体を砒化ガリウム(100)基板またはそ
の15度以内の傾斜基板上に成長すると、c軸が砒化ガ
リウムの[111]方向に向いたウルツ鉱構造の良質な
窒化ガリウム系半導体層が成長する。
Vol.35p.L873(1996)」の中で報告しているように、III
族元素の原料として塩化物を用いた気相成長法で窒化ガ
リウム系半導体を砒化ガリウム(100)基板またはそ
の15度以内の傾斜基板上に成長すると、c軸が砒化ガ
リウムの[111]方向に向いたウルツ鉱構造の良質な
窒化ガリウム系半導体層が成長する。
【0019】この方法により、砒化ガリウム基板上に1
00μm程度の厚さの窒化ガリウム系半導体層を成長し
た後に、溶液選択エッチングにより砒化ガリウム基板を
取り除くと、ピンセットでハンドリングが可能な窒化ガ
リウム系半導体基板が作製される。そして、この窒化ガ
リウム系半導体基板のc軸は基板面に垂直な方向から5
5度程度傾いた方向を向いている。
00μm程度の厚さの窒化ガリウム系半導体層を成長し
た後に、溶液選択エッチングにより砒化ガリウム基板を
取り除くと、ピンセットでハンドリングが可能な窒化ガ
リウム系半導体基板が作製される。そして、この窒化ガ
リウム系半導体基板のc軸は基板面に垂直な方向から5
5度程度傾いた方向を向いている。
【0020】このようにして作製された基板上に、MO
CVD法やMBE法などの成長法で窒化ガリウム系半導
体の素子構造を作製すると、次のような利点がある。ま
ず、この素子構造は窒化ガリウム系半導体の(1,1,
−2,0)面などでへき開できるために、素子分離など
のプロセスが容易である。また、気相成長法で成長する
窒化ガリウム系半導体層をnドープ層またはpドープ層
にしておけば、基板の裏面で電極をとることが可能にな
るので、発光ダイオード構造やレーザーダイオード構造
を作製する際のプロセスが簡単になる。また、溶液エッ
チングで砒化ガリウム基板を取り除くことによって、砒
化ガリウム基板と窒化ガリウム系半導体との熱膨張係数
差に起因して内在する歪みや欠陥もなくすことができる
ので、良好なデバイス特性が実現できる。さらに、レー
ザーダイオードの場合には、へき開面をキャビティーミ
ラー面に利用できるだけでなく、窒化ガリウム系半導体
のc軸が基板面に垂直ではないことから、格子不整合の
ヘテロ構造によってc面内に異方的な歪みを容易にかけ
ることができ、価電子帯の状態密度を低減し、レーザー
特性を大幅に向上させることができる。
CVD法やMBE法などの成長法で窒化ガリウム系半導
体の素子構造を作製すると、次のような利点がある。ま
ず、この素子構造は窒化ガリウム系半導体の(1,1,
−2,0)面などでへき開できるために、素子分離など
のプロセスが容易である。また、気相成長法で成長する
窒化ガリウム系半導体層をnドープ層またはpドープ層
にしておけば、基板の裏面で電極をとることが可能にな
るので、発光ダイオード構造やレーザーダイオード構造
を作製する際のプロセスが簡単になる。また、溶液エッ
チングで砒化ガリウム基板を取り除くことによって、砒
化ガリウム基板と窒化ガリウム系半導体との熱膨張係数
差に起因して内在する歪みや欠陥もなくすことができる
ので、良好なデバイス特性が実現できる。さらに、レー
ザーダイオードの場合には、へき開面をキャビティーミ
ラー面に利用できるだけでなく、窒化ガリウム系半導体
のc軸が基板面に垂直ではないことから、格子不整合の
ヘテロ構造によってc面内に異方的な歪みを容易にかけ
ることができ、価電子帯の状態密度を低減し、レーザー
特性を大幅に向上させることができる。
【0021】上記の説明では、初めに用いる基板として
砒化ガリウム基板を例に用いて説明したが、本発明は砒
化ガリウム基板に限定されるものではなく、インジウム
リン基板やガリウムリン基板などの閃亜鉛鉱型構造の結
晶構造を持つすべての化合物半導体基板において同様の
効果が得られる。
砒化ガリウム基板を例に用いて説明したが、本発明は砒
化ガリウム基板に限定されるものではなく、インジウム
リン基板やガリウムリン基板などの閃亜鉛鉱型構造の結
晶構造を持つすべての化合物半導体基板において同様の
効果が得られる。
【0022】以下、本発明の実施の形態を図面を参照し
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
【0023】第1の実施の形態 図1は、砒化ガリウム基板101の表面に成長した窒化
ガリウム膜の概略断面図である。この窒化ガリウム膜
は、後述する成長装置(図4)によって、砒化ガリウム
基板上に形成される。
ガリウム膜の概略断面図である。この窒化ガリウム膜
は、後述する成長装置(図4)によって、砒化ガリウム
基板上に形成される。
【0024】図1において、砒化ガリウム基板101の
表面は、(100)面から2度傾斜している。この砒化
ガリウム基板(砒化ガリウム(100)2度傾斜基板)
101上に、厚さ50nmの窒化ガリウム低温成長バッ
ファ層102と、厚さ100μmの窒化ガリウム高温成
長層103が順次成長されている。
表面は、(100)面から2度傾斜している。この砒化
ガリウム基板(砒化ガリウム(100)2度傾斜基板)
101上に、厚さ50nmの窒化ガリウム低温成長バッ
ファ層102と、厚さ100μmの窒化ガリウム高温成
長層103が順次成長されている。
【0025】膜の成長は次の通りに行った。図4に示す
成長装置を用い、まず砒化ガリウム基板101を基板温
度630〜640℃で5分間処理することによって砒化
ガリウム基板表面の酸化膜を除去した。
成長装置を用い、まず砒化ガリウム基板101を基板温
度630〜640℃で5分間処理することによって砒化
ガリウム基板表面の酸化膜を除去した。
【0026】次に、基板温度を485℃まで下げ、窒化
ガリウム低温成長バッファ層102を30分間成長させ
た。
ガリウム低温成長バッファ層102を30分間成長させ
た。
【0027】その後、基板温度を950℃まで上げて窒
化ガリウム高温成長層103を2時間成長させた。
化ガリウム高温成長層103を2時間成長させた。
【0028】このようにして砒化ガリウム基板101上
に成長させた窒化ガリウム層の結晶構造を、4軸ゴニオ
メータX線回析装置によって調べたところ、窒化ガリウ
ム膜(窒化ガリウム低温バッファ層102及び窒化ガリ
ウム高温成長層103)は、すべて、ウルツ鉱型の結晶
構造を有していることがわかった。そして、このウルツ
鉱型結晶構造の窒化ガリウムのc軸は、基板である砒化
ガリウムの<111>方向とほぼ同じ方向を向いている
こともわかった。ただし、ウルツ鉱型結晶構造の窒化ガ
リウムのc軸と砒化ガリウムの<111>方向は、完全
には一致しておらず、両者の格子定数の不整合などに起
因して、1〜5度程度ずれている。
に成長させた窒化ガリウム層の結晶構造を、4軸ゴニオ
メータX線回析装置によって調べたところ、窒化ガリウ
ム膜(窒化ガリウム低温バッファ層102及び窒化ガリ
ウム高温成長層103)は、すべて、ウルツ鉱型の結晶
構造を有していることがわかった。そして、このウルツ
鉱型結晶構造の窒化ガリウムのc軸は、基板である砒化
ガリウムの<111>方向とほぼ同じ方向を向いている
こともわかった。ただし、ウルツ鉱型結晶構造の窒化ガ
リウムのc軸と砒化ガリウムの<111>方向は、完全
には一致しておらず、両者の格子定数の不整合などに起
因して、1〜5度程度ずれている。
【0029】さらに、電子顕微鏡写真によると、このウ
ルツ鉱型構造の窒化ガリウム層は、閃亜鉛鉱型の窒化ガ
リウムの混入がほとんどなく、良質な結晶であることが
わかった。
ルツ鉱型構造の窒化ガリウム層は、閃亜鉛鉱型の窒化ガ
リウムの混入がほとんどなく、良質な結晶であることが
わかった。
【0030】(100)面からの傾斜角度を変えた砒化
ガリウム基板に対して同様の実験を行ったところ、傾斜
してない(100)基板から15度傾斜した基板までの
すべての砒化ガリウム基板上で、砒化ガリウムの<11
1>方向とほぼ同じ方向にc軸を向けたウルツ鉱型結晶
構造の良質な窒化ガリウムが成長することが確認され
た。
ガリウム基板に対して同様の実験を行ったところ、傾斜
してない(100)基板から15度傾斜した基板までの
すべての砒化ガリウム基板上で、砒化ガリウムの<11
1>方向とほぼ同じ方向にc軸を向けたウルツ鉱型結晶
構造の良質な窒化ガリウムが成長することが確認され
た。
【0031】そして、図1の砒化ガリウム基板上の窒化
ガリウム膜を、硫酸と過酸化水素水と水の混合液に浸し
たところ、砒化ガリウムのみが選択的に溶液エッチング
されて、厚さ約100μmの窒化ガリウム基板が得られ
た。
ガリウム膜を、硫酸と過酸化水素水と水の混合液に浸し
たところ、砒化ガリウムのみが選択的に溶液エッチング
されて、厚さ約100μmの窒化ガリウム基板が得られ
た。
【0032】図4は、窒化ガリウム膜の成長に用いた成
長装置を説明する概略構成図である。この成長装置は、
III族原料に塩化物を用いる気相成長法によってIII−V
族化合物半導体層を基板上に形成する際に使用されるも
のである。
長装置を説明する概略構成図である。この成長装置は、
III族原料に塩化物を用いる気相成長法によってIII−V
族化合物半導体層を基板上に形成する際に使用されるも
のである。
【0033】この成長装置は、その内部に、ガリウム
(Ga)原料を保持するガリウムソースボート401
と、インジウム(In)原料を保持するインジウムソー
スボート403と、砒化ガリウム基板407を保持する
ための基板ホルダ406とを有している。砒化ガリウム
基板407は、例えば、粘着によって基板ホルダ406
に取り付けられる。そして、導入管402から塩化水素
(HCl)ガスと水素ガスとの混合ガスを導入すること
により、ガリウムソースボート401上のガリウムが塩
化ガリウムとなって、水素キャリアガスにより下流側に
輸送され砒化ガリウム基板407の位置に達する。同様
に、導入管404から塩化水素ガスと水素ガスの混合ガ
スを導入することによって、インジウムソースボート4
03上のインジウムが塩化インジウムとなって、水素キ
ャリアガスにより下流側に輸送され、砒化ガリウム基板
407の位置に到達する。また、V族元素である窒素
は、バイパス管405を通して、アンモニアと水素ガス
の混合物として導入される。なお、各ソースボート40
1、403の近傍でのガスの混合を避けるため、これら
のソースボート401、403の間には、分離壁408
が設けられている。
(Ga)原料を保持するガリウムソースボート401
と、インジウム(In)原料を保持するインジウムソー
スボート403と、砒化ガリウム基板407を保持する
ための基板ホルダ406とを有している。砒化ガリウム
基板407は、例えば、粘着によって基板ホルダ406
に取り付けられる。そして、導入管402から塩化水素
(HCl)ガスと水素ガスとの混合ガスを導入すること
により、ガリウムソースボート401上のガリウムが塩
化ガリウムとなって、水素キャリアガスにより下流側に
輸送され砒化ガリウム基板407の位置に達する。同様
に、導入管404から塩化水素ガスと水素ガスの混合ガ
スを導入することによって、インジウムソースボート4
03上のインジウムが塩化インジウムとなって、水素キ
ャリアガスにより下流側に輸送され、砒化ガリウム基板
407の位置に到達する。また、V族元素である窒素
は、バイパス管405を通して、アンモニアと水素ガス
の混合物として導入される。なお、各ソースボート40
1、403の近傍でのガスの混合を避けるため、これら
のソースボート401、403の間には、分離壁408
が設けられている。
【0034】基板ホルダ406に貼り付けられた砒化ガ
リウム基板407上に窒化ガリウム層を成長させる場合
には、装置全体を所定の温度に加熱し、バイパス管40
5から水素希釈アンモニアガスを導入し、さらに導入管
402から水素希釈塩化水素を導入して塩化ガリウムを
発生させ、アンモニアと塩化ガリウムを砒化ガリウム基
板407に到達させればよい。同様に、窒化インジウム
層を成長させる場合には、砒化ガリウム基板407を加
熱し、導入管404から水素希釈塩化水素ガスを導入し
て塩化インジウム発生させるとともに、バイパス管40
5から水素希釈塩化水素ガスを導入すればよい。導入管
402、404の両方から水素希釈塩化水素ガスを導入
した場合には塩化ガリウムと塩化インジウムが同時に生
成し、砒化ガリウム基板407上に窒化インジウムガリ
ウム層が成長する。
リウム基板407上に窒化ガリウム層を成長させる場合
には、装置全体を所定の温度に加熱し、バイパス管40
5から水素希釈アンモニアガスを導入し、さらに導入管
402から水素希釈塩化水素を導入して塩化ガリウムを
発生させ、アンモニアと塩化ガリウムを砒化ガリウム基
板407に到達させればよい。同様に、窒化インジウム
層を成長させる場合には、砒化ガリウム基板407を加
熱し、導入管404から水素希釈塩化水素ガスを導入し
て塩化インジウム発生させるとともに、バイパス管40
5から水素希釈塩化水素ガスを導入すればよい。導入管
402、404の両方から水素希釈塩化水素ガスを導入
した場合には塩化ガリウムと塩化インジウムが同時に生
成し、砒化ガリウム基板407上に窒化インジウムガリ
ウム層が成長する。
【0035】第2の実施の形態 図2は、本発明を適用して作製した窒化ガリウム系半導
体による発光ダイオード素子の概略断面図である。基板
には第1の実施の形態で述べたのとほぼ同様の方法で作
製した窒化ガリウム基板201を用いた。ただし、成長
時にセレン化水素ガスをさらに同時に供給することによ
ってn型窒化ガリウム基板としたした点が第1の実施の
形態と異なっている。
体による発光ダイオード素子の概略断面図である。基板
には第1の実施の形態で述べたのとほぼ同様の方法で作
製した窒化ガリウム基板201を用いた。ただし、成長
時にセレン化水素ガスをさらに同時に供給することによ
ってn型窒化ガリウム基板としたした点が第1の実施の
形態と異なっている。
【0036】このn型窒化ガリウム基板201上に、M
OCVD法により、ケイ素が添加された厚さ3μmのn
型窒化ガリウム層202と、厚さ100nmの不純物無
添加のIn0.1Ga0.9N層203と、マグネシウムを添
加した厚さ1μmのp型窒化ガリウム層204を順次成
長した。最後に、n型窒化ガリウム基板201の裏面側
にn電極205を設け、p型窒化ガリウム層204の上
にp電極206を設けて、発光ダイオードを作製した。
OCVD法により、ケイ素が添加された厚さ3μmのn
型窒化ガリウム層202と、厚さ100nmの不純物無
添加のIn0.1Ga0.9N層203と、マグネシウムを添
加した厚さ1μmのp型窒化ガリウム層204を順次成
長した。最後に、n型窒化ガリウム基板201の裏面側
にn電極205を設け、p型窒化ガリウム層204の上
にp電極206を設けて、発光ダイオードを作製した。
【0037】この発光ダイオード素子は、基板の裏側に
電極の一方を設けた構造であるため、電極を2つとも素
子の表側につけなければならない従来のサファイア基板
上の発光ダイオード素子よりも作製が容易である。
電極の一方を設けた構造であるため、電極を2つとも素
子の表側につけなければならない従来のサファイア基板
上の発光ダイオード素子よりも作製が容易である。
【0038】また、電子顕微鏡写真や発光スペクトル測
定でこの成長膜の膜質を調べたところ、従来のサファイ
ア基板上の膜に比べて、飛躍的に欠陥が少なくなり、光
学的品質も良くなっていることがわかった。これは、窒
化ガリウム基板上に成長することによって、従来のサフ
ァイア基板上の膜のような基板と成長膜との熱膨張係数
差に起因する欠陥がなくなったためと考えられる。そし
て、この発光ダイオード素子は、従来のサファイア基板
上に作製した発光ダイオード素子と比べて3倍程度の強
い輝度を示した。
定でこの成長膜の膜質を調べたところ、従来のサファイ
ア基板上の膜に比べて、飛躍的に欠陥が少なくなり、光
学的品質も良くなっていることがわかった。これは、窒
化ガリウム基板上に成長することによって、従来のサフ
ァイア基板上の膜のような基板と成長膜との熱膨張係数
差に起因する欠陥がなくなったためと考えられる。そし
て、この発光ダイオード素子は、従来のサファイア基板
上に作製した発光ダイオード素子と比べて3倍程度の強
い輝度を示した。
【0039】第3の実施の形態 図3は、本発明を適用して作製した窒化ガリウム系半導
体による半導体レーザー素子の概略斜視図である。素子
の作製に用いたn型窒化ガリウム基板201及びその上
に成長した膜構造は第2の実施の形態における発光ダイ
オード素子と同じであるが、電流狭窄のためにp電極3
06をストライプ状にしている点と、窒化ガリウム系半
導体のへき開によってへき開面307を露出させキャビ
ティーミラー面として利用している点が異なっている。
ヘき開面307は、窒化ガリウム系半導体の(1,1,
−2,0)面であって、基板面に垂直である。
体による半導体レーザー素子の概略斜視図である。素子
の作製に用いたn型窒化ガリウム基板201及びその上
に成長した膜構造は第2の実施の形態における発光ダイ
オード素子と同じであるが、電流狭窄のためにp電極3
06をストライプ状にしている点と、窒化ガリウム系半
導体のへき開によってへき開面307を露出させキャビ
ティーミラー面として利用している点が異なっている。
ヘき開面307は、窒化ガリウム系半導体の(1,1,
−2,0)面であって、基板面に垂直である。
【0040】半導体レーザーでは、一般に、キャビティ
ーミラー面の平坦性と1対のキャビティーミラー面の間
の平行性とがレーザー特性に大きく影響する。従来のよ
うにサファイア基板上にレーザー素子を作製した場合に
は、キャビティーミラー面としてへき開面を利用できな
いため、ドライエッチング等の方法によってキャビティ
ーミラー面をつくる必要があり、複雑な工程を経ざるを
得ない上に、平坦性も平行性も良いものが得られない。
それに比べて、本実施の形態の半導体レーザー素子は、
へき開を利用して平坦で平行性の良いキャビティーミラ
ー面を形成することができる。
ーミラー面の平坦性と1対のキャビティーミラー面の間
の平行性とがレーザー特性に大きく影響する。従来のよ
うにサファイア基板上にレーザー素子を作製した場合に
は、キャビティーミラー面としてへき開面を利用できな
いため、ドライエッチング等の方法によってキャビティ
ーミラー面をつくる必要があり、複雑な工程を経ざるを
得ない上に、平坦性も平行性も良いものが得られない。
それに比べて、本実施の形態の半導体レーザー素子は、
へき開を利用して平坦で平行性の良いキャビティーミラ
ー面を形成することができる。
【0041】また、本実施の形態の半導体レーザー素子
では、第2の実施の形態の場合と同様に、基板と成長膜
との熱膨張係数に差がないため、光学的品質が非常に良
い膜が得られる。
では、第2の実施の形態の場合と同様に、基板と成長膜
との熱膨張係数に差がないため、光学的品質が非常に良
い膜が得られる。
【0042】さらに、活性層であるInGaN層203
には上下の窒化ガリウム層202、204との格子定数
の違いから、2軸性の歪みがかかっている。このInG
aN層203ではc軸の向きが基板に垂直方向ではない
ので、この歪みはc面内に異方的な歪みとなる。このた
め、このレーザー素子では活性層の価電子帯の状態密度
が低減され、優れた特性が実現できる。実際に、77K
パルス発振でのしきい値電流密度が、従来のサファイア
基板上に作製したレーザー素子に比べて約半分になるこ
とが確認された。
には上下の窒化ガリウム層202、204との格子定数
の違いから、2軸性の歪みがかかっている。このInG
aN層203ではc軸の向きが基板に垂直方向ではない
ので、この歪みはc面内に異方的な歪みとなる。このた
め、このレーザー素子では活性層の価電子帯の状態密度
が低減され、優れた特性が実現できる。実際に、77K
パルス発振でのしきい値電流密度が、従来のサファイア
基板上に作製したレーザー素子に比べて約半分になるこ
とが確認された。
【0043】第1〜第3の実施の形態は、具体的に説明
した構造及び製造方法に限定されるものではなく、砒化
ガリウム以外の閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導
体(例えば、立方晶の炭化珪素やセレン化亜鉛)の(1
00)基板またはその15度以内の傾斜基板を、窒化ガ
リウム系半導体基板をつくるための初めの基板として用
いる場合、及び、窒化インジウム、窒化アルミニウム、
窒化ガリウムの任意の組成の混晶を成長層に含む場合に
も適用される。
した構造及び製造方法に限定されるものではなく、砒化
ガリウム以外の閃亜鉛鉱型結晶構造を有する化合物半導
体(例えば、立方晶の炭化珪素やセレン化亜鉛)の(1
00)基板またはその15度以内の傾斜基板を、窒化ガ
リウム系半導体基板をつくるための初めの基板として用
いる場合、及び、窒化インジウム、窒化アルミニウム、
窒化ガリウムの任意の組成の混晶を成長層に含む場合に
も適用される。
【0044】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体の(10
0)基板またはその15度以内の傾斜基板上に、III族
原料として塩化物を用いた気相成長法により窒化ガリウ
ム系半導体を成長した後に、溶液エッチングにより前記
基板の閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体を取り除くこ
とによって作製した(0001)面以外の面方位のウル
ツ鉱構造窒化ガリウム系半導体基板上に半導体層を形成
して素子を作製することによって、プロセスが容易で特
性の優れた半導体素子が実現できる。
よれば、閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体の(10
0)基板またはその15度以内の傾斜基板上に、III族
原料として塩化物を用いた気相成長法により窒化ガリウ
ム系半導体を成長した後に、溶液エッチングにより前記
基板の閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体を取り除くこ
とによって作製した(0001)面以外の面方位のウル
ツ鉱構造窒化ガリウム系半導体基板上に半導体層を形成
して素子を作製することによって、プロセスが容易で特
性の優れた半導体素子が実現できる。
【図1】本発明における、砒化ガリウム基板上に成長し
た窒化ガリウム膜の概略断面図である。
た窒化ガリウム膜の概略断面図である。
【図2】本発明を適用して作製した窒化ガリウム系化合
物半導体による発光ダイオード素子の概略断面図であ
る。
物半導体による発光ダイオード素子の概略断面図であ
る。
【図3】本発明を適用して作製した窒化ガリウム系化合
物半導体による半導体レーザー素子の概略斜視図であ
る。
物半導体による半導体レーザー素子の概略斜視図であ
る。
【図4】本発明における窒化ガリウム膜の成長に用いる
成長装置の概略構成図である。
成長装置の概略構成図である。
【図5】従来技術によってサファイア基板上に作製した
半導体レーザー素子の概略断面図である。
半導体レーザー素子の概略断面図である。
101 砒化ガリウム基板 102 窒化ガリウム低温成長バッファ層 103 窒化ガリウム高温成長層 201 n型窒化ガリウム基板 202 ケイ素が添加されたn型窒化ガリウム層 203 不純物無添加のIn0.1Ga0.9N層 204 マグネシウムを添加したp型窒化ガリウム層 205 n電極 206、306 p電極 307 へき開面 401 ガリウムソースボート 402、404 導入管 403 インジウムソースボート 405 バイパス管 406 基板ホルダ 407 砒化ガリウム基板 408 分離壁 501 (0001)面を表面とするサファイア基板 502 窒化ガリウムバッファ層 503 ケイ素が添加されたn型窒化ガリウム層 504 ケイ素が添加されたn型In0.1Ga0.9N層 505 ケイ素が添加されたn型Al0.15Ga0.85N層 506 ケイ素が添加されたn型窒化ガリウム層 507 In0.2Ga0.8N量子井戸層とIn0.05Ga
0.95N障壁層の26周期からなる多重量子井戸層 508 マグネシウムが添加されたp型Al0.2Ga0.8
N層 509 マグネシウムが添加されたp型窒化ガリウム層 510 マグネシウムが添加されたp型Al0.15Ga
0.85N層 511 マグネシウムが添加されたp型窒化ガリウム層 512 ニッケルと金の2層からなるp電極 513 チタンとアルミニウムの2層からなるn電極
0.95N障壁層の26周期からなる多重量子井戸層 508 マグネシウムが添加されたp型Al0.2Ga0.8
N層 509 マグネシウムが添加されたp型窒化ガリウム層 510 マグネシウムが添加されたp型Al0.15Ga
0.85N層 511 マグネシウムが添加されたp型窒化ガリウム層 512 ニッケルと金の2層からなるp電極 513 チタンとアルミニウムの2層からなるn電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI // H01L 21/205 H01L 29/14
Claims (7)
- 【請求項1】 窒化ガリウム、窒化アルミニウム及び窒
化インジウムの中から選ばれる1種の層、あるいはこれ
らの中から選ばれる2種以上の混晶の層を有する窒化化
合物半導体素子であって、(0001)面以外の面方位
のウルツ鉱構造を有する窒化ガリウム系半導体基板を有
し、該半導体基板が、窒化ガリウム、窒化アルミニウム
及び窒化インジウムの中から選ばれる1種の窒化ガリウ
ム系半導体、あるいはこれらの中から選ばれる2種以上
の混晶の窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とす
る窒化化合物半導体素子。 - 【請求項2】 素子構造が発光ダイオード構造である請
求項1記載の窒化化合物半導体素子。 - 【請求項3】 素子構造が半導体レーザー構造である請
求項1記載の窒化化合物半導体素子。 - 【請求項4】 閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体の
(100)基板またはその15度以内の傾斜基板上に、
III族原料として塩化物を用いた気相成長法によって窒
化ガリウム系半導体を成長した後に、溶液エッチングに
よって前記基板の閃亜鉛鉱型結晶構造を有する半導体を
取り除き、次いで、このようにして作製された、(00
01)面以外の面方位のウルツ鉱構造を有する窒化ガリ
ウム系半導体基板上に、半導体層を成長することを特徴
とする請求項1記載の窒化化合物半導体素子の製造方
法。 - 【請求項5】 閃亜鉛鉱型結晶構造を有する基板とし
て、砒化ガリウム(100)基板またはその15度以内
の傾斜基板を用いる請求項4記載の窒化化合物半導体素
子の製造方法。 - 【請求項6】 素子構造が発光ダイオード構造である請
求項5記載の窒化化合物半導体素子の製造方法。 - 【請求項7】 素子構造が半導体レーザー構造である請
求項5記載の窒化化合物半導体素子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34783996A JPH10190059A (ja) | 1996-12-26 | 1996-12-26 | 窒化化合物半導体素子及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP34783996A JPH10190059A (ja) | 1996-12-26 | 1996-12-26 | 窒化化合物半導体素子及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH10190059A true JPH10190059A (ja) | 1998-07-21 |
Family
ID=18392960
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP34783996A Pending JPH10190059A (ja) | 1996-12-26 | 1996-12-26 | 窒化化合物半導体素子及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH10190059A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001230497A (ja) * | 1999-12-06 | 2001-08-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化物半導体装置 |
US6653663B2 (en) | 1999-12-06 | 2003-11-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Nitride semiconductor device |
US7629623B2 (en) | 2002-03-26 | 2009-12-08 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Nitride-based semiconductor device and method of fabricating the same |
JP2012231192A (ja) * | 2008-10-07 | 2012-11-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ガリウム系半導体発光素子、窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法、窒化ガリウム系発光ダイオード、エピタキシャルウエハ、及び窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法 |
-
1996
- 1996-12-26 JP JP34783996A patent/JPH10190059A/ja active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001230497A (ja) * | 1999-12-06 | 2001-08-24 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化物半導体装置 |
US6653663B2 (en) | 1999-12-06 | 2003-11-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Nitride semiconductor device |
US6797991B2 (en) | 1999-12-06 | 2004-09-28 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Nitride semiconductor device |
US6849875B2 (en) | 1999-12-06 | 2005-02-01 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Nitride semiconductor device |
US7629623B2 (en) | 2002-03-26 | 2009-12-08 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Nitride-based semiconductor device and method of fabricating the same |
US7655484B2 (en) | 2002-03-26 | 2010-02-02 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Nitride-based semiconductor device and method of fabricating the same |
JP2012231192A (ja) * | 2008-10-07 | 2012-11-22 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 窒化ガリウム系半導体発光素子、窒化ガリウム系半導体発光素子を作製する方法、窒化ガリウム系発光ダイオード、エピタキシャルウエハ、及び窒化ガリウム系発光ダイオードを作製する方法 |
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