(57)【要約】【課題】GaAs成長基板に厚膜AlGaAs層を直接成長させていたので、これらの格子不整合によって割れ、クラック等が発生していた。【解決手段】GaAs成長基板１上にAlGaInPマイナス歪層１１及びAlGaAs混晶防止層１２を気相成長法で成長させ、その後、厚膜AlGaAs層２を液相成長法で成長させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
該半導体基板上に形成され、該半導体基板の格子定数より小さい格子定数を有する歪み層と、
該歪み層上に形成された混晶防止層と、
該混晶防止層上に形成された厚膜AlGaAs層と
を具備する半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板はAlGa基板であり、（１００）面に対して＜０１１＞方向に0°以上15°以下の傾斜を有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記歪み層はIn及びPを含有する請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記混晶防止層はAlAs混晶比が0以上1以下であるAlGaAsよりなる請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
厚膜AlGaAs層と、
該厚膜AlGaAs層上の混晶防止層と、
該混晶防止層上の歪み層と、
該歪み層上の光半導体層と
を具備する光半導体装置。
【請求項６】
半導体基板上に、該半導体基板の格子定数より小さい格子定数を有する歪み層及び混晶防止層を気相成長法によって成長させる工程と、
該混晶防止層上に厚膜AlGaAs層を液相成長法によって成長させる工程と
を具備する半導体装置の製造方法。
【請求項７】
さらに、前記半導体基板を除去する工程を具備し、前記半導体基板はAlGa基板である請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記GaAs基板は（１００）面に対して＜０１１＞方向に0°以上15°以下の傾斜を有し、前記歪み層はIn及びPを含有する請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記混晶防止層はAlAs混晶比が0以上1以下であるAlGaAsよりなる請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の半導体装置の製造の後に、さらに、前記半導体装置上に光半導体層を成長させる工程を具備する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置、特に、その半導体成長基板としての厚膜AlGaAs層、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光領域の第１の従来の光半導体装置においては、GaAs成長基板上にｎ層、活性層、ｐ層よりなる半導体層としてGaAsと格子整合するAlGaAsあるいはAlGaInPを成長させている。
【０００３】
しかしながら、上述の第１の光半導体装置においては、GaAs成長基板のバンドギャップエネルギーが可視光エネルギーより小さいので、可視光はGaAs成長基板に吸収されてしまい、この結果、GaAs成長基板に向かった可視光は外部へ取り出すことができない。
【０００４】
上述の第１の従来の光半導体装置において、可視光を吸収するGaAs成長基板を除去すれば、可視光を外部へ取り出すことができる。しかし、この場合には、半導体層の厚みが高々10μｍ程度となり、ハンドリング性が悪く、この結果、割れ、クラック等が発生して製造歩留りが低くなる。
【０００５】
可視光領域の第２の従来の光半導体装置においては、第１の従来の光半導体装置に可視光の光吸収を生じない、たとえばGaPよりなる２次基板を接着した後に、GaAs成長基板を除去する（参照：特許文献１）。すなわち、GaAsと異なり、GaPはAlGaAsあるいはAlGaInPと格子定数が大きく異なり、つまり、格子不整合が大きくなり、GaPを成長基板としてAlGaAsあるいはAlGaInPを直接成長することが困難である。このため、GaAs成長基板上にAlGaAsあるいはAlGaInPを成長させて半導体層を形成し、その後、GaPよりなる２次基板をGaAs成長基板と反対側の半導体層上に接着し、最後に、GaAs成長基板を除去する。
【０００６】
しかしながら、上述の第２の従来の光半導体装置においては、２次基板を機械的に接着させるので、接着面でのボイドの発生、接触抵抗の増加、接着時の発熱によるｐ型ドーパンドの拡散等が生ずる。
【０００７】
他方、AlGaAsは、Al組成を変えることにより赤外光〜可視光の領域の光を透過するという特性がある。この場合、Al組成が大きくなる程、AlGaAsの格子定数とGaAsの格子定数とのずれ、つまり、格子不整合は大きくなるが、その格子不整合はGaPの場合に比較して小さい。従って、AlGaAs成長基板上にAlGaAsあるいはAlGaInPよりなる半導体層を直接成長させても割れ、クラック等が発生せず、製造歩留りは向上すると期待される。
【０００８】
図７、図８は、AlGaAs成長基板を用いた赤外光〜可視光領域の第３の従来の光半導体装置の製造方法を説明する断面図である（参照：特許文献２）。
【０００９】
始めに、図７の（Ａ）を参照すると、仮の半導体基板としてGaAs成長基板１を用意し、このGaAs成長基板１上に厚膜AlGaAs層２を温度差による液相成長法によって成長させる。
【００１０】
温度差法による液相成長とは、Ga溶媒中にGaAs、Al、Teを成長溶媒中の温度差を成長基板に対して一定に維持するように制御する。このように、成長溶媒の温度差が一定に維持されると、濃度拡散、熱拡散が一定に維持され、この結果、厚膜AlGaAs層２のAl組成が成長方向で均一となる。尚、ドーピング元素としてTeを用いたが、他の元素たとえばZn、Siであってもよい。
【００１１】
次に、図７の（Ｂ）を参照すると、GaAs成長基板１をウェットエッチング法によって除去して厚膜AlGaAs層２をAlGaAs成長基板とする。
【００１２】
次に、図８の（Ａ）を参照すると、ｎ層、活性層、ｐ層等を含む光半導体層３を有機金属化学気相成長（MOCVD）法により成長させる。この場合、厚膜AlGaAs層の厚さは、100μｍ以下ではハンドリングが困難であり、500μｍ以上では液相成長時間が長くなり製造コストの点で問題があるので、100〜500μｍ程度が好ましい。
【００１３】
最後に、図８の（Ｂ）を参照すると、裏面及び表面にｎ側電極４及びｐ側電極５を形成する。
【００１４】
これにより、ｎ側電極４、ｐ側電極５を順方向にバイアスして活性層にキャリアを注入すると赤外光を発光できる。成長基板としてエネルギーギャップの大きい厚膜AlGaAs層２を用いているので、厚膜AlGaAs層２からも光を取り出すことができる。
【特許文献１】特開平２−１０６９８２号公報
【特許文献２】特開２００２−３３５００９号公報
【特許文献３】特開平２−２８０３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の第３の従来の光半導体装置の製造方法においては、Al組成が0.3程度以下であれば、厚膜AlGaAs層２は基板材料として十分な厚みを有することができるが、Al組成が0.4以上になると、図７の（Ａ）において液相成長した数100μｍの厚膜AlGaAs層２とGaAs成長基板１との格子不整合は非常に大きくなり、室温25℃に冷却後、厚膜AlGaAs層２が面外曲げ応力によって成長方向に対して凸となり、つまり、厚膜AlGaAs層２が反ることになる。この結果、これが原因でその後工程で、厚膜AlGaAs層２に割れ、クラック等が多く発生し、製造歩留りが低下するという課題があった。これは厚膜AlGaAs層２の格子定数とGaAs成長基板１の格子定数との差が大きくなり、つまり、格子不整合が大きくなり、厚膜AlGaAs層２によってGaAs成長基板１に大きな面外曲げ応力が作用するものと考えられる。
【００１６】
尚、III-V族化合物半導体たとえばAlGaInPの場合、基板の面方位によって基板上のデバイス物性が大きく左右されることが知られている。たとえば、不純物の取り込み、光出力の増幅に影響する（参照：特許文献３）。AlGaAsにおいても同様である。上述の第３の従来の光半導体装置においては、AlGaAsが可視光に対して透明でエピタキシャル成長可能材料であるので、面方位の異なる厚膜AlGaAs層２が必要である。傾斜角度の異なる厚膜AlGaAs層２は傾斜角度の異なるGaAs成長基板１を用いて成長させるが、この場合、傾斜角度がない（１００）基板に比べて、反りが発生する。この結果、やはり、これが原因で後工程で厚膜AlGaAs層２に割れ、クラック等が発生し、製造歩留りが低下するという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述の課題を解決するために、本発明に係る半導体装置は半導体基板と、この半導体基板上に形成され、半導体基板の格子定数より小さい格子定数を有する歪み層と、この歪み層上に形成された混晶防止層と、この混晶防止層上に形成された厚膜AlGaAs層と、を具備するものである。
【００１８】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に、この半導体基板の格子定数より小さい格子定数を有する歪み層及び混晶防止層を気相成長法によって成長させる工程と、この混晶防止層上に厚膜AlGaAs層を液相成長法によって成長させる工程とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、厚膜AlGaAs層の割れ、クラック等の発生を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１、図２は本発明に係る光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【００２１】
始めに、図１の（Ａ）を参照すると、仮の半導体基板としてGaAs成長基板１を用意し、このGaAs成長基板１上にAlGaInPマイナス歪層１１及びAlGaAs混晶防止層１２を有機金属化学気相成長（MOCVD）法、分子ビーム気相成長（MBE）法等の気相成長法で成長させる。
【００２２】
AlGaInPマイナス歪層１１は(AlxGa1-x)yIn1-yP（y≧0.4好ましくはy＞0.5161）組成を有し、室温25℃でGaAsの格子定数よりも小さい格子定数を有することができる。これにより、AlGaInPマイナス歪層１１はGaAs成長基板１に対して面内引張り応力を加えることができる。尚、液相成長法によるAlGaInPマイナス歪層１１の成長は非常に困難である。
【００２３】
また、AlxGa1-xAsのAlAs混晶比ｘを変化させることによって格子定数を変化させることができるが、AlAs混晶比ｘを増加させる程、室温25℃でのAlxGa1-xAsの格子定数はGaAsの格子定数より大きくなるので、GaAs成長基板１に対して面外曲げ応力を加えることになり、つまり、面内引張り応力を加えることができない。
【００２４】
次に、図１の（Ｂ）を参照すると、AlGaAs混晶防止層１２上に厚膜AlGaAs層２を温度差液相成長法によって成長させる。
【００２５】
尚、AlGaInPマイナス歪層１１上に厚膜AlGaAs層２を温度差液相成長法にて直接成長させると、液相成長時にその溶媒（AlGaAs）に接触するAlGaInPマイナス歪層１１の表面がP系材料で構成されているので、AlGaInPマイナス歪層１１の一部が成長溶媒に溶出し、この結果、厚膜AlGaAs層２中にAsP混晶層が発生するいわゆるメルトバック現象が発生する。AsP混晶層が厚膜AlGaAs層２中に発生すると、歪量が制御できず、また、AlGaInPとの格子不整合が大きくなり、厚膜AlGaAsの結晶品質が低下する。
【００２６】
次に、図２の（Ａ）を参照すると、GaAs成長基板１をウェットエッチング法によって除去してAlGaInPマイナス歪層１１、AlGaAs混晶防止層１２及び厚膜AlGaAs層２を成長基板とする。
【００２７】
次に、図２の（Ｂ）を参照すると、ｎ層、活性層（発光層）、ｐ層等を含む光半導体層３を有機金属化学気相成長（MOCVD）法によりAlGaInPマイナス歪層１１上に成長させる。この場合、厚膜AlGaAs層２の厚さは、100μｍ以下ではハンドリングが困難であり、500μｍ以上では液相成長時間が長くなり製造コストの点で問題があるので、100〜500μｍ程度が好ましい。
【００２８】
最後に、図３を参照すると、裏面及び表面にｎ側電極４及びｐ側電極５を形成する。
【００２９】
これにより、ｎ側電極４、ｐ側電極５を順方向にバイアスして活性層にキャリアを注入すると可視光を発光できる。成長基板としてエネルギーギャップの大きい厚膜AlGaAs層２を用いているので、厚膜AlGaAs層２からも光を取り出すことができる。
【００３０】
このように、AlGaInPマイナス歪層１１はGaAs成長基板１に対して面内引張り応力を加えるので、厚膜AlGaAs層２による面外曲げ応力を緩和できる。従って、厚膜AlGaAs層２に割れ、クラック等の発生を防止でき、製造歩留りの向上に寄与できる。
【００３１】
なお、光半導体層３を成長するのはマイナス歪層１１上に限らず、厚膜AlGaAs層２の表面上に成長させることもできる。光半導体層３を設けた発光ダイオードとして高出力な赤外発光ダイオードを得るためには厚膜AlGaAs層２のA1組成を高くし、かつ、傾斜角も大きくすることが好適である。しかしながら、A1組成を高くすると表面酸化の問題が懸念される。光半導体層３との界面に酸素が高密度で存在すると、成長させる光半導体層３の結晶性が低下するからである。それ故、光半導体層３は、厚膜AlGaAs層２上よりも、AlGaInPマイナス歪層１１上に成長させた方が高出力発光ダイオードを得ることができ、より好適である。
【００３２】
発明者らが次の条件で厚膜AlxGa1-xAs層２（x=0.4、0.65、0.9）を試作した評価結果を図４、図５、図６に示す。
１）GaAs成長基板１の（１００）面に対して＜０１１＞方向に傾斜角0°、4°、10°、15°にする。
２）AlGaInPマイナス歪層１１の厚さを20nm、50nm、100nmとすると共に、(AlxGa1-x)yIn1-yPの組成比x、yを、
0≦x≦1、
0.5≦y≦0.6
とする。
３）AlGaAs混晶防止層１２の組成AlxGa1-xAsの組成比xを、
0≦x≦1
とする。
４）AlGaInPマイナス歪層１１とAlGaAs混晶防止層１２の歪量の和を-3000〜0ppmとする。尚、ある物の歪量（ppm）は
((X-A)/A)・1000000
但し、X：その物の25℃における格子定数、
A：GaAsの25℃における格子定数
で定義される。
その他の条件、たとえばGaAs成長基板１の厚さ、直径、ドーパンド濃度、傾斜方向を、300μｍ、7.68cm（3インチ）、Si強度2E18、（１００）面から＜０１１＞方向とし、また、AlGaAs混晶防止層１２の厚さを20nmとし、さらに、厚膜AlGaAs層２の厚さを300μｍとするが、これらの他の条件は本発明の効果に影響しない。
【００３３】
評価方法は、上述の条件の基で、10枚ずつ試作を行い、すべての傾斜方向について割れ発生がなかった場合を○、10枚とも割れ発生がなかった傾斜方向と少なくとも1枚の割れが発生した傾斜角について混在する場合を△、すべての傾斜方向について割れが発生した場合を×で示した。また、大きなクロス斜線部分はAlGaInPマイナス歪層１１にミスフィット転位が発生した場合を示した。
【００３４】
以上の評価結果から、厚膜AlGaAs層２のAlxGa1-xAsのAl組成比（AlAs混晶比）が0.4以上では、AlGaInPマイナス歪層１１の厚さを適切に設定することにより、厚膜AlGaAs層２に割れ、クラック等が発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。
【図２】本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。
【図３】本発明に係る光半導体装置の製造方法の実施の形態を説明するための断面図である。
【図４】本発明に係る光半導体装置の製造方法によって試作された装置の評価結果を示す表である。
【図５】本発明に係る光半導体装置の製造方法によって試作された装置の評価結果を示す表である。
【図６】本発明に係る光半導体装置の製造方法によって試作された装置の評価結果を示す表である。
【図７】従来の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】従来の光半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１：GaAs成長基板
２：厚膜AlGaAs層
３：光半導体層
４：ｎ側電極
５：ｐ側電極
１１：AlGaInPマイナス歪層
１２：AlGaAs混晶防止層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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