(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶構造が立方晶系に属するシリコン、又はゲルマニウムからなる半導体基板と、
前記半導体基板の主面の上方に形成された、III-V族のウルツ鉱型結晶系半導体層と、
前記半導体基板の主面と前記ウルツ鉱型結晶系半導体層との間に形成され、且つ前記ウルツ鉱型結晶系半導体層と同じIII-V族の化合物族である立方晶系半導体層とを有することを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
（１１１）面に垂直な面又は（１１１）面に等価な面に垂直な面が主面であり、且つ結晶構造が立方晶系に属するシリコン、又はゲルマニウムからなる半導体基板と、
前記半導体基板の主面の上方に形成されたIII-V族のウルツ鉱型結晶系半導体よりなる能動層と、
前記半導体基板の主面の表面と前記ウルツ鉱型結晶半導体との間に、形成され、且つ前記ウルツ鉱型結晶系半導体層と同じIII-V族の化合物族である立方晶系半導体層とを有することを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項３】
前記III-V族の立方晶系半導体層は、AlZ Ga1-Z P 層（０≦Ｚ≦１）であることを特徴とする請求項１又は２記載の化合物半導体装置。
【請求項４】
前記III-V族のウルツ鉱型結晶系半導体層は、AlW Ga1-W N 層（０≦Ｗ≦１）又はAlX Ga1-X-Y InY N 層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１又は２記載の化合物半導体装置。
【請求項５】
結晶構造が立方晶系に属するシリコン基板、又はゲルマニウム基板の主面にIII-V族化合物族の立方晶系半導体層を成長する工程と、
前記立方晶系半導体層の上に低温で、後の工程で形成するウルツ鉱型結晶系半導体層と同じ種類のIII-V族化合物族であるバッファ層を形成する工程と、
前記バッファ層を加熱して結晶化してウルツ鉱型結晶系半導体にする工程と、
前記ウルツ鉱型結晶系半導体バッファ層の上に高温でIII-V族化合物族のウルツ鉱型結晶系半導体層を形成する工程と
を有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記半導体基板の前記主面は、（１１１）面に垂直な面又は（１１１）面に等価な面に垂直な面であり、前記ウルツ鉱型結晶系半導体層を形成した後に前記半導体基板を（１１１）面又は（１１１）面に等価な面に劈開することを特徴とする請求項５記載の化合物半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、化合物半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、ウルツ鉱型構造の化合物半導体を含む化合物半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
GaN を含むウルツ鉱型構造の化合物半導体を発光層（活性層）として使用する発光ダイオードは例えば図３(a) に示すような構造をしており、その発光波長は３５０〜５００nmの範囲内である。
図３(a) において、α結晶サファイア（α−Al2O3 ）基板１の上には、有機金属成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてGaN バッファ層２、ｎ型GaN クラッド層３、アンドープInGaN 活性層４、ｐ型GaN クラッド層５が順に形成されている。また、ｐ型GaN クラッド層５の上にはｐ側電極６、ｎ型GaN クラッド層３の露出部分にはｎ側電極７が形成されている。
【０００３】
この発光ダイオードの共振器面は、各化合物半導体層が成長されたサファイア基板１を所望の大きさに切断して形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、サファイア基板１は絶縁体なので、ｎ側電極７をｎ型GaN クラッド層３に接続する場合に、部分的にｐ型GaN クラッド層５からｎ型GaN クラッド層３の上層部までをエッチングしてｎ型GaN クラッド層３を露出しているので、生産性を十分に高めることができないといった問題がある。
【０００５】
これに対して、不純物を含有させて導電性を付与できるシリコン基板をサファイア基板１の代わりに使用し、シリコン基板の（１１１）面上に化合物半導体層を結晶成長させたものがある。その（１１１）面は、ウルツ鉱型構造の（０００１）面に対応している。
しかし、主面が（１１１）面のシリコン基板では、主面に垂直方向への劈開は不可能なのでスクライブやダイシングにより共振器面を形成する工程が必要となって、手間がかかる。
【０００６】
また、図３(b) に示すように、５００〜６００℃程度の低温でGaN をシリコン基板８上に成長すると、GaN ９が粒状に成長して平坦な膜が得られないといった問題がある。
さらに、サファイア基板１にはGaAs基板やInP 基板のような劈開性がなく、ダイシングやスクライビングにより共振器面を形成する方法が採られ、しかもサファイア基板１自体が非常に硬いので、一旦サファイア基板１を研摩により薄くした後でなければダイシングやスクライビングを行えず、これによりスループットが一層低下する。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、生産性を向上するとともに、平坦な半導体膜を得ることができる化合物半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、図２(c) に例示するように、結晶構造が立方晶系に属するシリコン、又はゲルマニウムからなる半導体基板１１と、前記半導体基板１１の主面の上方に形成された、III-V族のウルツ鉱型結晶系半導体層１３〜１６と、前記半導体基板１１の主面と前記ウルツ鉱型結晶系半導体層１３との間に形成され、且つ前記ウルツ鉱型結晶系半導体層１３と同じIII-V族の化合物族である立方晶系半導体層１２とを有することを特徴とする化合物半導体装置により解決する。
【０００９】
または、（１１１）面に垂直な面又は（１１１）面に等価な面に垂直な面が主面であり、且つ結晶構造が立方晶系に属する半導体基板１１と、前記半導体基板１１の主面の上方に形成されたウルツ鉱型結晶系半導体よりなる能動層１５とを有することを特徴とする化合物半導体装置によって解決する。この場合の主面の表面と前記ウルツ鉱型結晶系半導体との間には、立方晶系半導体層１３が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
前記III-V族の立方晶系半導体層１２は、AlZ Ga1-Z P 層（０≦Ｚ≦１）であることを特徴とする。
前記III-V族のウルツ鉱型結晶系半導体層１３は、AlW Ga1-W N 層（０≦Ｗ≦１）又はAlX Ga1-X-Y InY N 層（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）であることを特徴とする。
【００１１】
または、図１、図２に例示するように、結晶構造が立方晶系に属するシリコン基板１１、又はゲルマニウム基板の主面にIII-V族化合物族の立方晶系半導体層１２を成長する工程と、前記立方晶系半導体層１２の上に低温で、後の工程で形成するウルツ鉱型結晶系半導体層と同じ種類のIII-V族化合物族であるバッファ層１３を形成する工程と、前記バッファ層１３を加熱して結晶化してウルツ鉱型結晶系半導体にする工程と、前記ウルツ鉱型結晶系半導体バッファ層１３の上に高温でIII-V族化合物族のウルツ鉱型結晶系半導体層１４〜１６を形成する工程とを有することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法によって解決する。
【００１２】
または、前記半導体基板１１の前記主面は、（１１１）面に垂直な面又は（１１１）面に等価な面に垂直な面であり、前記ウルツ鉱型結晶系半導体層１４〜１６を形成した後に前記半導体基板を（１１１）面又は（１１１）面に等価な面に劈開することを特徴とする化合物半導体装置の製造方法によって解決する。
【００１３】
【作用】
本発明によれば、結晶構造が立方晶系に属するシリコン、又はゲルマニウムからなる半導体基板１１の上に、同じ立方晶系であって、かつIII-V族化合物族である半導体層１２を形成している。そして、このIII-V族化合物族である半導体層１２の上には、同じIII-V族化合物族であるウルツ鉱型結晶系半導体層１３を形成している。
【００１４】
また、その半導体基板の上には同じ立方晶系の化合物半導体層を平坦に形成することが容易であり、その化合物半導体の極性によってその上に同じ族のウルツ鉱型結晶系半導体層を平坦に形成することが容易になる
さらに、シリコン等の立方晶系の半導体基板に半導体レーザなどを作成できるので、同一基板にシリコン能動素子を別工程で形成することが可能になり、電子デバイスと光デバイスとを高集積化することができる。
【００１５】
また、本発明によれば、劈開が容易な（１１１）面又はこれに等価な面に垂直となる面を主面とした立方晶系の半導体基板を使用し、その上に中間層、バッファ層などの化合物半導体層を形成しているので、それらの化合物半導体層を形成した後に半導体基板を垂直方向に劈開すると、それらの化合物半導体層も同時に劈開され、これにより半導体基板上に形成される発光ダイオードの共振面が容易に得られ、しかも、基板分割が容易になる。
【００１６】
【実施例】
そこで、以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は、本発明の第１実施例の発光ダイオードの製造工程を示す断面図である。
本実施例では、図１(a) に示すように、半導体レーザを構成する基板としてｎ型のシリコン基板１１を使用し、（１１１）面又はこれに等価な面に垂直な面を主面とする。
【００１７】
（１１１）面に等価な面としては（１１１）面、（１１−１）面、（１−１１）などがあり、また、（１１１）面に等価な面に垂直な面としては（１−１０）面、（２１１）面、（２−１−１）面などがある。なお、結晶面を示す指数のうち「−１」は、頭部に負号を付した１、即ち「１バー」を示している。
そして、シリコン基板１１の主面上に化合物半導体層を成長する際の前処理としてシリコン基板１１の主面を有機洗浄し、さらにフッ酸系のエッチング液を用いて主面をさらに清浄化する。
【００１８】
次に、シリコン基板１１を反応炉（不図示）に入れ、その表面を水素雰囲気中で１１００℃、１０分間加熱し、これにより自然酸化膜を除去する。
この後に、図１(b) に示すように、シリコン基板１１の主面上にシリコンに近い格子定数を持ち且つ同じ立方晶のIII-Ｖ族化合物半導体中間層、例えばｎ型のAlz Ga1-z P 中間層１２を１００nmの厚さに形成する（０≦Ｚ≦１）。このｎ型のAlz Ga1-z P 中間層１２は電気双極子（極性）を持っている。
【００１９】
Alz Ga1-z P 中間層１２は極性を有し、その表面には同じIII-Ｖ族の元素が付着し易いので、その上にAlw Ga1-w N を５００〜６００℃の低温で３０nmの厚さに成長すると、平坦なAlw Ga1-w N バッファ層１３がほぼ一様の厚さに形成される。
続いて、図１(d) に示すように１０００〜１１００℃の高温でAlw Ga1-w N バッファ層１３を結晶化し、その上面をウルツ鉱型結晶構造にする。
【００２０】
その後に、図２(a) に示すようにAlw Ga1-w N バッファ層１３の上に１０００〜１１００℃の温度で、ｎ型のAlx Ga1-x-y Iny N クラッド層１４を２μｍ、アンドープのGaN 活性層（能動層）１５を５０nm、ｐ型のAlx Ga1-x-y Iny N クラッド層１６を５００nmの厚さに順に形成する（０≦Ｗ≦１、０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦１−Ｘ−Ｙ≦１）。
【００２１】
結晶化したAlw Ga1-w N バッファ層１３の上では成長核の形成が促進されるので、２次元成長が容易になり、平坦なAlx Ga1-x-y Iny N クラッド層１４，１６とGaN 活性層１５が得られる。
以上のようなシリコン基板１１の上の化合物半導体層は例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法によって形成される。低温で成長されたAlz Ga1-z P 中間層１２、Alw Ga1-w N バッファ層１３と、高温で成長されるAlx Ga1-x-y Iny N クラッド層１４，１６、GaN 活性層１５のそれぞれの成長温度、成長原料、原料ガス流量の条件の一例を示すと表１のようになる。なお、表１で示したガスはキャリアガス（例えば水素ガス）とともに反応炉内に導入され、成長時の反応炉内の圧力は２００Torrとなるように調整される。なお、クラッド層１４はAlx Ga1-x N であってもよい。
【００２２】
【表１】
0003685838.tif 000002
【００２３】
上記した各化合物半導体層の成長を終えた後に、ｐ型のAlx Ga1-x-y Iny N クラッド層１６の上に絶縁膜（不図示）を形成し、その絶縁膜に開口部（不図示）を形成した後に、図２(b) に示すように絶縁膜上と開口部内にｐ側電極１７を形成する。また、シリコン基板１１の底面にはｎ側電極１８を形成する。
この後に、図２(c) に示すように、シリコン基板１１の主面に垂直となる（１１１）面又はこれに等価な面で劈開すると、シリコン基板１１及びその上のAlx Ga1-x-y Iny N クラッド層１４、GaN 活性層１５、Alx Ga1-x-y Iny N クラッド層１６にも劈開面が得られ、これにより共振器面が確保される。
【００２４】
以上のように、劈開が容易な（１１１）面又はこれに等価な面に垂直となる面を主面としたシリコン基板１１を使用し、その上に中間層１２、バッファ層１３などの化合物半導体層を形成しているので、それらの化合物半導体層を形成した後にシリコン基板１１を主面に対して垂直方向に劈開すると、それらの化合物半導体層も同時に劈開されて共振面が容易に得られる。
【００２５】
しかも、シリコン基板１１は不純物を含有させることによって低抵抗化するので、化合物半導体層をエッチングすることなくｎ型Alx Ga1-x-y Iny N クラッド層１４に導通するシリコン基板１１の底面に電極１８を形成すると、電極１８とｎ型Alx Ga1-x-y Iny N クラッド層１４の電気的接続が容易になり、これによりスループットが向上する。
【００２６】
また、そのシリコン基板１１の上に、シリコンと同じ立方晶のAlz Ga1-z P 中間層１２を平坦な膜に形成し、その極性によって中間層１２の上にAlw Ga1-w N バッファ層１３を平坦な膜に形成し、そのバッファ層１３を高温でウルツ鉱型構造に結晶化した後に、ウルツ鉱型のクラッド層１４，１６及び活性層１５を形成するようにしている。
【００２７】
さらに、シリコン基板１１に半導体レーザが作成できるので、同一基板にシリコン能動素子を別工程で形成することが可能になり、半導体集積回路と半導体レーザを集積化することができる。
なお、上記した実施例では、シリコン基板１１の主面を（１１１）面又はこれに等価な面に垂直な面を主面としているが、（１１１）面又はこれに等価な面を主面にしてもよい。この場合には、シリコン基板の主面に垂直な方向に劈開することはできないが、電極の接続を容易にしたり、シリコン能動素子と半導体レーザとを集積化したり、シリコン基板上にウルツ鉱型の平坦な化合物半導体層を形成することは可能である。
【００２８】
なお、上記した実施例ではｎ型のシリコン基板を使用しているが、ｐ型のシリコン基板を形成し、その上の化合物半導体層のｐ型とｎ型を反対になるように不純物導入を調整してもよい。
また、上記した実施例では発光ダイオードを例に挙げて説明したが、その他の電子デバイスに適用してもよい。
【００２９】
さらに、上記説明ではシリコン基板を使用しているが、シリコン基板の代わりにゲルマニウムなどの立方晶系基板を適用してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、結晶構造が立方晶系に属する半導体基板の主面の上に立方晶系化合物半導体層を形成し、立方晶系半導体層の上にウルツ鉱型結晶系化合物半導体層を形成しているので、不純物を含有させることによって半導体基板を低抵抗化できるので、半導体基板に電極を形成することによりウルツ鉱型結晶系化合物半導体層に電流を流すことができ、電極の接続が容易となってスループットを向上できる。
【００３１】
また、その半導体基板の上には同じ立方晶系の化合物半導体層を平坦に形成することが容易であり、その化合物半導体の極性によってさらにその上に同じ族のウルツ鉱型結晶系半導体層を平坦に形成できる。
さらに、シリコン等の立方晶系の半導体基板に半導体レーザなどが作成されるので、同一基板にシリコン能動素子を別工程で形成することが可能になり、電子デバイスと光デバイスとを高集積化することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、劈開が容易な（１１１）面又はこれに等価な面に垂直となる面を主面とした立方晶系の半導体基板を使用し、その上に中間層、バッファ層などの化合物半導体層を形成しているので、それらの化合物半導体層を形成した後に半導体基板を垂直方向に劈開すると、それらの化合物半導体層も同時に劈開され、半導体基板上に形成される発光ダイオードの共振面が容易に得られ、しかも、基板分割が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図（その１）である。
【図２】本発明の一実施例の半導体装置の製造工程を示す断面図（その２）である。
【図３】従来の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１１    シリコン基板（立方晶系半導体基板）
１２    Alz Ga1-z P 中間層
１３    Alw Ga1-w N バッファ層
１４    Alx Ga1-x-y Iny N クラッド層
１５    GaN 活性層（能動層）
１６    Alx Ga1-x-y Iny N クラッド層
１７    ｐ側電極
１８    ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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