(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
該第１のＧａＮ系半導体層の上に幅２−２０μm、間隔２−１０μmのパターン層を形成するステップ、
窒素ガスをキャリアガスとして前記第１のＧａＮ系半導体層と前記パターン層の上に第２のＧａＮ系半導体層をＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）により形成するステップ、
を含んでなる、ＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記パターン層はＳｉＯ２からなり、前記第２のＧａＮ系半導体層はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記第１のＧａＮ系半導体層はＧａＮからなり、この層はバッファ層を介してサファイア基板の上に形成される、ことを特徴とする請求項２に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記ＧａＮ系半導体素子は発光素子又は受光素子である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項５】
第１のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
該第１のＧａＮ系半導体層の上に幅２−２０μm、間隔２−１０μmのパターン層を形成するステップ、
窒素ガスをキャリアガスとして前記第１のＧａＮ系半導体層と前記パターン層の上に第２のＧａＮ系半導体層をＥＬＯにより形成するステップ、
を含んでなる、積層体の製造方法。
【請求項６】
前記パターン層はＳｉＯ２からなり、前記第２のＧａＮ系半導体層はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項５に記載の積層体の製造方法。
【請求項７】
前記第１のＧａＮ系半導体層はＧａＮからなり、この層はバッファ層を介してサファイア基板の上に形成される、ことを特徴とする請求項６に記載の積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＧａＮ系半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系の半導体は例えば青色発光素子として利用できることが知られている。かかるＧａＮ系半導体素子では、基板材料として例えばサファイアが用いられ、ＡｌＮ製のバッファ層を介してＧａＮ系半導体層が順次積層されて発光素子構造が形成される。
【０００３】
昨今、ＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）により基板上へ下地層を形成する技術が提案されている。即ち、バッファ層を介して第１のＧａＮ層を基板上に成長させ、その上にＳｉＯ２のマスクパターンを形成する。その後、更に第１のＧａＮ層及びマスクパターンの上に第２のＧａＮ層を成長させる。
これにより、第２のＧａＮ層の格子欠陥を抑制することができる。これは、ＳｉＯ２からなるマスクパターンの上にはＧａＮが成長しないので、マスクパターンで被覆されていない第１のＧａＮ層の表面から成長した第２のＧａＮ層は当該マスクパターンの上において横方向へ成長し、その結果第２のＧａＮ層では垂直方向の貫通転位が抑制されるためと考えられる。
また、基板とＧａＮ層との間に介在されるパターン層が基板−ＧａＮ層の積層体の背骨となるので、両者の熱膨張率の差による変形が抑制される。よって、ＧａＮ層を相当厚く形成してもこれにクラックが入り難くなる。
以上、Ｊａｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ３６（１９９７）  ｐｐ．  Ｌ８９９−Ｌ９０２  及び  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ７１（１８），  ３  Ｎｏｖ．  １９９７を参照されたい。なお、これらのＥＬＯ法におて、キャリアガスには水素ガスが用いられていた。
【０００４】
また、ＧａＮ系半導体層を、ＥＬＯ法でなく、単にエピタキシャル成長させるときのキャリアガスとして、窒素ガスを用いることが知られている。詳細は特公平３−３１６７８号公報を参照を参照されたい。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らの検討によれば、上記従来のＥＬＯ法によれば、通常の工業的手法において、パターン層の上にＧａＮ系半導体をほぼ２０μｍ以上成長させなければ、パターン層の上で材料を十分に横方向成長させて、その表面が平坦な第２のＧａＮ系半導体層を得ることが困難であった。
換言すれば、ＥＬＯ法においてパターン層の上に形成されるＧａＮ系半導体の横方向の成長速度が遅かった。これは、キャリアガスとしての水素がＧａＮ系半導体をエッチングしているためと考えられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題に取り組み鋭意検討を重ねた結果、窒素ガスをキャリアガスとして用いることに想到し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は窒素ガスをキャリアガスとするＥＬＯ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）により下地層を形成する、ことを特徴とするＧａＮ系半導体素子の製造方法である。
そして、前記ＥＬＯによる下地層の形成は、
第１のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
該第１の層の上にパターン層を形成するステップ、
前記窒素ガスをキャリアガスとして前記第１の層と前記パターン層の上に第２のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
を含んでなる、ことを特徴とする。
【０００７】
このようにして下地層を形成すると、配向性を持たない平坦な膜が得られやすい。その理由はＨ２キャリアガスによるエッチングによって結晶が配向しやすくなるためと考えられる。
本発明者らの検討によれば、同一の成長条件下において、従来のように水素ガスをキャリアガスとして使用した場合に比べて、窒素ガスをキャリアガスに採用すると、その表面が平坦となるのに必要な第２のＧａＮ系半導体層の厚みが１／４になった。
【０００８】
上記において、下地層とはＧａＮ系半導体素子において素子の機能を発揮する半導体層の下に位置する層である。発光素子や受光素子の場合にはクラッド層もこの下地層に含まれる。
基板の材料は特に限定されない。サファイア、ＳｉＣ等の周知のものが利用できる。また、基板と当該下地層との間にバッファ層を設けることも勿論可能である。
【０００９】
第１のＧａＮ系半導体層の形成の方法は任意である。ＭＯＶＰＥやＨＶＰＥ等の汎用的な成長方法を採用できる。このときのキャリアガスは特に限定されない。勿論、第２のＧａＮ系半導体層の成長と同様にキャリアガスとして窒素ガスを用いることができる。
この第１のＧａＮ系半導体層の膜厚は０．３〜５μｍとすることが好ましい。
【００１０】
なお、この明細書において、ＧａＮ系半導体とはＩＩＩ族窒化物半導体であって、一般的にはＡｌＸＧａＹＩｎ１ーＸーＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。また、任意のドーパントを含むものであっても良い。
【００１１】
パターン層の材質は第２のＧａＮ系半導体層がその上で横方向に成長（ラテラル成長）するものであれば特に限定されない。これにより、垂直方向の貫通転位が抑制されるからである。従って、パターン層はその上でのＧａＮ系半導体材料の縦方向の成長を阻害するものである。実施例ではパターン層をＳｉＯ２で形成した。ＳｉＯ２の上にはＧａＮが成長しないことが知られている。なお、ＡｌＧａＮはＳｉＯ２の上に成長する。つまり、パターン層の形成材料は第２のＧａＮ系半導体層の材料に応じて適宜選択される。
したがって、その形成方法も適宜選択される。例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、蒸着等の（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法で膜を形成した後、フォトリソ技術により所望の形状に形成する。
【００１２】
パターン層のパターン形状及び膜厚は、第２のＧａＮ系半導体層の上面が平坦となるものであれば、特に限定されない。
パターン形状として、ストライプ状、格子状、島状等の任意の形状が利用できる。
【００１３】
第２のＧａＮ系半導体層の成長方法も任意であり、ＭＯＶＰＥ法やＨＶＰＥ法を利用できるが、そのときのキャリアガスとして窒素ガスを用いる。
キャリアガスはその主体が窒素ガスであればよく、これに他のガスを混合することができる。
窒素ガスの流量は、他の材料ガスの流量、層の成長速度、層の組成及びその他の成長条件に応じて適宜選択される。
【００１４】
既述のように、本発明者らの検討によれば、キャリアガスとして窒素ガスを選択することにより、水素ガスを使用していた従来に比べて、第２のＧａＮ系半導体層の横方向成長速度がほぼ４倍になる。従って、第２のＧａＮ系半導体層を薄く形成できる。
【００１５】
この第２のＧａＮ系半導体層を複数の層から形成することもできる。その場合、最初に窒素ガスをキャリアガスとして使用して平坦な第１層を形成する。そしてその後、第１層の上に異なる成長条件で第２層を形成する。このとき、キャリアガスとして必ずしも窒素ガスを使用する必要はない。
【００１６】
【実施例】
次のこの発明の実施例について説明する。
この実施例は発光ダイオード１であり、その構成を図１に示す。
各半導体層のスペックは次の通りである。
0003620269.tif 000002
【００１７】
パターン層５は紙面垂直方向へ連続する複数のストライプ形状である。各ストライプ自体の幅は約２〜２０μｍ、ストライプ間の幅は約２〜１０μｍである。
【００１８】
ｎクラッド層６は発光層７側の低電子濃度ｎ層と基板２側の高電子濃度ｎ＋層とからなる２層構造とすることができる。
素子構造は超格子構造のものに限定されず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型のものなどを用いることができる。
発光層７とｐクラッド層８との間にマグネシウム等のアクセプタをドープしたバンドギャップの広いＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）層を介在させることができる。これは発光層７中に注入された電子がｐクラッド層８に拡散するのを防止するためである。
ｐクラッド層８を発光層７側の低ホール濃度ｐ層と電極９側の高ホール濃度ｐ＋層とからなる２層構造とすることができる。
【００１９】
透光性電極９は金を含む薄膜であり、ｐクラッド層８の上面の実質的な全面を覆って積層される。ボンディング用のパッド電極１０も金を含む材料で構成されており、蒸着により透光性電極９の上に形成される。
ｎ電極１１はエッチングにより露出したｎクラッド層６に蒸着されている。
【００２０】
次に、実施例の発光ダイオード１の製造方法について説明する。
尚、各ＧａＮ系半導体層は周知の有機金属化合物気相成長（この明細書で「ＭＯＶＰＥ」と省略している。）法により形成される。この成長法においては、アンモニアガスとＩＩＩ族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）やトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の結晶を基板の上に成長させる。
【００２１】
（サファイア基板２）
有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とする単結晶サファイア基板２を図示しないＭＯＶＰＥ装置の反応装置のサセプタ（図示せず）に装着する。次に、下記条件でサファイア基板を気相エッチングする。
0003620269.tif 000003
【００２２】
（バッファ層３）
引き続き、基板２の上に下記の条件でＡｌＮ製のバッファ層を形成する。
0003620269.tif 000004
【００２３】
（第１のＧａＮ層４）
次に、バッファ層３の上に下記の条件で第１のＧａＮ層４を形成する。
0003620269.tif 000005
【００２４】
（パターン層５）
パターン層５は、図２（ａ）に示すように熱ＣＶＤ法により第１のＧａＮ層４上にＳｉＯ２の膜を一律に形成した後、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフを用いてストライプ形状にエッチングする。
【００２５】
（ｎクラッド層６（第２のＧａＮ層））
その後、図２（ｃ）に示すように第２のＧａＮ層６をエピタキシャル成長させる。ＧａＮは２酸化シリコンの上に成長しないので、このＧａＮ層６はパターン層５で被覆されていない第１のＧａＮ層４の表面から選択的に成長する。そして、パターン層５を超えたところで横方向に成長し、図２（ｄ）に示すように、最終的にはその上面は平坦になり、ｎクラッド層６となる。
以上は、一般的なＥＬＯ法であり、このときの成長条件は次の通りである。
0003620269.tif 000006
【００２６】
このようにして形成されたｎクラッド層６のＥＰＤ（Ｅｔｃｈ  Ｐｉｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）は１０６／ｃｍ２となり、パターン層がない場合に比べて２桁のオーダでその格子欠陥が減少する。
【００２７】
引き続き発光層７を下記の条件で形成する。
0003620269.tif 000007
【００２８】
0003620269.tif 000008
【００２９】
（ｐクラッド層８）
引き続き、ｐクラッド層８を下記の条件で形成する。
0003620269.tif 000009
【００３０】
このようにして形成された半導体ウエハを周知の方法でエッチングして、図１に示した半導体層構成とする。そして、ｎ電極１１をｎクラッド層６の上へ蒸着により形成し、続いて透明電極９をｐクラッド層８の上に蒸着し、更にｐ電極１０を蒸着する。
【００３１】
このようにして形成された半導体ウエハをダイシング、スクライブ、へき開等により素子毎に切り分けて、所望の発光ダイオード１とする。
【００３２】
なお、本発明が適用される素子は上記の発光ダイオードに限定されるものではなく、受光ダイオード、レーザダイオード等の光素子の他、ＦＥＴ構造の電子デバイスにも適用できる。
また、これらの素子の中間体としての積層体にも本発明は適用されるものである。
【００３３】
この発明は上記発明の実施の形態及び実施例の記載に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で当業者が想到し得る種々の変形態様を包含する。
【００３４】
（１０）  第１のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
該第１の層の上に、後述する第２のＧａＮ系半導体層がその上に縦方向に成長することを阻害する材料製の、パターン層を形成するステップ、
前記窒素ガスをキャリアガスとして前記第１の層と前記パターン層の上に第２のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
を含んでなる、ＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【００３５】
（１１）  第１のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
該第１の層の上に、後述する第２のＧａＮ系半導体層がその上に縦方向に成長することを阻害する材料製の、パターン層を形成するステップ、
前記窒素ガスをキャリアガスとして前記第１の層と前記パターン層の上に第２のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
を含んでなる、積層体の製造方法。
【００３６】
（１２）  基板若しくは基板上のバッファ層の上に第１のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
該第１の層の上に、後述する第２のＧａＮ系半導体層がその上に縦方向に成長することを阻害する材料製の、パターン層を形成するステップ、
前記窒素ガスをキャリアガスとして前記第１の層と前記パターン層の上に第２のＧａＮ系半導体層を形成するステップ、
を含んでなる、ＧａＮ系半導体素子の下地層の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はこの発明の実施例の発光ダイオードを示す図である。
【図２】図２は同じく下地層の形成方法を示す図である。
【符号の説明】
１  発光ダイオード
２  基板
３  バッファ層
４  第１のＧａＮ層
５  パターン層
６  第２のＧａＮ層（ｎクラッド層）
７  発光層
８  ｐクラッド層
【図１】
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【図２】
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