(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体層を下地のバッファ層として有する窒化ガリウム系半導体装置の製造方法であって、
基板上に成長温度Ｔ１でＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷを成長させてその表面にＶ溝欠陥を生じさせ、
窒素雰囲気中で温度をＴ１から窒化ガリウム系半導体層の成長温度Ｔ２に昇温し、
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの上に前記温度Ｔ２で窒化ガリウム系半導体層を成長させて前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ内の転位を前記Ｖ溝欠陥の側面及び前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷと前記窒化ガリウム系半導体層との界面に沿って進行させ、
前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ及び窒化ガリウム系半導体層を下地のバッファ層として前記基板及びバッファ層上に発光素子デバイス構造を成長させることで窒化ガリウム系半導体装置を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの成長工程と前記窒化ガリウム系半導体層の成長工程とを２回以上繰り返すことを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置の製造方法。
【請求項３】
表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体層を下地のバッファ層として有する窒化ガリウム系半導体装置の製造方法であって、
基板上に成長温度Ｔ１でＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷを形成してその表面にＶ溝欠陥を生じさせ、
アンモニアを含む雰囲気中で温度をＴ１から窒化ガリウム系半導体層の成長温度Ｔ２に昇温して前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ内の転位を前記Ｖ溝欠陥の側面及び前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷと窒化ガリウム系半導体層との界面に沿って進行させ、
その後、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ及び窒化ガリウム系半導体層を下地のバッファ層として前記基板及びバッファ層上に発光素子デバイス構造を成長させる
ことにより前記デバイス構造の下地のバッファ層として前記ＩｎＧａＮ／ＭＱＷ及び窒化ガリウム系半導体層を形成して窒化ガリウム系半導体装置を作製することを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項記載の方法において、
前記窒化ガリウム系半導体はＧａＮであることを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３のいずれか一項記載の方法において、
前記窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであることを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項記載の方法において、
前記温度Ｔ１は６５０〜８００℃であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一項記載の方法において、
前記温度Ｔ２は８００〜１１００℃であることを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置の製造方法。
【請求項８】
窒化ガリウム系半導体層を下地のバッファ層として有する窒化ガリウム系半導体装置であって、
基板と、
前記基板上に形成され、その表面にＶ溝欠陥を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層と、
前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層上に形成された窒化ガリウム系半導体層により前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層内の転位を前記Ｖ溝欠陥の側面及び前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷと前記窒化ガリウム系半導体層との界面に沿って進行させ、
前記窒化ガリウム系半導体層上に形成された発光素子デバイス構造と、
を有し、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層及び窒化ガリウム系半導体層を前記デバイス構造の下地のバッファ層とすることを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置。
【請求項９】
請求項８記載の装置において、
前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層は、
その積層周期は３乃至２０周期であり、
その層厚は５０乃至２００ｎｍであり、
Ｉｎ組成は５乃至１５％である
ことを特徴とする窒化ガリウム系半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層の表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体層の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の窒化物結晶を用いた半導体装置が開発されており、青色ＬＥＤ等の発光素子に適用されている。このような窒化物結晶を用いた半導体装置に使用される窒化ガリウム系半導体層は、通常サファイア基板の上にＭＯＣＶＤを用いてＧａＮ等を成長させることにより形成される。図４には、上述したサファイア等の基板１０上にＧａＮ層１２を形成した従来の窒化ガリウム系半導体層の例が示される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の窒化ガリウム系半導体層の形成方法において、図４に示されるように、サファイア等の基板１０の上に上述したＭＯＣＶＤによりＧａＮ層１２を成長させると、基板１０に使用されるサファイアとＧａＮとの格子不整合のため、１０８〜１０９ｃｍ−２台の転位１４が発生する。この転位１４は、結晶構造中のある線に沿っておこる欠陥であり、図４に示されるように、半導体層の平坦な表面１６に終端１５が生じる。このような転位１４の終端１５が表面１６に生じると、この上に各種のデバイスを形成しても転位１４が素子中に伝搬し、素子の性能を低下させるという問題があった。すなわち、例えば窒化ガリウム系半導体層を使用した発光素子の発光効率が低下し、窒化物系レーザの寿命が短くなり、ｐｎ接合の逆方向漏れ電流が増加してしまうというような問題があった。
【０００４】
本発明は上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体装置の製造方法であって、成長温度Ｔ１でＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷを成長させ、窒素雰囲気中で温度をＴ１から窒化ガリウム系半導体層の成長温度Ｔ２に昇温し、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷの上に前記温度Ｔ２で窒化ガリウム系半導体層を成長させ、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ及び窒化ガリウム系半導体層を下地層としてデバイス構造を成長させることを特徴とする。
【０００６】
上記構成によれば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの表面にＶ溝欠陥が生じ、このＶ溝欠陥で転位の方向が半導体層の上下方向から横方向に変更され、隣同士の転位でループが形成され、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの上に形成されるＧａＮ層には転位が伝搬しない。このため、表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体層を形成することができる。
【０００７】
また、上記窒化ガリウム系半導体装置の製造方法において、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの成長工程と窒化ガリウム系半導体層の成長工程とを２回以上繰り返すことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、ＧａＮ層への転位の伝搬をさらによく防止することができる。
【０００９】
また、表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体層を有する窒化ガリウム系半導体装置の製造方法であって、成長温度Ｔ１でＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷを形成し、アンモニアを含む雰囲気中で温度をＴ１から窒化ガリウム系半導体層の成長温度Ｔ２に昇温し、その後、デバイス構造を成長させることにより前記デバイス構造の下地層として前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷを形成することを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、アンモニアを含む雰囲気中でＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷを窒化ガリウム系半導体層の成長温度でアニールすることにより、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ表面に生じるＶ溝欠陥中に窒化ガリウム系半導体層が形成され、この上に形成される半導体層表面への転位の終端の発生を防止できる。
【００１１】
また、上記窒化ガリウム系半導体装置の製造方法において、窒化ガリウム系半導体はＧａＮであることを特徴とする。
【００１２】
また、上記窒化ガリウム系半導体装置の製造方法において、窒化ガリウム系半導体はＡｌＧａＮであることを特徴とする。
【００１３】
また、上記窒化ガリウム系半導体装置の製造方法において、温度Ｔ１は６５０〜８００℃であることを特徴とする。
【００１４】
また、上記窒化ガリウム系半導体装置の製造方法において、温度Ｔ２は８００〜１１００℃であることを特徴とする。また、本発明は、窒化ガリウム系半導体装置であって、基板と、前記基板上に形成され、その表面にＶ溝欠陥を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層と、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層上に形成された窒化ガリウム系半導体層と、前記窒化ガリウム系半導体層上に形成されたデバイス構造とを有し、前記ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ層及び窒化ガリウム系半導体層を前記デバイス構造の下地層とすることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面にしたがって説明する。
【００１６】
図１（ａ），（ｂ）には、本発明に係る窒化ガリウム系半導体層の形成方法の説明図が示される。図１（ａ）において、基板１０の上にＭＯＣＶＤによりＧａＮ層１２を形成すると、前述したように転位１４が発生する。このＧａＮ層１２の上にさらに連続してＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８を成長させると、その表面にＶ溝欠陥２０が発生する場合がある。このＶ溝欠陥２０が発生しない場合には、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の表面１６に転位１４の終端１５が発生する。一方、Ｖ溝欠陥２０が発生した場合には、表面１６にＶ字型のピットが発生する。このＶ溝欠陥２０は必ず転位１４の表面１６での終端部だけに選択的に発生する。Ｖ溝欠陥２０の発生確率はＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の層の数が多く、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８中のＩｎＧａＮのインジウム組成が高く、ＩｎＧａＮの膜厚が厚いほど高くなる。
【００１７】
このように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の成長条件を最適化すると、ほぼ全ての転位１４の表面１６における終端部にＶ溝欠陥２０を発生させることができる。このようなＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の成長条件としては、その成長温度を６５０〜８００℃の範囲とするのが好適である。このＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の成長温度６５０〜８００℃が本発明に係る成長温度Ｔ１に相当する。
【００１８】
本発明において特徴的な点は、上記のようにしてＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の成長をＶ溝欠陥２０の発生しやすい条件で行った上、窒素雰囲気の下、温度をＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体層の成長温度である８００℃以上１１００℃以下の温度に上昇させて、図１（ｂ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体層２２の成長を行う点にある。この場合の窒化ガリウム系半導体層２２の成長温度が本発明に係る成長温度Ｔ２に相当する。このようにすると、Ｖ溝欠陥２０の部分で転位１４は横方向に曲げられ、窒化ガリウム系半導体層２２の表面に転位の終端が生じることを防止できる。これは、基板１０の上に形成されたＧａＮ層１２から伝搬してきた転位１４が、Ｖ溝欠陥２０のＶ溝表面２４に沿って進むので、同じように隣のＶ溝表面２４から進んできた転位１４と、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８と窒化ガリウム系半導体層２２との界面において会合してループを作るためであると考えられる。このようにして形成されたループが図１（ｂ）の２６で示される。
【００１９】
図２（ａ），（ｂ）には、Ｖ溝欠陥２０により転位１４が横方向に曲げられる原理の説明図が示される。図２（ａ）は、Ｖ溝欠陥２０の近傍を拡大した図である。この場合、図示されていないＧａＮ層１２から伝搬してきた転位１４は、Ｖ溝欠陥２０の底２８で終端している。このような転位１４の両側では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の結晶位相はずれている。したがって、Ｖ溝欠陥２０の両方の側面３０，３２（図１（ｂ）におけるＶ溝表面２４）から窒化ガリウム系半導体層２２の結晶成長が始まると、各側面３０，３２からそれぞれ成長してきた結晶の界面には、図２（ａ）に示されるように新たな転位１４ａが発生するはずである。
【００２０】
しかし、Ｖ溝欠陥２０を有する表面には凹凸が存在するので、この上にＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体層２２を成長させると、凹部で成長が開始される。Ｖ溝欠陥２０の底２８の頂点は点であるので、Ｖ溝欠陥２０の底２８における両方の側面３０，３２から同時に結晶成長が開始することはなく、どちらかの面例えば側面３２の凹部に発生した核が成長していく。この場合、Ｖ溝欠陥２０の内部に成長した結晶の位相は成長が開始された面すなわち図２（ｂ）の側面３２の位相を引き継いで成長する。この結果、転位１４は結晶成長が開始された側面３２の反対側の側面３０に沿って伝搬してゆく。この様子が図２（ｂ）の・で示される。このような原理により、図の下方から伝搬してきた転位１４は、Ｖ溝欠陥２０の一方の側面３０に沿ってＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８と窒化ガリウム系半導体層２２との界面３４に到達し、その後界面３４に沿って図の横方向に進行する。このため、図２（ｂ）には示されていない隣のＶ溝欠陥２０から同様にしてＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８と窒化ガリウム系半導体層２２との界面３４を進行してきた転位１４と界面３４上で会合する。このように、界面３４上で２つの転位１４が会合すると、転位のループが完成し、転位１４は以後動けない状態となる。したがって、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の上に形成された窒化ガリウム系半導体層２２への転位１４の伝搬が回避され、窒化ガリウム系半導体層２２の表面に転位１４の終端１５が生じることを防止できる。
【００２１】
以上述べたように、本実施形態では、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８を６５０〜８００℃程度の温度で成長させ、その表面にＶ溝欠陥２０を形成した後、ＧａＮ等の窒化ガリウム系半導体層の成長温度まで窒素雰囲気中で昇温し、その後その成長温度で窒化ガリウム系半導体層２２の成長を続けることにより、上述した原理により窒化ガリウム系半導体層２２中への転位１４の伝搬を防止できる。これにより、窒化ガリウム系半導体層２０の表面に転位１４の終端１５が生じなくなる。
【００２２】
なお、上述したＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の成長工程と窒化ガリウム系半導体層の成長工程とはそれぞれ１回ずつ行われているが、これらの工程は複数回（２回以上）繰り返してもよい。これらの工程を２回繰り返した場合の例が図３に示される。図３において、まず図１（ｂ）と同様の条件で、基板１０の上にＧａＮ層１２、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８、窒化ガリウム系半導体層２２を形成する。次に、温度をＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの成長温度（Ｔ１）として、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ３６を形成し、再度窒素雰囲気の下でＴ２まで温度を上昇させて窒化ガリウム系半導体層３８を形成する。
【００２３】
このように、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷを２層以上形成することにより、最上層に形成される窒化ガリウム系半導体層３８への転位の伝搬をさらによく防止することができる。
【００２４】
また、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の成長後、窒化ガリウム系半導体層２２の成長温度まで昇温するプロセスを、アンモニアを含む雰囲気中で行うと、窒化ガリウム系半導体層の成長温度での窒化ガリウム系半導体層２２の成長プロセスを行わなくてもＶ溝欠陥２０の底２８からの転位１４の伝搬を防止できる。これは、窒化ガリウム系半導体層２２の成長温度まで昇温することによりＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８の窒化物半導体が蒸発し、これとアンモニアとが反応してＶ溝欠陥２０中に窒化ガリウム系半導体層が形成され、上述した原理と同様に転位１４の方向がＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８と窒化ガリウム系半導体層２２の界面３４の方向に曲げられるためである。
【００２５】
以上のようにして、本実施形態においては、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８を比較的低温、例えば６５０〜８００℃で成長してＶ溝欠陥２０を故意に発生させ、Ｖ溝欠陥２０が発生したＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８、３６の上に比較的高温で窒化ガリウム系半導体層２２、３８を成長させ、これにより高温で成長した窒化ガリウム系半導体層２２、３８中の転位１４を低減させるものである。このようにして、図１（ｂ）及び図３に示されるように、転位１４の存在しない窒化ガリウム系半導体層２２、３８を形成すれば、以後この窒化ガリウム系半導体層２２、３８の上に半導体の結晶を成長させても転位１４が伝搬することはない。したがって、このような転位１４の存在しない窒化ガリウム系半導体層２２、３８の上にデバイス構造を成長させれば効率のよい発光素子等のデバイスを形成することができる。
【００２６】
本発明者らは種々実験を行った結果、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ１８、３６の表面の転位１４の位置にＶ溝欠陥２０を効率的に発生させる条件として以下のものを見いだした。
【００２７】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの積層数：３〜２０周期、好ましくは５〜１５周期。１周期の厚さ１０ｎｍ。
【００２８】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの合計の厚さ：５０〜２００ｎｍ、好ましくは１０〜５００ｎｍ。
【００２９】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ中のＩｎ組成：５〜１５％、好ましくは７〜１３％。
【００３０】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの成長温度：６５０〜８００℃、好ましくは７００〜７５０℃。
【００３１】
ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ上に成長させる窒化ガリウム系半導体層の成長温度：８００〜１１００℃、好ましくは１０００〜１０８０℃。
【００３２】
以上のような条件によれば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ上に形成する窒化ガリウム系半導体層２２、３８中に発生する転位１４を大幅に低減することができる。なお、上述した窒化ガリウム系半導体層２２、３８の材料としては、前述した通りＧａＮがあるが、このほかにＡｌＧａＮも同じ条件で使用することができる。
【００３３】
以上のようにして形成した窒化ガリウム系半導体層２２の上に波長３５０ｎｍ帯で発光するＡｌＧａＮ／ＧａＮ系ＬＥＤを作製したところ、本発明を使用しない場合と比べて発光効率を約２倍とすることができた。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、表面に転位の終端が生じない窒化ガリウム系半導体層を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化ガリウム系半導体層の形成方法の説明図である。
【図２】図１に示された窒化ガリウム系半導体層の形成方法により窒化ガリウム系半導体層中の転位が減少する原理の説明図である。
【図３】ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷの成長工程と窒化ガリウム系半導体層の成長工程とを２回繰り返した場合の例を示す図である。
【図４】従来における窒化ガリウム系半導体層の例を示す図である。
【符号の説明】
１０  基板、１２  ＧａＮ層、１４  転位、１６  表面、１８，３６  ＩｎＧａＮ／ＧａＮ  ＭＱＷ、２０  Ｖ溝欠陥、２２，３８  窒化ガリウム系半導体層、２４  Ｖ溝表面、２６  ループ、２８  底、３０，３２  側面、３４  界面。
【図１】
0003616020.tif 000002
【図２】
0003616020.tif 000003
【図３】
0003616020.tif 000004
【図４】
0003616020.tif 000005