(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ系半導体からなる半導体素子を製造する方法であって、
第１の温度でサファイア基板の上に第１の半導体層を形成する第１のステップと、
該第１の半導体層を前記基板とともに第２の温度まで降温して前記第１の半導体層の結晶構造に転位を生じさせる第２のステップと、
その後、昇温して第３の温度で、前記第１の半導体層の形成に連続して該第１の半導体層の直上に第２の半導体層を形成する第３のステップと、
その後、前記第２の温度以上の温度である第４の温度で活性層を形成する第４のステップと、からなるＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２の温度は室温である、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】
ＧａＮ系半導体からなる半導体素子を製造する方法であって、
第１の温度でサファイア基板の上に第１の半導体層を形成する第１のステップと、
該第１の半導体層を前記基板とともに第２の温度まで降温して前記第１の半導体層の結晶構造に応力を吸収緩和する転位を生じさせる第２のステップと、
その後、昇温して第３の温度で、前記第１の半導体層の形成に連続して該第１の半導体層の直上に第２の半導体層を形成する第３のステップと、
その後、前記第２の温度以上の温度である第４の温度で活性層を形成する第４のステップと、からなるＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体素子及びその製造方法に関する。更に詳しくは、サファイア基板とＧａＮ系半導体からなる発光素子構造とを備えてなり、緑色乃至青色という短波長領域の光を発光する素子及びその製造方法の改良に関する。また、この発明は受光素子にも適用できる。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系の半導体は例えば紫外〜赤色の発光素子（現在は主に青及び緑色）として利用できることが知られている。かかる発光素子では、基板にサファイアが用いられ、例えばＡｌＮ製等のバッファ層を介してＧａＮ系の半導体層が積層されて発光素子構造が形成される。発光素子構造としては、バッファ層の上にｎ型の第１の半導体層、活性層（発光層）及びｐ型の第２の半導体層を順次形成する構成である。成長の方法として有機金属化合物気相成長法（以下、「ＭＯＶＰＥ法」という。）を採用した場合、第１及び第２の半導体層の成長温度に比べ、活性層の成長温度は低い。例えば、緑色発光ダイオードの場合、前者（ＧａＮ層）の成長温度は約９００℃であるのに対し、活性層の量子井戸層（ＩｎＧａＮ層）の成長温度は約６００℃である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかるＧａＮ系の半導体発光素子には発光効率の向上、長寿命化、歩留り向上が望まれている。
本発明者らは、ｎ層を２層構造とし、最初の半導体層を形成した後、一旦ウエハ（基板＋バッファ層＋最初のｎ半導体層）を放冷し、その後、再度昇温して残りのｎ層を形成すると、素子の寿命が延びることを今回新たに見いだした。そして、かかる長寿命化の原因を見極めるべく鋭意検討を重ねた結果、ＧａＮ系半導体の熱膨張係数がサファイアの膨張係数よりも小さいことに気が付いた。
【０００４】
従って、図１に示す如く、ウエハを昇温するとＧａＮ系半導体層３が伸長されサファイア基板１側が圧縮するように素子が変形する。このとき、ＧａＮ系半導体層３内に引っ張り応力が生じ、その結果その結晶構造に転位５の発生するおそれがある。転位のある層の上に活性層を成長させると、活性層に当該転位の影響が及び、活性層はその本来の機能を発揮できなくなることになりかねない。
特に多重量子井戸構造の活性層では、量子井戸層（例えば、ＩｎＧａＮ、成膜温度：６００℃）とバリア層（例えば、ＧａＮ、成膜温度：９００℃）が交互に形成されるので、ウエハはその温度が繰り返し大きく変化される。従って、半導体層に繰り返し応力がかかることとなり、活性層に転位が大きく影響する。
【０００５】
また、図１のように撓んだものの上に半導体層を積層していくと、ウエハの最終段階においてもこの撓みが保存されるおそれがある。このように撓んだウエハ、特にサファイア基板を所望の形状（通常は矩形）に切り分けるのは困難であり、歩留まり低下の一因となりかねない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は本発明者らが見いだした上記課題の少なくとも１つを解決するためになされた。そしてその構成は次の通りである。
ＧａＮ系半導体からなる半導体素子を製造する方法であって、
前記ＧａＮ系半導体よりも熱膨張係数が大きな材料からなる基板の上に第１の半導体層を形成し、
該第１の半導体層の結晶構造に転位を発生させ、
該転位の発生された第１の半導体層の上に第２の半導体層を形成し、
その後、活性層を形成する、ことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【０００７】
上記のようにして半導体素子を形成すれば、図２に示すように、予め第１の半導体層１３の結晶構造に転位１２が発生されているため、その後の半導体層を形成する際の引っ張り応力は第１の半導体層１３内に既にある転位１２によって吸収緩和される。従って、第２の半導体層１４において転位は殆ど発生することがない。よって、活性層１５は転位１２の影響を何ら受けることなく成長し、このようにして形成された活性層１５はその本来の機能を発揮できる。即ち、発光効率が向上し、寿命が向上し、歩留まりが向上する。
第１の半導体層１３に転位１２が発生してその応力が逃がされるので、ウエハの反り返りが緩和される。従って、最終段階においてウエハは平板状に近くなり、これを所望の形状に切り分ける作業が容易になる。
【０００８】
上記において  ＧａＮ系の半導体層とはＩＩＩ属窒化物半導体であって、一般的にＡｌＸＩｎＹＧａ１ーＸーＹＮ（Ｘ＝０、Ｙ＝０、Ｘ＝Ｙ＝０を含む）で表される。
発光素子及び受光素子では、周知のように、活性層が異なる導電型の半導体層（クラッド層）で挟まれる構成であり、量子井戸構造やダブルヘテロ構造等が採用される。
かかるＧａＮ系半導体層は例えばＭＯＶＰＥ法により形成される。
【０００９】
ＧａＮ系半導体より大きい熱膨張係数を有し、かつ当該半導体の基板として汎用されるものとしてサファイア基板１１がある。勿論、この発明に適用できる基板はサファイア基板に限定されるものではない。
【００１０】
第１の半導体層１３の材質は、ＧａＮ系のものであれば、特に限定されない。通常の発光素子の場合、サファイア基板の上にはｎ型のＧａＮからなる層が形成される。
この第１の半導体層１３とサファイア基板１１との間に、例えばＡｌＮからなるバッファ層を形成することが好ましい。
【００１１】
かかる第１の半導体層を基板上に形成すると、両者の熱膨張係数の違いから、ウエハは図１に示すように変形する。この第１の半導体層に転位を確実に発生させるには、これを基板とともに冷却（降温）する。発光素子構造の中で活性層、特に量子井戸層の成長温度（第４の温度）が最も低いことをを考慮して、ここでは当該活性層の成長温度（第４の温度）より低い温度（第２の温度）まで冷却する。これにより、当該転位を発生させるために冷却する工程でウエハは一旦図１の状態から平板状に戻り、第１の半導体層の圧縮応力が解放される。このときにも、第１の半導体層の結晶構造がずれて転位を生じさせる（図２参照）。
【００１２】
その後、再度昇温して残りの半導体層１４、１５を形成するときには、ＧａＮ系半導体とサファイア基板との熱膨張係数の違いからウエハが変形するが、半導体層内の圧縮応力は主に第１の半導体層１３に集中し、他の半導体層１４、１５には転位が殆ど発生しない。第１の半導体層１３には既に転位１２が生じており、その結晶構造がずれやすくなっているからである。
【００１３】
温度制御の容易さを考慮すると、第１の半導体層１３は室温まで冷却することが好ましい。
【００１４】
第１の半導体層１３内により積極的に転位１２を発生させるため、急速冷却とすることもできる。
また、第１の半導体層１３を基板１１と共にその成長温度よりも高い温度まで昇温し、より強い引っ張り応力を第１の半導体層１３に与え、その後冷却することによっても当該第１の半導体層１３内に転位１２を発生させることができる。この場合、冷却後の温度は次の半導体層１４を形成する温度でよい。好ましくは、冷却後の温度を活性層１５の成長温度よりも低くする。更に好ましくは、冷却後の温度を室温とする。
また、ウエハに物理的な力、例えばウエハが図１の様に撓むようにウエハを両側から圧縮する、第１の半導体層１３に衝撃を加える、ことによって第１の半導体層１３に転位１２を発生させることもできる。
熱履歴と物理的な力との両者を組み合わせて第１の半導体層１３に転位１２を発生させることもできる。
【００１５】
結晶構造に転位を持った第１の半導体層は１層に限られるものではなく、図３に示すように２層、及び２層以上、とすることができる。
図３では、下側の第１の半導体層１３に転位１２を発生させた後、上側の第１の半導体層１３’の材料を成長させ、その後転位１２’を発生させる。このとき、上下の第１の半導体層１３及び１３’の材料及び転位１２及び１２’の発生条件は、制御を容易にする見地から、同一とすることが好ましい。
【００１６】
第２の半導体層１４は転位１２の発生した第１の半導体層１３の直上に連続して形成される。この第２の半導体層１４は活性層１５の下地層となり、活性層１５を形成するときに第１の半導体層１３の転位１２が影響しないようにする。そのためには、第１の半導体層１３の材料となじみのよい材料で第２の半導体層１４を形成することが好ましい。実施例では第２の半導体層１４を、第１の半導体層１３と同じ材料で形成した。
第２の半導体層１４の膜厚は特に限定されないが、すべての層を形成した後、エッチングにより電極形成層（コンタクト層）として用いる場合にはｎ電極がこれに取り付けられるため（図４参照）、エッチングのマージンを考慮して膜厚を０．２μｍ〜１μｍとすることが好ましい。
【００１７】
【実施例】
以下、この発明の一の実施例を説明する。この実施例は発光ダイオード２０であり、その構成を図４に示す。
【００１８】
各半導体層のスペックは次の通りである。
0003557875.tif 000002
【００１９】
第２の半導体層２４は活性層２５側の低電子濃度ｎ層とバッファ層２２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。
活性層２５は量子井戸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。
活性層２５とｐ層２６との間にマグネシウム等のｐ型不純物をドープしたバンドギャップの広いＡｌＸＩｎＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（Ｘ＝０，Ｙ＝０，Ｘ＝Ｙ＝０を含む）層を介在させることができる。これは活性層２５中に注入された電子がｐ層２６に拡散するのを防止するためである。
ｐ層２６を活性層２５側の低ホール濃度ｐ層と電極２７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。
【００２０】
各半導体層は周知のＭＯＶＰＥ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３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】
第１の半導体層２３を形成した後、この半導体層を基板と共に室温まで放冷する。これにより、第１の半導体層２３の結晶構造に転位が発生する。
その後、第２の半導体層２４の成膜温度まで基板及び半導体層を昇温し、第２の半導体層２４を成長させる。以下の半導体層は一般的な方法で形成される。
【００２２】
ｐ層２６を形成した後、このｐ層２６、発光層２５及び第２の半導体層２４の一部をエッチングして、ｎ電極２９を取り付けるための部分を第２の半導体層２４に形成する。
【００２３】
透光性電極２７は金を含む薄膜であり、ｐ層２６の上面の実質的な全面を覆って積層される。ｐ電極２８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２７の上に形成される。
ｎ電極２９は、蒸着により第２の半導体層２４へ取り付けられる。
【００２４】
このようにして形成された実施例の発光ダイオード２０は、第１の半導体層を形成後に冷却をしなかったもの（比較例）に比較して、その寿命が約１０倍延びた。
【００２５】
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。
【００２６】
以下、次の事項を開示する。
（７）  ＧａＮ系半導体からなる素子を製造する方法であって、
サファイア基板の上に、バッファ層を介して、第１の温度でｎ伝導型の第１の半導体層を成長させる第１のステップと、
前記サファイア基板と前記第１の半導体層を第２の温度まで降温する第２のステップと、
再び前記第１の温度まで昇温して、前記第１の半導体層の上に更にｎ伝導型の第２の半導体層を成長させる第３のステップと、
前記第１の温度より低くかつ前記第２の温度より高い第４の温度で活性層を形成する第４のステップと、を含んでなるＧａＮ系半導体素子の製造方法。
（８）  前記第２のステップでは、前記サファイア基板と前記第１の半導体層とを放冷により室温まで降温する、ことを特徴とする（７）に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【００２７】
（９）  前記第２のステップは前記第１の半導体層の結晶構造に転位を生じさせること、を特徴とする（８）に記載のＧａＮ系半導体素子の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１はサファイア製の基板とＧａＮ系半導体層との熱膨張率の差に起因するウエハの反りを説明する図である。
【図２】図２は本発明の概念図である。
【図３】図３はこの発明の他の実施態様の概念図である。
【図４】図４はこの発明の実施例の発光ダイオードの構成を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、２１  基板
５、１２、１２’  転位
１３、１３’、２３  第１の半導体層
１４、２４  第２の半導体層
１５、２５  活性層
２０  発光ダイオード
【図１】
0003557875.tif 000003
【図２】
0003557875.tif 000004
【図３】
0003557875.tif 000005
【図４】
0003557875.tif 000006