(57)【要約】  【課題】  簡便な手法で成長中断なしにクラック防止層を形成し、素子生産効率及び素子特性向上を実現する化合物半導体素子を提供することである。  【解決手段】  窒化物半導体レーザ素子（化合物半導体素子）１０は、ＧａＮ基板１１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ＭＱＷ活性層１５、ＩｎＧａＮ光ガイド層１６、ＡｌＧａＮキャップ層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順に積層され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９上にはｐ型電極２０が形成され、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８上であって、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９及びｐ型電極２０の周囲には絶縁膜２１が形成され、ｐ型電極２０及び絶縁膜２１上にはパッド電極２２が形成され、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２側とは反対のＧａＮ基板１１面にはｎ型電極２３が形成されて構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子歪のある化合物半導体を基板上に形成した化合物半導体素子において、
前記基板と異なる組成の化合物半導体層中に、相対的に結晶欠陥密度が高い高欠陥層と結晶欠陥密度が低い低欠陥層とを有することを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項２】
前記化合物半導体が窒化物半導体であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体素子。
【請求項３】
前記基板が窒化ガリウム基板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素子。
【請求項４】
前記高欠陥層の結晶欠陥密度が前記低欠陥層の結晶欠陥密度の５倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の化合物半導体素子。
【請求項５】
格子歪のある化合物半導体を基板上に形成した化合物半導体素子の製造方法において、
前記基板と異なる組成の化合物半導体層を成長させる際に、成長速度を増加させる期間を成長途中に設けることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記成長速度は、ガス流量又は成長温度により制御されることを特徴とする請求項５記載の化合物半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、格子歪のある化合物半導体を基板上に形成した化合物半導体素子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に格子歪のある状態で化合物半導体層を形成してなる化合物半導体素子がある。この化合物半導体層中にクラックが入るのを防止するために、クラック防止層を形成することが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、窒化物半導体素子のＡｌを含む窒化物半導体層中にクラックが入るのを防止するために、ＩｎＧａＮクラック防止層を形成することが提案されている。この窒化物半導体素子の作成工程は、まず成長温度１０５０℃でｎ型ＧａＮコンタクト層を成長させる。次に、温度を８００℃まで降下させ、ＩｎＧａＮクラック防止層を成長させる。そして、再度温度を１０５０℃まで上昇させ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮよりなるｎ型超格子クラッド層を成長させる。
【特許文献１】特許第３２９２０８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の工程によると、ＩｎＧａＮクラック防止層を導入するために成長を中断させ、降温、昇温工程を設ける必要があるので、素子全体の成長時間が長時間化するとともに、ガスの切り替え操作が複雑になる問題があった。更に、成長中断時に成長表面が水素ガス雰囲気に晒されるので、成長層界面の結晶品質が低下するという問題もあった。
【０００５】
本発明は、簡便な手法で成長中断なしにクラック防止層を形成し、素子生産効率及び素子特性向上を実現する化合物半導体素子を提供することを目的とする。また、その製造方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明は、格子歪のある化合物半導体を基板上に形成した化合物半導体素子において、前記基板と異なる組成の化合物半導体層中に、相対的に結晶欠陥密度が高い高欠陥層と結晶欠陥密度が低い低欠陥層とを有することを特徴とする。
【０００７】
この構成により、製造工程を簡単にすることができるとともに、素子中のクラックを防止できる。
【０００８】
また、前記化合物半導体は窒化物半導体とすることができる。更に、前記基板は窒化ガリウム基板とすることができる。これにより、青紫色レーザ素子や青色発光ダイオードを作成できる。
【０００９】
また、前記高欠陥層の結晶欠陥密度が前記低欠陥層の結晶欠陥密度の５倍以上１０倍以下であることが素子特性維持の観点から望ましい。
【００１０】
また本発明は、格子歪のある化合物半導体を基板上に形成した化合物半導体素子の製造方法において、前記基板と異なる組成の化合物半導体層を成長させる際に、成長速度を増加させる期間を成長途中に設けることを特徴とする。
【００１１】
この構成により、結晶欠陥密度が高い高欠陥層と結晶欠陥密度が低い低欠陥層とを成長中断なしに連続して成長させることができる。
【００１２】
なお、前記成長速度は、ガス流量又は成長温度により制御され得る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ガス流量又は成長温度を変化させるだけで低欠陥層間にクラック防止層となる高欠陥層を導入することにより、簡便な手法で素子生産効率及び素子特性向上を実現している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、窒化物半導体レーザ素子の模式断面図である。窒化物半導体レーザ素子１０は、ＧａＮ基板１１上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）活性層１５、ＩｎＧａＮ光ガイド層１６、ＡｌＧａＮキャップ層１７、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９が順に積層され、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９上にはｐ型電極２０が形成され、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８上であって、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９及びｐ型電極２０の周囲には絶縁膜２１が形成され、ｐ型電極２０及び絶縁膜２１上にはパッド電極２２が形成され、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２側とは反対のＧａＮ基板１１面にはｎ型電極２３が形成されて構成される。
【００１５】
高欠陥層（ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３）とは、同組成の層中において、該層の他の部分（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、１４）よりも結晶欠陥密度が高い部分を指す。これに対して、結晶欠陥密度が低い部分（ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、１４）を低欠陥層と呼ぶ。
【００１６】
なお、ＧａＮ基板１１に替えてサファイア基板を用いることもできる。この場合、サファイア基板と窒化物半導体との格子定数が大きく異なるため、低温バッファ層を導入することが望ましい。
【００１７】
以下に、この窒化物半導体レーザ素子１０の製造方法について説明する。まず、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＮ基板１１上にｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２を１．０μｍ成長させる。原料にはＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、ＧｅＨ４を用いる。このとき、成長温度は１１００℃、成長速度は５Å／ｓｅｃとする。
【００１８】
次に、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ高欠陥層１３を０．１μｍ成長させる。この工程は、上記ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２の成長条件を変えることで行える。具体的には、成長速度を速く（例えば、１０Å／ｓｅｃ）する。成長速度を速くするには、例えば、トリメチルガリウム及びトリメチルアルミニウムの流量を同流量比で上昇させたり、成長温度を降下させたりすればよい。
【００１９】
次に、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１４を０．５μｍ成長させる。ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１４はｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２と同組成であり、結晶欠陥密度も同じである。そのため、成長速度を遅くする。従ってこの工程は、上記ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２の成長条件と同様に行えばよい。
【００２０】
このように、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２、１４、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎ高欠陥層１３の成長工程の切り替えは、ガス流量のみを変化させたり、成長温度のみを変化させたりするだけなので、簡単に制御できる。従って、従来のように、成長中断がないので素子全体の成長時間が長時間化することがなく、ガスの切り替え操作が複雑になることもない。更に、成長中断時に成長表面が水素ガス雰囲気に晒されることもないので、成長層界面の結晶品質が低下するという問題もない。
【００２１】
次に、Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層とＧａＮ障壁層とからなる３周期構造のＭＱＷ活性層１５を成長させる。なお、周期構造は３周期以上又は以下であっても構わない。また、井戸層と障壁層とが交互に積層されれば順番は関係ない。Ｉｎ0.15Ｇａ0.85Ｎ井戸層は０．００３μｍとし、原料にはＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムを用いる。このときの成長温度は８００℃である。一方、ＧａＮ障壁層は０．０２μｍとし、原料にはＮＨ３、トリメチルガリウムを用いる。このときの成長温度も８００℃である。そして、所望の周期が得られるまでこの２工程を繰り返す。
【００２２】
次に、Ｉｎ0.02Ｇａ0.98Ｎ光ガイド層１６を０．１μｍ成長させる。原料にはＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムを用いる。このときの成長温度は８００℃である。
【００２３】
次に、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎキャップ層１７を０．０２μｍ成長させる。原料にはＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムを用いる。このときの成長温度は８００℃である。
【００２４】
次に、ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１８を０．５μｍ成長させる。原料にはＮＨ３、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いる。このとき、成長温度は１１００℃、成長速度は５Å／ｓｅｃとする。
【００２５】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９を０．２μｍ成長させる。原料にはＮＨ３、トリメチルガリウムを用いる。このときの成長温度は１１００℃である。
【００２６】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９上にＰｔ／Ｐｄからなるｐ型電極２０を形成する。そして、ドライエッチングによりｐ型電極２０及びｐ型ＧａＮコンタクト層１９の一部を取り除き、電流狭窄部分となるストライプ状のリッジを形成する。
【００２７】
次に、ＣＶＤ装置を用いてリッジの両側にＳｉＯ２からなる絶縁膜２１を形成する。そして、ｐ型電極２０及び絶縁膜２１上にＴｉ／Ｐｄ／Ａｕからなるパッド電極２２を形成する。
【００２８】
次に、ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層１２側とは反対のＧａＮ基板１１面を研磨し、ウエハを１５０μｍ程度の厚さにする。そして、研磨した面にＡｌ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ型電極２３を形成して、ウエハを完成させる。その後、スクライブ工程でウエハを分割して窒化物半導体レーザ素子１０とする。
【００２９】
図２は、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３の結晶欠陥密度と素子特性の関係を示すグラフである。横軸は結晶欠陥密度を示し、縦軸は素子のクラック密度（本／ｃｍ２）又は素子の駆動電圧（Ｖ、０．１Ａ駆動時）を示す。図より、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３の結晶欠陥密度が高くなるに従って、素子クラック密度は低くなり、素子駆動電圧は高くなることがわかる。素子特性の観点からは、素子クラック密度と素子駆動電圧は低い方がよい。図中、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３の結晶欠陥密度がｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、１４の結晶欠陥密度の５倍となる点を矢印Ａで示し、１０倍となる点を矢印Ｂで示す。この矢印Ａの点を境に、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３の結晶欠陥密度が高くなるに従って急激に素子クラック密度が低くなっている。また、矢印Ｂの点を境に、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３の結晶欠陥密度が高くなるに従って急激に素子駆動電圧が高くなっている。これらの結果より、素子特性を良好に保つためには、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３の結晶欠陥密度がｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、１４の結晶欠陥密度の５倍以上、１０倍以下であることが望ましい。
【００３０】
なお、上記の方法で作成した窒化物半導体レーザ素子１０のクラック密度は１０本／ｃｍ２であった。また、比較例として窒化物半導体レーザ素子１０からｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３を抜いた素子を作成したところ、そのクラック密度は１００本／ｃｍ２であった。このことから、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３がクラックを低減しているといえる。
【００３１】
上記では窒化物半導体レーザ素子１０を例に説明したが、本発明は格子歪のある化合物半導体を基板上に形成した化合物半導体素子であれば適用することができる。格子歪とは、素子を構成する半導体結晶層の原子間隔（格子定数）が、隣接する他の半導体結晶層の原子間隔と異なるため、互いに圧縮、引っ張り方向に外力を受け、両方の結晶格子が歪んだ状態になることである。そして、高欠陥層は基板と異なる組成と格子定数を有する化合物半導体層中に形成できる。以下に、他の化合物半導体素子の例を示す。
【００３２】
図３は、発光ダイオード素子の模式断面図である。発光ダイオード素子３０は、ｎ型電極２３上に、ｎ型ＧａＮ基板１１、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１４、ＩｎＧａＮ発光層３１、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層１８、ｐ型ＧａＮコンタクト層１９、ｐ型電極２０が順に積層されて構成される。なお、ｎ型ＧａＮ基板に替えてｎ型ＳｉＣ基板を用いてもよい。
【００３３】
図４は、電界効果トランジスタ素子の模式断面図である。電界効果トランジスタ素子４０は、絶縁性のＳｉＣ基板４１上に、ｎ型ＧａＮ層４２、ｎ型ＧａＮ高欠陥層４３、ｎ型ＧａＮ層４４が積層され、ｎ型ＧａＮ層４４に間隔を空けてソース電極４５、ゲート電極４６、ドレイン電極４７が形成されて構成される。
【００３４】
これら発光ダイオード素子３０、電界効果トランジスタ素子４０においても、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、１４、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３の成長工程やｎ型ＧａＮ層４２、４４、ｎ型ＧａＮ高欠陥層４３の成長工程の切り替えは、ガス流量のみを変化させたり、成長温度のみを変化させたりするだけで簡単に制御できる。また、ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層１３やｎ型ＧａＮ高欠陥層４３を導入することでクラックが減少する。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の化合物半導体素子は、半導体レーザ素子をはじめ、発光ダイオード素子、電界効果トランジスタ素子等に広く利用することができ、特に窒化物半導体素子に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の窒化物半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図２】本発明のｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層の結晶欠陥密度と素子特性の関係を示すグラフである。
【図３】本発明の発光ダイオード素子の模式断面図である。
【図４】本発明の電界効果トランジスタ素子の模式断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０    窒化物半導体レーザ素子
１１    ＧａＮ基板
１２、１４    ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層（低欠陥層）
１３    ｎ型ＡｌＧａＮ高欠陥層（高欠陥層）
３０    発光ダイオード素子
４０    電界効果トランジスタ素子
４２、４４    ｎ型ＧａＮ層（低欠陥層）
４３    ｎ型ＧａＮ高欠陥層（高欠陥層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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