(57)【要約】【課題】特定領域におけるクラック発生が抑制された化合物半導体基板、その製造方法及び化合物半導体基板を用いた半導体デバイスを提供する。【解決手段】第２の窒化化合物半導体層２に予め設けられたクラックは、格子定数の違いによる引張り歪みを緩和する作用がある。よって、第２の窒化化合物半導体層２の凸部Ｐ上、すなわち窒化化合物半導体３の高欠陥領域にクラックが多数生じ、低欠陥領域である凹部Ｄ１上の窒化化合物半導体３のクラック発生を抑制できる。【選択図】図１
2007201379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板において、
第１の窒化化合物半導体層と、
前記第１の窒化化合物半導体層上に成長し、凹凸表面を有する第２の窒化化合物半導体層と、
前記第２の窒化化合物半導体層上に成長し、前記凹凸表面の凸部上のクラック密度が、凹部内のクラック密度よりも高い第３の窒化化合物半導体層と、
を備え、
前記第１の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ１、前記第２の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ２及び前記第３の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ３は以下の関係：
Ｌ１＞Ｌ２、
Ｌ１＞Ｌ３、
を満たすことを特徴とする化合物半導体基板。
【請求項２】
以下の関係：
（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１≧Ａ％、
Ｂ％≦（Ｌ３−Ｌ２）／Ｌ２≦Ａ％、
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項３】
以下の関係：
０．２４≦Ａ≦２．４、
−０．１２≦Ｂ≦２．４、
を満たすことを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体基板。
【請求項４】
前記第１の窒化化合物半導体層はＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎであり、
前記第２の窒化化合物半導体層はＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎであり、
前記第３の窒化化合物半導体層はＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎであり、
組成比Ｘ１、組成比Ｘ２、組成比Ｘ３は以下の関係：
Ｘ１＜Ｘ２、
Ｘ１＜Ｘ３、
Ｘ２−Ｘ１≧Ｃ、
−Ｄ≦Ｘ２−Ｘ３≦Ｃ、
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
【請求項５】
以下の関係：
Ｘ２＝Ｘ３、
を満たすことを特徴とする請求項４に記載の化合物半導体基板。
【請求項６】
以下の関係：
０．１≦Ｃ≦１、
０≦Ｄ≦０．０５、
を満たすことを特徴とする請求項５に記載の化合物半導体基板。
【請求項７】
前記第１の窒化化合物半導体層が成長する異種基板を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の化合物半導体基板。
【請求項８】
前記第１の窒化化合物半導体層は窒化化合物半導体基板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の化合物半導体基板。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の化合物半導体基板と、
前記第２の窒化化合物半導体層の凹部上に形成された半導体機能素子と、
を備えることを特徴とする半導体デバイス。
【請求項１０】
特定元素の組成比Ｘ１、Ｘ２及びＸ３の増加に応じて格子定数がそれぞれ小さくなる第１、第２及び第３の窒化化合物半導体層を備えた化合物半導体基板の製造方法において、
前記第１の窒化化合物半導体層上に第２の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、
前記第２の窒化化合物半導体層の表面をエッチングして複数の溝を形成する工程と、
前記第２の窒化化合物半導体層上に第３の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、
を備え、
組成比Ｘ１、組成比Ｘ２、組成比Ｘ３が以下の関係：
Ｘ１＜Ｘ２、
Ｘ１＜Ｘ３、
Ｘ２−Ｘ１≧Ｃ、
−Ｄ≦Ｘ２−Ｘ３≦Ｃ、
を満たすように、各成長工程における特定元素の供給比を設定することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線半導体レーザには、ＡｌＧａＮ系の材料が用いられる。このとき、低欠陥化技術すなわち、転位密度低減技術とクラックフリー化技術が必須となる。下記特許文献１では、転位密度の低減を横方向埋め込み成長により実現し、クラックフリー化を低温ＡｌＮ中間層で実現できると記載されている。
【特許文献１】特開２００２−１６００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、低温ＡｌＮ中間層はクラック密度を低減できるものの、低温ＡｌＮ中間層がない場合に比べて新たな転位を発生させるため、転位密度が増加してしまう。また、低温ＡｌＮ中間層を設けた場合でも、低温ＡｌＮ中間層上に成長させる窒化化合物半導体層のＡｌ組成率が大きい場合や、膜厚が大きくなった場合には十分なクラック発生抑制効果を得られないという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、特定領域におけるクラック発生が抑制され、かつ貫通転位密度が低減された化合物半導体基板、その製造方法及び化合物半導体基板を用いた半導体デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題を解決するため、本発明に係る化合物半導体基板は、第１の窒化化合物半導体層と、第１の窒化化合物半導体層上に成長し、凹凸表面を有する第２の窒化化合物半導体層と、第２の窒化化合物半導体層上に成長し、凹凸表面の凸部上のクラック密度が、凹部内のクラック密度よりも高い第３の窒化化合物半導体層とを備え、第１の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ１、第２の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ２及び第３の窒化化合物半導体層の格子定数Ｌ３は以下の関係を満たすことを特徴とする。
・Ｌ１＞Ｌ２
・Ｌ１＞Ｌ３
【０００６】
この場合、第１及び第２の窒化化合物半導体層の格子定数（Ｌ１−Ｌ２）差に起因して、凹凸表面を有する第２の窒化化合物半導体層に意図的なクラックが発生している。
【０００７】
この場合においては、第３の窒化化合物半導体層における、第２の窒化化合物半導体層の凸部上に成長した部分は多数のクラックを含むこととなる一方で、凹部内及びその上に位置する第３の窒化化合物半導体層の部分（特定領域）では、凸部においてクラック及び歪の吸収が行われつつ、凹部内の横方向成長によってクラックの厚み方向の伝播が抑制されるため特定領域におけるクラックの発生が抑制され、かつ転位密度が低減されるため、その結晶性は大きく改善される。
【０００８】
また、本発明に係る化合物半導体基板は、以下の関係を満たすことを特徴とする。
・Δ１２＝（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１≧Ａ％
・Ｂ％≦Δ２３＝（Ｌ３−Ｌ２）／Ｌ２≦Ａ％
【０００９】
すなわち、格子定数差Δ１２が比較的大きなＡ％以上となり第２の窒化化合物半導体層２に引張歪が生じる場合には、特に有効なクラックを第２の窒化化合物半導体層内に発生させることができる。格子定数差Δ２３の方は、第３の窒化化合物半導体層３に比較的小さい引張歪が生じる場合、もしくは圧縮歪が生じる場合には、凹部内のクラックの発生は抑制される。これにより、特に有効な結晶性の向上を達成することができる。
【００１０】
また、本発明に係る化合物半導体基板は、以下の関係を満たすことが好ましい。
・０．２４≦Ａ≦２．４
・−０．１２≦Ｂ≦２．４
【００１１】
すなわち、有効なクラック発生を引き起こす格子定数差の比率Ａ（％）と、クラック抑制が可能な格子定数差の比率Ｂ（％）は、上述の通りである。
【００１２】
上述の窒化化合物半導体層がＡｌＧａＮ系である場合において、上述の格子定数の関係を満たす組成比は以下の通りである。
【００１３】
すなわち、第１の窒化化合物半導体層はＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎであり、第２の窒化化合物半導体層はＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎであり、第３の窒化化合物半導体層はＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎであり、組成比Ｘ１、Ｘ２及びＸ３は以下の関係（条件１）を満たすことを特徴とする。
（条件１）
・Ｘ１＜Ｘ２
・Ｘ１＜Ｘ３
・Ｘ２−Ｘ１≧Ｃ
・−Ｄ≦Ｘ２−Ｘ３≦Ｃ
【００１４】
この場合、組成に起因する格子定数差Δ１２に起因して有効なクラックを第２の窒化化合物半導体層内に発生させることができる。この状態で、第２及び第３の窒化化合物半導体層におけるＡｌの組成比差、すなわち格子定数差Δ２３の方は、第３の窒化化合物半導体層３に比較的小さい引張歪が生じる場合、もしくは圧縮歪が生じる場合に、凹部内のクラックの発生は抑制される。これにより、特に有効な結晶性の向上を達成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る化合物半導体基板は、以下の関係を満たすことを特徴とする。
・Ｘ２＝Ｘ３
【００１６】
すなわち、第２の窒化化合物半導体層と第３の窒化化合物半導体層におけるＡｌの組成比が同一である場合には、応力歪がないため、格子定数差Δ２３に起因する凹部内の転位とクラックの発生は好適に抑制される。
【００１７】
また、本発明に係る化合物半導体基板は、以下の関係を満たすことが好ましい。
・０．１≦Ｃ≦１
・０≦Ｄ≦０．０５
【００１８】
組成比差の比率Ｃ，Ｄがこの範囲の場合、凸部上の領域において発生したクラックにより引張歪を吸収することができ、凹部内及びその上の層の成長時のクラックの発生を抑制することができる。さらに、凹部内及びその上の層は横方向成長により転位密度も低減されている。
【００１９】
また、第１の窒化化合物半導体層が成長する異種基板を更に備えることとしてもよいし、第１の窒化化合物半導体層は窒化化合物半導体基板であることとしてもよい。前者の場合には結晶育成が難しいため高価な窒化化合物半導体基板が不要となるという利点があり、後者の場合には、同種基板であるため、第１の窒化化合物半導体層の形成が容易となるという利点がある。
【００２０】
本発明に係る半導体デバイスは、上述の化合物半導体基板と、第２の窒化化合物半導体層の凹部上に形成された半導体機能素子とを備えることを特徴とする。すなわち、凹部上の特定領域の結晶性が優れた化合物半導体基板上に形成された半導体機能素子の結晶性は、下地層の結晶性を引き継いで改善されたものとなり、この半導体デバイスは半導体機能素子の部分の電気伝導特性および光学特性に優れることとなる。
【００２１】
また、本発明に係る化合物半導体基板の製造方法は、特定元素の組成比Ｘ１、Ｘ２及びＸ３の増加に応じて格子定数がそれぞれ小さくなる第１、第２及び第３の窒化化合物半導体層を備えた化合物半導体基板の製造方法において、第１の窒化化合物半導体層上に第２の窒化化合物半導体層を成長させる工程と、記第２の窒化化合物半導体層の表面をエッチングして複数の溝を形成する工程と、第２の窒化化合物半導体層上に第３の窒化化合物半導体層を成長させる工程とを備え、組成比Ｘ１、組成比Ｘ２、組成比Ｘ３が上記関係（条件１）を満たすように、各成長工程における特定元素の供給比を設定することを特徴とする。
【００２２】
この場合、組成に起因する格子定数差Δ１２に起因して有効なクラックを第２の窒化化合物半導体層内に製造時に発生させることができ、さらに、第２及び第３の窒化化合物におけるＡｌの組成比差、すなわち格子定数差Δ２３の方は、第３の窒化化合物半導体層３に比較的小さい引張歪が生じる、もしくは圧縮歪が生じるようにして凹部内のクラックの発生を抑制して半導体層を成長させる。これにより、特に有効な結晶性の向上を達成することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の化合物半導体基板によれば、特定領域におけるクラック発生が抑制され、かつ転位密度が低減されている。また、この製造方法によれば、特定領域におけるクラック発生が抑制され、かつ転位密度が低減された化合物半導体基板を製造することができる。さらに、この化合物半導体基板を用いた半導体デバイスによれば、特定領域上に形成された半導体機能素子の部分の電気伝導特性および光学特性に優れることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、実施の形態に係る化合物半導体基板、その製造方法及び化合物半導体基板を用いた半導体デバイスについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２５】
図１は、実施の形態に係る化合物半導体基板の縦断面図である。
【００２６】
半導体基板１００は、下地基板１１０上にバッファ層１１１を介して順次形成された第１の窒化化合物半導体層１と、第１の窒化化合物半導体層１上に成長し、凹凸表面ＳＦを有する第２の窒化化合物半導体層２と、第２の窒化化合物半導体層２上に成長し、凹凸表面ＳＦの凸部Ｐ上のクラック密度が、凹部Ｄ１内のクラック密度よりも高い第３の窒化化合物半導体層３とを備えている。
【００２７】
なお、以下の説明において、バッファ層１１１の形成は省略することができ、この場合には、下地基板１１０上に、直接、第１の窒化化合物半導体層１が形成されることとなる。
【００２８】
これらの半導体層の好適な材料は、以下のとおりである。
【００２９】
すなわち、バッファ層１１１はＡｌＸ０Ｇａ１−Ｘ０Ｎであり、第１の窒化化合物半導体層１はＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎであり、第２の窒化化合物半導体層２はＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎであり、第３の窒化化合物半導体層３はＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎである。
【００３０】
各層の好適な厚みは、以下の通りである。
・下地基板１１０：  ５０〜１０００μｍ
・バッファ層１１１：５ｎｍ〜１００ｎｍ
・第１の窒化化合物半導体層１：０．１〜２０μｍ
・第２の窒化化合物半導体層２：２μｍ±１μｍ
・第３の窒化化合物半導体層３：０．１〜２０μｍ
【００３１】
本例では、Ａｌの組成比は、Ｘ０＝０（ＧａＮ）、Ｘ１＝０（ＧａＮ）、Ｘ２＝Ｘ３＝０．１２（ＡｌＧａＮ）とする。
【００３２】
ここで、第１の窒化化合物半導体層１の格子定数Ｌ１、第２の窒化化合物半導体層２の格子定数Ｌ２、第３の窒化化合物半導体層３の格子定数Ｌ３は以下の関係を満たしている。
・Ｌ１＞Ｌ２
・Ｌ１＞Ｌ３
【００３３】
この場合、第１及び第２の窒化化合物半導体層１，２の格子定数差Δ１２＝（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１に起因して、凹凸表面ＳＦを有する第２の窒化化合物半導体層２に意図的なクラックが発生している。この場合においては、第３の窒化化合物半導体層３における、第２の窒化化合物半導体層２の凸部Ｐ上に成長した部分は多数のクラックを含むこととなる一方で、凹部Ｄ１内及びその上に位置する第３の窒化化合物半導体層３の部分（特定領域）では、凸部Ｐにおいて発生したクラックにより引張歪の吸収が行われつつ、凹部Ｄ１内の横方向成長によってクラックの厚み方向の伝播が抑制されるため特定領域におけるクラックの発生が抑制され、かつ転位密度が低減されるため、その結晶性は大きく改善される。
【００３４】
また、以下の関係が満たされている。
・Δ１２＝（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１≧Ａ％
・Ｂ％≦Δ２３＝（Ｌ３−Ｌ２）／Ｌ２≦Ａ％
【００３５】
すなわち、第１及び第２の窒化化合物半導体層１，２の格子定数差Δ１２が比較的大きなＡ％以上となり第２の窒化化合物半導体層２に引張歪が生じる場合には、特に有効なクラックを第２の窒化化合物半導体層内に発生させることができ、この状態で、第２及び第３の窒化化合物半導体層２，３の格子定数差Δ２３の方は、第３の窒化化合物半導体層３に比較的小さい引張歪が生じる場合、もしくは圧縮歪が生じる場合に、凹部Ｄ１内のクラックの発生を抑制する。これにより、特定領域において、特に有効な結晶性の向上を達成することができる。
【００３６】
なお、Ａ，Ｂの絶対値は以下の関係を満たしている。
・０．２４≦Ａ≦２．４
・−０．１２≦Ｂ≦２．４
【００３７】
すなわち、有効なクラック発生を引き起こす格子定数差Δ１２の比率Ａ（％）と、クラック抑制が可能な格子定数差Δ２３の比率Ｂ（％）は、上述の通りである。
【００３８】
次に、上述の格子定数差を与える組成比について説明する。
【００３９】
一般的に小半径原子（Ａｌ）の組成比Ｘが減少すると、大半径原子（Ｇａ）の組成比１−Ｘが増加し、したがって、格子定数が大きくなる。化合物半導体においては、格子定数が大きいほど、エネルギーバンドギャップＥｇは小さくなる傾向があり、また、波長λ（μｍ）＝１．２４／Ｅｇ（ｅＶ）であるため、エネルギーバンドギャップＥｇに対応する波長は長くなる傾向がある。
【００４０】
すなわち、格子定数と組成比Ｘは逆の関係を満たすことになり、また、発光素子における短波長化のためには、その活性層において小半径原子（Ａｌ）の組成比を増加させることが必要となる。ＡｌＧａＮにおけるＡｌの組成比Ｘ１、Ｘ２及びＸ３は以下の関係（条件１）を満たしている。
（条件１）
・Ｘ１＜Ｘ２
・Ｘ１＜Ｘ３
・Ｘ２−Ｘ１≧Ｃ
・−Ｄ≦Ｘ２−Ｘ３≦Ｃ
【００４１】
この場合、組成に起因する格子定数差Δ１２に起因して有効なクラックを第２の窒化化合物半導体層２内に発生させることができ、この状態で、第２の窒化化合物半導体層２及び第３の窒化化合物半導体層３におけるＡｌの組成比差、すなわち、これに対応する格子定数差Δ２３の方は、第３の窒化化合物半導体層３に比較的小さい引張歪が生じる場合、もしくは圧縮歪が生じる場合に、凹部Ｄ１内のクラックの成長は抑制する。これにより、特定領域において、特に有効な結晶性の向上を達成することができる。
【００４２】
なお、本例の化合物半導体基板１００は、以下の関係を満たしている。
・Ｘ２＝Ｘ３
【００４３】
すなわち、第２の窒化化合物半導体層２と第３の窒化化合物半導体層３におけるＡｌの組成比が同一（誤差５％とする）である場合には、これらの間の応力歪がないため、格子定数差Δ２３に起因する凹部Ｄ１内の転位とクラックの発生は好適に抑制される。
【００４４】
上述の格子定数差の関係を与える組成比差の比率Ｃ、Ｄは、以下の関係を満たしている。
・０．１≦Ｃ≦１
・０≦Ｄ≦０．０５
【００４５】
組成比差の比率Ｃ，Ｄがこの範囲の場合、凸部上の領域において発生したクラックにより引張歪を吸収することができ、凹部Ｄ１内及びその上の層の成長時のクラックの発生を抑制することができる。さらに、凹部内及びその上の層は横方向成長により転位密度も低減されている。
【００４６】
以上のように、図１に示した化合物半導体基板１００は、特定元素（Ａｌ）の組成比Ｘ１、Ｘ２及びＸ３の増加に応じて格子定数がそれぞれ小さくなる第１、第２及び第３の窒化化合物半導体層１，２，３を備えている。
【００４７】
次に、化合物半導体基板１００の製造方法について説明する。
【００４８】
結晶成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、アルミニウム（Ａｌ）原料にてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ３）を用いた。キャリアガスとして水素（Ｈ２）及び窒素（Ｎ２）を用いた。
【００４９】
（１）第１の窒化化合物半導体層成長工程
【００５０】
図２は、化合物半導体基板の中間体の縦断面図である。
【００５１】
まず、下地基板１１０を用意する。下地基板１１０にはサファイア（０００１）を用いた。下地基板１１０をＭＯＣＶＤ成長装置に導入後、水素雰囲気中で１０５０℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。その後、基板温度を４７５℃に降温し、ＧａＮからなるバッファ層１１１を２５ｎｍ堆積する。なお、成長圧力は常圧（１×１０５Ｐａ）であり、ＴＭＧａ供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量は５ＳＬＭとした。
【００５２】
ＧａＮのバッファ層１１１を堆積後、１０７５℃まで昇温し、ＧａＮからなる第1の窒化化合物半導体層１を約４μｍ成長した。なお、成長圧力は常圧（１×１０５Ｐａ）であり、ＴＭＧａ供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量は８ＳＬＭとした。
【００５３】
（２）第２の窒化化合物半導体層成長工程
【００５４】
次に、基板温度１１２５℃でＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％）からなる第２の窒化化合物半導体層２を第1の窒化化合物半導体層１上に２μｍ成長した。この第２の窒化化合物半導体層２はクラックを含んでおり、引っ張り歪が緩和されている。成長圧力は１×１０４Ｐａ、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量は３ＳＬＭとした。なお、ＴＭＡｌとＴＭＧａの分圧比は組成比に対応させて供給する。
【００５５】
ここで、第１の窒化化合物半導体層１を構成するＡｌＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎの組成比Ｘ１と、第２の窒化化合物半導体層２を構成するＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの組成比Ｘ２は上記関係（条件１）を満たすように、成長工程における特定元素（Ａｌ）の供給比を設定している。なお、本例ではＸ１＝０であるが、Ａｌの組成比を増加させるためには、原料となるＴＭＡｌの相対的供給量を上昇させればよい。すなわち、第２の窒化化合物半導体層２の成長時に使用するＴＭＡｌの供給量Ｍ２を、第１の窒化化合物半導体層１の成長時に使用するＴＭＡｌの供給量Ｍ１よりも高く設定することで、（条件１）に規定のＸ１＜Ｘ２を実行することができる。また、Ｍ２−Ｍ１≧Ｃを満たすようにすれば、（条件１）に規定のＸ２−Ｘ１≧Ｃに従うことになる。装置条件などにより、目標組成値に一致しない場合には、誤差分をフィードバックして新たに実験を行えばよい。
【００５６】
この製造方法の場合、組成に起因する格子定数差Δ１２に起因して有効なクラックを第２の窒化化合物半導体層２内に製造時に発生させることができる。
【００５７】
本実施例では、結晶成長に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いた。本発明は、これに限定されるものではなく、分子線成長法（ＭＢＥ）やハイライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いても構わない。
【００５８】
（３）溝形成工程
【００５９】
（３−１）ＳｉＯ２膜堆積
【００６０】
第２の窒化化合物半導体層２が成長した基板を成長装置から取り出し、プラズマＣＶＤ装置に導入して、第２の窒化化合物半導体層２上にＳｉＯ２膜を３００ｎｍ堆積する。成膜条件は、温度４００℃、圧力は９３Ｐａ、シラン（ＳｉＨ４）流量１０ＳＣＣＭ、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）供給量３５０ＳＣＣＭ、アルゴン（Ａｒ）流量１８０ＳＣＣＭとした。
【００６１】
本例では、ＳｉＯ２膜の堆積にプラズマＣＶＤを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子線（ＥＢ）蒸着法やスパッタ法などを用いても構わない。
【００６２】
（３−２）フォトリソグラフィ工程
【００６３】
ＳｉＯ２膜の堆積後、フォトリソグラフィにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクをＳｉＯ２膜上に形成する。ストライプ方向はサファイア基板の[１１−２０]方向（ＧａＮ結晶の[１−１００]方向である。ストライプの幅は１４μｍ、周期は２８μｍとした。
【００６４】
（３−３）ＳｉＯ２膜パターニング工程
【００６５】
周期ストライプにパターニングしたレジストをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、ＳｉＯ２膜をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー１５０Ｗ、圧力５．３Ｐａ、ＣＦ４流量４５ＳＣＣＭ、酸素（Ｏ２）流量５ＳＣＣＭとして、ＧａＮ表面に到達するまでエッチングする。その後、マスクとして用いたレジストを有機溶剤及び酸素プラズマ処理をすることで除去して、ＳｉＯ２膜からなる周期ストライプパターンを形成した。
【００６６】
本例では、ＳｉＯ２膜のエッチングに反応性イオンエッチングを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、バッファード弗酸（ＢＨＦ）などの弗酸系溶液などを用いることもできる。
【００６７】
（３−４）第２の窒化化合物半導体層エッチング工程
【００６８】
形成したＳｉＯ２膜の周期ストライプパターンをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてＡｌＧａＮからなる第２の窒化化合物半導体層２をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー２８０Ｗ、圧力４．０Ｐａ、塩素（Ｃｌ２）流量５ＳＣＣＭ、四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）流量２０ＳＣＣＭとして、ＡｌＧａＮからなる第２の窒化化合物半導体層２を表面から２μｍエッチングする。エッチング後、バッファード弗酸（ＢＨＦ）溶液中で、マスクとして用いたＳｉＯ２膜をエッチングする。
【００６９】
本実施例では、ＡｌＧａＮのエッチングに反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）やＩＣＰドライエッチングなどを用いることもできる。
【００７０】
以上のようにして、第２の窒化化合物半導体層２の表面がエッチングされ、ストライプパターンに対応した複数の溝が形成され、その表面は凹凸となる。
【００７１】
（４）第３の窒化化合物半導体層の成長工程
【００７２】
図３は、化合物半導体基板の中間体の縦断面図である。
【００７３】
複数の溝からなる凹凸を形成した後、この凹凸加工を施した基板をＭＯＣＶＤ成長装置内に再び導入し、水素及びアンモニア雰囲気中で１０７５℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。その後、基板温度１１２５℃でＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％）からなる第３の窒化化合物半導体層３を８．４μｍ（平坦基板上の成長膜厚換算）成長して、表面の平坦化を行った。この凹部内の成長は横方向埋め込み成長である。成長圧力は１×１０４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量は３ＳＬＭとした。なお、ＴＭＡｌとＴＭＧａの分圧比は組成比に対応させて供給する。
【００７４】
ここで、第２の窒化化合物半導体層２を構成するＡｌＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎの組成比Ｘ２と、第３の窒化化合物半導体層３を構成するＡｌＸ３Ｇａ１−Ｘ３Ｎの組成比Ｘ３は上記関係（条件１）を満たすように、成長工程における特定元素（Ａｌ）の供給比を設定している。Ａｌの組成比を増加させるためには、原料となるＴＭＡｌの相対的供給量を上昇させればよい。すなわち、第３の窒化化合物半導体層３の成長時に使用するＴＭＡｌの供給量Ｍ３を、第１の窒化化合物半導体層１の成長時に使用するＴＭＡｌの供給量Ｍ１よりも高く設定することで、（条件１）に規定のＸ１＜Ｘ３を実行することができる。また、−Ｄ≦Ｍ２−Ｍ３≦Ｃを満たすようにすれば、（条件１）に規定の−Ｄ≦Ｘ２−Ｘ３≦Ｃに従うことになる。装置条件などにより、目標組成値に一致しない場合には、誤差分をフィードバックして新たに実験を行えばよい。本例では、Ｘ２＝Ｘ３であるため、基本的には第２及び第３の窒化化合物半導体層２，３の製造時のＴＭＡｌ供給量は同一でよい。
【００７５】
この製造方法では、第２及び第３の窒化化合物半導体層２，３におけるＡｌの組成比差、すなわち格子定数差Δ２３は、第３の窒化化合物半導体層３に比較的小さい引張歪が生じる場合、もしくは圧縮歪が生じる場合に、凹部Ｄ１内のクラックの発生を抑制して第３の窒化化合物半導体層３を成長させることができる。これにより、特に有効な結晶性の向上を達成することができる。
【００７６】
以上のようにして、図１に示した化合物半導体基板１００を製造することができる。この化合物半導体基板１００上にはレーザ等が形成されるが、その製造方法については後述する。
【００７７】
図４は、化合物半導体基板１００の結晶性を説明する図である。なお、図４（ａ）は、化合物半導体基板１００の平面図であり、図４（ｂ）は化合物半導体基板１００の断面図である。表面からみると凸部上に無数のクラックが凹部内よりも高密度で発生していることがわかるが、このクラックは、結晶のひび割れであり、肉眼でも確認することができる。
【００７８】
まず、第２の窒化化合物半導体層２は、格子不整合に起因して複数のクラックおよび貫通転位が導入され、欠陥密度は高くなっている。主にクラックにより、第２の窒化化合物半導体層２内部の引っ張り歪は緩和されている。第３の窒化化合物半導体層３における第２の窒化化合物半導体層２の凹部Ｄ１内に成長した領域では、転位が横方向に成長しており、中心線ＣＬ付近に密集している。中心線ＣＬの両側には低欠陥領域３ｘが形成されている。
【００７９】
表面２００の凸部Ｐ上の領域では、下地のクラックを引き継いで複数のクラックが発生する。一方、表面２００の凹部Ｄ１上の領域では、第２の窒化化合物半導体層２の引張り歪の緩和、横方向成長による転位密度の低減からなる相乗効果によって、クラックフリー領域ＣＦが成長している。このクラックフリー領域ＣＦ内には、レーザの活性層などの半導体機能素子が形成される。
【００８０】
この例では、従来のような低温ＡｌＮ中間層を凹凸表面上に形成していないため、第３の窒化化合物半導体層３における転位の発生は従来よりも低減している。なお、転位は原子配列のずれであり、肉眼では確認することができない。また、実際には断面にもクラックが存在するが図面上は記載を省略している。
【００８１】
この半導体デバイスは、化合物半導体基板１００と、第２の窒化化合物半導体層２の凹部Ｄ１上に形成された半導体機能素子とを備える。凹部Ｄ１上の特定領域の結晶性が優れた化合物半導体基板上に形成されたクラックフリー領域ＣＦに含まれる半導体機能素子の結晶性は、下地層の結晶性を引き継いで改善されたものであり、この半導体デバイスは半導体機能素子の部分の電気伝導特性および光学特性に優れることとなる。
【００８２】
なお、このような半導体デバイスは、以下の変形例に係る化合物半導体基板を用いても形成することができる。
【００８３】
次に、化合物半導体基板１００の変形例について説明する。
【００８４】
図５は、変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【００８５】
同図に示す化合物半導体基板１００は、図１に示したものと比較して、第２の窒化化合物半導体層２に形成される溝（凹部Ｄ１）の深さのみが異なる。
【００８６】
図１に示した化合物半導体基板１００は、第1の窒化化合物半導体層１の表面が露出するまでエッチングを行って凹部Ｄ１を形成したが、本例では、第1の窒化化合物半導体層１の表面は露出しない時点でエッチングを終了している。したがって、第３の窒化化合物半導体層３は、第２の窒化化合物半導体層２には接触するが、第1の窒化化合物半導体層１には接触していない。
【００８７】
本例の場合、第３の窒化化合物半導体層３が、凹部Ｄ１内において、同一材料となりえる第２の窒化化合物半導体層２に接触して成長するため、その結晶性の向上が見込まれる。
【００８８】
図６は、変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【００８９】
同図に示す化合物半導体基板１００は、図１に示したものと比較して、第２の窒化化合物半導体層２に形成される溝（凹部Ｄ１）の深さのみが異なる。
【００９０】
図１に示した化合物半導体基板１００は、第1の窒化化合物半導体層１の表面が露出するまでエッチングを行って凹部Ｄ１を形成したが、本例では、第1の窒化化合物半導体層１の表面が削られるまでエッチングを行ってからエッチングを終了している。したがって、第３の窒化化合物半導体層３は、第１の窒化化合物半導体層１の内部に位置した表面に接触することとなる。
【００９１】
本例の場合、第１の窒化化合物半導体層１と第２の窒化化合物半導体層２の界面から発生した欠陥を、第３の窒化化合物半導体層３に引き継がないという利点がある。
【００９２】
図７は、変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【００９３】
同図に示す化合物半導体基板１００は、図１に示したものと比較して、サファイアからなる下地基板１１０及びバッファ層１１１に代えて、窒化化合物半導体からなる下地基板１１０を用いた点のみが異なる。
【００９４】
すなわち、この化合物半導体基板は、第１の窒化化合物半導体層１が成長する異種基板（サファイア）の代わりに、第１の窒化化合物半導体層１が成長する窒化化合物半導体基板を下地基板１１０として備えている。異種基板を用いた場合には、結晶育成が難しく高価な窒化化合物半導体基板が不要となるという利点があり、窒化化合物半導体基板を用いた場合には、同種基板であるため、第１の窒化化合物半導体層１の形成が容易となるという利点がある。
【００９５】
図８は、変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【００９６】
同図に示す化合物半導体基板１００は、図５に示したものと比較して、サファイアからなる下地基板１１０及びバッファ層１１１に代えて、窒化化合物半導体からなる下地基板１１０を用いた点のみが異なる。
【００９７】
図９は、変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【００９８】
同図に示す化合物半導体基板１００は、図６に示したものと比較して、サファイアからなる下地基板１１０及びバッファ層１１１に代えて、窒化化合物半導体からなる下地基板１１０を用いた点のみが異なる。
【００９９】
上述の化合物半導体を用いて半導体デバイスとしての半導体レーザの作製を行った。
【０１００】
図１０は、化合物半導体基板を用いた半導体レーザの縦断面図である。
【０１０１】
化合物半導体基板１００上に、下部コンタクト層４、下部クラッド層５、下部ガイド層６、活性層７、キャリアブロック層８、上部ガイド層９、上部クラッド層１０が順次積層されている。上部クラッド層１０は、Ｙ方向に沿って延びた凸部を有しており、この凸部上に上部コンタクト層１１が形成されている。上部クラッド層１０上は、凸部の頂面上に位置する上部コンタクト層１１を除いて絶縁層１２で被覆されており、上部コンタクト層１１の上部表面にはＹ方向に延びた上部電極１３が接触している。上部電極１３はＹ方向に沿って上部コンタクト層１１に接触しつつ絶縁層１２上に位置する。下部コンタクト層４は、Ｚ方向に垂直な露出面を有しており、この露出面上に下部電極１４が接触している。
【０１０２】
各要素の材料／厚みの好適範囲／導電型／キャリア濃度の好適範囲は以下の通りである。
下部コンタクト層4:AlGaN/1〜5μm/N型/3×1017〜3×1019cm-3
下部クラッド層5:AlGaN/ 0.2〜1.5μm/N型/3×1017〜3×1019cm-3
下部ガイド゛層6:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
活性層7:GaN井戸層/1〜5nm/I型
活性層7:AlGaN障壁層/1〜15nm/N型/3×1017〜3×1019cm-3
キャリアブロック層8:AlGaN/5〜300nm/P(I)型/3×1016〜6×1017cm-3
上部ガイド層9:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
上部クラッド層10:AlGaN/0.2〜1.5μm/P型/3×1016〜3×1018cm-3
上部コンタクト層11:AlGaN/5〜50nm/P型/5×1016〜5×1018cm-3
【０１０３】
この発光素子は、電流通過領域ＡＣＴの厚み方向（Ｚ方向）の上下に設けられた２つのクラッド層５，１０と、凹部Ｄ１の長手方向（Ｙ方向）に沿って延びており電流通過領域ＡＣＴに電流を注入するための上部電極１３とを備えている。上部電極１３と下部電極１４との間に駆動電圧を印加すると、上部電極１３直下のコンタクト層１１、上部クラッド層１０、上部ガイド層９、キャリアブロック層８、活性層７、下部ガイド層６、下部クラッド層５を介してコンタクト層４に電流が流れ、コンタクト層４を介して下部電極１４に流れる。
【０１０４】
上部電極１３と下部電極１４とはＸ方向に沿って離隔している。また、凹部Ｄ１上の低欠陥領域ＬＲの中心線ＣＬを含む領域には欠陥が集まるため、電流通過領域とならないように、活性層７内の電流通過領域ＡＣＴは中心線ＣＬのＸ方向位置よりも上部電極１３側にシフトさせる。活性層７内の電流通過領域ＡＣＴは、活性領域を構成しており、凹部Ｄ１上の低欠陥領域ＬＲ内に位置する。上部電極１３から電流通過領域ＡＣＴに注入された電流に応じて、電流通過領域ＡＣＴは発光し、上下方向の発光と注入されたキャリアは上下の２つのクラッド層５，１０間に閉じ込められる。この化合物半導体デバイスは発光素子として機能する。電流通過領域ＡＣＴは凹部Ｄ１上の低欠陥領域ＬＲ内に位置するため、結晶性が高く、したがって、発光素子の発光効率は改善する。
【０１０５】
上述のように、化合物半導体デバイスは、電流通過領域ＡＣＴを含んでおり、この領域の結晶性が改善されることで、当該領域内を効率的に電流が通過することとなる。化合物半導体デバイスの種類は様々であるが、発光素子の場合には、電流通過領域ＡＣＴは、電流注入用の上部電極１３から導入される活性領域（発光領域）となる。受光素子の場合には、光電変換領域が電流通過領域となる。他の化合物半導体デバイス、例えば、ＭＥＳＦＥＴの場合には、ゲート電極直下のチャネル領域が電流通過領域となる。また、素子によっては高欠陥領域を電流が通過する場合もある。
【０１０６】
次に、この半導体レーザの製造方法について説明する。
【０１０７】
半導体レーザは、上述の化合物半導体基板１００の形成を行った後、すなわち、ＡｌＧａＮからなる第３の窒化化合物半導体層３の埋め込み成長を行った後に形成される。
【０１０８】
まず、ｎ型の下部コンタクト層４として基板温度１１２５℃でＳｉドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％）層を、第３の窒化化合物半導体層３上に厚さ２．８μｍ成長した。成長圧力は１×１０４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量は５ＳＬＭとした。Ｓｉ濃度は約２×１０１８ｃｍ−３とした。なお、Ｓｉドーピングの原料にはシラン（ＳｉＨ４）を用いた。
【０１０９】
次に、基板温度を１０７５℃でｎ型の下部クラッド層５としてＳｉドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％、Ｓｉ濃度は約１．５×１０１８ｃｍ−３）を厚さ０．６μｍ、ｎ型の下部ガイド層６として、ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比５％）を厚さ０．１２μｍ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層７、キャリアブロック層８としてＭｇドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比４０％）を厚さ２０ｎｍ、ｐ型の上部ガイド層９としてＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比５％）を厚さ０．１２μｍ、ｐ型の上部クラッド層１０としてＭｇドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％、Ｍｇ濃度は約３×１０１９ｃｍ−３）を厚さ０．５μｍを成長させた。成長圧力は４．０×１０４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの合計の供給量は２３〜４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３供給量は３ＳＬＭとした。なお、Ｍｇドーピングには、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。
【０１１０】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸活性層７は、ＧａＮ井戸層３ｎｍ、ＡｌＧａＮ障壁層（Ａｌ組成比１５％）８ｎｍを交互に積層してなり、井戸数は３とした。また、ＡｌＧａＮ障壁層にのみＳｉをドーピングした。
【０１１１】
最後に、ｐ型のコンタクト層１１として、常圧（１×１０５Ｐａ）、基板温度１０７５℃でＭｇドープのＧａＮ層を１５ｎｍ成長した。
【０１１２】
このレーザ素子は、ストライプ幅２μｍのリッジ構造とした。化合物積層体の一部領域は下部コンタクト層４までエッチングして電極１４設け、コンタクト層１１を除く上部クラッド層１０の表面は絶縁層１２で被覆した後、この上に電極１３を形成する。なお、リッジ構造は、フォトリソグラフィ技術により、中心部を除く低欠陥領域ＬＲ（低欠陥領域３ｘ：図４参照）上に、電極１３と上部コンタクト層１１との接触領域を設定して形成した。本方法では、低欠陥領域とクラックの導入された高欠陥領域は、表面観察によって、容易に識別できるため、リッジ加工時のマスクを精度良く位置合わせすることができた。
【０１１３】
なお、本例で示した結晶成長方法及び条件、プロセス方法及び条件は、レーザ構造などの一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。また、窒化物半導体を用いた半導体レーザにおいて、欠陥密度の低減とクラック抑制の効果により、電気伝導度を高めるなどの素子物性の向上や、生産時の欠陥が低減できることから、歩留まりを向上させることができる。
【０１１４】
以上、説明したように、上述の化合物半導体基板では、第２の窒化化合物半導体層２に予め設けられたクラックが格子定数の違いによる引張り歪みを緩和し、第２の窒化化合物半導体層２の凸部Ｐ上に位置する第３の窒化化合物半導体層３（高欠陥領域）内にクラックが多数生じ、凹部Ｄ１上の第３の窒化化合物半導体層３（低欠陥領域）内のクラック発生が抑制される。
【０１１５】
特に、第２の窒化化合物半導体層２には引張歪によりクラックが入るように、Ａｌ組成比（Ｘ２）を０．１よりも大きく設定し、第３の窒化化合物半導体層３のＡｌ組成比（Ｘ３）に関しては、小さな引張歪（０．１２％以下）もしくは圧縮歪となるようにしてクラックが入らないように、Ｘ３をＸ２＋０．０５よりも小さく設定している。第２の窒化化合物半導体層２上の第３の窒化化合物半導体層３の成長では（Ｘ２＞Ｘ３）、圧縮歪よりクラックが発生しないこととなる。
【０１１６】
以上の発明によれば、第２の窒化化合物半導体２の凸部に発生しているクラックにより歪を吸収し、第２の窒化化合物半導体の凹部の縦方向のクラックを抑制する。また、横方向成長により第２の窒化化合物半導体２の凹部の欠陥密度を低減する。さらに、上述の従来技術と比較して、低温ＡｌＮ中間層を用いないことで、低温ＡｌＮ中間層を用いることで発生する新たな欠陥の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】実施の形態に係る化合物半導体基板の縦断面図である。
【図２】化合物半導体基板の中間体の縦断面図である。
【図３】化合物半導体基板の中間体の縦断面図である。
【図４】化合物半導体基板１００上に形成される表面２００の結晶性を説明するための図である。
【図５】変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【図６】変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【図７】変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【図８】変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【図９】変形例に係る化合物半導体の縦断面図である。
【図１０】化合物半導体基板を用いた半導体レーザの縦断面図である。
【符号の説明】
【０１１８】
１，２，３・・・窒化化合物半導体層、４・・・下部コンタクト層、５・・下部・クラッド層、６・・・下部ガイド層、７・・・活性層、８・・・キャリアブロック層、９・・・上部ガイド層、１０・・・上部クラッド層、１１・・・上部コンタクト層、１２・・・絶縁層、１３・・・上部電極、１４・・・下部電極、１００・・・化合物半導体基板、１１０・・・・下地基板、１１１・・・・バッファ層、２００・・・半導体層、ＡＣＴ・・・電流通過領域、ＣＦ・・・クラックフリー領域、ＣＬ・・・中心線、Ｄ１・・・凹部、ＬＲ・・・低欠陥領域、Ｐ・・・凸部、ＳＦ・・・凹凸表面。
【図１】
2007201379.tif 000003
【図２】
2007201379.tif 000004
【図３】
2007201379.tif 000005
【図４】
2007201379.tif 000006
【図５】
2007201379.tif 000007
【図６】
2007201379.tif 000008
【図７】
2007201379.tif 000009
【図８】
2007201379.tif 000010
【図９】
2007201379.tif 000011
【図１０】
2007201379.tif 000012