(57)【要約】【課題】  横方向成長の会合部分から発生する結晶欠陥から半導体表面に伝播する貫通転位密度が低減された半導体積層構造、及び得られた高品質の半導体積層構造上に形成された半導体素子を提供すること。【解決手段】  基板１０上に周期的に形成された、直線部を含む第１マスク層３１と、基板１０上の第１マスク層３１が形成されていない領域に島状に形成された第１半導体層２１と、第１半導体層２１から結晶成長して形成された第２半導体層２２と、第２半導体層２２上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第２マスク層３２と、第２半導体層２２から結晶成長して形成された第３半導体層２３と、を備えることを特徴とする半導体積層構造。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に周期的に形成された、直線部を含む第１マスク層と、
前記基板上の前記第１マスク層が形成されていない領域に島状に形成された第１半導体層と、
前記第１半導体層から結晶成長して形成された第２半導体層と、
前記第２半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第２マスク層と、
前記第２半導体層から結晶成長して形成された第３半導体層と、
を備えることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項２】
前記第３半導体層は、前記第２半導体層から縦方向に結晶成長して形成され、
前記縦方向に結晶成長された第３半導体層から更に横方向に結晶成長して形成された第４半導体層を備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体積層構造。
【請求項３】
基板上に周期的に形成された、直線部を含む第１マスク層と、
前記基板上の前記第１マスク層が形成されていない領域上に島状に形成された第１半導体層と、
前記第１半導体層から結晶成長して形成された第２半導体層と、
前記第２半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された溝と、
前記第２半導体層から結晶成長して前記溝を埋め込むように形成された第５半導体層と、
を備えることを特徴とする半導体積層構造。
【請求項４】
前記点対称の形状は、円形、楕円形及び多角形を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体積層構造。
【請求項５】
前記第１マスク層は、ストライプ状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体積層構造。
【請求項６】
前記第１乃至第３半導体層は、ＡｌxＩｎyＧａ1−x−yＮ（0≦x≦1、0≦y≦1）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体積層構造。
【請求項７】
前記第４半導体層は、ＡｌxＩｎyＧａ1−x−yＮ（0≦x≦1、0≦y≦1）であることを特徴とする請求項２に記載の半導体積層構造。
【請求項８】
前記第５半導体層は、ＡｌxＩｎyＧａ1−x−yＮ（0≦x≦1、0≦y≦1）であることを特徴とする請求項３に記載の半導体積層構造。
【請求項９】
前記基板は、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛及び窒化ガリウムのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の半導体積層構造。
【請求項１０】
前記基板は、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛又は窒化ガリウムのいずれかを含む基板上に、バッファー層を介して又は直接に、単層若しくは多層のＡｌxＩｎyＧａ1−x−yＮ（0≦x≦1、0≦y≦1）を結晶成長させたテンプレート基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の半導体積層構造。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の半導体積層構造上に形成された半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、III族窒化物半導体デバイスの多くはサファイア基板、あるいは炭化珪素基板上へのヘテロエピタキシャル成長により実現されている。しかし窒化ガリウム結晶とこれらの基板との間の大きな格子定数差、熱膨張係数差により、基板界面に非常に高密度の転位が発生し、この転位は貫通転位となって半導体表面にまで達する。それ故LEDのような発光素子を作製した場合、発光素子の重要部分である活性層中に高密度の貫通転位が残存することになる。従来の発光素子の材料であるAlGaAsやAlGaInPのLEDに比べ、青色InGaN−LEDは高密度の転位が存在しているにもかかわらず、高効率で発光し、転位の影響を受け難いと言われてきた。しかしInGaN−LEDの発光効率は青色波長域をピークに短波長化しても長波長化しても減少し、380nm以下の近紫外域では急速に発光効率が減少していた。特に短波長域では転位が非発光再結合中心として働き、高密度の転位を持ったInGaN−LEDは発光波長が短くなるに従って発光効率が低下する。近紫外域の高効率LEDを実現するためには、転位密度の低減が必須である。
【０００３】
転位密度の低減の手段として、基板面に沿った横方向成長を利用して、結晶欠陥の少ない窒化物半導体を作製出来ることが報告されている。初期の横方向成長方法は、基板又は基板上の半導体層の一部を誘電体マスクで覆うことにより、下からの貫通転位を止め、マスク上に低密度欠陥の半導体層を形成する。しかしマスクで覆われていない部分の上の半導体層には貫通転位が残り、高密度欠陥部となっていた。
【０００４】
最近、上記の簡便な横方向成長を改良し、優れたIII族窒化物半導体の結晶成長法が報告されている。例えば、ＰＥＮＤＥＯ法では、基板上に成長した窒化物半導体層をフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を用いて、窒化物半導体を残して、あるいは基板が露出するまで溝加工を施して、基板上にパターン化された窒化物半導体層を形成し、窒化物半導体層の側壁から横方向成長を行っている（特許文献１及び非特許文献１を参照）。さらには凹凸平坦部からの縦方向成長を抑制するため、平坦部にマスク層を形成する方法も提案されている。半導体側壁から主に横方向成長した窒化物半導体表面には転位は伝播しないので、極めて結晶欠陥密度の低い半導体表面が得られる。
【０００５】
一方、ＦＡＣＥＬＯ法では、基板に直接、あるいは基板上に成長した窒化物半導体層上に窓部が形成されたストライプ状のマスク層を形成し、成長条件を調整することでファセット構造を形成し転位の伝播方向を横方向に曲げている（特許文献２、特許文献３及び特許文献４を参照）。次に成長条件を変更して、隣接する半導体層と会合するまで横方向成長を継続する。会合部分の下には空隙が形成され、横方向に伝播した転位はここで終端し、窒化物半導体表面には転位は伝播せず、低欠陥密度の表面が得られる。Y.Honda et al., Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) L309の文献では、もはや横方向成長同士の会合部分上以外では、結晶欠陥に由来するエッチピットが存在しないことが示されている。
【０００６】
上記２例の他にも、横方向成長を利用した低転位密度の半導体表面を持つ結晶成長方法が数多く考案されている。しかしながら、これらの複数個所より横方向成長させて半導体層を形成する成長方法においては、成長する半導体層同士の会合部分の存在は避けることができない。会合部分は原子レベルできれいに接合せず結晶欠陥を生ずる。この結晶欠陥は貫通転位となり、引き続きその上に成長を続けても欠陥は半導体表面まで達する。従って、このような会合を有する半導体層上に発光素子や電子デバイスを作製しても、良好な素子特性は得られない。
【０００７】
横方向成長の会合部分から発生する結晶欠陥低減方法については、これまで数例の報告があるのみである。特許文献５では、会合部分の欠陥に着目し会合部分から表面に伝播する転位をストライプパターンのマスクで覆い、さらに選択成長させることで表面欠陥を低減することができるとしている。しかしながら、このマスク上で再度会合部分が発生するので、このようなプロセスを何度繰り返しても会合部分の欠陥が生じる。特許文献６では、隣接する横方向成長が会合する前に成長を止め、結晶欠陥の少ない横方向成長した結晶端側にデバイスを作製するということが開示されている。しかし、この方法では平坦な半導体表面を得ることが不可能であり、この上にデバイスを作製することは困難である。また横方向成長により形成された会合部分の間隔は大きくても数十ミクロンであり、その部分を避けて、例えばLEDの重要部位である活性層を作製することは困難である。
【０００８】
また、特許文献７は、マスク層を一方の側面に有する凸部状結晶層から横方向成長させた場合、露出した側面からのみ成長するために、横方向成長が非対称に形成されることを開示している。そのため、会合部分は凸部中央ではなく、凸部とマスク層の境界付近に存在するため、低欠陥密度領域の幅を大きくとれる。しかしながら、この方法では、凸部中央の会合部分が凸部端にずれただけであり、半導体積層構造表面の欠陥密度は低減されない。
【０００９】
また、特許文献８では、傾斜した断面を持つマスクを提案している。会合部分の下の空隙が抑制され横方向成長を薄くすることができ、また、斜めファセットによって、転位が伸びる方向が転換されて転位数が低減されることを開示している。しかしながら、この断面形状を持つマスクを作製するには複雑なプロセス工程を経ることになり、歩留まりが低下する。また、会合部分での結晶欠陥の発生を避けることは不可能であり、仮に発生する欠陥数を抑制する効果があったとしても、一旦発生した貫通転位を低減することはできず、根本的な解決法には至っていない。
【特許文献１】特表２００３−５１１８７１号公報
【特許文献２】特開２００２−１７０７７８号公報
【特許文献３】特開２００３−７７８４７号公報
【特許文献４】特開２００３−１２４１２４号公報
【特許文献５】特開２００２−３３２８２号公報
【特許文献６】特開２００２−３３４８４２号公報
【特許文献７】特開２００２−２８９５３９号公報
【特許文献８】特開２００４−２９７０１０号公報
【非特許文献１】K.Linthicum etal., Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 196
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、横方向に成長した半導体層同士が会合する部分から発生する転位を抑えることができる半導体積層構造及びその上に形成された半導体素子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】
【００１１】
本発明の第１の側面は、半導体積層構造に係り、基板上に周期的に形成された、直線部を含む第１マスク層と、前記基板上の前記第１マスク層が形成されていない領域に島状に形成された第１半導体層と、前記第１半導体層から結晶成長して形成された第２半導体層と、前記第２半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第２マスク層と、前記第２半導体層から結晶成長して形成された第３半導体層と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第２の側面は、半導体積層構造に係り、基板上に周期的に形成された、直線部を含む第１マスク層と、前記基板上の前記第１マスク層が形成されていない領域上に島状に形成された第１半導体層と、前記第１半導体層から結晶成長して形成された第２半導体層と、前記第２半導体層上に前記直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された溝と、前記第２半導体層から結晶成長して前記溝を埋め込むように形成された第５半導体層と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第３の側面は、半導体素子に係り、上記の半導体積層構造上に形成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、横方向に成長した半導体層同士が会合する部分から発生する転位を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、本明細書において「A層の上に形成されたB層」又は「Aの上に形成されたB層」という表現は、A層又はAの上面にB層の底面が接するようにB層が形成されている場合と、A層又はAの上面に１以上の層が形成され、さらにその層の上にB層が形成されている場合の両方を含む。また、A層又はAの上面とB層の底面が部分的に接していて、その他の部分ではA層又はAとB層の間に１以上の層が存在している場合も、上記表現に含まれる。また「〜」はその前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を意味する。
【００１６】
[第１の実施形態]
図１は本発明の第１の実施形態に係る第１の半導体積層構造を示す断面図である。Ｃ面サファイア基板からなる基板１０上に、スパッタや化学気相成長法により酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜の膜厚は特に限定されないが、０．１〜１．０μｍであることが好ましい。次いでフォトリソグラフィー技術とエッチングにより、酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜に開口部を形成し、基板１０上に周期的に形成された、直線部を含む第１マスク層３１を形成する。第１マスク層３１の形状は特に限定されないが、例えば、平行なストライプパターン状や格子状に形成することができる。第１マスク層３１間に形成された開口部は、第１半導体層を結晶成長させるために用いられる。
【００１７】
第１マスク層３１の幅は、例えば0．2〜40μmであることが好ましく、1〜10μmであることがより好ましい。また、第１マスク層３１の開口幅は、例えば0．2〜40μmであることが好ましく、1〜10μmであることがより好ましい。第１マスク層３１は、基板１０上に成長する窒化ガリウムの＜１１−２０＞方向と平行な方向、もしくは＜１−１００＞方向と平行な方向に形成することが好ましい。
【００１８】
また、基板１０上に窒化ガリウム層、窒化物半導体多層膜層又は窒化物半導体超格子層を形成し、その上に第１半導体層及び第１マスク層３１を形成してもよい。図１には示されていないが、基板１０上にこれらの半導体層を設ける方が、直接基板１０から第１半導体層を成長させるよりも結晶品質が高いので好ましい。但し、あらかじめ窒化物半導体が形成されたテンプレート基板を準備する必要がある。
【００１９】
次いで、気相成長法によりバッファー層（図１には図示せず）を介して、第１半導体層としての窒化ガリウム層２１を第１マスク層３１間の開口部からファセット成長させて島状に形成する。引き続き成長条件を変更して第２半導体層としての窒化ガリウム層２２を横方向成長させる。これによって、隣接する窒化ガリウム層２２同士が会合して、平坦な半導体積層構造が得られる。
【００２０】
次いで、気相成長装置から前記半導体積層構造を取り出し、窒化ガリウム層２２上にスパッタや化学気相成長法により酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜を形成する。酸化シリコン膜又は窒化シリコン膜の膜厚は特に限定されないが、０．１〜1．0μmであることが好ましい。次いで、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより、窒化ガリウム層２２の会合部分上に点対称の形状を有する第２マスク層３２を周期的に形成する。具体的には、第２マスク層３２の形状は、孤立した形状において点対称である形状、すなわち円形、楕円形又は多角形であることが好ましく、前記点を中心点とした時、中心点から外周まで距離のうち、最も長いものをａ、最も短いものをｂとした時に、ａ≦１０ｂを満たすような方向性の弱い形状であることがより好ましい。これらの形状のうち、円形が最も好ましいが、横方向成長条件によっては結晶方位により成長速度が異なる場合があり、このような時は楕円形を用いるのが好ましい。例えば、基板１０面に沿った方向のうち、最も大きな横方向成長速度ｃを有する第１の方向と、基板１０面に沿った第１の方向と直角である第２の方向の横方向成長速度ｄである成長条件下で横方向成長させる場合は、楕円率ｃ／ｄを有する楕円形を第１の方向と長径が平行となるよう配置することが好ましい。また、多角形の場合には円形又は楕円形に近いほうがより好ましく、六以上の角を有する形状が好ましい。
【００２１】
第２マスク層３２は、会合部分に沿った方向に一直線状に数珠繋ぎとなって、会合部分を覆っている。このとき、第２マスク層３２が会合部分を最大限に覆うように、孤立した点対称の第２マスク層３２の中心点が会合部分の直上にあることが好ましい。ここで、一直線状や数珠繋ぎとは、複数の前記孤立した形状の配置に関するものであって、一次元的にある方向へ規則正しい周期で配置することをいう。また、個々の孤立した形状同士は接触はしていないが、会合部分の転位を低減するためにできるだけ距離は近いほうが好ましく、前記形状同士の間隔は０．１〜１μｍであることが好ましく、０．２〜０．５μｍであることがより好ましい。
【００２２】
ここで、円形、楕円形又は多角形にパターニングされたマスク層又は溝を用いることによって、結晶欠陥を低減した半導体積層構造については、数多くの提案が成されている。例えば、特開平１１−２３８６８７号公報及び特表２００１−５２０１６９号公報では、六角形や円形のマスク開口部から再成長させることにより、結晶欠陥や歪が低減されることが開示されている。しかしながら、個々の開口部から再成長した結晶層同士がマスク開口部以外で会合し、新たな結晶欠陥が発生するという問題がある。
【００２３】
また、特開２００１−９４２１６号公報及び特開２００５−２２９１３４号公報では、六角形や円形の凸部から再成長させ、前記凸部表面では再成長結晶層が凸部中心で成長を終端するため結晶欠陥や歪が低減されることが開示されている。しかしながら、これらも上記と同様、凸部上部の結晶欠陥は低減されるが、個々の凸部から再成長した結晶層同士が凸部以外で会合し、新たな結晶欠陥が発生するという問題がある。
【００２４】
さらに、特開２００２−２０８７５７号公報及び特開２００３−２８２４４７号公報では、六角形や円形の溝から再成長させ、前記溝上部では再成長結晶層が溝中心で成長を終端するため結晶欠陥や歪が低減されることが開示されている。しかしながら、これらも上記と同様、溝上部の結晶欠陥は低減されるが、個々の溝から再成長した結晶層同士が溝以外で会合し、新たな結晶欠陥が発生するという問題がある。
【００２５】
上記に挙げた提案は全て、基板又は基板上の半導体層表面に、六角形や円形のマスク開口部や凸部又は溝を半導体表面に対して一様に配置したものであり、本実施形態のように、一直線上に数珠繋ぎとなったパターンとは明らかに異なる。
【００２６】
また、上記提案ではマスク開口部、凸部又は溝を半導体表面に対して一様に配置することによって、ストライプパターンを用いた横方向成長技術では得られない、均一な結晶欠陥密度の半導体表面を得ること及びウェハー全面への歪の分散を目的としている。
【００２７】
しかしながら、上述のように、再成長半導体層同士の会合部分は避けることができないため、均一な結晶欠陥密度が得られても結晶欠陥密度自体は決して満足できるものではない。
【００２８】
これに対して、本実施形態では、第１マスクが有する直線部に沿って点対称の形状で周期的に形成された第２マスクを用いることで、基板表面に一次元的に限定された箇所に集中した、横方向成長の会合部分から発生する結晶欠陥を低減することができ、結晶欠陥密度が極めて少ない半導体積層構造を得ることができる。
【００２９】
第２マスク層３２の直径は、第１マスク層３１のストライプパターンの周期以下であればよいが、第１マスク層３１のストライプパターンの周期の半分以下であることが好ましい。すなわち第１マスク層３１の幅がｅ、第１マスク層３１の開口部の幅がｆ、第２マスク層３２の直径をｇとすると、ｇ＜（ｅ＋ｆ）を満たさなければならない。第２マスク層３２の直径ｇは、１〜８０μｍであることが好ましく、２〜２０μｍであることがさらに好ましい。
【００３０】
次いで、前記の気相成長法により、窒化ガリウム層２２の開口部から第３半導体層としての窒化ガリウム層２３を主に横方向成長させ、第２マスク層３２の中心付近で成長を終端させる。この時、できるだけ窒化ガリウムの横方向成長速度が面方位に因らないような成長条件で実施する。これにより、窒化ガリウム層２２の会合部分に沿って形成されていた結晶欠陥を窒化ガリウム層２３が覆い、新たな結晶欠陥の発生は第２マスク層３２上の中心部だけとなり、半導体積層構造表面に向かう貫通転位を大幅に低減することができる。
【００３１】
[第２の実施形態]
本発明の好適な第２の実施形態について説明する。図２は本実施形態に係る第２の半導体積層構造を示す断面図である。第２マスク層３２が窒化ガリウム層２２の会合部分に沿って形成されるところまでは、第１の半導体積層構造と同様なので、それ以降について説明する。
【００３２】
図２に示すように、前記の気相成長法により、窒化ガリウム層２２の開口部から第３半導体層としての窒化ガリウム層２５を縦方向成長させる。窒化ガリウム層２５の膜厚は特に限定されないが、0．5μm以上であることが好ましく、1．0μm以上であることがより好ましい。第２マスク層３２上には窒化ガリウム層２５が成長しないので、その上に第２マスク層３２と同様の形状を有する溝２６が形成される。
【００３３】
次いで、成長条件を変更し、窒化ガリウム層２５の溝２６の壁を核として第４半導体層としての窒化ガリウム層２７を横方向成長させ、第２マスク層３２を覆い、溝２６の中心付近で成長を終端させる。この時、できるだけ窒化ガリウムの横方向成長速度が面方位に因らないような成長条件で実施する。これにより、窒化ガリウム層２２の会合部分に沿って形成されていた結晶欠陥を窒化ガリウム層２７が覆い、新たな結晶欠陥の発生は第２マスク層３２上の中心部だけとなり、半導体積層構造表面に向かう貫通転位を大幅に低減することができる。
【００３４】
但し、この場合は、窒化ガリウム層２７を溝２６の中心で成長を終端した後も成長を続けると、窒化ガリウム層２７が窒化ガリウム層２５表面を覆い始め、ついには隣接する窒化ガリウム層２７と会合する。この場合、新たな会合部分で結晶欠陥が発生するため、会合する前に成長を終了させる必要がある。
【００３５】
[第３の実施形態]
本発明の好適な第３の実施形態について説明する。図３は本実施形態に係る第３の半導体積層構造を示す断面図である。窒化ガリウム層２２が横方向成長し、会合することで平坦な半導体積層構造が得られるところまでは第１、２の半導体積層構造と同様なので、それ以降について説明する。
【００３６】
図３に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチングにより、窒化ガリウム層２２の会合部分上に点対称の形状を有する溝２８を周期的に形成する。具体的には、溝２８の形状は、孤立した形状において点対称である形状、すなわち円形、楕円形又は多角形であることが好ましく、前記点を中心点とした時、中心点から外周まで距離のうち、最も長いものをａ、最も短いものをｂとした時に、ａ≦１０ｂを満たすような方向性の弱い形状であることがより好ましい。これらの形状のうち、円形が最も好ましいが、横方向成長条件によっては結晶方位により成長速度が異なる場合があり、このような時は楕円形を用いるのが好ましい。例えば、基板１０面に沿った方向のうち、最も大きな横方向成長速度ｃを有する第１の方向と、基板１０面に沿った第１の方向と直角である第２の方向の横方向成長速度ｄである成長条件下で横方向成長させる場合は、楕円率ｃ／ｄを有する楕円形を第１の方向と長径が平行となるよう配置することが好ましい。また、多角形の場合には円形又は楕円形に近いほうがより好ましく、六以上の角を有する形状が好ましい。
【００３７】
溝２８の深さは特に限定されず、好ましくは0．5μm以上であり、基板を露出させても構わないが、1.0〜5．0μmの深さがより好ましい。溝２８の加工は一直線状に数珠繋ぎとなっていて窒化ガリウム層２２の会合部分に沿って会合部分を覆うように形成される。ここで、一直線状や数珠繋ぎとは、複数の前記孤立した形状の配置に関するものであって、一次元的にある方向へ規則正しい周期で配置することをいう。また、個々の孤立した形状同士は接触はしていないが、会合部分の転位を低減するためにできるだけ距離は近いほうが好ましく、前記形状同士の間隔は０．１〜１μｍであることが好ましく、０．２〜０．５μｍであることがより好ましい。
【００３８】
溝２８の直径は、第１マスク層３１のストライプパターンの周期以下であればよいが、第１マスク層３１のストライプパターンの周期の半分以下であることが好ましい。すなわち、第１マスク層３１の幅がｅ、第１マスク層３１の開口部の幅がｆ、溝２８の直径をｈとすると、ｈ＜（ｅ＋ｆ）を満たさなければならない。溝２８の直径ｈは、１〜８０μｍであることが好ましく、２〜２０μｍであることがさらに好ましい。
【００３９】
次いで、前記気相成長法により、窒化ガリウム層２２の溝２８の壁を核として窒化ガリウム層２９を横方向成長させ、溝２８の中心付近で成長を終端させる。この時、できるだけ窒化ガリウム層２９の横方向成長速度が面方位に因らないような成長条件で実施する。これにより、窒化ガリウム層２２の会合部分に沿って形成されていた結晶欠陥を窒化ガリウム層２９が覆い、新たな結晶欠陥の発生は溝２８の中心部だけとなり、半導体積層構造表面に向かう貫通転位を大幅に低減することができる。
【００４０】
この場合も第２の半導体積層構造と同様、窒化ガリウム層２９を溝２８の中心で成長を終端した後も成長を続けると、窒化ガリウム層２９は窒化ガリウム層２２表面を覆い始め、ついには隣接する窒化ガリウム層２９と会合する。すると新たな会合部分に結晶欠陥が発生するため、会合する前に成長を終了させる必要がある。
【００４１】
図４（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る横方向成長の会合部分に沿った、円形、楕円形又は多角形のパターンの一例を示す上面図である。図4（ａ）は結晶方位に因らず、一様な横方向成長速度を有する場合の円形パターンである。
【００４２】
図4（ｂ）は基板面に沿った方向において、会合部分に平行な方向の横方向成長速度が、会合部分に垂直な方向の横方向成長速度よりも速い場合の、楕円形パターンを示す。
【００４３】
さらに、図4（ｃ）は基板面に沿った方向において、会合部分に平行な方向の横方向成長速度が、会合部分に垂直な方向の横方向成長速度よりも遅い場合の、楕円形パターンを示す。
【００４４】
図4（ｄ）は会合部分に沿った六角形のパターンを示す。六角形は角の部分が会合部分に沿った方向に配しても良く、また直線部分が会合部分に沿った方向に垂直であっても良い。あるいは基板面に沿った方向において、ランダムな方向とすることもでき、上述の円形パターンと同様に、会合部分に沿った方向とそれに垂直な方向の横方向成長速度に合わせて、縦長あるいは横長の六角形とすることもできる。
【００４５】
これまで第１〜３の半導体積層構造について説明した。従来の技術と異なる点は、横方向成長の会合部分上に周期的に形成された、点対称形状のマスク層や溝を用いて、横方向成長をマスク層上や溝の中心付近で終端させ、半導体表面に伝播する貫通転位を低減することにある。これにより極めて高品質の半導体積層構造が得られる。しかしながら、数珠繋ぎ状のマスク層や溝同士は接触しないので、僅かではあるが会合部分は完全には覆えない。従って、マスク層や溝の中心、及びマスク層や溝同士の会合部分に沿った方向の距離の分だけ、転位が残留する。
【００４６】
そこで上記プロセスを複数回繰り返し、会合部分の結晶欠陥をさらに低減することが可能である。この場合、会合部分に沿って実施したパターニングの位置を、その都度会合部分に沿った方向にずらせばよい。上述した半導体表面に一様に配した円形又は六角形のパターニングでも、特開２００１−９４２１６号公報、特開２００３−２８２４４７号公報又は特開２００５−２２９１３４号公報は、複数回プロセスを繰り返すことで、より結晶欠陥を低減することができることを開示している。
【００４７】
しかしながら、これらの技術においては、円形又は六角形のマスク開口部、凸部あるいは溝部内側では、半導体層の再成長が中心付近の一点で終端するため、パターン内側の結晶欠陥は低減することができるが、パターンの外側ではパターンの開口部、凸部あるいは溝部を核として再成長した半導体層同士が会合するので、何度プロセスを繰り返しても会合部分から結晶欠陥が発生するため、結晶欠陥を大幅に低減することができない。
【００４８】
一方、本実施形態では、残留する貫通転位はパターン中心部とパターン同士の間に限られるため、同プロセスを繰り返すことにより、パターン間の貫通転位は確実に低減することができる。なお、プロセスを繰り返すことはコスト面で不利となるため、繰り返し回数は目的に応じて適宜選択するればよい。
【００４９】
以上、横方向成長した半導体層同士が会合する部分から発生する結晶欠陥が基となり、半導体表面に達する貫通転位の数を低減する方法について述べた。本発明の好適な実施形態に係る第１〜３の半導体積層構造において、図１〜３の島状に形成された窒化ガリウム層２１を、第１マスク層３１で横方向成長を制限されたファセット成長としたが、平坦な表面を有する矩形とすることもできる。また、第１マスク層３１を形成することなく、基板上に成長した平坦な窒化ガリウム層を窒化ガリウム層の途中、あるいは基板表面が露出するまでエッチングすることにより島状の窒化ガリウム層を形成することもできる。
【００５０】
さらにサファイア基板１０の表面を凹凸加工することで、凹凸部から凹凸段差によって横方向成長を制限された島状の窒化ガリウム層を形成することができる。もちろん凹底部にマスク層を形成することも有効である。これらのストライプパターンを用いた島状の窒化ガリウム層の形成方法に関わらず、これを核として横方向成長し、直線状の会合部分を有する全ての半導体成長方法に、本実施形態に係る一直線状の数珠繋ぎとなったマスク層又は溝を適用することが可能である。
【００５１】
また、本発明の第１〜３半導体構造では、サファイア、シリコン、砒化ガリウム、炭化珪素、酸化亜鉛又は窒化ガリウムのいずれかの基板上にＡｌxＩｎyＧａ1−x−yＮ（0≦x≦1、0≦y≦1）単層膜又は多層膜を成長したテンプレート基板上に、バッファー層を介して、あるいは直接ＡｌxＩｎyＧａ1−x−yＮ（0≦x≦1、0≦y≦1）の第１〜５半導体層を成長させることができる。基板の面方位は特に限定されなく、さらにジャスト基板でも良いし、オフ角を付与した基板であっても良い。前記バッファー層は気相成長において、低温又は高温の成長温度で基板上に成長した微結晶あるいはアモルファス窒化物半導体であって、燐や砒素を含んでいても構わない。またレーザーリフトオフを利用して基板と基板上に形成した半導体積層構造を剥離し、自立基板を作製することも可能である。あるいは酸を含む液体中に浸すことでエッチングにより半導体積層構造と基板が分離可能であるような金属窒化物とすることもできる。
【００５２】
前記第１〜５半導体層各層は、単層であっても良いし、組成又はキャリア濃度が異なる多層構造あるいは超格子構造と置き換えることもできる。また厚さ方向にグラジュアルもしくは階段状に組成又はキャリア濃度を変化することも可能である。
【００５３】
また、前記第１〜５半導体層は不純物を添加することによりｎ型あるいはｐ型とすることができる。ｐ型の不純物としては、例えばマグネシウムや亜鉛又はカルシウム等が挙げられ、またｎ型不純物としては、例えばシリコン、硫黄、セレン、テルル又はゲルマニウム等が挙げられる。
【００５４】
前記半導体積層構造上に発光素子等のデバイスを作製する場合には、該半導体積層構造の表面に引き続き、発光素子の積層構造を成長しても良いし、前記第１〜５半導体層の全て、もしくは一部を発光素子のｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層、ｐ型コンタクト層又はｐ型クラッド層に置き換え、又は兼ねることも可能である。
【００５５】
また、マスク層は酸化シリコン、窒化シリコン、酸化チタン、酸化ジルコニウム又は高融点金属膜を用いることができる。また、前記マスク層および溝は、フォトリソグラフィーとウェット又はドライエッチング技術、あるいはリフトオフを用いて形成されうる。
【００５６】
[応用例]
本発明の好適な実施形態に係る第１の半導体積層構造上に作製された半導体素子の一例を図５、６に示す。なお、半導体素子はこれに限定されず、例えばレーザーダイオード、発光ダイオード、電界効果トランジスタ、高周波デバイス又はハイパワーデバイス等が作製されうる。図５はＩｎＧａＮ半導体層を井戸層とした多重量子井戸構造の発光層を有した、近紫外線発光ダイオードの断面構造を示す。まず、窒化ガリウム層２３の上に引き続き、同一気相成長装置内で厚さ5．0μmのシリコン添加ｎ型窒化ガリウムコンタクト層１２１を成長させる。
【００５７】
その上に、厚さ2．0μmのシリコン添加ｎ型窒化ガリウムクラッド層１２２を成長させる。さらにその上に、厚さ20nmのシリコン添加ｎ型窒化ガリウムガイド層１２３を成長させる。
【００５８】
次いで、成長温度を下げ、厚さ3．5nmのＩｎＧａＮ井戸層、厚さ5nmの窒化ガリウム障壁層からなる４周期の多重量子井戸層からなる発光層１２４を成長させる。ＩｎＧａＮ井戸層を用いた場合、量子閉じ込めシュタルク効果のため、注入電流密度による発光波長のシフトや発光効率の低下が起こる。そのため窒化ガリウム障壁層へもシリコンを添加することで分極電場を一部遮蔽することで上記問題の解決を図る。但し過度のドーピングは結晶性の低下が懸念される。
【００５９】
再度成長温度を上げ、発光層の上に、厚さ20nmのマグネシウム添加ｐ型窒化ガリウムガイド層１２５を成長させる。
【００６０】
さらにその上に、厚さ50nmのマグネシウム添加ｐ型Ａｌ0.1ＧａＮクラッド（電流ブロック）層１２６を形成する。ｐ型クラッド（電流ブロック）層は互いに組成の異なる２層を繰り返して積層した超格子としても良い。引き続き、厚さ20nmのマグネシウム添加ｐ型窒化ガリウムコンタクト層１２７を成長させる。
【００６１】
次いで、ウェハーを気相成長装置から取り出し、表面に所定の形状のマスクを形成し、ドライエッチング装置にてｐ型コンタクト層側からエッチングを行い、ｎ型コンタクト層を露出させる。
【００６２】
次いで、ｐ型コンタクト層上に透光性電極からなるオーミック電極１３１を形成する。また前記ドライエッチングにより露出されたｎ型コンタクト層にもＴｉ／Ａｌから成るオーミック電極１３２を形成する。
【００６３】
次いで、基板を研磨しシンニングした後、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、ＹＡＧレーザーやエキシマレーザーなどを用いた光学的又は熱的スクライブにより素子分離を行う。
【００６４】
以上、フェイスアップ実装する場合の発光ダイオード素子作製について述べたが、フリップチップ実装とすることもでき、この場合はｐ型電極を透光性とする必要は無い。また光取り出し効率を考慮すると、サファイア基板の表面に凹凸加工されていることが望ましい。
【００６５】
図６にはＩｎＧａＮ半導体層を井戸層とした、多重量子井戸構造の発光層を有した、近紫外線レーザーダイオードの断面構造を示す。窒化ガリウム層２３の上に引き続き、気相成長装置内でシリコン添加ｎ型窒化ガリウムコンタクト層２２１を成長させる。膜厚は例えば4．0μmとする。
【００６６】
次いで、厚さ0．2μmシリコン添加ｎ型Ａｌ0.1ＧａＮクラッド層２２２を厚成長させる。さらにその上に厚さ20nmのシリコン添加ｎ型窒化ガリウムガイド層２２３を成長させる。
【００６７】
次いで、成長温度を下げ、厚さ4．0nmのアンドープＩｎＧａＮ井戸層、厚さ10nmのシリコン添加ｎ型窒化ガリウム障壁層からなる３周期の多重量子井戸層からなる発光層２２４を成長させる。
【００６８】
再び成長温度を上げ、厚さ20nmのマグネシウム添加ｐ型窒化ガリウムガイド層２２５を成長させる。
【００６９】
さらにこの上に、厚さ0．2μmのマグネシウム添加ｐ型Ａｌ0.15ＧａＮクラッド層２２６を成長させる。引き続き、厚さ20nmのマグネシウム添加ｐ型窒化ガリウムコンタクト層２２７を成長させる。
【００７０】
次いで、気相成長装置から該半導体積層構造を取り出し、最上層のｐ型窒化ガリウムコンタクト層の表面に酸化シリコン保護膜を形成し、ドライエッチングによりｎ電極を形成するｎ型窒化ガリウムコンタクト層の表面を露出させ、該露出部にＴｉ／Ａｌから成るｎ側電極２３２を形成する。この時、共振器面となる活性層端面を露出させてエッチング端面を共振器端面とする。
【００７１】
次いで、ストライプ状の導波路領域を形成するために、最上層のｐ型コンタクト層の上に酸化シリコン保護膜を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチング技術により、ｐ型コンタクト層及びｐ型クラッド層をエッチングし、ストライプ幅２μmのリッジ部を形成する。大電流を流すことでリッジ以下では電流が急激に横方向に広がる。そのためリッジを形成するためのエッチング深さはｐ型ガイド層２２５まであるのが好ましい。
【００７２】
リッジを形成するドライエッチング装置としては、例えば簡便なＲＩＥ（反応性イオンエッチング）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ）−ＲＩＥを用いることができる。この場合、Ｃｌ２やＣＣｌ4、ＳｉＣｌ４のような塩素系のガスが用いられる。
【００７３】
電流狭窄部を作製するには、上記の方法の他に、マスクやフォトレジストによって保護されたｐ型コンタクト層上から、ｐ型クラッド層にかけて、例えばシリコンをイオン注入することで達成することができる。シリコン注入量はｐ型層のキャリア濃度よりも高濃度が好ましく、シリコンのドーズ量により制御可能である。また電流狭窄層の形成深さは、イオン注入の注入エネルギーによって制御することができる。
【００７４】
次いで、ストライプ状のリッジ導波路を形成した後、リッジ及びｐ側のエッチング露出面上に、酸化シリコンや金属酸化膜２４１を形成する。
【００７５】
次いで、ｐ型コンタクト層表面を、例えばリフトオフやエッチングにより露出させ、ｐ型コンタクト層及び電流ブロック層の上に、例えばＮｉ／Ａｕから成るｐ側電極２３１を形成する。さらに側面にも酸化シリコンから成る保護膜（図６には図示せず）を形成する。
【００７６】
次いで、基板を研磨しシンニングした後、カッター等の刃を用いた機械的又は物理的スクライブや、ＹＡＧレーザーやエキシマレーザーなどを用いた光学的又は熱的スクライブによりウェハーをバー状に割る。
【００７７】
次いで、このバーをスパッタや蒸着装置にて、光反射側の共振器面、あるいは光反射側と光出射側に多層酸化膜から成る反射膜（図６には図示せず）を形成する。このようにして、素子分離しレーザーダイオードが得られる。
【００７８】
以上のように、本発明によれば、横方向に成長する半導体層同士が会合する部分から半導体表面にまで伝播する貫通転位を抑え、半導体表面の結晶欠陥数を低減することができる。そのため、結晶欠陥の少ない半導体積層構造、半導体基板、半導体テンプレート基板が得られる。又これらの上に発光素子等のデバイスを作製すれば、良好な素子特性を得ることが可能になる。さらに、従来の横方向成長技術では極端に低転位密度領域と高転位密度領域が分かれているため、その上に形成するデバイス設計に制約があったが、本発明ではそれを気にすることなく自由に設計することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の好適な実施の形態に係る第１の半導体積層構造の断面図の一例を示す図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態に係る第２の半導体積層構造の断面図の一例を示す図である。
【図３】本発明の好適な実施の形態に係る第３の半導体積層構造の断面図の一例を示す図である。
【図４】本発明の好適な実施の形態に係る横方向成長の会合部分に沿った、円形、楕円形又は多角形のパターンの上面図の一例を示す図である。
【図５】本発明の好適な実施の形態に係る第１の半導体積層構造上に形成された発光ダイオードの断面図の一例を示す図である。
【図６】本発明の好適な実施の形態に係る第１の半導体積層構造上に形成されたレーザーダイオードの断面図の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０…基板、２１、２２、２３、２４、２５、２７、２９…半導体層、２６、２８…溝、３１、３２…マスク層、１２１、２２１…ｎ型コンタクト層、１２２、２２２…ｎ型クラッド層、１２３、２２３…ｎ型ガイド層、１２４、２２４…多重量子井戸発光層、１２５、２２５…ｐ型ガイド層、１２６、２２６…ｐ型クラッド層、１２７、２２７…ｐ型コンタクト層、１３１、２３１…ｐ側電極、１３２、２３２…ｎ側電極、２４１…酸化シリコン膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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