(57)【要約】      （修正有）【課題】性能及び信頼性が向上した半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、基板１０と、基板１０上にエピタキシャル成長法により形成され、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるＧａＮ系半導体層１１と、を備える。ＧａＮ系半導体層１１はｎ型ＧａＮ系半導体層１４とｐ型ＧａＮ系半導体層１８と、ＧａＮ系半導体層１１はｎ型ＧａＮ系半導体層１４とｐ型ＧａＮ系半導体層１８との間に設けられ多重量子井戸構造を有する活性層１６を備える。【選択図】図１
2016062937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上にエピタキシャル成長法により形成され、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるＧａＮ系半導体層と、
を備える半導体装置。
【請求項２】
前記ＧａＮ系半導体層が、ｎ型ＧａＮ系半導体層と、ｐ型ＧａＮ系半導体層と、前記ｎ型ＧａＮ系半導体層と前記ｐ型ＧａＮ系半導体層との間に設けられ多重量子井戸構造を有する活性層を備え、
前記活性層のボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体発光素子や、次世代のパワー半導体素子の材料として、ＧａＮやＡｌＧａＮなどのＧａＮ系半導体が用いられる。ＧａＮ系半導体を用いた素子では、材料固有の特性劣化要因が存在する。高い性能、高い信頼性を備えるＧａＮ系半導体素子を実現するためには、材料固有の特性劣化要因に対する対策が必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８５７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、性能及び信頼性が向上した半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の半導体装置は、基板と、前記基板上にエピタキシャル成長法により形成され、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるＧａＮ系半導体層と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図２】第１の実施形態の半導体装置のボロン濃度と動作電流の変動率との関係を示す図。
【図３】第２の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図４】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【図５】第３の実施形態の半導体装置の模式断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本明細書中、同一または類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【０００８】
本明細書中、「ＧａＮ系半導体」とは、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＩｎＮ（窒化インジウム）およびそれらの中間組成を備える半導体の総称である。
【０００９】
また、本明細書中、「上」、「下」とは、構成要件の相対的位置関係を示す用語であり、必ずしも重力方向に対する上下関係を示すものではない。
【００１０】
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、基板と、基板上にエピタキシャル成長法により形成され、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であるＧａＮ系半導体層と、を備える。
【００１１】
図１は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたリッジ導波路型の半導体レーザである。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の半導体装置は、ｎ型ＧａＮ基板１０と、ＧａＮ系半導体層１１を備える。ＧａＮ系半導体層１１は、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１４、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層１８、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４を備えている。
【００１３】
ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２の一部とｐ型ＧａＮコンタクト層２４でリッジ導波路２６が形成される。リッジ導波路２６の側面と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２の上面は、絶縁膜の保護膜２８で覆われる。保護膜２８は、例えば、シリコン酸化膜である。
【００１４】
ｐ型ＧａＮコンタクト層２４上にｐ型電極３０が設けられる。ｐ型電極３０は金属電極である。また、ｎ型ＧａＮ基板１０の下面にｎ型電極３２が設けられる。ｎ型電極３２は金属電極である。
【００１５】
活性層１６は、ＧａＮ系半導体の多重量子井戸構造（Ｍｉｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ（ＭＱＷ））構造を備える。活性層３０は、井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばＩｎ濃度を変えたＩｎＧａＮ層が用いられる。
【００１６】
ＧａＮ系半導体層１１を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。ＧａＮ系半導体層１１を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【００１７】
特に、活性層１６のボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であることが望ましく、１×１０１６ｃｍ−３以下であることがより望ましい。
【００１８】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態では、ｎ型ＧａＮ基板１０上に、ＧａＮ系半導体層１１を、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成長させる。ＧａＮ系半導体層１１は、エピタキシャル成長法により形成される単結晶層である。
【００１９】
本実施形態では、ＧａＮ系半導体層１１を形成する成長炉内の部材及び結晶成長に必要なガスが接する部材には、ボロン（Ｂ）を含有しない部材を選定して使用する。成長炉内の部材とは、例えば、基板を載置するサセプタである。結晶成長に必要なガスとは、例えば、有機金属ガス、Ｖ族ガス、キャリアガス等である。
【００２０】
ボロン（Ｂ）を含有しない部材とは、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）部材、石英部材等である。また、ボロン（Ｂ）を含有する部材としては、窒化ボロン（ＢＮ）部材が挙げられる。
【００２１】
まず、ｎ型ＧａＮ基板１０を成長炉内のサセプタ上へ載置する。そして、成膜用のガスを成長炉内に供給し、ｎ型ＧａＮ基板１０上に、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層１２、ｎ型ＧａＮ光ガイド層１４、活性層１６、ｐ型ＡｌＧａＮオーバーフロー防止層１８、ｐ型ＧａＮ光ガイド層２０、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４を順次エピタキシャル成長させる。
【００２２】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４と、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２２の一部をエッチングし、リッジ導波路２６を形成する。次に、リッジ導波路２６の上部以外の全面に、例えば、シリコン酸化膜の保護膜２８を形成する。
【００２３】
次に、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４上にｐ型電極３０、ｎ型ＧａＮ基板１０の下面にｎ型電極３２を形成する。
【００２４】
なお、ＧａＮ系半導体のｎ型不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）が用いられる。また、ＧａＮ系半導体のｐ型不純物としては、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）が用いられる。
【００２５】
次に、ｐ型電極３０及びｎ型電極３２を形成した後に、スクライブ等により個々のチップに分割する。以上の製造方法により、図１に示す、リッジ導波路型の半導体レーザが製造される。
【００２６】
次に、本実施形態の半導体装置の作用および効果について説明する。
【００２７】
本実施形態の半導体装置のＧａＮ系半導体層１１は、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。発明者らの検討により、ＧａＮ系半導体層１１、特に、活性層１６のボロン（Ｂ）濃度を低減することにより、動作電流の変動が抑制されることが明らかになった。
【００２８】
図２は、本実施形態の半導体装置のボロン濃度と動作電流の変動率との関係を示す図である。本実施形態の半導体レーザをパッケージに組み込み、出力が１０ｍＷとなるレーザの動作電流を初期と４０時間通電後に測定し、動作電流の変動率を求めた。活性層のボロン濃度の異なるサンプルについて測定を行い、ボロン濃度と動作電流の変動率との関係を求めた。
【００２９】
なお、ボロン濃度は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）により求めた。また、ボロン濃度の異なるサンプルは、反応炉のボロンを含有する部材の数を変化させることで作成した。
【００３０】
図２から明らかなように、活性層中のボロン濃度が増加するに従い、動作電流の変動率が大きくなる。ボロンがＧａＮ系半導体の結晶内に存在することにより、非発光性の深い準位や結晶欠陥を形成し、発光効率が低下するためと考えられる。このため、同じレーザ出力を得るための動作電流が増大すると考えられる。
【００３１】
本実施形態の半導体装置のＧａＮ系半導体層１１は、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。したがって、非発光性の深い準位や結晶欠陥が低減し、動作電流の変動が抑制される。
【００３２】
図２から明らかなように、ボロン濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下とすることで、動作電流の変動率が１０％以下に抑制される。ＧａＮ系半導体層１１の、ボロン濃度を１×１０１６ｃｍ−３以下とすることにより、更に、動作電流の変動が抑制できる。
【００３３】
本実施形態によれば、動作電流の変動が抑制された半導体レーザが実現できる。
【００３４】
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。
【００３５】
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、フリップチップ型のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ）である点で、第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
【００３６】
図３は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、フリップチップ型のＬＥＤである。
【００３７】
図３に示すように、本実施形態の半導体装置は、サファイア基板（基板）４０と、ＧａＮ系半導体層４１を備える。ＧａＮ系半導体層４１は、ＧａＮバッファ層４２、ｎ型ＧａＮ層４４、活性層４６、ｐ型ＡｌＧａＮ層４８、ｐ型ＧａＮ層５０を備えている。
【００３８】
ｐ型ＧａＮ層５０上にｐ型電極５２が設けられる。ｐ型電極５２は金属電極である。また、ｎ型ＧａＮ層４４上にｎ型電極５４が設けられる。ｎ型電極５４は金属電極である。
【００３９】
活性層４６は、ＧａＮ系半導体の多重量子井戸構造（Ｍｉｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ（ＭＱＷ））構造を備える。活性層４６は、井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばＩｎ濃度を変えたＩｎＧａＮ層が用いられる。
【００４０】
ＧａＮ系半導体層４１を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。ＧａＮ系半導体層４１を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【００４１】
特に、活性層４６のボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であることが望ましく、１×１０１６ｃｍ−３以下であることがより望ましい。
【００４２】
次に、本実施形態の半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態では、サファイア基板４０上に、ＧａＮ系半導体層４１を、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により成長させる。ＧａＮ系半導体層４１は、エピタキシャル成長法により形成される単結晶層である。
【００４３】
本実施形態では、第１の実施形態同様、ＧａＮ系半導体層４１を形成する成長炉内の部材及び結晶成長に必要なガスが接する部材には、ボロン（Ｂ）を含有しない部材を選定して使用する。
【００４４】
まず、サファイア基板４０を成長炉内のサセプタ上へ載置する。そして、成膜用のガスを成長炉内に供給し、サファイア基板４０上に、ＧａＮバッファ層４２、ｎ型ＧａＮ層４４、活性層４６、ｐ型ＡｌＧａＮ層４８、ｐ型ＧａＮ層５０を順次エピタキシャル成長させる。
【００４５】
次に、ｐ型ＧａＮ層５０からｎ型ＧａＮ層４４の途中までをエッチングする。次に、ｐ型ＧａＮ層５０上にｐ型電極５２、ｎ型ＧａＮ層４４上にｎ型電極５４を形成する。
【００４６】
その後、スクライブ等により個々のチップに分割する。以上の製造方法により、図３に示す、フリップチップ型のＬＥＤが製造される。
【００４７】
本実施形態のフリップチップ型のＬＥＤでは、ＧａＮ系半導体層４１のボロン濃度が低減されることで、非発光性の深い準位や結晶欠陥が低減する。よって、発光効率に優れ、動作電流の変動が抑制されたＬＥＤが実現される。
【００４８】
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。
【００４９】
（第３の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ基板を使用するＬＥＤである点で、第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
【００５０】
図４は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ基板を使用するＬＥＤである。
【００５１】
図４に示すように、本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ基板（基板）６０と、ＧａＮ系半導体層６１を備える。ＧａＮ系半導体層６１は、ＧａＮバッファ層６２、ｎ型ＧａＮ層６４、活性層６６、ｐ型ＡｌＧａＮ層６８、ｐ型ＧａＮ層７０を備えている。
【００５２】
ｐ型ＧａＮ層７０上にｐ型電極７２が設けられる。ｐ型電極７２は金属電極である。また、ＧａＮ基板６０の下面にｎ型電極７４が設けられる。ｎ型電極７４は金属電極である。
【００５３】
活性層６６は、ＧａＮ系半導体の多重量子井戸構造（Ｍｉｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ（ＭＱＷ））構造を備える。活性層６６は、井戸層と障壁層の積層構造で形成される。井戸層および障壁層には、例えばＩｎ濃度を変えたＩｎＧａＮ層が用いられる。
【００５４】
ＧａＮ系半導体層６１を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。ＧａＮ系半導体層６１を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【００５５】
特に、活性層６６のボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下であることが望ましく、１×１０１６ｃｍ−３以下であることがより望ましい。
【００５６】
本実施形態のＧａＮ系半導体層６１は、第１及び第２の実施形態と同様の方法で、ＧａＮ基板上６０に形成される。
【００５７】
本実施形態のＬＥＤでは、ＧａＮ系半導体層６１のボロン濃度が低減されることで、非発光性の深い準位や結晶欠陥が低減する。よって、発光効率に優れ、動作電流の変動が抑制されたＬＥＤが実現される。
【００５８】
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。
【００５９】
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体装置は、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である点で、第１の実施形態と異なる。以下、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
【００６０】
図５は、本実施形態の半導体装置の模式断面図である。本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ系半導体を用いたＨＥＭＴである。
【００６１】
図５に示すように、本実施形態の半導体装置は、ＧａＮ基板（基板）８０と、ＧａＮ系半導体層８１を備える。ＧａＮ系半導体層８１は、バッファ層８２、ＧａＮチャネル層８４、ＡｌＧａＮバリア層８６を備えている。
【００６２】
ＡｌＧａＮバリア層８６上にゲート電極８８、ソース電極９０、ドレイン電極９２を備える。ＡｌＧａＮバリア層８６とゲート電極８８との間はショットキーコンタクトである。また、ＡｌＧａＮバリア層８６と、ソース電極９０及びドレイン電極９２との間はオーミックコンタクトである。
【００６３】
ＧａＮ系半導体層８１を構成する少なくともいずれかの層は、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下である。ＧａＮ系半導体層８１を構成する少なくともいずれかの層が、ボロン（Ｂ）濃度が１×１０１６ｃｍ−３以下であることが望ましい。
【００６４】
本実施形態のＧａＮ系半導体層８１は、第１及び第２の実施形態と同様の方法で、ＧａＮ基板８０上に形成される。
【００６５】
本実施形態のＨＥＭＴでは、ＧａＮ系半導体層８１のボロン濃度が低減されることで、深い準位や結晶欠陥が低減する。よって、高耐圧で電流リークの小さいＨＥＭＴが実現する。
【００６６】
以上、本実施形態の半導体装置によれば、性能及び信頼性が向上する。
【００６７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６８】
１０      ｎ型ＧａＮ基板（基板）
１１      ＧａＮ系半導体層
１４      ｎ型ＧＡＮ光ガイド層（ｎ型ＧａＮ系半導体層）
１６      活性層
２０      ｐ型ＧａＮ光ガイド層（ｐ型ＧａＮ系半導体層）
４０      サファイア基板（基板）
４１      ＧａＮ系半導体層
４４      ｎ型ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ系半導体層）
４６      活性層
４８      ｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ系半導体層）
６０      ＧａＮ基板（基板）
６１      ＧａＮ系半導体層
６４      ｎ型ＧａＮ層（ｎ型ＧａＮ系半導体層）
６６      活性層
６８      ｐ型ＡｌＧａＮ層（ｐ型ＧａＮ系半導体層）
８０      ＧａＮ基板（基板）
８１      ＧａＮ系半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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