(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＣ基板を用いたＧａＡｌＩｎＮ系化合物半導体素子であって、
ＳｉＣ基板と、
前記ＳｉＣ基板の直上に成長させ、該ＳｉＣ基板の表面に残存する格子欠陥を減少させるためのＳｉＣ成長層と、
前記ＳｉＣ成長層の上に成長させたＧａXＡｌYＩｎ1-X-YＮ(０<Ｘ≦１，０≦Ｙ<１)層とを備え、
前記ＳｉＣ成長層は、その膜厚が１μｍ以上であり、
前記ＳｉＣ成長層の表面の格子欠陥は、１０5ｃｍ-2を超えないことを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項２】
前記ＳｉＣ成長層の厚みが１μｍ以上４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子。
【請求項３】
ｎ型ＳｉＣ基板を用いたＧａＡｌＩｎＮ系化合物半導体素子であって、
ｎ型ＳｉＣ基板と、
前記ｎ型ＳｉＣ基板の直上に成長させ、該ｎ型ＳｉＣ基板の表面に残存する格子欠陥を減少させるためのｎ型ＳｉＣ成長層と、
前記ｎ型ＳｉＣ成長層の上に成長させた、それぞれＧａXＡｌYＩｎ1-X-YＮ（０<Ｘ≦１，０≦Ｙ<１）からなる、ｎ型下部クラッド層、活性層、ｐ型上部クラッド層とを備え、
前記ｎ型ＳｉＣ成長層は、その膜厚が１μｍ以上であり、
前記ｎ型ＳｉＣ成長層の表面の格子欠陥は、１０5ｃｍ-2を超えないことを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項４】
前記ｎ型ＳｉＣ基板は、６Ｈ−ＳｉＣ基板であることを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体素子。
【請求項５】
前記ｎ型ＳｉＣ成長層は、ｎ型不純物として窒素を含むことを特徴とする請求項３に記載の化合物半導体素子。
【請求項６】
ｎ型ＳｉＣ基板を用いたＧａＡｌＩｎＮ系化合物半導体素子であって、
ｎ型ＳｉＣ基板上に成長させ、該ＳｉＣ基板の表面に残存する格子欠陥を減少させるためのｎ型ＳｉＣ成長層と、
前記ｎ型ＳｉＣ成長層の上に成長させた、それぞれＧａXＡｌYＩｎ1-X-YＮ（０<Ｘ≦１，０≦Ｙ<１）からなる、ｎ型下部クラッド層、活性層、ｐ型上部クラッド層とを備え、
前記ｎ型ＳｉＣ成長層は、その膜厚が１μｍ以上であり、
前記ｎ型ＳｉＣ成長層の表面の格子欠陥は、１０4〜１０5ｃｍ-2であることを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項７】
前記ｐ型上部クラッド層が、ＧａＡｌＮであることを特徴とする請求項６に記載の化合物半導体素子。
【請求項８】
前記ＳｉＣ成長層は、原料ガスとしてプロパン、シランを含む混合ガスを用いて成長されることを特徴とする請求項１に記載の化合物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】
本発明は、ＳｉＣ基板を用いた化合物半導体素子及びその製造方法に関し、特に、ＧａＡｌＩｎＮ系化合物半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｌＩｎＮ系の化合物半導体はワイドギャップ半導体であり、直接遷移型のバンド構造を有することから、青色〜紫外に発光波長を持つ発光素子ヘの応用が期待されている。窒化ガリウム系の発光素子の応用として実用化されているダブルヘテロ型発光ダイオードを図４に示す。この発光ダイオードは以下の手順で作製される。サファイアＣ面基板１０１を用い、その上に有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と記す）により、基板温度約６００℃の温度で約２００ÅのＧａＮ又はＡｌＮバッファ層１０２を積層する。
【０００３】
次に、基板温度を約１０５０℃として格子整合のためのｎ型ＧａＮ層１０３を４μｍ、ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層１０４を０．５μｍ成長する。
【０００４】
次に、基板温度を約８００℃に下げ、ＺｎドープしたＧａＩｎＮ発光層１０５を０．０５μｍ成長する。この後、再び、基板温度を約１０５０℃に上昇させ、ＭｇドープしたＧａＡｌＮクラッド層１０６を０．５μｍ、ＭｇドープＧａＮコンタクト層１０７を０．３μｍ成長する。成長後、ＭＯＣＶＤ装置から半導体素子を取り出し、窒素雰囲気中で約６００℃の熱処理を３０分程度処理し、ＭｇドープしたＧａＡｌＮクラッド層１０６、ＭｇドープしたＧａＮコンタクト層１０７を低抵抗化及びｐ型化する。この後、ｎ型の電極を形成するため、反応性イオンエッチングにて半導体素子の一部をｎ型ＧａＮ１０３が露出するまでエッチング除去する。最後にｎ側電極１０８をｎ型ＧａＮ層１０３上に、ｐ側電極１０９をｐ型ＧａＮコンタクト層１０７上に形成することで、発光ダイオードが製造される。
【０００５】
また、ＧａＡｌＩｎＮ系半導体レーザ素子の構造を図５に示す。このようなＧａＡｌＩｎＮ系半導体レーザ素子は以下のように作製される。ＳｉＣ基板１上にＭＯＣＶＤ法により、基板温度約１１００℃で約０．２μｍのＡｌＮバッファ層３を成長し、次に基板温度を約１０５０℃として、ｎ型ＧａＮ層４を４μｍ、ｎ型ＧａＡｌＮ下部クラッド層５を０．５μｍ成長する。この後、基板温度を約８００℃に下げ、ＧａＩｎＮ活性層６を１００Å成長させる。次に、基板温度を約１０５０℃に上昇させ、ＭｇドープしたＧａＡｌＮ上部クラッド層７を０．５μｍ、ＭｇドープしたＧａＮコンタクト層８を０．３μｍ成長する。次に、この半導体素子をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、窒素雰囲気中で約６００℃の熱処理を３０分程度行い、ＭｇドープしたＧａＡｌＮクラッド層７、ＭｇドープしたＧａＮコンタクト層８を低抵抗化及びｐ型化する。この後、ストライプ状の開口部９を持つＡｌ2Ｏ3膜１０を電子ビーム蒸着法とフォトリソグラフィプロセスにより形成し、この上にｐ側電極１１を全面的に真空蒸着法によって形成する。また、ｎ側電極１２をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成する。以上の工程を経て、窒化ガリウム系の半導体レーザ素子が形成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
発光ダイオードの成長には、サファイア基板が用いられているが、サファイア基板とＧａＮ層との格子定数は差が大きく、１６％以上もの格子不整合を生じており、サファイア基板とＧａＮ層との界面の歪みが格子欠陥を誘発する。そこで、従来の技術に記載したように格子欠陥の低減のために６００℃程度の低温で成長させたＧａＮまたはＡｌＮバッファ層の挿入や化学エッチングによる表面の清浄化がなされているが、その場合においてもバッファ層の表面の格子欠陥は１０10〜１０11ｃｍ-2程度と非常に多く存在し、発光ダイオードの高温動作特性や素子信頼性を低下させる原因となっている。
【０００７】
一方、半導体レーザ素子においては、基板としてＳｉＣ基板が用いられており、ＧａＮ層の格子定数とＳｉＣ基板との格子定数の差は約３％と小さいにもかかわらず、レーザ発振が未だ実現されていない。さらに格子整合を良くする目的で、従来の技術に記載した半導体レーザ素子では、ＳｉＣ基板の上にＡｌＮバッファ層を積層しているが、それでもＡｌＮバッファ層の表面の格子欠陥は１０8〜１０10ｃｍ-2程度とサファイア基板からの成長と比較しても２桁程度の格子欠陥の低減しかできていない。そのため、光とキャリアを活性層に閉じこめることが十分にできず、また、レーザ発振に必要な１０19ｃｍ-3程度のキャリア注入に耐えるだけの良好な結晶品質が実現できていないため、電流注入によるレーザ発振が実現されていない。
【０００８】
このように、窒化ガリウム系材料は青色〜紫外の発光領域での発光素子材料として期待が大きいが、素子作製において格子欠陥の低減が十分には実現できておらず、電流注入によるレーザ発振が実現できていないという問題があった。
【０００９】
従って、本発明は、ＳｉＣ基板表面の格子欠陥から誘起される格子欠陥の少ないＧａＡｌＩｎＮ系半導体層を成長させて、高効率の化合物半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る化合物半導体素子は、ＳｉＣ基板を用いたＧａＡｌＩｎＮ系化合物半導体素子であって、ＳｉＣ基板と、上記ＳｉＣ基板の直上に成長させ、該ＳｉＣ基板の表面に残存する格子欠陥を減少させるためのＳｉＣ成長層と、上記ＳｉＣ成長層の上に成長させたＧａXＡｌYＩｎ1-X-YＮ(０<Ｘ≦１，０≦Ｙ<１)層とを備え、上記ＳｉＣ成長層は、その膜厚が１μｍ以上であり、上記ＳｉＣ成長層の表面の格子欠陥は、１０5ｃｍ-2を超えないことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る請求項１の化合物半導体素子は、前記ＳｉＣ成長層の厚みが前記ＳｉＣ基板表面に存在するダメージ層厚の１０〜４０倍であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る化合物半導体素子の製造方法は、前記ＳｉＣ成長層を、原料ガスとしてプロパン、シランを含む混合ガスを用いて成長させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態では、化合物半導体としてＳｉＣ基板の上にＧａＩｎＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層系のダブルヘテロ構造を有した半導体レーザ素子の場合について説明する。
【００１４】
本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体の半導体レーザ素子の構造を図１に示す。図５と同一部材は同一符号を記す。従来の半導体レーザ素子と比較して、本発明に係る半導体レーザ素子は、ｎ型ＳｉＣ基板１上にｎ型ＳｉＣ成長層２を有することを特徴としている。ｎ型ＳｉＣ成長層２を積層させることは、ｎ型ＳｉＣ基板１の表面に残存する格子欠陥を減少させる働きをする。
【００１５】
また、本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体の半導体レーザ素子の製作工程の断面図を図２に示す。まず、基板としてｎ型（０００１）珪素面から＜１１２０＞方向に５度オフした６Ｈ−ＳｉＣ基板１を表面研磨の後に酸化処理を行うことによって、表面のダメージ層の除去を行った。この６Ｈ−ＳｉＣ基板１をＭＯＣＶＤ装置にリアクターにセットし、リアクターを水素で良く置換した後、水素を流しながら温度を１５００℃まで上昇させて１０分間保持し、６Ｈ−ＳｉＣ基板１の表面クリーニングを行う。
【００１６】
次に、リアクター内に原料ガスとしてシランガスを毎分１０ｃｃ、プロパンガスを毎分１０ｃｃ、キャリアガスとして水素ガスを毎分１０リットルの流量で供給し、ｎ型不純物として窒素ガスを毎分５０ｃｃの流量で供給し、６０分間処理することにより、ｎ型ＳｉＣ成長層２を約２μｍ成長させる。以上の工程終了後の断面図を図２（ａ）に示す。
【００１７】
次に、基板温度を１０５０℃まで下げ、１０５０℃に安定したらトリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと記す。）を毎分３×１０-5モル、アンモニアを毎分５リットル流し、５分間処理することによって約０．１μｍのＡｌＮ層３を成長させる。
【００１８】
次に、トリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと記す。）を毎分３×１０-5モル、アンモニアを毎分５リットル、Ｓｉをドーピングする原料ガスとしてシランガスを毎分０．３ｃｃ流し、１５分間処理することによってｎ型ＧａＮ層４を成長させる。
【００１９】
次に、アンモニア、ＴＭＧ、シランガスに加えて、ＴＭＡを毎分６×１０-6モル流し、２５分間の処理で約１μｍのｎ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ下部クラッド層５を成長させる。この層の電子濃度は２×１０18ｃｍ-3である。
【００２０】
次に、ＴＭＧ、ＴＭＡ、シリコンガスの供給を止めて温度を８００℃まで下降させる。温度が８００℃に安定したら、ＴＭＧ及びトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと記す）を毎分４×１０-4モル流し、１２秒間処理することによって１０ｎｍのＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ活性層６を成長させる。
【００２１】
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩの供給を止めて、温度を再び１０５０℃まで上昇させる。温度を１０５０℃に安定したらＴＭＧ、ＴＭＡ及びＣｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を毎分５×１０-6モル流し、２５分間処理することで約１μｍのＭｇドープしたＧａ0.85Ａｌ0.15Ｎ上部クラッド層７を成長させる。
【００２２】
次に、ＴＭＡのみの供給を止め、７．５分間の成長で３００ｎｍのＭｇドープしたＧａＮコンタクト層８を成長させる。以上の工程終了後の断面図を図２（ｂ）に示す。ここまでの工程で、６Ｈ−ＳｉＣ基板１上に積層されたｎ型ＳｉＣ成長層２を有したダブルヘテロ型積層構造の半導体素子を形成した。
【００２３】
次に、窒素雰囲気中で、この半導体素子をＭＯＣＶＤ装置から取り出し、窒素雰囲気中で約６００℃の熱処理を２０分間程度行い、ＭｇドープしたＧａ0.85Ａｌ0.15Ｎ上部クラッド層７、ＭｇドープしたＧａＮコンタクト層８を低抵抗化及びｐ型化する。この処理によって両層の正孔濃度は約１×１０18ｃｍ-3となった。
【００２４】
ｐ型Ｇａ0.85Ａｌ0.15Ｎ上部クラッド層７の上に、保護膜として、幅１μｍのストライプ状の開口部９を持つＡｌ2Ｏ3膜１０を電子ビーム蒸着法とフォトリソプロセスにより形成する。以上の工程終了後の断面図を図２（ｃ）に示す。
【００２５】
この上にＡｕ／Ｎｉ積層膜のｐ側電極１１を全面的に真空蒸着法によって形成する。以上の工程終了後の断面図を図２（ｄ）に示す。
【００２６】
次に、共振器のミラー面を形成する。ウエハ上面にマスク材としてＳｉＯ2膜を電子ビーム蒸着法とフォトリソ法により、ｐ側電極１１による電極ストライプと直交する方向に幅５００μｍのＳｉＯ2膜を５０μｍの間隔を開けて形成する。次に、５０μｍのストライプを有するＳｉＯ2膜が形成されたウエハを反応性イオンエッチング装置に導入し、反射ミラーを形成するためにＳｉＯ2膜の開口部分の窒化ガリウム系半導体層をｎ型ＳｉＣ成長層２まで、通常の反応性イオンエッチング法により、エッチング除去する。更に、６Ｈ−ＳｉＣ基板１を研磨し、約１００μｍの厚みに加工し、また、マスク材のＳｉＯ2膜を除去する。
【００２７】
次に、ｎ側電極１２をＳｉＣ基板１の裏面全面に形成する。
【００２８】
最後に、ダイシングによりチップに分割して、通常行われる方法でパッケージに実装する。以上の工程を経て、ＧａＡｌＩｎＮ系の半導体レーザ素子が形成される。
【００２９】
形成した半導体レーザ素子に電流を流したところ４０ｍＡの閾値電流で４３２ｎｍの青色波長のレーザ発振が観測された。
【００３０】
また、本実施の形態で示したようにｎ型ＳｉＣ成長層２を２μｍ成長させた後、ＡｌＮバッファ層３、窒化ガリウム系半導体層を成長させることによって、ｎ型ＳｉＣ成長層２の表面の格子欠陥は１０4〜１０5ｃｍ-2であった。
【００３１】
また、本実施例で使用したＳｉＣ基板１の表面は０．５μｍのスラリーを用いたバフ仕上げを行ったものであるが、スクラッチ等の表面ダメージ層厚を測定すると約０．１μｍであった。従って、約２０倍の厚さのｎ型ＳｉＣ成長層２を形成した結果、上述のように格子欠陥を減少させることができたと考えられる。
【００３２】
また、ｎ型ＳｉＣ成長層２による転移抑制が素子の特性に及ぼす影響を評価するため、素子の発振閾値電流とｎ型ＳｉＣ成長層２の膜厚との関係を図３に示す。図３に示されるようにｎ型ＳｉＣ成長層の膜厚が薄くなればなるほど、素子の閾値電流値が急激に増大する。ＳｉＣ成長層の膜厚が約１μｍより薄くなると急激に発振しきい値電流が上昇し、０．５μｍ以下の領域では発振不能となり、約４μｍより厚くなると発振閾値電流はあまり変化しない。つまり、ＳｉＣ成長層２の膜厚が薄くなり過ぎるとＳｉＣ基板１の表面ダメージ層に起因した結晶欠陥の低減効果が低下し、逆に厚くなり過ぎると成長に時間がかかり過ぎ実用的ではなく、共に好ましくない。ＳｉＣ基板の格子欠陥を吸収するＳｉＣ成長層の厚みは、表面ダメージ層の厚みの１０倍から４０倍が望ましい。
【００３３】
尚、本実施例ではｎ型（０００１）珪素（Ｓｉ）面から＜１１２０＞方向に５度オフした６Ｈ−ＳｉＣ基板を用いた例について説明したが、ｐ−型ＳｉＣ基板を用いても実現でき、この場合には実施の形態中の各層の伝導型を逆にする必要がある。また、オフしていない基板を用いても同様の効果が得られる。
【００３４】
また、本実施例ではＧａＩｎＮ層を活性層に、ＧａＡｌＮ層をクラッド層に使用した青色発光の半導体レーザ素子の例を示したが、この組み合わせに限らず、ＧａＩｎＮ活性層／ＧａＮクラッド層やＧａＮ活性層／ＧａＡｌＮクラッド層やＧａＡｌＩｎＮ系の四元系化合物半導体素子等の組み合わせでも同じ効果を示した。
【００３５】
また、本実施の形態では化合物半導体レーザ素子について説明したが、ＳｉＣ基板を用いる発光ダイオード素子に適用しても格子欠陥を減少させる効果があり、発光ダイオードの高温動作特性や素子信頼性を向上させることができた。また、他の半導体装置についても、ＳｉＣ基板表面の格子欠陥を減少させることは、素子特性を向上させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、ＳｉＣ基板の直上に格子欠陥を吸収するＳｉＣ成長層を成長させ、その上に、作製したＧａＡｌＩｎＮ系化合物半導体レーザ素子は、ｎ型ＳｉＣ成長層により６Ｈ−ＳｉＣ基板表面に残存する格子欠陥を起源とする転位が抑制された結果、低い発振閾値での発振が確認された。
【００３７】
また、ＳｉＣ成長層の膜厚は、ＳｉＣ基板の表面のダメージ層の１０〜４０倍が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＧａＡｌＩｎＮ系半導体レーザ素子の断面図である。
【図２】本発明に係るＧａＡｌＩｎＮ系半導体レーザ素子の作製工程を示す断面図である。
【図３】ｎ型ＳｉＣ成長層と発振閾値との関係を示す図である。
【図４】従来のＧａＡｌＩｎＮ系半導体発光ダイオード素子の断面図である。
【図５】従来のＧａＡｌＩｎＮ系半導体レーザ素子の断面図である。
【符号の説明】
１    ６Ｈ−ＳｉＣ基板
２    ｎ型ＳｉＣ成長層
３    ＡｌＮ成長層
４    ｎ型ＧａＮバッファ層
５    ｎ型ＧａＡｌＮクラッド層
６    ＧａＩｎＮ活性層
７    ｐ型ＧａＡｌＮクラッド層
８    ｐ型ＧａＮコンタクト層
９    開口部
１０  Ａｌ2Ｏ3保護膜
１１  ｐ側電極
１２  ｎ側電極
【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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