(57)【要約】【課題】異なる結晶極性面を有する基板を用いても均一な素子特性とすることが容易な窒化物系半導体及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１の結晶極性面と、前記第１の結晶極性面とは異なる第２の結晶極性面と、を含む主面を有する基板と、前記主面の上に設けられ、結晶極性が単一である単一極性層と、を備えたことを特徴とする窒化物系半導体が提供される。また、基板の主面の一部を構成する第１の結晶極性面の上に選択成長用マスクを形成する工程と、前記第１の結晶極性面と共に前記主面を構成する第２の結晶極性面の上に、表面が前記第１の結晶極性面と同一の結晶極性に転じる極性反転層を選択的に結晶成長する工程と、前記選択成長用マスクを除去する工程と、前記第１の結晶極性面と、前記極性反転層の前記表面と、の上に単一極性層を結晶成長する工程と、を備えたことを特徴とする窒化物系半導体の製造方法が提供される。 【選択図】図１
2009099798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の結晶極性面と、前記第１の結晶極性面とは異なる第２の結晶極性面と、を含む主面を有する基板と、
前記主面の上に設けられ、結晶極性が単一である単一極性層と、
を備えたことを特徴とする窒化物系半導体。     
【請求項２】
前記第１の結晶極性面の上の前記単一極性層の第１の表面と、前記第２の結晶極性面の上の前記単一極性層の第２の表面と、の段差は、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の窒化物系半導体。
【請求項３】
基板の主面の一部を構成する第１の結晶極性面の上に選択成長用マスクを形成する工程と、
前記第１の結晶極性面と共に前記主面を構成する第２の結晶極性面の上に、表面が前記第１の結晶極性面と同一の結晶極性に転じる極性反転層を選択的に結晶成長する工程と、
前記選択成長用マスクを除去する工程と、
前記第１の結晶極性面と、前記極性反転層の前記表面と、の上に単一極性層を結晶成長する工程と、
を備えたことを特徴とする窒化物系半導体の製造方法。
【請求項４】
基板の主面の一部を構成する第１の結晶極性面と、前記第１の結晶極性面と共に前記主面を構成する第２の結晶極性面の所定領域と、の上に選択成長用マスクを形成する工程と、
前記第２の結晶極性面のうち前記所定領域以外の領域の上に、前記選択成長用マスクの厚さよりも小さい厚さを有し、表面が前記第１の結晶極性面と同一の結晶極性に転じる極性反転層を選択的に結晶成長する工程と、
前記第１の結晶極性面に形成された選択成長用マスクを除去する工程と、
前記第１の結晶極性面と、前記所定領域上に形成された選択成長用マスクと、前記極性反転層の前記表面と、の上に単一極性層を結晶成長する工程と、
を備え、
前記選択成長用マスクの上では横方向成長により前記単一極性層を結晶成長することを特徴とする窒化物系半導体の製造方法。
【請求項５】
前記極性反転層のＭｇ濃度は、１×１０２０ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項４または５に記載の窒化物系半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系半導体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮに代表される窒化物系半導体は、表示用及び照明用の発光ダイオード、次世代ＤＶＤ（Digital  Versatile  Disk)用半導体レーザ、並びに電子デバイスへの応用が拡大している。
【０００３】
窒化物系半導体結晶は六方晶系のウルツ鉱構造であり、ｃ軸方向に対称性が無い。このため、ｃ面成長のエピタキシャル膜には表裏の極性、すなわちIII族面及びＶ族面が存在する。ＧａＮ単結晶基板の表面では結晶極性及び面方位に不均一を生じることがあるが、このような基板を用いると結晶成長速度、不純物ドーピングなどのウェーハ面内分布を生じやすい。
【０００４】
結晶成長表面を窒素極性面とする窒化ガリウム半導体発光素子に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、ｐ側のＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面の電界の向きを逆転させ、正孔を発光領域側に引き込み、界面に発生するキャリア空乏化を抑制する。
しかしながら、ウェーハ面内における結晶極性を制御するのに十分とは言えない。
【特許文献１】特開２００７−１５７７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
異なる結晶極性面を有する基板を用いても均一な素子特性とすることが容易な窒化物系半導体及びその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、第１の結晶極性面と、前記第１の結晶極性面とは異なる第２の結晶極性面と、を含む主面を有する基板と、前記主面の上に設けられ、結晶極性が単一である単一極性層と、を備えたことを特徴とする窒化物系半導体が提供される。
【０００７】
また、本発明の他の一態様によれば、基板の主面の一部を構成する第１の結晶極性面の上に選択成長用マスクを形成する工程と、前記第１の結晶極性面と共に前記主面を構成する第２の結晶極性面の上に、表面が前記第１の結晶極性面と同一の結晶極性に転じる極性反転層を選択的に結晶成長する工程と、前記選択成長用マスクを除去する工程と、前記第１の結晶極性面と、前記極性反転層の前記表面と、の上に単一極性層を結晶成長する工程と、を備えたことを特徴とする窒化物系半導体の製造方法が提供される。
【０００８】
また、本発明のさらに他の一態様によれば、基板の主面の一部を構成する第１の結晶極性面と、前記第１の結晶極性面と共に前記主面を構成する第２の結晶極性面の所定領域と、の上に選択成長用マスクを形成する工程と、前記第２の結晶極性面のうち前記所定領域以外の領域の上に、前記選択成長用マスクの厚さよりも小さい厚さを有し、表面が前記第１の結晶極性面と同一の結晶極性に転じる極性反転層を選択的に結晶成長する工程と、前記第１の結晶極性面に形成された選択成長用マスクを除去する工程と、前記第１の結晶極性面と、前記所定領域上に形成された選択成長用マスクと、前記極性反転層の前記表面と、の上に単一極性層を結晶成長する工程と、を備え、前記選択成長用マスクの上では横方向成長により前記単一極性層を結晶成長することを特徴とする窒化物系半導体の製造方法が提供される。  
【発明の効果】
【０００９】
異なる結晶極性面を有する基板を用いても均一な素子特性とすることが容易な窒化物系半導体及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施形態にかかる窒化物系半導体の製造方法を説明する工程断面図であり、図１（ａ）選択成長用マスクを形成した模式断面図、図１（ｂ）は極性反転層を形成した模式断面図、図１（ｃ）は選択成長用マスクを除去した模式断面図、図１（ｄ）は単一極性層を形成し工程終了後の第１の実施形態にかかる窒化物系半導体の模式断面図である。
【００１１】
なお、本明細書において、「窒化物系半導体」とは、（ＡｌｘＢ１−ｘ）ｙＧａｚＩｎ１−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１、０＜ｚ＜１、ｙ＋ｚ≦１）からなる半導体をいい、さらにＶ族元素としてＡｓやＰなどを含むものや、ｐ型あるいはｎ型の不純物を含むものも「窒化物系半導体」に包含されるものとする。
【００１２】
ＧａＮからなる基板１０は六方晶系のウルツ鉱構造のために、例えば成長表面がガリウム（Ｇａ）極性面１０ａとなる第１の極性層１０ｃと、成長表面が窒素（Ｎ）極性面１０ｂとなる第２の極性層１０ｄと、が隣接し略平坦な共通表面である主面１０ｅを構成することがある。第１の極性層１０ｃ及び第２の極性層１０ｄの構造を破線内に模式的にそれぞれ表す。ＧａＮでは、通常アニオン（ここではＮ）とカチオン（ここではＧａ）とが交互に配列された結晶成長となる。
【００１３】
他方、サファイヤ基板上に結晶成長を行うこともできるが、ＧａＮ基板上のホモエピタキシャル成長の方が結晶欠陥を抑制することが容易であり、素子特性を向上させることができるのでより好ましい。
【００１４】
図１（ａ）において、（０００１）面であるＧａ極性面１０ａに選択成長用マスク１２をパターニングする。選択成長用マスク１２の材質は、結晶成長工程において表面に窒化物系半導体が成長されにくい絶縁材料（例えばＳｉＯ２）などとする。
【００１５】
選択成長用マスク１２が形成されていない（０００−１）面であるＮ極性面１０ｂには、例えばＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition)法を用いて選択的に極性反転層２０となる窒化物系半導体の結晶成長を行う。本実施形態では、極性反転層２０として、例えばＭｇドープＧａＮを成長する。
【００１６】
このＭＯＣＶＤを用いた選択結晶成長プロセスを以下の（１）から（４）の工程で説明する。
（１）図１（ａ）の基板１０をＭＯＣＶＤ装置反応室内のサセプタに載置し、窒素とアンモニアガスとが混合された雰囲気中で昇温する。設定する温度は、基板１０の結晶成長における温度よりも低く、例えば１０００℃以下とすることが好ましい。
（２）Ｇａ原料（例えばＴＭＧ）及びＭｇ原料（例えばＣｐ２Ｍｇ）を供給する。この場合、  ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）が熱分解されてＧａ原料及びＭｇ原料となる。
（３）結晶成長層の膜厚Ｔ１が１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下の範囲においてＧａ及びＭｇ原料の供給を停止する。
（４）窒素とアンモニアガスとの混合雰囲気中で降温する。
【００１７】
ここで、ＧａＮ中のＭｇ濃度は１×１０２０ｃｍ−３よりも高くする。本発明者の実験により、形成されたＭｇドープＧａＮは下地結晶であるＮ極性面が反転しＧａ極性面とできることが判明した。このため、図１（ｃ）のように選択成長用マスク１２を除去すると、第１の結晶極性層１０ｃの表面１０ａ及びＭｇドープＧａＮ（厚さＴ１）、すなわち極性反転層２０の表面２０ｂが共にＧａ極性面となる。
【００１８】
主面１０ｅが単一のＧａ極性面となった状態で、ＭＯＣＶＤ法により全面に厚さが略Ｔ３の窒化物系半導体からなる単一極性層３０を結晶成長すると、図１（ｄ）に表す断面となる。Ｇａ極性面１０ａの上方の単一極性層３０の表面３０ａと、Ｎ極性面１０ｂの上方の単一極性層３０の表面３０ｂと、の段差Ｔ２を１００ｎｍ以下とする。単一極性層３０の結晶成長温度は、選択結晶成長プロセスの工程（１）における極性反転層２０の結晶成長温度よりも高くし結晶欠陥を抑制することが好ましい。
【００１９】
発光素子の場合、単一極性層３０は、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層、発光層などを少なくとも含むので、その厚さＴ３は通常１μｍ以上であるので１００ｎｍ以下の段差は十分に小さいと言える。段差Ｔ２を１００ｎｍ以下とすると素子の製造プロセスにおいて略平坦な表面として処理することが可能である。また、埋め込み効果により段差Ｔ２をさらに小さくすることが可能である。なお、極性反転層２０の表面２０ｂはＧａ極性面となっており、極性反転層２０と単一極性層３０との境界は図１（ｄ）のように明確に区別することが困難な場合がある。
【００２０】
なお、選択結晶成長プロセスの工程（１）であるＭｇドープＧａＮ結晶成長においては、少なくともＭｇ濃度を１×１０２０ｃｍ−３よりも高くすることによりＮ、Ｇａ、Ｍｇからなる成長種の配列を不安定化し、同じ原子同士が接合するか、または隣り合う状態とし、極性反転のきっかけとしている。また、ＭＯＣＶＤ法による結晶成長温度を１０００℃以下とすることにより、不安定状態を保つことが容易となりより確実に結晶極性を反転できる。結晶成長法としては、ＭＢＥ（Molecular  Beam  Epitaxy)法を用いることもできる。
【００２１】
図２は、比較例にかかる極性混在基板を用いた窒化物系半導体を説明する模式図であり、図２（ａ）は結晶成長の状態を模式的に表す図、図２（ｂ）は結晶成長後の模式断面図である。図２（ａ）において、例えばＧａ粒子５０が結晶極性面１１０ａ、１１０ｂが混在する基板１１０の表面へ一様に供給されている。Ｎ極性面１１０ｂの成長速度は、Ｇａ粒子のトラップ速度が低いためにＧａ極性面１１０ａの成長速度よりも低い。
【００２２】
比較例においては、基板１１０の表面の結晶極性をそれぞれ引き継いだ結晶層１３０が形成される。すなわち、それぞれの結晶極性層１１０ｃおよび１１０ｄの成長速度が異なるため表面に段差を生じやすくなる。また、不純物原料であるＧａ粒子５０及びＮ粒子５２の取り込まれ率の違いにより不純物ドーピングに不均一を生じ、電気的特性の面内分布を生じる。
【００２３】
また、成長速度の違いによりＧａ粒子５０がＮ極性面１１０ｂからＧａ極性面１１０ａへ向かって矢印で表すように拡散する割合が増大する。結果として、２つの極性面１１０ａ、１１０ｂの境界に近いＧａ極性面１１０ａの原料濃度は高くなり、図２（ｂ）のように高さＴ１４０の成長突起を生じる。圧力、温度、ガス濃度などのＭＯＣＶＤ成長条件を変化すると突起を抑制できるが限界がある。
【００２４】
本発明者の実験によると、Ｇａ極性面１１０ａにおいて平坦な領域の厚さ１３０が略５μｍの場合に突起の高さＴ１４０を１μｍよりも小さくすることが困難であり、平坦な領域の膜厚Ｔ１３０が１μｍの場合に突起の高さＴ１４０を０．２μｍよりも小さくすることが困難であった。表面の段差Ｔ１４０がこのように大きいと素子化プロセスにおいてフォトレジストや酸化膜を平坦、または均一にすることが容易ではなく、微細構造を確実に形成することが困難となる。
【００２５】
本実施形態では、極性反転層２０を一方の結晶極性面１０ｂに形成し他方の結晶極性面１０ａと同一な結晶極性とした単一極性層３０を形成でき、成長速度や不純物ドーピング量を略同一とできる。このため表面の段差Ｔ２を低減し製造工程をより容易にできると共に、素子特性をウェーハ面内においてより均一とでき、素子歩留まりが改善できる。また、例えば本実施形態によるＬＥＤの特性及び歩留まりは、結晶極性が混在しない基板を用いたＬＥＤの特性及び歩留まりと比べて略同等にできる。
【００２６】
一般にＧａＮの融点及び窒素の平衡蒸気圧がきわめて高いので、融液からのバルク結晶を成長することは困難で、ＧａＮ基板の製造工程は複雑となりコストが高くなる。これに対して本実施形態ではウェーハ無効領域を低減できるので素子コストの低減が容易となる。
【００２７】
図３は、本発明の実施形態にかかる窒化物系半導体の他の製造方法を説明する工程断面図であり、図１（ａ）選択成長用マスクを形成した模式断面図、図１（ｂ）は極性反転層を形成した模式断面図、図１（ｃ）は選択成長用マスクを除去した模式断面図、図３（ｄ）は単一極性層を形成し工程完了後の第２の実施形態にかかる窒化物系半導体の模式断面図である。
【００２８】
本実施形態では、図３（ａ）のようにＮ極性面１０ｂの所定領域にも選択成長用マスク１２ｂを残す。すなわち選択成長用マスク１２ｂは、所定領域以外の領域が開口部１２ｃとなる。Ｎ極性面１０ｂにおいて、開口部１２ｃの面積のＮ極性面１０ｂの面積に対する比率を５０％以下とする。また選択成長用マスク１２、１２ｂの厚さＴＭを、例えば１００ｎｍとする。
【００２９】
図３（ｂ）のように、ＭＯＣＶＤ法を用いて極性反転層２２の厚さＴ１を、例えば１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ以下となるように形成する。すでに説明した選択結晶成長プロセスを用い極性反転層２２の表面２２ｂをＧａ極性面とする。続いて図３（ｃ）のように、Ｎ極性面１０ｂの選択成長マスク１２ｂを残し、Ｇａ極性面１０ａの選択成長マスク１２を除去する。さらに、Ｇａ極性面１０ａ、選択成長用マスク１２ｂの上、並びに極性反転層２２の表面２２ｂ、に単一極性層３０を厚さＴ３だけ結晶成長する。
【００３０】
この場合、極性反転層２２の厚さＴ１は１００ｎｍ以下であるので、単一極性層３０の表面３０ａと３０ｂとの段差Ｔ１を１００ｎｍ以下とすることは容易である。本実施形態では、複数に分散して配置する小領域の開口部１２ｃの面積の総和を、Ｎ極性面１２ｂの面積の５０％以下とする。この小領域の開口部１２ｃのそれぞれが選択成長用マスク１２ｂの上での横方向成長の核となる。
【００３１】
他方、横方向成長を行わない第１の実施形態では結晶グレインが非常に小さいのでそれぞれのグレイン間の軸ズレによる単結晶性が低く結晶欠陥が集中しやすい。このため、第１の実施形態の窒化物系半導体はＮ極性面の面積割合が低く、且つ面積が小さい場合に用いることが好ましい。
【００３２】
これに対して、横方向成長を行う第２の実施形態の窒化物系半導体では、高濃度Ｍｇドーピングによる結晶欠陥が上層に引き継がれることを抑制でき、Ｎ極性面１０ｂの面積割合が高く、かつ面積が大きい場合に用いることが好ましい。図３（ｄ）は第２実施形態の窒化物系半導体の製造工程が終了した状態の模式断面図である。
【００３３】
第２の実施形態において、表面の段差を低減し製造工程を簡素にでき、電気的特性をウェーハ内においてより均一とでき歩留まりが改善できる。また、このＬＥＤの特性及び歩留まりは、結晶極性が混在しないＬＥＤの特性及び歩留まりと比べて略同等にできる。このようにウェーハ無効領域を低減できるので素子コストの低減が容易となる。
【００３４】
なお、本実施形態に用いられる選択成長用マスクの材料はＳｉＯ２に限定されず、窒化シリコンなどの絶縁膜、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）などの金属であってもよい。金属を用いるとＧａＮ成長における昇温工程の開始時においてアンモニアによる侵食で都合の良い局所的選択マスクを形成でき有益である。
【００３５】
通常、第１及び第２の実施形態である窒化物系半導体のウェーハの単一極性層３０は積層体で構成する。例えばＬＥＤを形成する場合、ｎ型である基板１０の上に、ｎ型ＧａＮ下地層（膜さ２μｍ）、ＩｎＧａＮ系ＭＱＷ（Multiple  Quantum  Well)発光層（厚さ合計０．０４５μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（厚さ０．５μｍ）、ｐ型コンタクト層（厚さ０．０３μｍ）をこの順序で積層する。
【００３６】
この場合、単一極性層３０の厚さは約２．５７５μｍとなり、その表面の段差１００ｎｍに対して十分厚く、素子の製造工程においては略平坦と見なせる。ＭＱＷ層を流れる電流により、発光波長が３９０〜５４０ｎｍの放射光が得られる。ウェーハ面内は結晶極性を同一とできるので、素子特性は略均一であり、高い素子歩留まりとできる。
【００３７】
また、発光素子は半導体レーザとすることもできる。さらに、本実施形態のウェーハを用いてＨＢＴ（Hetero  Bipolar  Transistor)のような高速または高耐圧を有するパワー電子デバイスを形成することもできる。
【００３８】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。本発明を構成する基板、結晶極性、結晶層、選択成長マスクの材質、サイズ、形状、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態にかかる窒化物系半導体の製造方法の工程断面図
【図２】比較例にかかる極性混在基板を用いた窒化物系半導体の模式図
【図３】窒化物系半導体の他の製造方法の工程断面図
【符号の説明】
【００４０】
１０  基板、１０ａ  Ｇａ極性面、１０ｂ  Ｎ極性面、１０ｅ  主面（共通表面）、１２、１２ｂ  選択成長用マスク、２０、２２  極性反転層、３０  単一極性層、Ｔ１  極性反転層の厚さ、Ｔ２  単一極性層の表面段差、ＴＭ  選択成長用マスクの厚さ
【図１】
2009099798.tif 000003
【図２】
2009099798.tif 000004
【図３】
2009099798.tif 000005