JP3839580B2 - 半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体から構成される半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色のＬＥＤは、赤色や緑色のＬＥＤに比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるＧａＮ系化合物半導体層を用い、ドーパントとしてＭｇをドープした低抵抗のｐ型半導体層が得られたことにより、高輝度青色ＬＥＤが実用化され、さらには、実用化には至らないが室温で連続発振するレーザダイオードも開発されている。
【０００３】
図８は文献「Japanese Journal of Applied Physics vol.34(1995) p.L1332〜L1335」に示されているＧａＮ系化合物半導体を用いた発光ダイオード(ＬＥＤ)の断面図である。
【０００４】
図８のＬＥＤは、サファイア(Ａｌ2Ｏ3単結晶)からなる１００〜３００μｍの基板１０１上にｎ型のＧａＮなどからなる低温バッファ層１０２と、ｎ型のＧａＮ層１０３と、ノンドープのＩｎyＧａ(1-y)Ｎ (０＜ｙ＜１)などからなる活性層１０４と、ｐ型ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)などからなるバリア層１０５と、ｐ型ＧａＮなどからなるキャップ層１０６とが、有機金属化学気相成長法(以下、ＭＯＣＶＤ法という)により順次積層されている。
【０００５】
そして、この積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出したｎ型ＧａＮ層１０３上に、ｎ側電極１０８が形成され、また、キャップ層１０６上に、ｐ側電極１０７が形成され、これによってＬＥＤが形成されている。
【０００６】
また、図９は、文献「Japanese Journal of Applied Physics vol.35(1996) p.L74〜L76」に示されているような端面発光型レーザダイオード(ＬＤ)の斜視図である。
【０００７】
図９のＬＤは、図８のＬＥＤと同様に、サファイア(Ａｌ2Ｏ3単結晶)からなる１００〜３００μｍの基板１２２上に、ｎ型のＧａＮなどからなる低温バッファ層１２１と、ｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層１２０と、ｎ型ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ層１１９と、ｎ型のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)層１１８と、ｎ型ＧａＮ層１１７と、ノンドープのＩｎＧａＮ ＭＱＷなどからなる活性層１１６と、ｐ型ＡｌzＧａ(1-z)Ｎ (０＜ｚ＜１)層１１５と、ｐ型ＧａＮ層１１４と、ｐ型ＡｌuＧａ(1-u)Ｎ (０＜ｕ＜１)層１１３と、ｐ型ＧａＮ層などからなるキャップ層１１２とが、ＭＯＣＶＤ法により順次積層されている。
【０００８】
そして、この積層された半導体層をリッジ状にドライエッチングすることによって、光導波路と共振器端面１２４が形成され、さらに、エッチングにより露出した高温バッファ層１２０上にｎ側電極１２３が形成され、また、キャップ層１１２上にｐ側電極１１１が形成され、これによって、ＬＤが形成されている。
【０００９】
また、従来、ＧａＮ系化合物半導体の結晶性を向上するために、選択成長と横方向の成長により、クラックの無い厚いＧａＮ単結晶層を形成する方法が提案されている(文献 「Jpn. J. Appl. Phys.」 Vol.36 (1997) pp.L899-L902)。
【００１０】
図１０は選択成長用のマスクパターンを示す図であり、図１１(ａ)乃至(ｅ)は、図１０のマスクパターンの作製方法を説明するための図である。なお、図１１(ａ)乃至(ｅ)は図１０のＡ−Ａ’線における断面で見たものである。
【００１１】
図１１を参照すると、まず、図１１(ａ)の工程でサファイア基板１５１上に核発生層としてＧａＮ薄膜１５２を積層し、次いで、図１１(ｂ)の工程で核発生層１５２上に、７μｍピッチで１〜４μｍ幅のストライプパターンが開いたＳｉＯ2からなる選択成長用マスク１５３を形成する。このストライプパターンはＧａＮ薄膜１５２の〈１１−２０〉方向に沿って形成される(図１０を参照)。その後、図１１(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)の工程で、選択成長と横方向の成長でクラックの無いＧａＮ膜１５４の結晶成長を行なう。この場合、ＧａＮは、始め、ストライプパターンの露出した核発生層１５２表面に選択成長し、その後、｛１−１０１｝面が現われ、マスク１５３上を横方向に成長する(図１１(ｃ))。成長が進むと、隣接したストライプ状のＧａＮ結晶１５４同士が合体し(図１１(ｄ))、次第に溝１５６が埋まり、最後には平坦な(０００１)面を上面とするＧａＮ単結晶層１５５がウエハー全面に形成される(図１１(ｅ))。この方法により、ウエハー全面でクラックのないＧａＮ厚膜が成長可能となった。この上にＩｎＧａＮ ＭＱＷを活性層とするＬＥＤを作製すると、ＬＥＤの積層構造の結晶欠陥密度は、１０7ｃｍ-2程度に減少させることが可能となり、光出力も約３倍になっている(文献 「Record of the 16th Electronic Materials Symposium, Minoo, July 9-11, 1997 p.291-292)。
【００１２】
また、図１２は特開平８−３１６５７１号に示されている半導体レーザーの斜視図である。図１２の半導体レーザーは、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０上に積層構造６１が結晶成長され、積層構造６１上にｐ側電極６２，ｎ側電極６３が形成されて、発光素子(レーザー)として形成されている。
【００１３】
ここで、この発光素子の光出射面側は、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０のへき開面６０２と積層構造６１のへき開面６０１とにより形成されており、この光出射端面６０１は、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０を斜めにへき開することによって形成されている。すなわち、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０を使用することにより、斜めへき開による光共振器端面の形成を可能にしている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、低温バッファ層の技術や、選択成長によるＧａＮ厚膜の作製技術により、サファイア等の異種基板上へ高品質のＧａＮ系化合物半導体の結晶成長が可能となり、高輝度ＬＥＤが実現され、また、ＬＤの室温連続発振も実現された。
【００１５】
しかしながら、従来のＧａＮ系化合物半導体を使用した発光素子は、結晶構造の異なる異種基板に成長するため、基板とＧａＮ系化合物半導体のへき開面は必ずしも一致しているわけではない。そのため、レーザ共振器端面の形成を従来のＡｌＧａＡｓ系等のレーザのようにへき開法で行なうことが困難である。
【００１６】
例えば、サファイアは劈開性が悪いため、ＬＤ共振器端面はドライエッチングなどの方法で作製していた。そのため、作製プロセスもドライエッチング用マスクの形成，ドライエッチング，マスク除去等の工程が必要とされ複雑化していた。さらには、ＧａＮ系化合物半導体のドライエッチング技術は未だ確立されていないため、形成された共振器ミラーには、縦筋状の凹凸があり、また、テーパー状に形成されるなど、その平滑性，平行性，垂直性は未だ十分ではない。そのため、閾電流値の増大などが起こり、実用に耐えうる素子特性を得ることは困難であった。
【００１７】
また、特開平８−３１６５７１号に開示されているＭｇＡｌ2Ｏ4基板では、へき開によるＬＤ共振器端面の形成を可能としているが、基板とＧａＮ系化合物半導体の結晶構造の違いから、基板とＧａＮ系化合物半導体との劈開面が一致せず斜め劈開になるため、再現性に問題があった。
【００１８】
また、従来のＧａＮ系化合物半導体発光素子は絶縁性基板上に結晶成長が行なわれるため、基板裏面から電極をとることができない。そのため、電極は素子表面に形成されることになり、従来のＡｌＧａＡｓ系等のレーザのように基板裏面に電極を形成しダイボンディングによる実装ができない上、電極のスペースの分だけチップ面積が大きくなるといった問題も残っていた。
【００１９】
本発明は、上述のような従来のＧａＮ系化合物半導体による発光素子の種々の問題を解決し、クラックがなく、結晶欠陥や歪みなどが低減された高品質のＧａＮ系化合物半導体により構成される半導体基板の製造方法を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長のための核発生層をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることをことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項２記載の発明は、単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層をＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体基板の第１の実施形態を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ’線における断面図である。また、図３(ａ)〜(ｅ)は、図１，図２の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【００２５】
この第１の実施形態の半導体基板(図１，図２の半導体基板)は、図３(ａ)〜(ｅ)に示すように、単結晶基板２１の表面上に、選択成長のための核発生層２２を積層し、該核発生層２２上に、選択成長用マスク２３を積層し、該選択成長用マスク２３のマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層２４を選択成長し、この際、選択成長のための核発生層２２をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層２４を分離して作製されるようになっている。
【００２６】
この半導体基板の製造方法の最大の特徴は、核発生層２２の材料として、ＡｌＮを用いている点にある。ＡｌＮは、ＧａＮ系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するＧａＮ系化合物半導体の結晶性は異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。さらに、ＡｌＮ層はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、ＧａＮ系化合物半導体との選択比が大きい。そのため、アルカリ溶液によってＧａＮ系化合物半導体層２４を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板２４を作製できる。また、基板２１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板２１を再利用することが可能となるなどの利点がある。
【００２７】
なお、ＧａＮ系化合物半導体２４としては、例えば、一般式がＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ｎ(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１)で表されるIII族窒化物が用いられる。
【００２８】
次に、図１，図２の半導体基板の作製工程例を図３(ａ)〜(ｅ)を用いてより詳細に説明する。この作製工程例では、φ２インチのサファイア基板２１の(０００１)面上に、選択成長の核発生層としてのＡｌＮ層２２を例えばＭＯＣＶＤ法によって７００℃の温度で０．１μｍの膜厚に積層する(図３(ａ))。次に、ＡｌＮ層１２上に選択成長用マスク２３を堆積し、その後、選択成長用マスク２３をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてＡｌＮ層２２の表面を露出させる(図３(ｂ))。なお、この作製工程例では、選択成長用マスク２３の材料として、ＳｉＯ2を堆積し、選択成長マスクパターンとしては、フォトリソグラフィーにより７μｍピッチ，３μｍ幅のストライプパターンを、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層２４の〈１１−２０〉方向に沿ってパターニングした。
【００２９】
次いで、ストライプパターンの部分において露出しているＡｌＮ層２２の表面からｎ−ＧａＮ単結晶層２４を選択成長させる。すなわち、ストライプパターンの部分において露出しているＡｌＮ層２２の表面からｎ−ＧａＮ単結晶２４を結晶成長させ、選択成長用マスク２３を埋め込むように選択成長用マスク２３上でＧａＮ系化合物半導体２４を横方向にも(選択成長用マスク２３の表面方向にも)成長させて、結果的に、選択成長用マスク２３が埋め込まれ、図３(ｃ)に示すようなＧａＮ単結晶層２４が形成される。
【００３０】
なお、ｎ−ＧａＮ単結晶層２４の結晶成長は、ＨＶＰＥで行ない、ＳｉＣｌ4をｎ型のドーピングガスとして用いることによって、ｎ−ＧａＮ単結晶層２４として、ｎ型ＧａＮを２００μｍの膜厚に結晶成長させた(図３(ｃ))。
【００３１】
このようにして、ＧａＮ単結晶層２４を形成した後、ＧａＮ単結晶層２４をサファイア基板２１から分離する。すなわち、この作製工程例では、先ず、ＨＦ水溶液でＳｉＯ2マスク２３をエッチング除去して空隙２５を形成し、ＡｌＮエッチング液が浸透しやすいようにする(図３(ｄ))。しかる後、８０℃のＫＯＨ水溶液でＡｌＮ層２２をエッチングして、ＧａＮ単結晶層２４をサファイア基板２１から分離することができる(図３(ｅ))。これにより、具体的には、例えばφ２インチ，厚さ２００μｍのｎ−ＧａＮ単結晶２４として得られる。
【００３２】
このように、図１〜図３の第１の実施形態では、単結晶基板２１の表面上に、選択成長のための核発生層２２を積層し、該核発生層２２上に、選択成長用マスク２３を積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層２４を選択成長し、この際、選択成長のための核発生層２２をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層２４を分離して作製されるようになっており、ＡｌＮは、ＧａＮ系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するＧａＮ系化合物半導体２４の結晶性は、ＧａＮ系化合物半導体を異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。従って、基板から分離して作製されたＧａＮ系化合物半導体基板２４の結晶性は高品質なものとなる。
【００３３】
さらに、ＡｌＮ層２２はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、ＧａＮ系化合物半導体との選択比が大きい。そのため、アルカリ溶液によってＧａＮ系化合物半導体層２４を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。また、基板２１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板２１を再利用することが可能となるなどの利点がある。従って、このように作製されたＧａＮ系化合物半導体基板２４は安価なものとなる。
【００３４】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板２４上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【００３５】
図４は本発明に係る半導体基板の第２の実施形態を示す斜視図、図５は図４のＡ−Ａ’線における断面図である。また、図６(ａ)〜(ｆ)は、図４，図５の半導体基板の作製工程例を示す図である。この第２の実施形態の半導体基板(図４，図５の半導体基板)は、図６(ａ)〜(ｆ)に示すように、単結晶基板４１の表面上に、選択成長用マスク４２を積層し、該選択成長用マスク４２のマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長し、この際、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層をＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して作製されるようになっている。
【００３６】
この半導体基板の製造方法の最大の特徴は、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層において、ＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造としている点である。図６(ａ)〜(ｆ)の例では、ＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域は符号４５で示され、結晶欠陥密度の高い領域は符号４４で示されている。
【００３７】
ＧａＮ系化合物半導体層はその結晶性によってアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく左右される。すなわち、結晶欠陥密度が大きい領域４４のエッチングレートは大きく、結晶欠陥密度が小さく結晶性の良い領域４５はエッチングレートが小さくほとんどエッチングされなくなる。従って、結晶欠陥密度の高い領域４４を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いＧａＮ系化合物半導体層の部分４５を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板が作製される。また、基板４１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板４１を再利用することが可能となる。
【００３８】
なお、ＧａＮ系化合物半導体４４，４５としては、例えば、一般式がＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ｎ(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１)で表されるIII族窒化物が用いられる。
【００３９】
次に、図４，図５の半導体基板の作製工程例を図６(ａ)〜(ｆ)を用いてより詳細に説明する。この作製工程例では、φ２インチのサファイア基板４１の(０００１)面上に、選択成長用マスク４２を堆積し、その後、選択成長用マスク４２をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてサファイア基板４１の表面を露出させる(図６(ａ))。なお、この作製工程例では、選択成長用マスク４２の材料として、ＳｉＯ2を堆積し、選択成長マスクパターンとしては、フォトリソグラフィーにより７μｍピッチ，３μｍ幅のストライプパターンをサファイア基板４１の〈１１−２０〉方向に沿ってパターニングした。
【００４０】
次いで、ストライプパターンの部分において露出しているサファイア基板４１の表面にＧａＮ層４３をＭＯＣＶＤ法により５００℃の温度で０．０５μｍの膜厚に選択成長させた。すなわち、ストライプパターンのパターン内にＧａＮ層４３を成長させた(図６(ｂ))。
【００４１】
さらに、ＭＯＣＶＤ法により９００℃で結晶欠陥密度の高いＧａＮ４４を｛１−１０１｝面が現われるまで選択成長させた(図６(ｃ))。
【００４２】
しかる後、ＨＶＰＥ法で、ＳｉＣｌ4をｎ型のドーピングガスとして用いて、結晶欠陥密度の低いｎ−ＧａＮ４５を２００μｍの膜厚に結晶成長させた(図６(ｄ))。
【００４３】
このようにして、ＧａＮ層４４，４５を形成した後、ＧａＮ単結晶層４５をサファイア基板４１から分離する。すなわち、この作製工程例では、先ず、ＨＦ水溶液でＳｉＯ2マスク４２をエッチング除去して空隙４６を形成し、ＧａＮエッチング液が浸透しやすいようにする(図６(ｅ))。しかる後、ＫＯＨ水溶液で結晶欠陥密度の高い領域，すなわちＧａＮ４４をエッチングして、ＧａＮ単結晶層４５をサファイア基板４１から分離することができる(図６(ｆ))。
【００４４】
このように、図４〜図６の第２の実施形態では、ＧａＮ層４４，４５を形成する際、欠陥密度の制御は成長条件を変えるだけで行なうことができるので、異種材料を成長する必要なく反応管の汚染などを防止することができる。すなわち、作製されるＧａＮ系化合物半導体基板を、その純度を落とすことなく作製することができる。また、結晶欠陥密度の高い領域４４を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いＧａＮ系化合物半導体層４５を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。また、基板４１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えば、サファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板４１を再利用することが可能となるなどの利点がある。従って、このように作製されたＧａＮ系化合物半導体基板４５は安価なものとなる。
【００４５】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板４５上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【００４６】
なお、図６(ａ)〜(ｆ)の例では、単結晶基板４１上に、直接、選択成長用マスク４２を堆積し、その後、選択成長用マスク４２をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてサファイア基板４１の表面を露出させ、ストライプパターンの部分において露出しているサファイア基板４１の表面にＧａＮ層４３を成長させたが、単結晶基板４１上に、選択成長の核発生層(例えばＡｌＮ層)を積層し、核発生層上に、選択成長用マスク４２を堆積し、その後、選択成長用マスク４２をパターニングし、このパターニングのパターンの部分において核発生層の表面を露出させ、ストライプパターンの部分において露出している核発生層の表面にＧａＮ層４３を成長させることもできる。
【００４７】
なお、上述の各例(図１〜図３の例，図４〜図６の例)において、ＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５に所定の導電型の不純物(ｎ型あるいはｐ型の不純物)をドーピングすることも可能であり、ＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５に所定の導電型の不純物をドーピングすることで、導電型，すなわち電気的特性を制御することができ、所望の電気特性を有するＧａＮ系化合物半導体結晶とすることができる。
【００４８】
すなわち、ＧａＮ系化合物半導体は半導体であるので、不純物のドーピング制御により、その導電型、電気抵抗等の電気的特性を制御することが可能であり、ＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５に所定の導電型の不純物をドーピングすることで、所望の電気的特性を有する基板を形成することができる。
【００４９】
また、上述の各例(図１〜図３の例，図４〜図６の例)では、作製工程中、基板全面にＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５を積層したが、基板の一部にＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５を積層しても良い。
【００５０】
図７は本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す斜視図である。図７の半導体発光素子は、例えば図１，図２の半導体基板２４、または、図４，図５の半導体基板４５上に形成された少なくとも一つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系化合物半導体積層構造からなる発光素子となっている。
【００５１】
より具体的に、この半導体発光素子は、ｎ−ＧａＮ単結晶基板２４または４５上に、ｎ−ＧａＮ層５２，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５３，ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ 量子井戸構造活性層５４，ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５５，ｐ−ＧａＮキャップ層５６が順次に積層されており、この積層構造のｐ−ＧａＮキャップ層５６上にＳｉＯ2絶縁層５７が形成され、この絶縁層５７にｐ−ＧａＮキャップ層５６表面に達する幅５μｍのストライプ形状の穴が開けられた構造のものとして構成されている。
【００５２】
また、図７の半導体発光素子では、絶縁層５７上には、ｐ側オーミック電極５８が堆積されており、ｐ側オーミック電極５８は、露出したｐ−ＧａＮキャップ層５６と接触し、オーミック電極を形成している。また、ｎ−ＧａＮ単結晶基板２４または４５の裏面には、ｎ側オーミック電極５９が形成されている。
【００５３】
また、この半導体発光素子の光出射端面５００，５０１はへき開によって、基板２４または４５に対し垂直に形成され、また、光出射端面５００，５０１は互いに平行に形成されている。
【００５４】
なお、図７の半導体発光素子において、ｎ−ＧａＮ層５２，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５３，ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ 量子井戸構造活性層５４，ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５５，ｐ−ＧａＮキャップ層５６はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長できる。
【００５５】
また、ｐ側オーミック電極５８は、Ａｕ／Ｎｉを真空蒸着し、熱処理して形成できる。また、ｎ側オーミック電極５９は、Ａｌ／Ｔｉを真空蒸着し、熱処理して形成できる。
【００５６】
このような構成の半導体発光素子では、発光素子のｐ型，ｎ型層に対応した電極に電流を印加し、ｐ−ｎ接合に電流を注入することで、キャリアの再結合がなされ、これによって発光するものである。
【００５７】
すなわち、この半導体発光素子では、ｐ側オーミック電極５８、ｎ側オーミック電極５９に電流を印加すると、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層５４に電流が注入され、活性層５４においてキャリアの再結合によって発光し、光出射端面５００，５０１によって形成される共振器によって、反射増幅が繰り返され、レーザ光５０００，５００１として外部に出力される。
【００５８】
なお、発光素子を構成するＧａＮ系化合物半導体積層構造は、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を有し、このｐ−ｎ接合に電流が注入され、キャリアの再結合によって、発光する構造であれば、ホモ接合、シングルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合、量子井戸構造、多重量子井戸構造、その他どのような構造であっても差し支えない。
【００５９】
この半導体発光素子においては、図１，図２のＧａＮ系化合物半導体基板上、または、図４，図５のＧａＮ系化合物半導体基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体積層構造からなる、基板主面に垂直なへき開面を光出射端面とする発光素子であり、従来より結晶品質の良い同種の基板上に発光素子部分が形成されていることから、発光素子を構成する積層構造の結晶性は、基板材料とＧａＮ系化合物半導体積層構造の格子不整合による欠陥や熱膨張係数差による熱歪みやクラック等の欠陥、すなわち、発光特性や寿命に悪影響を及ぼす欠陥が低減された高品質なものとなり、そのため、発光特性が良く、寿命の長い発光素子を提供できる。
【００６０】
また、光出射面が基板主面に垂直で、原子オーダーで平滑なへき開面であるので、従来のドライエッチングで形成された光出射端面のような凹凸がないため、光出射端面での散乱ロスがなく、発光特性が良好になる。また、レーザー素子の場合には、上記光出射面は、互いに平行で、平滑な共振ミラー端面となるので、従来のドライエッチングで形成された光出射端面を共振器ミラー端面とするレーザー素子に比べ、しきい電流密度が低く、外部微分効率が高い性能のよいレーザー素子を作製することができる。
【００６１】
さらに、基板にはＧａＮ系化合物半導体単結晶基板を使用しているので、基板をｎ型あるいはｐ型の導電性にすることが可能となり、この場合、基板裏面に電極を形成することができて、従来のダイボンディングによる実装ができる上、電極のスペースの分だけ、チップ面積を低減できる。
【００６２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成した半導体基板において、選択成長のための核発生層をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板を作製するようにしており、ＡｌＮは、ＧａＮ系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するＧａＮ系化合物半導体の結晶性は、ＧａＮ系化合物半導体を異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。従って、基板から分離して作製されたＧａＮ系化合物半導体基板の結晶性を高品質なものにすることができる。
【００６３】
さらに、ＡｌＮ層はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、ＧａＮ系化合物半導体との選択比が大きいので、アルカリ溶液によってＧａＮ系化合物半導体層を容易に分離することができ、従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。
【００６４】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【００６５】
また、請求項２記載の発明によれば、単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成した半導体基板において、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層をＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板を作製するようにしており、ＧａＮ層の欠陥密度の制御は成長条件を変えるだけで行なうことができるので、異種材料を成長する必要なく反応管の汚染などを防止することができる。すなわち、作製されるＧａＮ系化合物半導体基板を、その純度を落とすことなく作製することができる。また、結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いＧａＮ系化合物半導体層を容易に分離することができ、従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。
【００６６】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体基板の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図１，図２の基板の作製工程例を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体基板の第２の実施形態を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図６】図４，図５の基板の作製工程例を示す図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す斜視図である。
【図８】従来のＧａＮ系化合物半導体を用いたＬＥＤの断面図である。
【図９】従来の端面発光型レーザーダイオードの斜視図である。
【図１０】選択成長用のマスクパターンを示す図である。
【図１１】図１０のマスクパターンの作製方法を説明するための図である。
【図１２】従来の半導体レーザーの斜視図である。
【符号の説明】
２１，４１ 単結晶基板(サファイア基板)
２２ 核発生層
２３，４２ 選択成長用マスク
２４ ＧａＮ系化合物半導体層(ＧａＮ単結晶層)
４４ 結晶欠陥密度の高いＧａＮ
４５ 結晶欠陥密度の低いＧａＮ
５２ ｎ−ＧａＮ層
５３ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
５４ ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層
５５ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
５６ ｐ−ＧａＮキャップ層
５８ ｐ側オーミック電極
５９ ｎ側オーミック電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体から構成される半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、青色のＬＥＤは、赤色や緑色のＬＥＤに比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近年、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体からなるＧａＮ系化合物半導体層を用い、ドーパントとしてＭｇをドープした低抵抗のｐ型半導体層が得られたことにより、高輝度青色ＬＥＤが実用化され、さらには、実用化には至らないが室温で連続発振するレーザダイオードも開発されている。
【０００３】
図８は文献「Japanese Journal of Applied Physics vol.34(1995) p.L1332〜L1335」に示されているＧａＮ系化合物半導体を用いた発光ダイオード(ＬＥＤ)の断面図である。
【０００４】
図８のＬＥＤは、サファイア(Ａｌ2Ｏ3単結晶)からなる１００〜３００μｍの基板１０１上にｎ型のＧａＮなどからなる低温バッファ層１０２と、ｎ型のＧａＮ層１０３と、ノンドープのＩｎyＧａ(1-y)Ｎ (０＜ｙ＜１)などからなる活性層１０４と、ｐ型ＡｌxＧａ(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)などからなるバリア層１０５と、ｐ型ＧａＮなどからなるキャップ層１０６とが、有機金属化学気相成長法(以下、ＭＯＣＶＤ法という)により順次積層されている。
【０００５】
そして、この積層された半導体層の一部がエッチングにより除去されて露出したｎ型ＧａＮ層１０３上に、ｎ側電極１０８が形成され、また、キャップ層１０６上に、ｐ側電極１０７が形成され、これによってＬＥＤが形成されている。
【０００６】
また、図９は、文献「Japanese Journal of Applied Physics vol.35(1996) p.L74〜L76」に示されているような端面発光型レーザダイオード(ＬＤ)の斜視図である。
【０００７】
図９のＬＤは、図８のＬＥＤと同様に、サファイア(Ａｌ2Ｏ3単結晶)からなる１００〜３００μｍの基板１２２上に、ｎ型のＧａＮなどからなる低温バッファ層１２１と、ｎ型のＧａＮからなる高温バッファ層１２０と、ｎ型ＩｎyＧａ(1-y)Ｎ層１１９と、ｎ型のＡｌxＧａ(1-x)Ｎ (０＜ｘ＜１)層１１８と、ｎ型ＧａＮ層１１７と、ノンドープのＩｎＧａＮ ＭＱＷなどからなる活性層１１６と、ｐ型ＡｌzＧａ(1-z)Ｎ (０＜ｚ＜１)層１１５と、ｐ型ＧａＮ層１１４と、ｐ型ＡｌuＧａ(1-u)Ｎ (０＜ｕ＜１)層１１３と、ｐ型ＧａＮ層などからなるキャップ層１１２とが、ＭＯＣＶＤ法により順次積層されている。
【０００８】
そして、この積層された半導体層をリッジ状にドライエッチングすることによって、光導波路と共振器端面１２４が形成され、さらに、エッチングにより露出した高温バッファ層１２０上にｎ側電極１２３が形成され、また、キャップ層１１２上にｐ側電極１１１が形成され、これによって、ＬＤが形成されている。
【０００９】
また、従来、ＧａＮ系化合物半導体の結晶性を向上するために、選択成長と横方向の成長により、クラックの無い厚いＧａＮ単結晶層を形成する方法が提案されている(文献 「Jpn. J. Appl. Phys.」 Vol.36 (1997) pp.L899-L902)。
【００１０】
図１０は選択成長用のマスクパターンを示す図であり、図１１(ａ)乃至(ｅ)は、図１０のマスクパターンの作製方法を説明するための図である。なお、図１１(ａ)乃至(ｅ)は図１０のＡ−Ａ’線における断面で見たものである。
【００１１】
図１１を参照すると、まず、図１１(ａ)の工程でサファイア基板１５１上に核発生層としてＧａＮ薄膜１５２を積層し、次いで、図１１(ｂ)の工程で核発生層１５２上に、７μｍピッチで１〜４μｍ幅のストライプパターンが開いたＳｉＯ2からなる選択成長用マスク１５３を形成する。このストライプパターンはＧａＮ薄膜１５２の〈１１−２０〉方向に沿って形成される(図１０を参照)。その後、図１１(ｃ)，(ｄ)，(ｅ)の工程で、選択成長と横方向の成長でクラックの無いＧａＮ膜１５４の結晶成長を行なう。この場合、ＧａＮは、始め、ストライプパターンの露出した核発生層１５２表面に選択成長し、その後、｛１−１０１｝面が現われ、マスク１５３上を横方向に成長する(図１１(ｃ))。成長が進むと、隣接したストライプ状のＧａＮ結晶１５４同士が合体し(図１１(ｄ))、次第に溝１５６が埋まり、最後には平坦な(０００１)面を上面とするＧａＮ単結晶層１５５がウエハー全面に形成される(図１１(ｅ))。この方法により、ウエハー全面でクラックのないＧａＮ厚膜が成長可能となった。この上にＩｎＧａＮ ＭＱＷを活性層とするＬＥＤを作製すると、ＬＥＤの積層構造の結晶欠陥密度は、１０7ｃｍ-2程度に減少させることが可能となり、光出力も約３倍になっている(文献 「Record of the 16th Electronic Materials Symposium, Minoo, July 9-11, 1997 p.291-292)。
【００１２】
また、図１２は特開平８−３１６５７１号に示されている半導体レーザーの斜視図である。図１２の半導体レーザーは、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０上に積層構造６１が結晶成長され、積層構造６１上にｐ側電極６２，ｎ側電極６３が形成されて、発光素子(レーザー)として形成されている。
【００１３】
ここで、この発光素子の光出射面側は、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０のへき開面６０２と積層構造６１のへき開面６０１とにより形成されており、この光出射端面６０１は、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０を斜めにへき開することによって形成されている。すなわち、ＭｇＡｌ2Ｏ4基板６０を使用することにより、斜めへき開による光共振器端面の形成を可能にしている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、低温バッファ層の技術や、選択成長によるＧａＮ厚膜の作製技術により、サファイア等の異種基板上へ高品質のＧａＮ系化合物半導体の結晶成長が可能となり、高輝度ＬＥＤが実現され、また、ＬＤの室温連続発振も実現された。
【００１５】
しかしながら、従来のＧａＮ系化合物半導体を使用した発光素子は、結晶構造の異なる異種基板に成長するため、基板とＧａＮ系化合物半導体のへき開面は必ずしも一致しているわけではない。そのため、レーザ共振器端面の形成を従来のＡｌＧａＡｓ系等のレーザのようにへき開法で行なうことが困難である。
【００１６】
例えば、サファイアは劈開性が悪いため、ＬＤ共振器端面はドライエッチングなどの方法で作製していた。そのため、作製プロセスもドライエッチング用マスクの形成，ドライエッチング，マスク除去等の工程が必要とされ複雑化していた。さらには、ＧａＮ系化合物半導体のドライエッチング技術は未だ確立されていないため、形成された共振器ミラーには、縦筋状の凹凸があり、また、テーパー状に形成されるなど、その平滑性，平行性，垂直性は未だ十分ではない。そのため、閾電流値の増大などが起こり、実用に耐えうる素子特性を得ることは困難であった。
【００１７】
また、特開平８−３１６５７１号に開示されているＭｇＡｌ2Ｏ4基板では、へき開によるＬＤ共振器端面の形成を可能としているが、基板とＧａＮ系化合物半導体の結晶構造の違いから、基板とＧａＮ系化合物半導体との劈開面が一致せず斜め劈開になるため、再現性に問題があった。
【００１８】
また、従来のＧａＮ系化合物半導体発光素子は絶縁性基板上に結晶成長が行なわれるため、基板裏面から電極をとることができない。そのため、電極は素子表面に形成されることになり、従来のＡｌＧａＡｓ系等のレーザのように基板裏面に電極を形成しダイボンディングによる実装ができない上、電極のスペースの分だけチップ面積が大きくなるといった問題も残っていた。
【００１９】
本発明は、上述のような従来のＧａＮ系化合物半導体による発光素子の種々の問題を解決し、クラックがなく、結晶欠陥や歪みなどが低減された高品質のＧａＮ系化合物半導体により構成される半導体基板の製造方法を提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長のための核発生層をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることをことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項２記載の発明は、単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層をＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体基板の第１の実施形態を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ’線における断面図である。また、図３(ａ)〜(ｅ)は、図１，図２の半導体基板の作製工程例を示す図である。
【００２５】
この第１の実施形態の半導体基板(図１，図２の半導体基板)は、図３(ａ)〜(ｅ)に示すように、単結晶基板２１の表面上に、選択成長のための核発生層２２を積層し、該核発生層２２上に、選択成長用マスク２３を積層し、該選択成長用マスク２３のマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層２４を選択成長し、この際、選択成長のための核発生層２２をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層２４を分離して作製されるようになっている。
【００２６】
この半導体基板の製造方法の最大の特徴は、核発生層２２の材料として、ＡｌＮを用いている点にある。ＡｌＮは、ＧａＮ系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するＧａＮ系化合物半導体の結晶性は異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。さらに、ＡｌＮ層はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、ＧａＮ系化合物半導体との選択比が大きい。そのため、アルカリ溶液によってＧａＮ系化合物半導体層２４を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板２４を作製できる。また、基板２１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板２１を再利用することが可能となるなどの利点がある。
【００２７】
なお、ＧａＮ系化合物半導体２４としては、例えば、一般式がＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ｎ(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１)で表されるIII族窒化物が用いられる。
【００２８】
次に、図１，図２の半導体基板の作製工程例を図３(ａ)〜(ｅ)を用いてより詳細に説明する。この作製工程例では、φ２インチのサファイア基板２１の(０００１)面上に、選択成長の核発生層としてのＡｌＮ層２２を例えばＭＯＣＶＤ法によって７００℃の温度で０．１μｍの膜厚に積層する(図３(ａ))。次に、ＡｌＮ層１２上に選択成長用マスク２３を堆積し、その後、選択成長用マスク２３をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてＡｌＮ層２２の表面を露出させる(図３(ｂ))。なお、この作製工程例では、選択成長用マスク２３の材料として、ＳｉＯ2を堆積し、選択成長マスクパターンとしては、フォトリソグラフィーにより７μｍピッチ，３μｍ幅のストライプパターンを、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層２４の〈１１−２０〉方向に沿ってパターニングした。
【００２９】
次いで、ストライプパターンの部分において露出しているＡｌＮ層２２の表面からｎ−ＧａＮ単結晶層２４を選択成長させる。すなわち、ストライプパターンの部分において露出しているＡｌＮ層２２の表面からｎ−ＧａＮ単結晶２４を結晶成長させ、選択成長用マスク２３を埋め込むように選択成長用マスク２３上でＧａＮ系化合物半導体２４を横方向にも(選択成長用マスク２３の表面方向にも)成長させて、結果的に、選択成長用マスク２３が埋め込まれ、図３(ｃ)に示すようなＧａＮ単結晶層２４が形成される。
【００３０】
なお、ｎ−ＧａＮ単結晶層２４の結晶成長は、ＨＶＰＥで行ない、ＳｉＣｌ4をｎ型のドーピングガスとして用いることによって、ｎ−ＧａＮ単結晶層２４として、ｎ型ＧａＮを２００μｍの膜厚に結晶成長させた(図３(ｃ))。
【００３１】
このようにして、ＧａＮ単結晶層２４を形成した後、ＧａＮ単結晶層２４をサファイア基板２１から分離する。すなわち、この作製工程例では、先ず、ＨＦ水溶液でＳｉＯ2マスク２３をエッチング除去して空隙２５を形成し、ＡｌＮエッチング液が浸透しやすいようにする(図３(ｄ))。しかる後、８０℃のＫＯＨ水溶液でＡｌＮ層２２をエッチングして、ＧａＮ単結晶層２４をサファイア基板２１から分離することができる(図３(ｅ))。これにより、具体的には、例えばφ２インチ，厚さ２００μｍのｎ−ＧａＮ単結晶２４として得られる。
【００３２】
このように、図１〜図３の第１の実施形態では、単結晶基板２１の表面上に、選択成長のための核発生層２２を積層し、該核発生層２２上に、選択成長用マスク２３を積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層２４を選択成長し、この際、選択成長のための核発生層２２をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層２４を分離して作製されるようになっており、ＡｌＮは、ＧａＮ系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するＧａＮ系化合物半導体２４の結晶性は、ＧａＮ系化合物半導体を異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。従って、基板から分離して作製されたＧａＮ系化合物半導体基板２４の結晶性は高品質なものとなる。
【００３３】
さらに、ＡｌＮ層２２はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、ＧａＮ系化合物半導体との選択比が大きい。そのため、アルカリ溶液によってＧａＮ系化合物半導体層２４を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。また、基板２１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板２１を再利用することが可能となるなどの利点がある。従って、このように作製されたＧａＮ系化合物半導体基板２４は安価なものとなる。
【００３４】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板２４上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【００３５】
図４は本発明に係る半導体基板の第２の実施形態を示す斜視図、図５は図４のＡ−Ａ’線における断面図である。また、図６(ａ)〜(ｆ)は、図４，図５の半導体基板の作製工程例を示す図である。この第２の実施形態の半導体基板(図４，図５の半導体基板)は、図６(ａ)〜(ｆ)に示すように、単結晶基板４１の表面上に、選択成長用マスク４２を積層し、該選択成長用マスク４２のマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長し、この際、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層をＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して作製されるようになっている。
【００３６】
この半導体基板の製造方法の最大の特徴は、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層において、ＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造としている点である。図６(ａ)〜(ｆ)の例では、ＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域は符号４５で示され、結晶欠陥密度の高い領域は符号４４で示されている。
【００３７】
ＧａＮ系化合物半導体層はその結晶性によってアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく左右される。すなわち、結晶欠陥密度が大きい領域４４のエッチングレートは大きく、結晶欠陥密度が小さく結晶性の良い領域４５はエッチングレートが小さくほとんどエッチングされなくなる。従って、結晶欠陥密度の高い領域４４を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いＧａＮ系化合物半導体層の部分４５を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板が作製される。また、基板４１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えばサファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板４１を再利用することが可能となる。
【００３８】
なお、ＧａＮ系化合物半導体４４，４５としては、例えば、一般式がＩｎxＡｌyＧａ(1-x-y)Ｎ(０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，ｘ＋ｙ≦１)で表されるIII族窒化物が用いられる。
【００３９】
次に、図４，図５の半導体基板の作製工程例を図６(ａ)〜(ｆ)を用いてより詳細に説明する。この作製工程例では、φ２インチのサファイア基板４１の(０００１)面上に、選択成長用マスク４２を堆積し、その後、選択成長用マスク４２をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてサファイア基板４１の表面を露出させる(図６(ａ))。なお、この作製工程例では、選択成長用マスク４２の材料として、ＳｉＯ2を堆積し、選択成長マスクパターンとしては、フォトリソグラフィーにより７μｍピッチ，３μｍ幅のストライプパターンをサファイア基板４１の〈１１−２０〉方向に沿ってパターニングした。
【００４０】
次いで、ストライプパターンの部分において露出しているサファイア基板４１の表面にＧａＮ層４３をＭＯＣＶＤ法により５００℃の温度で０．０５μｍの膜厚に選択成長させた。すなわち、ストライプパターンのパターン内にＧａＮ層４３を成長させた(図６(ｂ))。
【００４１】
さらに、ＭＯＣＶＤ法により９００℃で結晶欠陥密度の高いＧａＮ４４を｛１−１０１｝面が現われるまで選択成長させた(図６(ｃ))。
【００４２】
しかる後、ＨＶＰＥ法で、ＳｉＣｌ4をｎ型のドーピングガスとして用いて、結晶欠陥密度の低いｎ−ＧａＮ４５を２００μｍの膜厚に結晶成長させた(図６(ｄ))。
【００４３】
このようにして、ＧａＮ層４４，４５を形成した後、ＧａＮ単結晶層４５をサファイア基板４１から分離する。すなわち、この作製工程例では、先ず、ＨＦ水溶液でＳｉＯ2マスク４２をエッチング除去して空隙４６を形成し、ＧａＮエッチング液が浸透しやすいようにする(図６(ｅ))。しかる後、ＫＯＨ水溶液で結晶欠陥密度の高い領域，すなわちＧａＮ４４をエッチングして、ＧａＮ単結晶層４５をサファイア基板４１から分離することができる(図６(ｆ))。
【００４４】
このように、図４〜図６の第２の実施形態では、ＧａＮ層４４，４５を形成する際、欠陥密度の制御は成長条件を変えるだけで行なうことができるので、異種材料を成長する必要なく反応管の汚染などを防止することができる。すなわち、作製されるＧａＮ系化合物半導体基板を、その純度を落とすことなく作製することができる。また、結晶欠陥密度の高い領域４４を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いＧａＮ系化合物半導体層４５を容易に分離することができる。従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。また、基板４１として、アルカリ溶液に不溶の基板材料(例えば、サファイアなどの基板材料)を使用することによって、基板４１を再利用することが可能となるなどの利点がある。従って、このように作製されたＧａＮ系化合物半導体基板４５は安価なものとなる。
【００４５】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板４５上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【００４６】
なお、図６(ａ)〜(ｆ)の例では、単結晶基板４１上に、直接、選択成長用マスク４２を堆積し、その後、選択成長用マスク４２をパターニングし、このパターニングのパターンの部分においてサファイア基板４１の表面を露出させ、ストライプパターンの部分において露出しているサファイア基板４１の表面にＧａＮ層４３を成長させたが、単結晶基板４１上に、選択成長の核発生層(例えばＡｌＮ層)を積層し、核発生層上に、選択成長用マスク４２を堆積し、その後、選択成長用マスク４２をパターニングし、このパターニングのパターンの部分において核発生層の表面を露出させ、ストライプパターンの部分において露出している核発生層の表面にＧａＮ層４３を成長させることもできる。
【００４７】
なお、上述の各例(図１〜図３の例，図４〜図６の例)において、ＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５に所定の導電型の不純物(ｎ型あるいはｐ型の不純物)をドーピングすることも可能であり、ＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５に所定の導電型の不純物をドーピングすることで、導電型，すなわち電気的特性を制御することができ、所望の電気特性を有するＧａＮ系化合物半導体結晶とすることができる。
【００４８】
すなわち、ＧａＮ系化合物半導体は半導体であるので、不純物のドーピング制御により、その導電型、電気抵抗等の電気的特性を制御することが可能であり、ＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５に所定の導電型の不純物をドーピングすることで、所望の電気的特性を有する基板を形成することができる。
【００４９】
また、上述の各例(図１〜図３の例，図４〜図６の例)では、作製工程中、基板全面にＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５を積層したが、基板の一部にＧａＮ系化合物半導体結晶２４，４５を積層しても良い。
【００５０】
図７は本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す斜視図である。図７の半導体発光素子は、例えば図１，図２の半導体基板２４、または、図４，図５の半導体基板４５上に形成された少なくとも一つのｐ−ｎ接合を含むＧａＮ系化合物半導体積層構造からなる発光素子となっている。
【００５１】
より具体的に、この半導体発光素子は、ｎ−ＧａＮ単結晶基板２４または４５上に、ｎ−ＧａＮ層５２，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５３，ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ 量子井戸構造活性層５４，ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５５，ｐ−ＧａＮキャップ層５６が順次に積層されており、この積層構造のｐ−ＧａＮキャップ層５６上にＳｉＯ2絶縁層５７が形成され、この絶縁層５７にｐ−ＧａＮキャップ層５６表面に達する幅５μｍのストライプ形状の穴が開けられた構造のものとして構成されている。
【００５２】
また、図７の半導体発光素子では、絶縁層５７上には、ｐ側オーミック電極５８が堆積されており、ｐ側オーミック電極５８は、露出したｐ−ＧａＮキャップ層５６と接触し、オーミック電極を形成している。また、ｎ−ＧａＮ単結晶基板２４または４５の裏面には、ｎ側オーミック電極５９が形成されている。
【００５３】
また、この半導体発光素子の光出射端面５００，５０１はへき開によって、基板２４または４５に対し垂直に形成され、また、光出射端面５００，５０１は互いに平行に形成されている。
【００５４】
なお、図７の半導体発光素子において、ｎ−ＧａＮ層５２，ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層５３，ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ 量子井戸構造活性層５４，ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層５５，ｐ−ＧａＮキャップ層５６はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長できる。
【００５５】
また、ｐ側オーミック電極５８は、Ａｕ／Ｎｉを真空蒸着し、熱処理して形成できる。また、ｎ側オーミック電極５９は、Ａｌ／Ｔｉを真空蒸着し、熱処理して形成できる。
【００５６】
このような構成の半導体発光素子では、発光素子のｐ型，ｎ型層に対応した電極に電流を印加し、ｐ−ｎ接合に電流を注入することで、キャリアの再結合がなされ、これによって発光するものである。
【００５７】
すなわち、この半導体発光素子では、ｐ側オーミック電極５８、ｎ側オーミック電極５９に電流を印加すると、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ ＭＱＷ活性層５４に電流が注入され、活性層５４においてキャリアの再結合によって発光し、光出射端面５００，５０１によって形成される共振器によって、反射増幅が繰り返され、レーザ光５０００，５００１として外部に出力される。
【００５８】
なお、発光素子を構成するＧａＮ系化合物半導体積層構造は、少なくとも一つのｐ−ｎ接合を有し、このｐ−ｎ接合に電流が注入され、キャリアの再結合によって、発光する構造であれば、ホモ接合、シングルヘテロ接合、ダブルヘテロ接合、量子井戸構造、多重量子井戸構造、その他どのような構造であっても差し支えない。
【００５９】
この半導体発光素子においては、図１，図２のＧａＮ系化合物半導体基板上、または、図４，図５のＧａＮ系化合物半導体基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体積層構造からなる、基板主面に垂直なへき開面を光出射端面とする発光素子であり、従来より結晶品質の良い同種の基板上に発光素子部分が形成されていることから、発光素子を構成する積層構造の結晶性は、基板材料とＧａＮ系化合物半導体積層構造の格子不整合による欠陥や熱膨張係数差による熱歪みやクラック等の欠陥、すなわち、発光特性や寿命に悪影響を及ぼす欠陥が低減された高品質なものとなり、そのため、発光特性が良く、寿命の長い発光素子を提供できる。
【００６０】
また、光出射面が基板主面に垂直で、原子オーダーで平滑なへき開面であるので、従来のドライエッチングで形成された光出射端面のような凹凸がないため、光出射端面での散乱ロスがなく、発光特性が良好になる。また、レーザー素子の場合には、上記光出射面は、互いに平行で、平滑な共振ミラー端面となるので、従来のドライエッチングで形成された光出射端面を共振器ミラー端面とするレーザー素子に比べ、しきい電流密度が低く、外部微分効率が高い性能のよいレーザー素子を作製することができる。
【００６１】
さらに、基板にはＧａＮ系化合物半導体単結晶基板を使用しているので、基板をｎ型あるいはｐ型の導電性にすることが可能となり、この場合、基板裏面に電極を形成することができて、従来のダイボンディングによる実装ができる上、電極のスペースの分だけ、チップ面積を低減できる。
【００６２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成した半導体基板において、選択成長のための核発生層をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板を作製するようにしており、ＡｌＮは、ＧａＮ系化合物半導体と結晶構造が同一であり、かつ格子定数もほぼ近いことから、選択成長するＧａＮ系化合物半導体の結晶性は、ＧａＮ系化合物半導体を異種基板に成長した場合に比べ良質なものとなる。従って、基板から分離して作製されたＧａＮ系化合物半導体基板の結晶性を高品質なものにすることができる。
【００６３】
さらに、ＡｌＮ層はアルカリ溶液によるエッチングレートが大きく、ＧａＮ系化合物半導体との選択比が大きいので、アルカリ溶液によってＧａＮ系化合物半導体層を容易に分離することができ、従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。
【００６４】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【００６５】
また、請求項２記載の発明によれば、単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成した半導体基板において、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層をＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板を作製するようにしており、ＧａＮ層の欠陥密度の制御は成長条件を変えるだけで行なうことができるので、異種材料を成長する必要なく反応管の汚染などを防止することができる。すなわち、作製されるＧａＮ系化合物半導体基板を、その純度を落とすことなく作製することができる。また、結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによって、結晶性の良いＧａＮ系化合物半導体層を容易に分離することができ、従って、研磨等の方法で、基板結晶を削り落とす方法に比べ、機械的ダメージが入らない良質なＧａＮ系化合物半導体基板を作製できる。
【００６６】
さらに、このＧａＮ系化合物半導体単結晶基板上に厚いＧａＮ系化合物半導体を成長しても熱膨張係数差による熱歪みにより発生するクラックが発生せず、良質の結晶成長を行なうことができる基板となり、さらには、へき開可能な基板となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体基板の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図１，図２の基板の作製工程例を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体基板の第２の実施形態を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図６】図４，図５の基板の作製工程例を示す図である。
【図７】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す斜視図である。
【図８】従来のＧａＮ系化合物半導体を用いたＬＥＤの断面図である。
【図９】従来の端面発光型レーザーダイオードの斜視図である。
【図１０】選択成長用のマスクパターンを示す図である。
【図１１】図１０のマスクパターンの作製方法を説明するための図である。
【図１２】従来の半導体レーザーの斜視図である。
【符号の説明】
２１，４１ 単結晶基板(サファイア基板)
２２ 核発生層
２３，４２ 選択成長用マスク
２４ ＧａＮ系化合物半導体層(ＧａＮ単結晶層)
４４ 結晶欠陥密度の高いＧａＮ
４５ 結晶欠陥密度の低いＧａＮ
５２ ｎ−ＧａＮ層
５３ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
５４ ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ量子井戸構造活性層
５５ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
５６ ｐ−ＧａＮキャップ層
５８ ｐ側オーミック電極
５９ ｎ側オーミック電極
Claims (2)
- 単結晶基板表面上に、選択成長のための核発生層を積層し、該核発生層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長のための核発生層をＡｌＮ層で構成し、このＡｌＮ層を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることを特徴とする半導体基板の製造方法。
- 単結晶基板表面上に、あるいは、単結晶基板表面に積層された選択成長の核発生層となる結晶層上に、選択成長用マスクを積層し、該選択成長用マスクのマスクパターンを通して、ＧａＮ系化合物半導体層を選択成長して形成し、この際に、選択成長するＧａＮ系化合物半導体層をＧａＮ系化合物半導体層内の他の領域よりも結晶欠陥密度の高い領域が少なくとも１層存在する構造とし、この結晶欠陥密度の高い領域を選択的にエッチング除去することによってＧａＮ系化合物半導体層を分離して半導体基板とすることを特徴とする半導体基板の製造方法。
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