JP4915009B2 - Manufacturing method of semiconductor member - Google Patents
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Description
本発明は、半導体部材の製造方法に関する。 The present invention relates to a process for producing a semiconductor.
現在、III族窒化物半導体デバイスの多くは、サファイア基板又は炭化珪素(SiC)基板等の基板上にIII族窒化物をヘテロエピタキシャル成長させることによって実現されている。しかし、III族窒化物の結晶とサファイア基板又は炭化珪素(SiC)基板等の基板との間には、大きな格子定数差、熱膨張係数差がある。このために、基板界面に非常に高密度の転位(dislocation)が発生し、この転位が貫通転位(threading dislocation)となって半導体表面にまで達する。したがって、例えば、LEDのような発光素子を作製した場合において、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。特に、短波長LEDにおいては、貫通転位が非発光中心として働くため、発光効率向上のためには、この転位の低減が不可欠である。 Currently, many Group III nitride semiconductor devices are realized by heteroepitaxially growing Group III nitride on a substrate such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate. However, there are large lattice constant differences and thermal expansion coefficient differences between the group III nitride crystal and a substrate such as a sapphire substrate or a silicon carbide (SiC) substrate. For this reason, very high density dislocations are generated at the substrate interface, and these dislocations become threading dislocations and reach the semiconductor surface. Therefore, for example, when a light-emitting element such as an LED is manufactured, high-density threading dislocations remain in the active layer, which is an important part of the light-emitting element. In particular, in short wavelength LEDs, threading dislocations act as non-light-emitting centers, so reduction of the dislocations is indispensable for improving luminous efficiency.
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III族窒化物半導体を形成する方法が報告されている。例えば、非特許文献1、特許文献1、特許文献2、特許文献3に開示されている方法では、基板、又は基板上に成長させたIII族窒化物半導体層の上に、窓部を有するストライプ状のマスク層を形成し、気相成長条件を調整することで窓部に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る。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、この空隙で終端される。したがって、III族窒化物半導体の表面には転位が伝播しにくく、低転位密度の表面が得られる。 A method of forming a group III nitride semiconductor with few crystal defects by utilizing lateral growth along the substrate surface has been reported. For example, in the methods disclosed in Non-Patent Document 1, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3, a stripe having a window on a substrate or a group III nitride semiconductor layer grown on the substrate is used. A mask layer is formed, and a facet structure is formed in the window by adjusting the vapor phase growth conditions, and the propagation direction of dislocations is bent in the lateral direction. Next, the growth conditions are changed, and the lateral growth is continued until the adjacent semiconductor layers meet. A void is formed under the meeting portion, and the dislocations propagated in the lateral direction are terminated at this void. Therefore, dislocations hardly propagate to the surface of the group III nitride semiconductor, and a surface with a low dislocation density can be obtained.
基板上にマスクを形成し、マスクの間の窓部にAlを含むIII族窒化物半導体、例えば、AlGaNを選択的に成長させようとしても、非特許文献2に開示されているように、AlGaNは、窓部からは単結晶構造として成長するが、マスク上には多結晶構造として堆積してしまう。この多結晶構造のAlGaNは、窓部から結晶性の良いAlGaNが横方向に成長することを妨げる。また、非特許文献3によると、マスクレスペンデオエピタキシーによる半導体の成長においても、サファイア基板上に半導体の多結晶が堆積し、結晶性の良い半導体の横方向成長が阻害される。III族窒化物半導体において、Al濃度が高くなると、このような問題が顕在化する。 Even if a mask is formed on the substrate and a group III nitride semiconductor containing Al in the window between the masks, for example, AlGaN is selectively grown, as disclosed in Non-Patent Document 2, AlGaN Grows as a single crystal structure from the window, but deposits as a polycrystalline structure on the mask. This AlGaN having a polycrystalline structure prevents AlGaN having good crystallinity from growing laterally from the window. Further, according to Non-Patent Document 3, even in the growth of a semiconductor by maskless pendeo epitaxy, a semiconductor polycrystal is deposited on a sapphire substrate, and the lateral growth of a semiconductor with good crystallinity is hindered. Such a problem becomes apparent when the Al concentration is increased in the group III nitride semiconductor.
特許文献5、特許文献6、特許文献7、非特許文献4には、凹凸基板の凸部の幅を1μmより小さくし、凸部上方から専ら横方向に半導体を成長させることによって表面を平坦化する方法が開示されている。この方法では、凹部への原料供給が抑制されるため、凹部内では殆ど半導体が成長しない。更に、この方法は、マスクレスの方法であるため、Alを含んだ窒化物半導体の成長におけるマスク上への多結晶構造の成長の問題がないしかしながら、この方法では、凸部上にはファセットを形成しないため、凸部上には多数の貫通転位が残存する。たとえ凸部幅を1μmより小さくしても、半導体表面には高密度欠陥部と低密度欠陥部が周期的に存在する。
特許文献4には、表面に凹凸面を有する基板上に半導体を成長させる際に、まず凸部及び凹部にファセットが形成され、その後に凸部から成長する結晶と凹部から成長する結晶とがつながって平坦な表面が得られることが開示されている。 In Patent Document 4, when a semiconductor is grown on a substrate having a concavo-convex surface, first, facets are formed on the convex portions and the concave portions, and then the crystals growing from the convex portions and the crystals growing from the concave portions are connected. A flat surface is disclosed.
しかしながら、特許文献4に記載された方法では、凸部からの結晶の成長と凹部からの結晶の成長とが交錯するために、その会合部分が複雑になるとともに空間的に広範囲に及ぶことになる。したがって、このような会合部分から、半導体基板表面に伝播する新たな転位が多数発生する可能性がある。 However, in the method described in Patent Document 4, the growth of crystals from the convex portions and the growth of crystals from the concave portions are interlaced, so that the meeting portion becomes complicated and the space is wide. . Therefore, there is a possibility that many new dislocations that propagate to the surface of the semiconductor substrate are generated from such an association portion.
本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、例えば、凹凸を有する基板の凸部からの結晶の成長と凹部からの結晶の成長とが交差することを防止して、表面の転位密度が低い半導体部材を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background, for example, by preventing the growth of crystals from the projections of the substrate having irregularities and the growth of crystals from the depressions from intersecting, dislocations on the surface An object is to obtain a semiconductor member having a low density.
本発明の第1の側面は、半導体部材の製造方法に関するものである。前記製造方法は、複数の凹部及び複数の凸部を有する基板を準備する準備工程と、前記複数の凸部のそれぞれの上にIII族窒化物半導体を含む第1半導体をそのa面を上面として成長させ、これにより互いに離隔した複数の前記第1半導体を形成する第1成長工程と、複数の前記第1半導体のそれぞれから少なくとも横方向にIII族窒化物半導体を含む第2半導体を成長させる第2成長工程と、を含み、前記凹部の底面から前記凸部の上面までの距離が前記凹部の幅と等しいかそれより大きく、前記第1成長工程で成長させる複数の前記第1半導体のそれぞれの断面が矩形形状を有し、前記第2成長工程では、複数の前記第1半導体の各々の一方の側面からの成長が他方の側面からの成長よりも支配的になる条件で前記第2半導体を成長させる。 The first aspect of the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor member. The manufacturing method includes a preparation step of preparing a substrate having a plurality of concave portions and a plurality of convex portions, and a first semiconductor including a group III nitride semiconductor on each of the plurality of convex portions with the a-plane as an upper surface. A first growth step of forming a plurality of the first semiconductors separated from each other, and a second semiconductor including a group III nitride semiconductor at least in a lateral direction from each of the plurality of first semiconductors. Each of the plurality of first semiconductors grown in the first growth step, wherein the distance from the bottom surface of the recess to the top surface of the protrusion is equal to or greater than the width of the recess. cross section have a rectangular shape, and in the second growth step, the second semiconductor under conditions growth from one side of each of the plurality of the first semiconductor is dominant than the growth of the other side Grow To.
本発明の好適な実施形態によれば、前記第1成長工程では、前記凹部にも半導体が成長しうる。 According to a preferred embodiment of the present invention, in the first growth step, the semiconductor can be grown in the recess.
本発明の好適な実施形態によれば、前記製造方法は、前記第2半導体の表面に凹部及び凸部を含む凹凸を形成する加工工程と、前記第2半導体の凸部から少なくとも横方向に第3半導体を成長させる第3成長工程とを更に含むことが好ましい。 According to a preferred embodiment of the present invention, the manufacturing method includes a processing step of forming irregularities including concave portions and convex portions on the surface of the second semiconductor, and at least a lateral direction from the convex portions of the second semiconductor. It is preferable to further include a third growth step of growing the three semiconductors.
本発明の好適な実施形態によれば、前記加工工程では、前記基板の凸部の上に前記第2半導体の凹部を形成することが好ましい。 According to a preferred embodiment of the present invention, in the processing step, the concave portion of the second semiconductor is preferably formed on the convex portion of the substrate.
本発明の好適な実施形態によれば、前記第1、第2半導体は、例えば、Alを含むIII族窒化物半導体を含むことが好ましい。 According to a preferred embodiment of the present invention, the first and second semiconductors preferably include, for example, a group III nitride semiconductor containing Al.
本発明の好適な実施形態によれば、前記製造方法は、例えば、発光デバイスを形成する工程を更に含みうる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the manufacturing method may further include, for example, a step of forming a light emitting device.
本発明によれば、例えば、凹凸を有する基板の凸部からの結晶の成長と凹部からの結晶の成長とが交差することが防止され、表面の転位密度が低い半導体部材が得られる。 According to the present invention, for example, the growth of crystals from the convex portions of the substrate having irregularities and the growth of crystals from the concave portions are prevented from intersecting, and a semiconductor member having a low surface dislocation density can be obtained.
本発明は、特許請求の範囲に記載されている範囲においてあらゆる半導体部材及びその製造方法に適用可能であるが、例えば、III族窒化物半導体、特にAl含有窒化物半導体を含む半導体部材及びその製造方法に好適である。 The present invention can be applied to any semiconductor member and manufacturing method thereof within the scope described in the claims. For example, a semiconductor member including a group III nitride semiconductor, particularly an Al-containing nitride semiconductor, and manufacturing thereof. Suitable for the method.
本発明の好適な実施形態によれば、例えば、選択成長のためのマスク(例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、高融点金属膜、金属酸化膜等)を使用することなく、表面の転位密度が低いIII族窒化物半導体を得ることができる。より具体的には、本発明の好適な実施形態によれば、表面に凹凸を有する基板の凸部上にIII族窒化物半導体を成長させ、引き続き、その半導体を横方向成長させることで貫通転位を曲げることによって、III族窒化物半導体基板の表面の転位密度を低減することができる。ここで、凸部からの結晶の成長と凹部からの結晶の成長とが交差することによる転移密度の増加は、凹部を十分に深くすることによって防止することができる。 According to a preferred embodiment of the present invention, for example, the dislocation density on the surface without using a mask for selective growth (for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, a refractory metal film, a metal oxide film, etc.). Can be obtained. More specifically, according to a preferred embodiment of the present invention, a threading dislocation is obtained by growing a group III nitride semiconductor on a convex portion of a substrate having a concavo-convex surface, and subsequently laterally growing the semiconductor. Bending can reduce the dislocation density on the surface of the group III nitride semiconductor substrate. Here, the increase in the transition density due to the intersection of the crystal growth from the convex portion and the crystal growth from the concave portion can be prevented by making the concave portion sufficiently deep.
本明細書において、「A層の上に形成されたB層」または「Aの上に形成されたB層」という表現は、A層または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層または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ものである。また、A層または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層または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。 In this specification, the expression “the B layer formed on the A layer” or “the B layer formed on the A” refers to the B layer such that the bottom surface of the B layer is in contact with the top surface of the A layer or A. And a case where one or more layers are formed on the upper surface of the A layer or A, and a B layer is further formed on that layer. The above expression also applies to the case where the upper surface of the A layer or A and the bottom surface of the B layer are in partial contact and one or more layers exist between the A layer or the A and B layers in other portions. included. Further, “to” means a range including numerical values described before and after that as a minimum value and a maximum value, respectively.
本明細書では、サファイア基板を利用してIII族窒化物半導体を成長させることを本発明の例示的実施形態として説明するが、サファイア基板に代えて、例えば、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基板等の基板を利用することもできる。基板の面方位は、特に限定されず、また、ジャスト基板を利用することもできるし、オフ角が付与された基板を利用することもできる。 In this specification, the growth of a group III nitride semiconductor using a sapphire substrate is described as an exemplary embodiment of the present invention. However, instead of the sapphire substrate, for example, silicon, gallium arsenide, silicon carbide, oxide A substrate such as a zinc or gallium nitride substrate can also be used. The plane orientation of the substrate is not particularly limited, and a just substrate can be used, or a substrate with an off angle can be used.
基板上にIII族窒化物半導体を成長させる際には、基板上にバッファー層を形成した後に、そのバッファー層の上にIII族窒化物半導体を成長させることが好ましい。 When the group III nitride semiconductor is grown on the substrate, it is preferable that after the buffer layer is formed on the substrate, the group III nitride semiconductor is grown on the buffer layer.
バッファー層は、例えば、低温又は高温の成長温度で基板上に成長した微結晶又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。 The buffer layer is, for example, a microcrystalline or amorphous nitride semiconductor grown on the substrate at a low or high growth temperature, and may contain phosphorus or arsenic.
基板は、その上に半導体積層構造が形成された後にその半導体積層構造から剥離されてもよい。剥離は、例えば、レーザーリフトオフを利用してなされうる。或いは、剥離は、酸を含む液体によるエッチングによって行うこともできる。 The substrate may be peeled off from the semiconductor multilayer structure after the semiconductor multilayer structure is formed thereon. The peeling can be performed using, for example, laser lift-off. Or peeling can also be performed by the etching by the liquid containing an acid.
半導体又は半導体層は、単層であってもよいし、組成又はキャリア濃度が異なる多層構造であってもいし、超格子構造であってもよい。組成又はキャリア濃度は、厚さ方向にグラジュアル又は階段状に変化させうる。 The semiconductor or semiconductor layer may be a single layer, a multilayer structure with different composition or carrier concentration, or a superlattice structure. The composition or the carrier concentration can be varied in a stepwise manner in the thickness direction.
半導体又は半導体層は、不純物を添加することによりn型又は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、亜鉛、カルシウム等が挙げることができ、n型不純物としては、例えば、シリコン、硫黄、セレン、テルル、ゲルマニウム等を挙げることができる。 The semiconductor or the semiconductor layer can be n-type or p-type by adding an impurity. Examples of the p-type impurity include magnesium, zinc, and calcium, and examples of the n-type impurity include silicon, sulfur, selenium, tellurium, and germanium.
発光デバイスを作製する場合には、以下で説明する半導体部材の上に、発光デバイスを構成する積層構造を更に成長させてもよいし、以下で説明する半導体部材の全部又は一部を発光デバイスの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型クラッド層として利用してもよい。 In the case of manufacturing a light emitting device, a laminated structure constituting the light emitting device may be further grown on the semiconductor member described below, or all or a part of the semiconductor member described below may be formed on the light emitting device. It may be used as an n-type contact layer, an n-type cladding layer, a p-type contact layer, or a p-type cladding layer.
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の第1実施形態における半導体部材(半導体積層構造)の製造方法を模式的に示す図である。まず、図1(a)に模式的に示すように、表面に凹凸を有する基板の準備工程、及び、第1エピタキシャル成長工程を実施する。 FIG. 1 is a view schematically showing a method for manufacturing a semiconductor member (semiconductor laminated structure) in the first embodiment of the present invention. First, as schematically shown in FIG. 1A, a substrate preparation step having a concavo-convex surface and a first epitaxial growth step are performed.
基板の準備工程では、表面に凹凸を有する基板30を準備する。凹凸は、複数の凹部30r及び複数の凸部30pを含み、例えば、凹部30r又は凸部30pが、離散した島、ストライプ、又は、格子等の形状を有するように形成されうる。
In the substrate preparation step, a
具体的な例を挙げると、基板30として、例えば、C面サファイア基板を採用し、その表面をストライプ状に凹凸加工することができる。凹部30rの幅aは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが更に好ましい。凸部30pの幅bは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが更に好ましい。ストライプの方向は、基板30上に成長させるIII族窒化物半導体の<11−20>方向又は<1−100>方向と平行であることが好ましい。
As a specific example, for example, a C-plane sapphire substrate can be adopted as the
このような基板30は、例えば、平坦な材料基板の上に、MBE法又は気相成長法により、III族窒化物半導体層を成長させてテンプレート基板を作製した後に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、そのテンプレート基板の表面から材料基板の表面まで又は材料基板の表面よりも深い位置までエッチングを実施することで得ることができる。ここで、材料基板上にIII族窒化物半導体層を成長させる前にバッファー層を形成してもよい。
Such a
他の具体的な例を挙げると、無極性平坦面を得るために、基板30として、例えば、r面サファイア基板を採用することができる。ここでは、ファセット成長を容易にしつつ、それに続いて行われる横方向成長をC面サファイア基板を採用した場合と同程度に均一に進行させるための条件を例示する。凹部30rの幅aは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。凸部30pの幅bは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。また、ストライプの方向は、基板30上に成長させるIII族窒化物半導体の<0001>方向と平行であることが好ましい。
As another specific example, in order to obtain a nonpolar flat surface, for example, an r-plane sapphire substrate can be employed as the
次に、必要に応じて基板30を前処理した後に、基板30をMOCVDやHVPE等の気相成長装置のチャンバー内に入れる。ここで、前処理とは、例えば、酸、アルカリ、又は、有機溶剤による処理を含みうる。
Next, after pre-processing the
基板30を気相成長装置のチャンバー内に入れた後に、チャンバー内に水素及び窒素の混合ガスを供給し、温度を1100〜1200℃にする。その後、温度を下げて、トリメチルガリウムとアンモニアをチャンバー内に供給し、基板30の表面に窒化ガリウムバッファー層(図示せず)を成長させる。
After the
次に、第1エピタキシャル成長工程を実施する。具体的には、温度を上げて、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム及びアンモニアをチャンバー内に供給して、基板30の凸部30pからAl含有III族窒化物半導体からなる第1半導体層31を主に横方向成長させる。ここで、成長温度は、1000〜1300℃であることが好ましい。ここで、基板30の凸部30pからAl含有III族窒化物半導体からなる第1半導体層31を主に横方向成長させる際には、基板30の凹部30rからは半導体層がほとんど成長しない。
Next, a first epitaxial growth step is performed. Specifically, the temperature is raised, trimethylgallium, trimethylaluminum, and ammonia are supplied into the chamber, and the
基板30の凹部の底面から第1半導体層31の上面までの距離(溝深さ)fが十分でないと、後続の工程で第1半導体層31から第2半導体層32をファセット成長させた後に、そのファセットから第3半導体層33を成長させて隣接する第3半導体層33同士を会合させる際に、基板30の凹部30rから成長した半導体層がその会合を阻害する。そこで、第1半導体層31は、隣接する第1半導体層31の間隙eと溝深さfとがe≦fを満たすように形成されることが好ましく、1.2e≦fを満たすように形成されることが更に好ましい。凸部30pから半導体層が主に横方向成長する条件(この条件では、凹部30rからは殆ど半導体層が成長しない)で第1半導体層31を形成することによって、半導体基板30に深い凹部(a≦f)を形成した場合と同様に、隣接する半導体層の会合が凹部から成長する半導体層によって妨げられることがない。
If the distance (groove depth) f from the bottom surface of the concave portion of the
第1エピタキシャル成長工程では第1半導体層31は主に横方向に成長させるので、この成長によって、隣接する第1半導体層31の間隙eは、a>eの関係を満たすようになる。
In the first epitaxial growth step, the
半導体層31の成長は、隣接する半導体層31同士が会合する前に停止させる。換言すると、半導体層31の成長は、隣接する半導体層31の間に間隙が存在する状態で停止させる。凹部30r上における会合は、第1半導体層31から第2半導体層32をファセット成長させた後にそのファセットから成長させる第3半導体層33によって行う。
The growth of the
隣接する凸部30pから成長する第1半導体層31の間隙と凹部30rとによって、断面において凸形の溝が形成される。
A convex groove in the cross section is formed by the gap between the
次に、図1(b)に模式的に示すように、第2エピタキシャル成長工程を実施する。第2エピタキシャル成長工程では、成長温度及び成長圧力等の成長条件を変更して、第1半導体層31上にAl含有III族窒化物半導体からなる第2半導体層32をファセット成長させてファセットを形成する。第2エピタキシャル成長工程における成長温度は、例えば、900〜1200℃であることが好ましい。この際に、第1半導体層31が存在することによって基板30の凹部30rへの原料の供給が制限され、凹部30rからのファセットの成長が抑制される。つまり、隣接する第1半導体層32の間隙eが小さいことは、凹部30rからのファセット或いは半導体層の成長の抑制に寄与する。一方で、間隙eが小さすぎると、隣接する第1半導体層31から成長する第2半導体層32(ファセット)が会合してしまうので、間隙eは、隣接する第2半導体層32が会合しないように決定されるべきである。
Next, as schematically shown in FIG. 1B, a second epitaxial growth step is performed. In the second epitaxial growth step, the growth conditions such as the growth temperature and the growth pressure are changed, and the
次に、図1(c)に模式的に示すように、第3エピタキシャル成長工程を実施する。第3エピタキシャル成長工程では、成長温度及び成長圧力等の成長条件を更に変更して、ファセットをなす第2半導体層32を核としてAl含有III族窒化物半導体からなる第3半導体層33を横方向成長させる。第3エピタキシャル成長工程における成長温度は、例えば、1000〜1300℃であることが好ましい。横方向成長を続けた第3半導体層33は、やがて隣接する半導体層33と会合する。
Next, as schematically shown in FIG. 1C, a third epitaxial growth step is performed. In the third epitaxial growth step, the growth conditions such as the growth temperature and the growth pressure are further changed, and the
第3半導体層33の成長を更に続けると、横方向だけではなく縦方向にも成長し、第3半導体層33の表面が平坦化する。基板30と第1半導体層31との界面付近から繋がった転位は、ファセットをなす第2半導体層32により横方向に曲げられ、半導体層33の横方向成長に伴って基板面に平行な方向に進行する。したがって、表面の転位密度が低いAl含有III族窒化物半導体部材が得られる。
If the growth of the
このようにして得られるAl含有III族窒化物半導体部材において、隣接する凸部30pから成長する第1半導体層31の間隙と凹部30rとによって構成される空間の断面は、凸形を有する。
In the Al-containing group III nitride semiconductor member thus obtained, the cross section of the space formed by the gap between the
第1、第2、第3エピタキシャル成長工程は、基板を気相成長装置のチャンバー内に入れてから出すまでにおいて、成長条件を変更して連続的に実施されてもよいし、異なる成長装置を使って実施されてもよい。 The first, second, and third epitaxial growth processes may be performed continuously by changing the growth conditions from when the substrate is put into the chamber of the vapor phase growth apparatus to when it is taken out, or using different growth apparatuses. May be implemented.
半導体層31、32、33は、上記のように、例えば、Al含有III族窒化物半導体とすることができる。半導体層31、32、33の組成(例えば、Al濃度)は同一であってもよいし、互いに異なってもよい。 As described above, the semiconductor layers 31, 32, and 33 can be, for example, Al-containing group III nitride semiconductors. The composition (for example, Al concentration) of the semiconductor layers 31, 32, and 33 may be the same or different from each other.
第1エピタキシャル成長工程を実施することによって、凹部からの結晶の成長による凸部からの結晶の成長の阻害を防止するように機能する深い凸形の溝を形成することができる。このような凸形の溝は、その入口が狭いので、溝内に半導体が成長することを効果的に抑制することができる。 By performing the first epitaxial growth step, it is possible to form deep convex grooves that function to prevent inhibition of crystal growth from the convex portion due to crystal growth from the concave portion. Since such a convex groove has a narrow entrance, it is possible to effectively suppress the growth of a semiconductor in the groove.
また、第1エピタキシャル成長工程を実施することによって、その実施前よりも、溝のアスペクト比(溝の深さ(f)/溝の入口の幅(e))を大きくするができる。基板の加工によって急峻な断面形状で十分に深い溝を形成しようとすると、高価なICP(誘導結合プラズマ)型のRIE(反応性イオンエッチング)装置を必要とするが、第1エピタキシャル成長工程を実施する場合には、安価なRIE装置で比較的浅い溝を形成すれば十分である。 Further, by performing the first epitaxial growth step, the groove aspect ratio (groove depth (f) / groove inlet width (e)) can be made larger than before. In order to form a sufficiently deep groove with a steep cross-sectional shape by processing a substrate, an expensive ICP (inductively coupled plasma) type RIE (reactive ion etching) apparatus is required, but the first epitaxial growth step is performed. In some cases, it is sufficient to form a relatively shallow groove with an inexpensive RIE apparatus.
図2は、本発明の第2実施形態における半導体部材(半導体積層構造)の製造方法を模式的に示す図である。まず、図2(a)に模式的に示すように、表面に凹凸を有する基板の準備工程、及び、第1エピタキシャル成長工程を実施する。 FIG. 2 is a diagram schematically showing a method for manufacturing a semiconductor member (semiconductor laminated structure) in the second embodiment of the present invention. First, as schematically shown in FIG. 2A, a substrate preparation step having a concavo-convex surface and a first epitaxial growth step are performed.
基板の準備工程では、表面に凹凸を有する基板10を準備する。凹凸は、複数の凹部10r及び複数の凸部10pを含み、例えば、凹部10r又は凸部10pが、離散した島、ストライプ、又は、格子等の形状を有するように形成されうる。
In the substrate preparation step, a
具体的な例を挙げると、基板10として、例えば、C面サファイア基板を採用し、その表面をストライプ状に凹凸加工することができる。凹部10rの幅aは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが更に好ましい。凸部10pの幅bは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが更に好ましい。ストライプの方向は、基板10上に成長させるAl含有III族窒化物半導体の<11−20>方向又は<1−100>方向と平行であることが好ましい。
As a specific example, for example, a C-plane sapphire substrate can be adopted as the
このような基板10は、例えば、平坦な材料基板の上に、MBE法又は気相成長法により、III族窒化物半導体層を成長させてテンプレート基板を作製した後に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、そのテンプレート基板の表面から材料基板の表面まで又は材料基板の表面をよりも深い位置までエッチングを実施することで得ることができる。ここで、材料基板上にIII族窒化物半導体層を成長させる前にバッファー層を形成してもよい。
For example, such a
他の具体的な例を挙げると、無極性平坦面を得るために、基板30として、例えば、r面サファイア基板を採用することができる。ここでは、ファセット成長を容易にしつつ、それに引き続いて行われる横方向成長をC面サファイア基板を採用した場合と同程度に均一に進行させるための条件を例示する。凹部10rの幅aは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。凸部10pの幅bは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。また、ストライプの方向は、基板10上に成長させるIII族窒化物半導体の<0001>方向と平行であることが好ましい。
As another specific example, in order to obtain a nonpolar flat surface, for example, an r-plane sapphire substrate can be employed as the
凹部10rの深さ(凹部10rの底面から凸部10pの上面までの距離)gは、凹部10rから成長する半導体層が凸部10pから成長する半導体層に影響を与えないように十分に深いことが好ましく、例えば、a≦gを満たすことが好ましく、1.2a≦gを満たすことが更に好ましい。
The depth of the
次に、必要に応じて基板10を前処理した後に、基板10をMOCVDやHVPE等の気相成長装置のチャンバー内に入れる。ここで、前処理とは、例えば、酸、アルカリ、又は、有機溶剤による処理を含みうる。
Next, after pre-processing the
基板10を気相成長装置のチャンバー内に入れた後に、チャンバー内に水素及び窒素の混合ガスを供給し、温度を1100〜1200℃にする。その後、温度を下げて、トリメチルガリウムとアンモニアをチャンバー内に供給し、基板10の表面に窒化ガリウムバッファー層(図示せず)を成長させる。
After the
次に、第1エピタキシャル成長工程を実施する。第1エピタキシャル成長工程では、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアをチャンバー内に供給して、基板10の凸部10p上にAl含有III族窒化物半導体からなる第1半導体層11をファセット成長させてファセットを形成する。この際に、基板10の凹部10rには、III族窒化物半導体からなる半導体層12がファセット成長してファセットが形成される。第1エピタキシャル成長工程における成長温度は、例えば、900〜1200℃であることが好ましい。
Next, a first epitaxial growth step is performed. In the first epitaxial growth step, trimethylgallium, trimethylaluminum, and ammonia are supplied into the chamber, and the
次に、図2(b)に模式的に示すように、第2エピタキシャル成長工程を実施する。第2エピタキシャル成長工程では、成長温度及び成長圧力等の成長条件を変更して、ファセットをなす第1半導体層11を核としてAl含有III族窒化物半導体からなる第2半導体層13を横方向成長させる。第2エピタキシャル成長工程における成長温度は、例えば、1000〜1300℃であることが好ましい。第2半導体層13の成長の際に凹部10rの半導体層12からも半導体層14が横方向成長するが、半導体層14の成長は、第1半導体層11からの半導体層13の横方向成長を邪魔しない。横方向成長を続けた半導体層13は、やがて隣接する半導体層13と会合して、平坦部を形成する。
Next, as schematically shown in FIG. 2B, a second epitaxial growth step is performed. In the second epitaxial growth step, the growth conditions such as the growth temperature and the growth pressure are changed, and the
基板10と第1半導体層11との界面付近から繋がった転位は、ファセット11により横方向に曲げられ、第2半導体層13の横方向成長に伴って基板面に平行な方向に進行する。したがって、表面の転位密度が低いAl含有III族窒化物半導体部材が得られる。
Dislocations connected from the vicinity of the interface between the
第1、第2エピタキシャル成長工程は、基板を気相成長装置に入れてから出すまでにおいて、成長条件を変更して連続的に実施されてもよいし、異なる成長装置を使って実施されてもよい。 The first and second epitaxial growth processes may be performed continuously while changing the growth conditions from when the substrate is put into the vapor phase growth apparatus to when it is taken out, or may be carried out using different growth apparatuses. .
半導体層11(12)及び半導体層13(14)は、上記のように、例えば、Al含有III族窒化物半導体とすることができる。半導体層11(12)及び半導体層13(14)の組成(例えば、Al濃度)は、同一であってもよいし、互いに異なってもよい。 As described above, the semiconductor layer 11 (12) and the semiconductor layer 13 (14) may be, for example, an Al-containing group III nitride semiconductor. The composition (for example, Al concentration) of the semiconductor layer 11 (12) and the semiconductor layer 13 (14) may be the same or different from each other.
図3は、本発明の第3実施形態における半導体部材(半導体積層構造)の製造方法を模式的に示す図である。この実施形態は、平坦で転位密度の小さい非極性面のIII族窒化物半導体部材を得るために好適である。 FIG. 3 is a view schematically showing a method for manufacturing a semiconductor member (semiconductor laminated structure) in the third embodiment of the present invention. This embodiment is suitable for obtaining a non-polar group III-nitride semiconductor member that is flat and has a low dislocation density.
まず、III族窒化物半導体に特有の極性と分極について説明する。C面サファイア基板上にIII族窒化物半導体を成長させると、III族窒化物半導体は、C面を平坦面として維持しながらエピタキシャル成長する。このようなIII族窒化物半導体の上に発光デバイス等を形成する場合を考えると、C軸方向にGa(Al)面とN面が存在することによる自発分極が発生する。更に、活性層に(Al)InGaN量子井戸層を用いる場合は、圧縮歪のため圧電分極が重畳する。これらは量子閉じ込めシュタルク効果に大きく影響し、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。 First, the polarity and polarization peculiar to the group III nitride semiconductor will be described. When a group III nitride semiconductor is grown on a C-plane sapphire substrate, the group III nitride semiconductor grows epitaxially while maintaining the C-plane as a flat surface. Considering the case where a light emitting device or the like is formed on such a group III nitride semiconductor, spontaneous polarization occurs due to the presence of a Ga (Al) plane and an N plane in the C-axis direction. Furthermore, when an (Al) InGaN quantum well layer is used for the active layer, piezoelectric polarization is superimposed due to compressive strain. These greatly affect the quantum confined Stark effect, causing a shift in emission wavelength and a decrease in emission efficiency due to the injection current density.
この対策として、分極電場効果を受けないIII族窒化物半導体の非極性面であるa面又はm面を成長させることが検討されている。しかし、a面又はm面を成長させると、C面に垂直な面が成長することから、転位だけでなく積層欠陥が高密度で発生し、その上に発光デバイスを形成しても高い発光効率は得られない。 As a countermeasure against this, growing a-plane or m-plane, which is a nonpolar plane of a group III nitride semiconductor that does not receive a polarization electric field effect, has been studied. However, when the a-plane or m-plane is grown, a plane perpendicular to the C-plane grows, so that not only dislocations but also stacking faults occur at a high density, and even if a light-emitting device is formed thereon, high luminous efficiency Cannot be obtained.
そこで、a面又はm面のGaNテンプレート基板上に、開口部を有するマスク層を形成し、GaNを選択成長させ、C軸方向にGaNを横方向成長させることで、転位密度が低減された平坦なGaN表面を得る方法が提案されている。ただし、この場合には、シード部の一方の面がGa(Al)面となり、他方がN面となることから、Ga(Al)面の横方向成長速度が支配的となり、横方向成長同士の会合部分はマスク層中央上ではなく、シード部N面側面付近に存在する。 Therefore, a mask layer having an opening is formed on an a-plane or m-plane GaN template substrate, GaN is selectively grown, and GaN is laterally grown in the C-axis direction, thereby reducing dislocation density. A method for obtaining a GaN surface has been proposed. However, in this case, since one surface of the seed part is a Ga (Al) surface and the other is an N surface, the lateral growth rate of the Ga (Al) surface becomes dominant, and The meeting part exists not on the center of the mask layer but near the side surface of the seed part N surface.
非特許文献5によると、GaNテンプレート基板上に開口部を有するマスク層を設け、開口部からGaNシード層を成長させ、更にシード層上部もマスク層で覆い、それを核として横方向にC面成長させて、平坦なa面GaNを得ることができる。非特許文献6は、MBEで形成したm面GaNテンプレート基板上にストライプマスクを形成し、HVPEによる開口部からC軸に沿った横方向成長を報告している。しかしながら、Al含有III族窒化物半導体では、マスク層上に多結晶が堆積するため、これらは適用できない。 According to Non-Patent Document 5, a mask layer having an opening is provided on a GaN template substrate, a GaN seed layer is grown from the opening, and the upper part of the seed layer is also covered with a mask layer. By growing, a flat a-plane GaN can be obtained. Non-Patent Document 6 reports that a stripe mask is formed on an m-plane GaN template substrate formed by MBE, and lateral growth along the C-axis from an opening portion by HVPE. However, in an Al-containing group III nitride semiconductor, since polycrystals are deposited on the mask layer, these cannot be applied.
これに対して、表面に凹凸を有する基板の上にIII族窒化物半導体を成長させる方法では、マスクが不要であるため、Alを含んだIII族窒化物半導体の成長に有利である。 In contrast, the method of growing a group III nitride semiconductor on a substrate having an uneven surface does not require a mask, which is advantageous for growing a group III nitride semiconductor containing Al.
以下、図3を参照しながら本発明の第3の実施形態を説明する。まず、図3(a)に模式的に示すように、表面に凹凸を有する基板の準備工程、及び第1エピタキシャル成長工程を実施する。 Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. First, as schematically shown in FIG. 3A, a step of preparing a substrate having irregularities on the surface and a first epitaxial growth step are performed.
基板の準備工程では、表面に凹凸を有する基板20を準備する。凹凸は、複数の凹部20r及び複数の凸部20pを含み、例えば、凹部20r又は凸部20pが、離散した島、ストライプ、又は、格子等の形状を有するように形成されうる。具体的な例を挙げると、基板20として、例えば、r面サファイア基板を採用することができる。基板20の凹部20rの幅aは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。基板20の凸部20pの幅bは、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。また、ストライプの方向は、基板20上に成長させるIII族窒化物半導体の<11−00>方向と平行であることが好ましい。この場合、基板上に成長するIII族窒化物半導体の表面はa面である。
In the substrate preparation step, a
非極性面のIII族窒化物半導体の平坦面を得る方法として、γ−LiAlO2等のスピネル(100)基板上に、m面III族窒化物半導体を成長させることも可能である。この場合、上記同様、凹部20rの幅は0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが更に好ましい。凸部20pの幅は、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。ただし、ストライプの方向は、基板上に成長させるIII族窒化物半導体の<112−0>方向と平行であることが好ましい。
As a method for obtaining a flat surface of a nonpolar group III nitride semiconductor, an m-plane group III nitride semiconductor can also be grown on a spinel (100) substrate such as γ-LiAlO 2 . In this case, as described above, the width of the
凹部20rの深さ(凹部20rの底面から凸部20pの上面までの距離)gは、凹部20rから成長する半導体層が凸部20pから成長する半導体層に影響を与えないように十分に深いことが好ましく、例えば、a≦gを満たすことが好ましく、1.2a≦gを満たすことが更に好ましい。
The depth of the
次に、必要に応じて基板20を前処理した後に、基板20をMOCVDやHVPE等の気相成長装置のチャンバー内に入れる。ここで、前処理とは、例えば、酸、アルカリ、又は、有機溶剤による処理を含みうる。
Next, after pre-processing the
基板20を気相成長装置のチャンバー内に入れた後に、チャンバー内に水素及び窒素の混合ガスを供給し、温度を1100〜1200℃にする。その後、温度を下げて、トリメチルガリウムとアンモニアをチャンバー内に供給し、基板10の表面に窒化ガリウムバッファー層(図示せず)を成長させる。
After the
次に、第1エピタキシャル成長工程を実施する。第1エピタキシャル成長工程では、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアをチャンバー内に供給して、基板20の凸部20p上にAl含有III族窒化物半導体からなる第1半導体層21を成長させる。この際に、基板20の凹部20rには、III族窒化物半導体からなる半導体層22が成長する。第1エピタキシャル成長工程における成長温度は、例えば、1000〜1300℃であることが好ましい。この実施形態の条件では、ファセットは形成されず、半導体層21、22の断面は、ほぼ矩形となる。
Next, a first epitaxial growth step is performed. In the first epitaxial growth step, trimethylgallium, trimethylaluminum, and ammonia are supplied into the chamber, and the
同様の断面構造は、他の方法によっても得られうる。例えば、表面加工がされていない平坦なr面サファイア基板、又はγ−LiAlO2等のスピネル(100)基板を材料基板として、その材料基板の上に、気相成長法又はMBE等の成長法で、バッファー層を介して又はバッファー層を介さずに、III族窒化物半導体層を成長させ、a面又はm面の非極性面III族窒化物半導体テンプレート基板を作製する。このようなテンプレート基板は、気相成長法よりもMBEで作製することが好ましい。次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより、そのテンプレート基板の表面から材料基板の表面まで又は材料基板の表面よりも深い位置までエッチングを実施する。このような方法によって、図3(a)に模式的に示す構造と共通の特徴を有する構造を得ることができる。ただし、この方法では、半導体層22に相当する半導体層が形成されないが、半導体層22は、本来は不要な半導体層である。
Similar cross-sectional structures can be obtained by other methods. For example, a flat r-plane sapphire substrate that is not surface-treated or a spinel (100) substrate such as γ-LiAlO 2 is used as a material substrate, and a vapor deposition method or a growth method such as MBE is performed on the material substrate. Then, the group III nitride semiconductor layer is grown through the buffer layer or without the buffer layer to produce an a-plane or m-plane non-polar group III nitride semiconductor template substrate. Such a template substrate is preferably produced by MBE rather than vapor phase epitaxy. Next, etching is performed from the surface of the template substrate to the surface of the material substrate or a position deeper than the surface of the material substrate by photolithography and dry etching. By such a method, a structure having features common to the structure schematically shown in FIG. 3A can be obtained. However, in this method, a semiconductor layer corresponding to the
次に、図3(b)に模式的に示すように、第2エピタキシャル成長工程を実施する。第2エピタキシャル成長工程では、成長温度及び成長圧力等の成長条件を変更して、第1半導体層21を核としてAl含有III族窒化物半導体からなる第2半導体層23を横方向成長させる。第2エピタキシャル成長工程における成長温度は、例えば、1000〜1300℃であることが好ましい。第2半導体層23の際に凹部20rの半導体層22からも半導体層が若干成長するが、a≦gの関係を満たす場合には、半導体層22から成長する半導体層は、半導体層23の成長を邪魔するには至らない。横方向成長を続けた半導体層23は、やがて隣接する半導体層23と会合し、平坦部を形成する。
Next, as schematically shown in FIG. 3B, a second epitaxial growth step is performed. In the second epitaxial growth step, the growth conditions such as the growth temperature and the growth pressure are changed, and the
半導体層23の横方向の成長速度は、リッジ側面の一方がGa(Al)面となり、他方がN面となることから、Ga(Al)面の横方向の成長速度が支配的となり、横方向に成長する先端部同士の会合部分は基板溝中央上ではなく、リッジN面側面付近に存在する。
The lateral growth rate of the
基板20と半導体層21との界面から発生した転位は、半導体層21上には貫通転位となり半導体表面に残存する。一方、半導体層21を核として横方向成長する半導体層23では、その成長に伴って転位が基板面に平行な方向に進行することから、半導体層23の表面の転位密度が低減される。しかしながら、こうして得られた半導体積層構造の表面には、高密度転位部と低密度転位部が周期的に繰り返される。
Dislocations generated from the interface between the
第1、第2エピタキシャル成長工程は、基板を気相成長装置に入れてから出すまでにおいて、成長条件を変更して連続的に実施されてもよいし、異なる成長装置を使って実施されてもよい。 The first and second epitaxial growth processes may be performed continuously while changing the growth conditions from when the substrate is put into the vapor phase growth apparatus to when it is taken out, or may be carried out using different growth apparatuses. .
半導体層21(22)と半導体層23(24)の組成(例えば、Al濃度)は、同一であってもよいし、互いに異なってもよい。 The composition (for example, Al concentration) of the semiconductor layer 21 (22) and the semiconductor layer 23 (24) may be the same or different from each other.
更に表面の転移密度が低い半導体部材を得るためには、図3(c)、図3(d)に模式的に示す工程を、少なくとも1回、追加的に実施してもよい。 Furthermore, in order to obtain a semiconductor member having a low surface transition density, the steps schematically shown in FIGS. 3C and 3D may be additionally performed at least once.
まず、図3(b)に模式的に示す半導体部材を気相成長装置から取り出して、フォトリソグラフィーとドライエッチング技術により、半導体部材の表面(第2半導体層23)に凹凸を形成する。例えば、第2半導体層23の凹部23rの幅a’は、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。第2半導体層23の凸部23pの幅b’は、0.2μm〜40μmであることが好ましく、1μm〜10μmであることが好ましい。また、a面III族窒化物半導体の場合は、ストライプの方向は、基板上に成長されるIII族窒化物半導体の<11−00>方向と平行となるように形成することが好ましい。m面III族窒化物半導体の場合は、ストライプの方向は、<112−0>方向と平行となるように形成することが好ましい。
First, the semiconductor member schematically shown in FIG. 3B is taken out from the vapor phase growth apparatus, and irregularities are formed on the surface of the semiconductor member (second semiconductor layer 23) by photolithography and dry etching techniques. For example, the width a ′ of the
更に、図3(c)に模式的に示すように、第2半導体層23の凹部23rは、基板20の凸部20pの直上に配置されることが好ましい。ここで、基板20の凸部20pの直上部分は、第1半導体層21の高転位密度部である。第2半導体層23の凹部23rは、半導体層21の凸部21pの領域を覆うように配置されることが好ましい。ただし、凹部23rの幅が広すぎると、後に形成される半導体層24が隣接する半導体層24と会合するまで時間がかかり、その間に半導体層23の凹部23rから成長した半導体層が半導体層24の横方向成長の邪魔をする可能性がある。したがって、凹部23rの深さg’は、半導体層23の厚さ以下であれば深い方が好ましく、a’≦g’を満たすことが好ましい。
Furthermore, as schematically shown in FIG. 3C, the
次に、図3(c)に模式的に示す半導体部材を必要に応じて前処理した後に、図3(d)に模式的に示すように、第3エピタキシャル成長工程を実施する。ここで、前処理とは、例えば、酸、アルカリ、又は、有機溶剤による処理を含みうる。第3エピタキシャル成長工程では、半導体部材を気相成長装置にチャンバー内に入れて、リッジ形状の第2半導体層23を核としてAl含有III族窒化物半導体からなる第3半導体層24を横方向成長させる。
Next, after pre-treating the semiconductor member schematically shown in FIG. 3C as necessary, a third epitaxial growth step is performed as schematically shown in FIG. Here, the pretreatment can include, for example, treatment with an acid, an alkali, or an organic solvent. In the third epitaxial growth step, the semiconductor member is placed in a chamber in a vapor phase growth apparatus, and the
この時、第2半導体層23から横方向成長したIII族窒化物半導体からなる第3半導体層24は、隣接する半導体層23から横方向成長させた半導体層24と会合して平坦部を形成する。第3はエピタキシャル成長工程における成長温度は、例えば、1000〜1300℃であることが好ましい。
At this time, the
半導体層21に存在する貫通転位は、半導体層21上に配置された凹部23内に形成される空隙により上方向への伝播を止められる。更に、リッジ形状の半導体層23から横方向成長した半導体層24によって転位が基板面に平行な方向に進行することから、半導体層24の表面の転位密度が低減される。
The threading dislocations present in the
第1、第2、第3エピタキシャル成長工程は、温度及び圧力等の成長条件を適宜に選択して実施されうる。半導体層21(22)、23、24の組成(例えば、Al濃度)は同じであってもよいし、互いに異なってもよい。 The first, second, and third epitaxial growth steps can be performed by appropriately selecting growth conditions such as temperature and pressure. The composition (for example, Al concentration) of the semiconductor layers 21 (22), 23, and 24 may be the same or different from each other.
図3(c)及び図3(d)に模式的に示す追加的工程を更に繰り返すことで、限りなく半導体積層構造の表面の転位密度を削減しうる。このような方法は、第1及び第2実施形態にも適用されうる。 By further repeating the additional steps schematically shown in FIGS. 3C and 3D, the dislocation density on the surface of the semiconductor multilayer structure can be reduced as much as possible. Such a method can also be applied to the first and second embodiments.
以下、上記の第1〜第3実施形態に代表される半導体部材を使用してデバイスを製造する方法について例示的に説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a device using the semiconductor member typified by the first to third embodiments will be exemplarily described.
例示的な実施形態である第1〜第3実施形態に代表される製造方法にしたがってAl含有III族窒化物半導体が形成された基板を利用してLEDやLDのような半導体デバイスを形成する際には、その基板を気相成長装置から取り出して保管する場合がある。Al含有III族窒化物半導体の表面が露出した状態で基板を保管すると、たとえ保管庫又は保管容器内が真空、或いは窒素等の不活性ガス雰囲気であっても、Al含有III族窒化物半導体の表面が酸化しうる。表面が低転位密度を有する基板を得ても、その上にデバイスを形成するにあたり、その基板の表面の酸化が原因で新たに転位が発生しては意味がない。 When forming a semiconductor device such as an LED or LD using a substrate on which an Al-containing group III nitride semiconductor is formed according to the manufacturing method represented by the first to third embodiments, which are exemplary embodiments In some cases, the substrate is removed from the vapor phase growth apparatus and stored. When the substrate is stored with the surface of the Al-containing group III nitride semiconductor exposed, even if the storage or the storage container is in an inert gas atmosphere such as a vacuum or nitrogen, the Al-containing group III nitride semiconductor The surface can be oxidized. Even when a substrate having a low dislocation density on the surface is obtained, it is meaningless to newly generate dislocations due to oxidation of the surface of the substrate in forming a device on the substrate.
そこで、基板表面の酸化を抑制するために、表面がAl含有III族窒化物半導体である場合には、そのAl含有III族窒化物半導体よりも低いAl濃度のIII族窒化物半導体、又はAlを含まないIII族窒化物半導体のキャップ層を基板表面に成長させることが好ましい。これにより、半導体基板の作製後に真空チャンバー、窒素パッキング、窒素ボックス内、又は、大気暴露において該半導体基板を保管しても、その表面の自然酸化を抑制することができる。 Therefore, in order to suppress oxidation of the substrate surface, when the surface is an Al-containing group III nitride semiconductor, a group III nitride semiconductor having an Al concentration lower than that of the Al-containing group III nitride semiconductor, or Al is used. It is preferable to grow a group III nitride semiconductor cap layer not included on the substrate surface. Thereby, even if the semiconductor substrate is stored in a vacuum chamber, a nitrogen packing, a nitrogen box, or exposed to the atmosphere after the semiconductor substrate is manufactured, natural oxidation of the surface can be suppressed.
しかしながら、Al含有III族窒化物半導体を表面に有する基板を取り扱う際に、その表面及び表面付近の浅い部分の酸化を完全に防ぐことは不可能である。そこで、基板上にデバイスを作製するための再成長前には、酸化膜除去のためのプロセスを実施することが好ましい。 However, when handling a substrate having an Al-containing group III nitride semiconductor on the surface, it is impossible to completely prevent oxidation of the surface and a shallow portion near the surface. Therefore, it is preferable to perform a process for removing the oxide film before regrowth for producing a device on the substrate.
表面の酸化膜は、キャップ層の表面から所定深さまでの部分、又は、キャップ層の全部、又は、キャップ層及びその下の層の所定深さまでの部分を除去する酸化膜除去プロセスによって除去され得る。この酸化膜除去プロセスは、基板を気相成長装置に投入する前に、水素、窒素、アンモニア、塩素ガス、塩酸ガス、ハロゲンガス若しくはハロゲン化水素ガス、又はこれらの全部又は一部の混合ガス雰囲気中で熱的又は化学的にドライエッチングを実施する工程、又は、酸若しくはアルカリによってウェットエッチングを実施する工程を含みうる。 The oxide film on the surface can be removed by an oxide film removing process that removes a part from the surface of the cap layer to a predetermined depth, or the entire cap layer or a part to a predetermined depth of the cap layer and the layer below it. . This oxide film removal process is performed in an atmosphere of hydrogen, nitrogen, ammonia, chlorine gas, hydrochloric acid gas, halogen gas or hydrogen halide gas, or a mixed gas atmosphere of all or a part of these before putting the substrate into the vapor phase growth apparatus. It may include a step of performing dry etching thermally or chemically, or a step of performing wet etching with acid or alkali.
酸化膜除去プロセスの後、速やかに基板を気相成長装置内に入れて、その基板上にIII族窒化物半導体の電子デバイス、及びLEDやLD等の発光デバイスのための層構造が形成されうる。 After the oxide film removal process, the substrate can be quickly placed in a vapor phase growth apparatus, and a layer structure for a group III nitride semiconductor electronic device and a light emitting device such as an LED or LD can be formed on the substrate. .
或いは、酸化膜除去プロセスは、気相成長装置内で実施され、それに引き続いて半導体層の成長がなされてもよい。例えば、気相成長装置内において、キャップ層の表面から所定深さまでの部分、又は、キャップ層の全部、又は、キャップ層及びその下の層の所定深さまでの部分を水素、窒素、アンモニア、塩素ガス、塩酸ガス、ハロゲンガス若しくはハロゲン化水素ガス、又はこれらの全部又は一部の混合ガス雰囲気中で、熱的又は化学的にその場エッチングにより除去することができ、それに引き続いて成長工程を実施することができる。 Alternatively, the oxide film removal process may be performed in a vapor phase growth apparatus followed by the growth of the semiconductor layer. For example, in the vapor phase growth apparatus, a portion from the surface of the cap layer to a predetermined depth, or the entire cap layer, or a portion from the cap layer to the predetermined depth of the cap layer and the layer below it, is hydrogen, nitrogen, ammonia, chlorine. Gas, hydrochloric acid gas, halogen gas or hydrogen halide gas, or a gas mixture of all or a part thereof can be removed by in-situ etching thermally or chemically, followed by a growth process. can do.
或いは、酸化膜除去プロセスは、水素、窒素、アンモニア、塩素ガス、塩酸ガス、ハロゲンガス若しくはハロゲン化水素ガス、又はこれらの全部又は一部の混合ガス雰囲気中で放電によって水素ラジカル又は窒素ラジカルを発生させ、このラジカルによって基板表面を物理的又は化学的にアタックすることで実施してもよい。このような酸化膜除去プロセスは、気相成長装置とは別の装置、又は、アノードとカソードに直流又は交流の高電圧を付与する設備を有する気相成長装置において実施されうる。気相成長装置において酸化膜除去プロセスが実施される場合には、それに引き続いて成長工程が実施されうる。 Alternatively, the oxide film removal process generates hydrogen radicals or nitrogen radicals by discharge in an atmosphere of hydrogen, nitrogen, ammonia, chlorine gas, hydrochloric acid gas, halogen gas or hydrogen halide gas, or a gas mixture of all or part thereof. The substrate surface may be physically or chemically attacked by the radicals. Such an oxide film removal process can be carried out in an apparatus different from the vapor phase growth apparatus or in a vapor phase growth apparatus having equipment for applying a direct current or alternating current high voltage to the anode and the cathode. When the oxide film removal process is performed in the vapor phase growth apparatus, a growth process can be performed subsequently.
図4、図5は、第1実施形態にしたがって作製された半導体部材を利用して形成された半導体発光素子の例を示す模式的な断面図である。なお、図4、5に示す例では、半導体層33の成長に引き続いて、同一気相成長装置内において、半導体層を更に形成されている。
4 and 5 are schematic cross-sectional views showing examples of a semiconductor light emitting element formed using a semiconductor member manufactured according to the first embodiment. In the example shown in FIGS. 4 and 5, following the growth of the
図4は、AlInGaN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する近紫外線発光ダイオードの断面構造を示している。以下、図4に示すダイオードの製造方法を例示的に説明する。 FIG. 4 shows a cross-sectional structure of a near-ultraviolet light emitting diode having a light emitting layer having a multiple quantum well structure in which an AlInGaN semiconductor layer is a well layer. Hereinafter, a method for manufacturing the diode shown in FIG. 4 will be described as an example.
まず、III族窒化物半導体層33の上に、それを形成した気相成長装置と同一の気相成長装置内で、厚さ5.0μmのシリコン添加n型Al0.2GaNコンタクト層121を成長させる。
First, a silicon-added n-type Al0.
次に、厚さ2.0μmのシリコン添加n型Al0.2GaNクラッド層122を成長させる。次に、厚さ20nmのシリコン添加n型Al0.2GaNガイド層123を成長させる。
Next, a silicon-added n-type Al0.
次に、成長温度を下げて、厚さ3.5nmのAlInGaN井戸層、厚さ5nmのAlGaN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。AlInGaN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。このような問題は、窒化ガリウム障壁層にもシリコンを添加して分極電場の一部を遮蔽することによって軽減される。ただし、過度のドーピングは、結晶性を低下させることに留意する必要がある。
Next, the growth temperature is lowered to grow a
次に、成長温度を上げて、発光層の上に、厚さ20nmのマグネシウム添加p型Al0.2GaNガイド層125を成長させる。
Next, the growth temperature is raised, and a magnesium-added p-type Al0.
次に、厚さ50nmのマグネシウム添加p型Al0.3GaN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よい。次に、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。
Next, a magnesium-added p-type Al0.3GaN clad (current blocking)
次に、基板を気相成長装置から取り出して、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おいて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121の一部を露出させる。
Next, the substrate is taken out from the vapor phase growth apparatus, a mask having a predetermined shape is formed on the surface, and etching is performed from the p-type contact layer side in a dry etching apparatus to expose a part of the n-
次に、p型コンタクト層上に近紫外〜紫外領域において高反射率の材料(例えばAg等)からなるオーミック電極131を形成する。また、ドライエッチングにより露出させたn型コンタクト層121にもTi/Alからなるオーミック電極132を形成する。
Next, an
次に、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または熱的スクライブにより素子分離を行う。 Next, after the substrate is polished and thinned, element isolation is performed by mechanical or physical scribing using a blade such as a cutter, or optical or thermal scribing using a YAG laser, an excimer laser, or the like.
このようにして得られる発光ダイオードは、フリップチップ実装されることが好ましい。これは、基板30の表面に凹凸が形成されているために、基板30側から光を取り出した方が光の取り出し効率がよいからである。もちろん、発光ダイオードは、フェイスアップでの実装も可能であるが、この場合には、p型電極を透光性とする必要があり、光の取り出し効率が劣る。
The light emitting diode thus obtained is preferably flip-chip mounted. This is because the projections and depressions are formed on the surface of the
図5は、AlInGaN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する近紫外線レーザーダイオードの断面構造を示している。以下、図5に示すダイオードの製造方法を例示的に説明する。 FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a near-ultraviolet laser diode having a light emitting layer having a multiple quantum well structure in which an AlInGaN semiconductor layer is a well layer. Hereinafter, a method for manufacturing the diode shown in FIG. 5 will be described as an example.
まず、III族窒化物半導体層33の上に、それを形成した気相成長装置と同一の気相成長装置内で、厚さ4.0μmのシリコン添加n型Al0.2GaNコンタクト層221を成長させる。
First, a 4.0 μm-thick silicon-added n-type Al0.
次に、厚さ0.2μmのシリコン添加n型Al0.2GaNクラッド層222を成長させる。次に、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。
Next, a silicon-added n-type Al0.
次に、成長温度を下げて、厚さ3.5nmのアンドープAlInGaN井戸層、厚さ10nmのシリコン添加n型AlGaN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。
Next, the growth temperature is lowered to grow a
次に、成長温度を上げて、厚さ20nmのマグネシウム添加p型Al0.2GaNガイド層225を成長させる。
Next, the growth temperature is raised to grow a magnesium-added p-type Al0.
次に、厚さ0.5μmのマグネシウム添加p型Al0.25GaNクラッド層226を成長させる。次に、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。
Next, a magnesium-added p-type Al0.
次に、基板を気相成長装置から取り出して、最上層のp型窒化ガリウムコンタクト層227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側電極を形成するn型窒化ガリウムコンタクト層221の表面を露出させ、その露出部にTi/Alからなるn側電極232を形成する。この時、共振器面とすべき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。
Next, the substrate is taken out from the vapor phase growth apparatus, a silicon oxide protective film is formed on the surface of the uppermost p-type gallium
次に、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227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227及びp型クラッド層226をエッチングし、ストライプ幅2μmのリッジを形成する。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。
Next, in order to form a striped waveguide region, a silicon oxide protective film is formed on the uppermost p-
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やICP−RIEを用いることが出来る。この場合、Cl2やCCl4、SiCl4のような塩素系のガスが用いられうる。 As a dry etching apparatus for forming a ridge, for example, simple RIE or ICP-RIE can be used. In this case, a chlorine-based gas such as Cl 2 , CCl 4 , or SiCl 4 can be used.
電流狭窄部を形成するには、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方法を採用することができる。シリコン注入量は、p型層のキャリア濃度よりも高濃度であることが好ましく、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できる。 In order to form the current confinement portion, in addition to the above method, for example, a method in which silicon is ion-implanted from the p-type contact layer protected by a mask or a photoresist to the p-type cladding layer can be employed. . The silicon injection amount is preferably higher than the carrier concentration of the p-type layer, and can be controlled by the dose amount of silicon. Further, the formation depth of the current confinement layer can be controlled by the implantation energy of ion implantation.
次に、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、酸化シリコン膜又は金属酸化膜等の保護膜241を形成する。
Next, after forming a striped ridge waveguide, a
次に、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からなるp側電極231を形成する。更に、側面にも酸化シリコンから成る保護膜(図5には図示せず)を形成する。
Next, the surface of the p-type contact layer is exposed by, for example, lift-off or etching, and a p-
次に、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また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または熱的スクライブによりウェハーをバー状に割る。 Next, after polishing and thinning the substrate, the wafer is broken into bars by mechanical or physical scribing using a blade such as a cutter, or by optical or thermal scribing using a YAG laser, excimer laser, or the like.
次に、このバーをスパッターや蒸着装置において、光反射側の共振器面、又は、光反射側と光出射側に、多層酸化膜からなる反射膜(図5には図示せず)を形成する。次に、このようにして形成された基板を素子分離することによってレーザーダイオードが得られる。 Next, a reflection film (not shown in FIG. 5) made of a multilayer oxide film is formed on the resonator surface on the light reflection side or on the light reflection side and the light emission side in the sputtering or vapor deposition apparatus. . Next, a laser diode is obtained by isolating the substrate thus formed.
ここでは、第1実施形態にしたがって作製された半導体部材を利用して形成された半導体発光素子を製造する例を説明したが、第2又は第3実施形態にしたがって作製された半導体部材を利用して形成された半導体発光素子を製造することも可能である。 Here, an example of manufacturing a semiconductor light emitting device formed using a semiconductor member manufactured according to the first embodiment has been described. However, a semiconductor member manufactured according to the second or third embodiment is used. It is also possible to manufacture a semiconductor light emitting device formed in this way.
10 基板
10p 凸部
10r 凹部
11 第1半導体層
12 半導体層
13 第2半導体層
14 半導体層
20 基板
20p 凸部
20r 凹部
21 第1半導体層
22 半導体層
23 第2半導体層
24 第3半導体層
30 基板
30p 凸部
30r 凹部
31 第1半導体層
32 第2半導体層
33 第3半導体層
121 シリコン添加n型Al0.2GaNコンタクト層
122 シリコン添加n型Al0.2GaNクラッド層
123 シリコン添加n型Al0.2GaNガイド層
124 発光層
125 マグネシウム添加p型Al0.2GaNガイド層
126 マグネシウム添加p型Al0.3GaNクラッド層
127 マグネシウム添加p型窒化ガリウムコンタクト層
131 オーミック電極
132 オーミック電極
221 シリコン添加n型Al0.2GaNコンタクト層
222 シリコン添加n型Al0.2GaNクラッド層
223 シリコン添加n型窒化ガリウムガイド層
224 発光層
225 マグネシウム添加p型Al0.2GaNガイド層
226 マグネシウム添加p型Al0.25GaNクラッド層
227 マグネシウム添加p型窒化ガリウムコンタクト層
231 p側電極
232 n側電極
241 保護膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
複数の凹部及び複数の凸部を有する基板を準備する準備工程と、
前記複数の凸部のそれぞれの上にIII族窒化物半導体を含む第1半導体をそのa面を上面として成長させ、これにより互いに離隔した複数の前記第1半導体を形成する第1成長工程と、
複数の前記第1半導体のそれぞれから少なくとも横方向にIII族窒化物半導体を含む第2半導体を成長させる第2成長工程と、
を含み、前記凹部の底面から前記凸部の上面までの距離が前記凹部の幅と等しいかそれより大きく、
前記第1成長工程で成長させる複数の前記第1半導体のそれぞれの断面が矩形形状を有し、前記第2成長工程では、複数の前記第1半導体の各々の一方の側面からの成長が他方の側面からの成長よりも支配的になる条件で前記第2半導体を成長させる、
ことを特徴とする半導体部材の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor member, comprising:
A preparation step of preparing a substrate having a plurality of concave portions and a plurality of convex portions;
A first growth step of growing a first semiconductor including a group III nitride semiconductor on each of the plurality of protrusions with the a-plane as an upper surface , thereby forming the plurality of first semiconductors separated from each other;
A second growth step of growing a second semiconductor including a group III nitride semiconductor at least in a lateral direction from each of the plurality of first semiconductors;
A distance from the bottom surface of the recess to the top surface of the projection is equal to or greater than the width of the recess,
Wherein each of the cross-section of the first plurality of the first semiconductor to be grown in the growth step will have a rectangular shape, and in the second growth step, the growth from one side of each of the plurality of the first semiconductor and the other Growing the second semiconductor under conditions that are more dominant than the growth from the side of
A method for manufacturing a semiconductor member.
前記第2半導体の凸部から少なくとも横方向に第3半導体を成長させる第3成長工程と、
を更に含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体部材の製造方法。 A processing step of forming irregularities including concave and convex portions on the surface of the second semiconductor;
A third growth step of growing a third semiconductor at least laterally from the convex portion of the second semiconductor;
The method of manufacturing a semiconductor member according to claim 1, further comprising:
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