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技術 窒化物半導体層の成長方法及び窒化物半導体素子の製造方法

出願人 ソウルバイオシスカンパニーリミテッド
発明者 クワック,ウーチョルチェ,スンキュソン,ジェフンキム,チェホンジュン,ジュンファン
出願日 2013年11月29日 (6年7ヶ月経過) 出願番号 2013-248530
公開日 2014年6月12日 (6年0ヶ月経過) 公開番号 2014-110431
状態 特許登録済
技術分野 発光ダイオード LED素子(パッケージ以外) 気相成長(金属層を除く)
主要キーワード 非欠陥領域 エピ成長層 極性半導体 同種基板 シード基板 半極性基板 In含有量 スライシング
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図面 (11)

課題

窒化物半導体層成長方法及び窒化物半導体素子の製造方法を開示する。

解決手段

窒化物半導体層の成長方法は、非欠陥領域及び欠陥領域を含む窒化ガリウム基板を準備し、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系欠陥分散抑制層成長させ、欠陥分散抑制層上に窒化ガリウム系半導体層を成長させることを含む。その結果、窒化ガリウム基板上の欠陥領域が窒化ガリウム系半導体層で分散されることを抑制することができる。

概要

背景

窒化ガリウムなどの窒化物半導体は、広いエネルギーバンドギャップを有し、かつ、直接遷移型であるので、紫外線、青色及び緑色などの比較的短波長側の発光素子及び電子素子などの半導体素子を製造するのに使用される。

従来、窒化物系半導体層は、同種基板製作することが難しいので、主にサファイアなどの異種基板上に成長されていた。しかし、異種基板上に成長された窒化物系半導体層は、貫通転位(threading dislocation)などの結晶欠陥密度が高いので、高電流密度下で駆動できる半導体素子を製造することは難しい。

これによって、最近、同種基板、すなわち、窒化ガリウム基板成長基板として使用した窒化物系半導体層を製作する技術が開発されている。例えば、サファイア基板上に水素化物気相エピタキシー(hidride vapor phase epitaxy;HVPE)を用いてバル窒化ガリウム単結晶を成長させ、このバルク単結晶スライシングして窒化ガリウム成長基板を製作することができる。

一方、基板上に半導体層を成長させて半導体素子を大量生産するためには、成長基板のサイズが相対的に大きい必要がある。現在、発光ダイオードなどの光素子を製作するために使用される基板は、通常2インチ以上のサイズを有する。

c面窒化ガリウム基板は、バルク単結晶をスライシングして約2インチの大きな基板を容易に得ることができる。しかし、半極性基板や、m面又はa面窒化ガリウム基板などの非極性基板は、成長面や成長厚さの制限のため、前記の方法を用いて2インチ以上のサイズを提供しにくい。このため、非極性窒化ガリウム基板や半極性窒化ガリウム基板を用いた研究は、窒化物結晶を成長させる基板のほとんどが1インチ未満、例えば、最大幅が数mm以下の半極性基板や非極性基板に制限されている。

一方、大面積の成長基板を提供するために、所望の結晶成長面を有する複数のシード基板を配列し、これら各シード基板上に窒化物半導体層を成長させ、成長された窒化物半導体層をスライシングする技術が開発されている。

しかし、複数のシード基板を用いるので、各シード基板間の境界線上に成長された窒化物結晶は、必然的に高密度の結晶欠陥を含む。これに加えて、各シード基板を用いて製作された窒化ガリウム基板において、窒化ガリウム基板上のオフ角は、各シード基板間の結晶配向差に起因して位置によって相対的に大きな差を示す。各シード基板のオフ角及び配列を制御したとしても、窒化ガリウム基板上のオフ角分布を完全に除去することは難しい。その結果、各シード基板間の境界領域に対応する窒化物結晶部分は、窒化ガリウム基板上に窒化物半導体層を成長させるときに欠陥発生ソースとして作用する。

さらに、半導体層に生成される欠陥は、垂直方向転写されるだけでなく、相当広い領域にわたって拡散される。その結果、良好な特性を有する半導体素子を提供できる半導体層領域を確保しにくくなり、生産性及び収率が減少する。

概要

窒化物半導体層の成長方法及び窒化物半導体素子の製造方法を開示する。窒化物半導体層の成長方法は、非欠陥領域及び欠陥領域を含む窒化ガリウム基板を準備し、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系欠陥分散抑制層を成長させ、欠陥分散抑制層上に窒化ガリウム系半導体層を成長させることを含む。その結果、窒化ガリウム基板上の欠陥領域が窒化ガリウム系半導体層で分散されることを抑制することができる。

目的

本発明が解決しようとする課題は、欠陥領域を有する窒化ガリウム基板を成長基板として使用し、良好な結晶品質を有する窒化物半導体層を成長させる方法及び半導体素子を製造する方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
1件

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請求項1

複数の非欠陥領域、及び各々の前記非欠陥領域の間に位置する少なくとも一つの欠陥領域を含む窒化ガリウム基板を準備し、前記窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系列欠陥分散抑制層成長させ、前記欠陥分散抑制層上に窒化ガリウム系半導体層を成長させることを含む窒化物半導体層成長方法

請求項2

前記欠陥分散抑制層は900℃以上の温度で成長され、前記欠陥分散抑制層上に成長される前記窒化ガリウム系半導体層の成長温度より低い温度で成長される、請求項1に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項3

前記欠陥分散抑制層は、900℃以上1000℃以下の範囲内の温度で成長される、請求項2に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項4

前記欠陥分散抑制層は960℃以上970℃以下の温度で成長される、請求項3に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項5

前記欠陥分散抑制層は、前記窒化ガリウム系半導体層の成長速度より遅い成長速度で成長される、請求項4に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項6

前記欠陥分散抑制層は1.5μm/hr以上2.5μm/hr以下の速度で成長される、請求項5に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項7

前記欠陥分散抑制層は1μm以上2μm以下の範囲内の厚さで成長される、請求項6に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項8

前記欠陥分散抑制層は150torr以上400torr以下の圧力下で成長される、請求項7に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項9

前記欠陥分散抑制層は、その上に成長される前記窒化ガリウム系半導体層と同一の圧力下で成長される、請求項8に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項10

前記欠陥分散抑制層は、その上に成長される窒化ガリウム系半導体層の成長速度より遅い速度で成長される、請求項1に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項11

前記欠陥分散抑制層は、1.5μm/hr以上2.5μm/hr以下の速度で成長される、請求項10に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項12

前記欠陥分散抑制層は1μm以上2μm以下の範囲内の厚さで成長される、請求項10に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項13

前記窒化ガリウム基板は半極性基板又は非極性基板であって、各々の前記非欠陥領域は互いに異なるオフ角を有する、請求項1から12のいずれか1項に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項14

前記窒化ガリウム系半導体層は、前記欠陥分散抑制層上に位置するn型コンタクト層と、前記n型コンタクト層上に位置するp型コンタクト層と、前記n型コンタクト層と前記p型コンタクト層との間に位置する活性層と、を含む、請求項13に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項15

複数のシード基板上に水素化物気相エピタキシー(HVPE)を用いて窒化ガリウム結晶を成長させ、前記窒化ガリウム結晶をスライシングして製造された窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系半導体層を成長させる方法であって、前記窒化ガリウム基板上に金属有機化学気相成長技術を用いて窒化ガリウム系列の欠陥分散抑制層を成長させ、前記欠陥分散抑制層上に前記窒化ガリウム系半導体層を成長させることを含む窒化物半導体層の成長方法。

請求項16

前記窒化ガリウム基板は、複数の非欠陥領域、及び各々の前記非欠陥領域の間に位置する少なくとも一つの欠陥領域を含み、前記窒化ガリウム系半導体層は、前記窒化ガリウム基板の欠陥領域が転写された欠陥領域を含み、前記窒化ガリウム系半導体層の表面上の欠陥領域の幅は、前記窒化ガリウム基板の欠陥領域の幅の2倍を超えない、請求項15に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項17

前記欠陥分散抑制層は900℃以上1000℃以下の範囲内の温度で成長される、請求項16に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項18

前記欠陥分散抑制層は960℃以上970℃以下の温度で成長される、請求項17に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項19

前記欠陥分散抑制層は、その上に成長される前記窒化ガリウム系半導体層より遅い速度で成長される、請求項16に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項20

前記欠陥分散抑制層は1.5μm/hr以上2.5μm/hr以下の速度で成長される、請求項19に記載の窒化物半導体層の成長方法。

請求項21

複数の非欠陥領域、及び各々の前記非欠陥領域の間に位置する少なくとも一つの欠陥領域を含む窒化ガリウム基板を準備し、前記窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系列の欠陥分散抑制層を成長させ、前記欠陥分散抑制層上に窒化ガリウム系半導体層を成長させることを含む窒化物半導体素子の製造方法。

請求項22

前記欠陥分散抑制層は900℃以上の温度で成長され、前記欠陥分散抑制層上に成長される前記窒化ガリウム系半導体層の成長温度より低い温度で成長される、請求項21に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

請求項23

前記欠陥分散抑制層は960℃以上970℃以下の温度で成長される、請求項22に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

請求項24

前記欠陥分散抑制層は1μm以上2μm以下の範囲内の厚さで成長される、請求項21に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

請求項25

前記欠陥分散抑制層は、その上に成長される窒化ガリウム系半導体層の成長速度より遅い速度で成長される、請求項21に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

請求項26

前記欠陥分散抑制層は1.5μm/hr以上2.5μm/hr以下の速度で成長される、請求項25に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

請求項27

前記窒化ガリウム基板は半極性基板又は非極性基板であって、各々の前記非欠陥領域は互いに異なるオフ角を有する、請求項21から26のいずれか1項に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

請求項28

前記窒化ガリウム系半導体層は、前記欠陥分散抑制層上に位置するn型コンタクト層と、前記n型コンタクト層上に位置するp型コンタクト層と、前記n型コンタクト層と前記p型コンタクト層との間に位置する活性層と、を含む、請求項27に記載の窒化物半導体素子の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、窒化物半導体層成長方法及び半導体素子の製造方法に関し、特に、タイリング技法を用いて製造された成長基板上に窒化物半導体層を成長させる方法、及びこの窒化物半導体層を用いて窒化物半導体素子を製造する方法に関する。

背景技術

0002

窒化ガリウムなどの窒化物半導体は、広いエネルギーバンドギャップを有し、かつ、直接遷移型であるので、紫外線、青色及び緑色などの比較的短波長側の発光素子及び電子素子などの半導体素子を製造するのに使用される。

0003

従来、窒化物系半導体層は、同種基板製作することが難しいので、主にサファイアなどの異種基板上に成長されていた。しかし、異種基板上に成長された窒化物系半導体層は、貫通転位(threading dislocation)などの結晶欠陥密度が高いので、高電流密度下で駆動できる半導体素子を製造することは難しい。

0004

これによって、最近、同種基板、すなわち、窒化ガリウム基板を成長基板として使用した窒化物系半導体層を製作する技術が開発されている。例えば、サファイア基板上に水素化物気相エピタキシー(hidride vapor phase epitaxy;HVPE)を用いてバル窒化ガリウム単結晶を成長させ、このバルク単結晶スライシングして窒化ガリウム成長基板を製作することができる。

0005

一方、基板上に半導体層を成長させて半導体素子を大量生産するためには、成長基板のサイズが相対的に大きい必要がある。現在、発光ダイオードなどの光素子を製作するために使用される基板は、通常2インチ以上のサイズを有する。

0006

c面窒化ガリウム基板は、バルク単結晶をスライシングして約2インチの大きな基板を容易に得ることができる。しかし、半極性基板や、m面又はa面窒化ガリウム基板などの非極性基板は、成長面や成長厚さの制限のため、前記の方法を用いて2インチ以上のサイズを提供しにくい。このため、非極性窒化ガリウム基板や半極性窒化ガリウム基板を用いた研究は、窒化物結晶を成長させる基板のほとんどが1インチ未満、例えば、最大幅が数mm以下の半極性基板や非極性基板に制限されている。

0007

一方、大面積の成長基板を提供するために、所望の結晶成長面を有する複数のシード基板を配列し、これら各シード基板上に窒化物半導体層を成長させ、成長された窒化物半導体層をスライシングする技術が開発されている。

0008

しかし、複数のシード基板を用いるので、各シード基板間の境界線上に成長された窒化物結晶は、必然的に高密度の結晶欠陥を含む。これに加えて、各シード基板を用いて製作された窒化ガリウム基板において、窒化ガリウム基板上のオフ角は、各シード基板間の結晶配向差に起因して位置によって相対的に大きな差を示す。各シード基板のオフ角及び配列を制御したとしても、窒化ガリウム基板上のオフ角分布を完全に除去することは難しい。その結果、各シード基板間の境界領域に対応する窒化物結晶部分は、窒化ガリウム基板上に窒化物半導体層を成長させるときに欠陥発生ソースとして作用する。

0009

さらに、半導体層に生成される欠陥は、垂直方向転写されるだけでなく、相当広い領域にわたって拡散される。その結果、良好な特性を有する半導体素子を提供できる半導体層領域を確保しにくくなり、生産性及び収率が減少する。

発明が解決しようとする課題

0010

本発明が解決しようとする課題は、欠陥領域を有する窒化ガリウム基板を成長基板として使用し、良好な結晶品質を有する窒化物半導体層を成長させる方法及び半導体素子を製造する方法を提供することにある。

0011

本発明が解決しようとする他の課題は、窒化ガリウム基板の欠陥領域がその基板上に成長される半導体層で拡散されることを防止できる窒化物半導体層の成長方法を提供することにある。

0012

本発明が解決しようとする更に他の課題は、量産性及び高い収率を有する非極性又は半極性半導体素子の製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0013

本発明の一態様に係る窒化物半導体層の成長方法は、複数の非欠陥領域、及び各々の非欠陥領域の間に位置する少なくとも一つの欠陥領域を含む窒化ガリウム基板を準備し、窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系欠陥分散抑制層を成長させ、欠陥分散抑制層上に窒化ガリウム系半導体層を成長させることを含む。

0014

欠陥分散抑制層を窒化ガリウム系半導体層より先に成長させることによって、窒化ガリウム基板内の欠陥領域が窒化ガリウム系半導体層で分散されることを防止することができる。

0015

欠陥分散抑制層は、エピ成長層であって、サファイア基板上に成長される多結晶質低温バッファー層とは区別される。

0016

欠陥分散抑制層は、900℃以上の温度で成長させ、欠陥分散抑制層上に成長される窒化ガリウム系半導体層の成長温度より低い温度で成長させることができる。相対的に低い温度で欠陥分散抑制層を成長させた後、半導体層を成長させることによって、窒化ガリウム基板の欠陥領域が半導体層内で分散されることを抑制することができる。

0017

望ましくは、欠陥分散抑制層は、900℃以上1000℃以下の範囲内の温度で成長させることができ、より望ましくは、960℃以上970℃以下の温度で成長させることができる。

0018

また、欠陥分散抑制層は、窒化ガリウム系半導体層の成長速度よりも遅い成長速度で成長させることができる。

0019

欠陥分散抑制層は、1.5μm/hr以上2.5μm/hr以下の速度で成長させることができる。さらに、欠陥分散抑制層は、1μm以上2μm以下の範囲内の厚さで成長させることができる。

0020

欠陥分散抑制層は、150torr以上400torr以下の圧力下で成長させることができる。さらに、欠陥分散抑制層は、その上に成長される窒化ガリウム系半導体層とほぼ同一の圧力下で成長させることができる。

0021

窒化ガリウム基板は半極性基板又は非極性基板であって、各非欠陥領域は互いに異なるオフ角を有することができる。

0022

また、窒化ガリウム系半導体層は、欠陥分散抑制層上に位置するn型コンタクト層と、n型コンタクト層上に位置するp型コンタクト層と、及びn型コンタクト層とp型コンタクト層との間に位置する活性層と、を含むことができる。

0023

また、本発明の各実施例は、複数のシード基板上に水素化物気相エピタキシー(HVPE)を用いて窒化ガリウム結晶を成長させ、この窒化ガリウム結晶をスライシングして製造された窒化ガリウム基板上に窒化ガリウム系半導体層を成長させる方法を提供する。方法は、窒化ガリウム基板上に金属有機化学気相成長技術を用いて窒化ガリウム系列の欠陥分散抑制層を成長させ、欠陥分散抑制層上に窒化ガリウム系半導体層を成長させることを含む。

0024

窒化ガリウム基板は、複数の非欠陥領域、及び各非欠陥領域間に位置する少なくとも一つの欠陥領域を含むことができる。また、窒化ガリウム系半導体層は、窒化ガリウム基板の欠陥領域が転写された欠陥領域を含むことができる。窒化ガリウム系半導体層の表面上における欠陥領域の幅は、窒化ガリウム基板の欠陥領域の幅の2倍を超えない。

0025

欠陥分散抑制層は、900℃以上1000℃以下の範囲内の温度で成長させることができ、望ましくは、960℃以上970℃以下の温度で成長させることができる。

0026

また、欠陥分散抑制層は、窒化ガリウム系半導体層の成長速度より遅い速度で成長させることができ、欠陥分散抑制層は、1.5μm/hr以上2.5μm/hr以下の速度で成長させることができる。

0027

さらに、欠陥分散抑制層は、1μm以上2μm以下の範囲内の厚さで成長させることができる。

0028

窒化ガリウム基板は、半極性基板又は非極性基板であって、各非欠陥領域は互いに異なるオフ角を有することができる。

0029

本発明の他の実施例によると、上述した窒化物半導体層の成長方法を用いて窒化物半導体素子を製造することができる。

発明の効果

0030

本発明の各実施例によると、欠陥領域を有する窒化ガリウム基板を成長基板として使用し、良好な結晶品質を有する窒化物半導体層を成長させることができ、その結果、量産性及び収率の高い非極性又は半極性半導体素子を製造することができる。特に、本発明の各実施例によると、窒化ガリウム基板の欠陥領域がその基板上に成長される半導体層で拡散されることを防止することができる。

図面の簡単な説明

0031

本発明の一実施例に係る窒化物半導体層の成長方法及び半導体素子の製造方法を説明するための概略的な断面図である。
欠陥分散抑制層なしで成長された窒化物半導体層を説明するための概略的な断面図である。
(a)及び(b)は、欠陥分散抑制層なしで成長された半極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。
(a)及び(b)は、相対的に高い温度及び相対的に低い温度で成長された欠陥分散抑制層上の半極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。
(a)及び(b)は、相対的に低い温度で異なる成長圧力で成長された欠陥分散抑制層上の半極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。
図3(a)ないし図5(b)の6個の試料PL強度を示すグラフである。
欠陥分散抑制層なしで成長された非極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。
(a)及び(b)は、相対的に高温で異なる成長圧力で成長された欠陥分散抑制層上の非極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。
相対的に低温で成長された欠陥分散抑制層上の非極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。
図7ないし図9の4個の試料のPL強度を示すグラフである。

実施例

0032

以下では、添付の各図面を参照して本発明の各実施例を詳細に説明する。次に紹介する各実施例は、当業者に本発明の思想を十分に伝達するために例として提供されるものである。したがって、本発明は、以下で説明する各実施例に限定されるものではなく、他の形態で具体化することもできる。そして、各図面において、構成要素の幅、長さ、厚さなどは、便宜のために誇張して表現する場合がある。明細書全体にわたって同一の参照番号は同一の構成要素を示す。

0033

図1は、本発明の一実施例に係る窒化物半導体層の成長方法及び半導体素子の製造方法を説明するための概略的な断面図である。

0034

図1(a)を参照すると、窒化ガリウム基板21が準備される。窒化ガリウム基板21は、複数のシード基板上に水素化物気相エピタキシーを用いて窒化ガリウム系単結晶を成長させ、前記窒化ガリウム系単結晶をスライシングして提供することができる。

0035

窒化ガリウム基板21は、複数のシード基板に対応して、複数の非欠陥領域21aと、各非欠陥領域21a間に位置する少なくとも一つの欠陥領域21bとを含む。各非欠陥領域21aは、同一の成長面を有し得るが、互いに異なるオフ角を有する。例えば、各非欠陥領域21aは、半極性又は非極性成長面を有することができる。特に、前記半極性成長面は、例えば(20—21)面であって、非極性成長面はm面又はa面であり得る。前記成長面がm面である場合、各非欠陥領域21aのオフ角は、例えば[0001]方向に対して約−4°以上−10°以下、望ましくは、−4°以上−6°以下の範囲内であり得る。オフ角を[0001]方向に対して−4°以上−10°以下の範囲内にすることによって、活性層内のIn含有量を増加させることができる。

0036

図1(b)を参照すると、前記基板21上に窒化ガリウム系の欠陥分散抑制層23が成長される。欠陥分散抑制層23は、その上に成長される半導体層(例えば、図1(c)のn型コンタクト層25)と同一の組成、例えば、GaNで成長させることができ、AlとInを組成比0.3未満で含むこともできる。ただし、欠陥分散抑制層23は、その上に成長される半導体層(例えば、図1(c)の25)とは異なる工程条件で成長させ、金属有機化学気相成長法を用いて成長させることができる。

0037

前記欠陥分散抑制層23は、例えば、成長温度、成長速度、成長圧力などでその上に成長される半導体層とは異なる条件で成長される。特に、欠陥分散抑制層23は、その上に成長される半導体層に比べて相対的に低い温度で成長されることが望ましい。前記半導体層、例えば、図1(c)のn型コンタクト層25は、1000℃より高い温度で成長させることができ、前記欠陥分散抑制層23は、900℃以上1000℃以下の範囲内で成長させることができる。特に、前記欠陥分散抑制層23は、960℃以上970℃以下の温度で成長させることができる。欠陥分散抑制層23の最適な成長温度は、窒化ガリウム基板21の成長面に従って少しずつ変わり得る。

0038

また、前記欠陥分散抑制層23は、その上に成長される半導体層の成長速度より遅い速度で成長させることができる。例えば、前記欠陥分散抑制層23の成長速度はn型コンタクト層25の成長速度の約1/2であり、1.5μm/hr以上2.5μm/hr以下の範囲内、望ましくは、1.5μm/hr以上2.0μm/hr以下であり得る。

0039

前記欠陥分散抑制層23はエピ成長層であり、サファイア基板などの異種基板上に形成される多結晶の低温バッファー層とは異なる。欠陥分散抑制層23は、基板21の結晶性を維持しながら成長させ、1μm以上4μm以下の範囲内、望ましくは1.5μm以上2.5μm以下の厚さで成長させることができる。欠陥分散抑制層23は、基板21の欠陥領域21bに対応する欠陥領域23bを有してもよい。欠陥領域23bは、欠陥領域21bの幅と類似し、またはそれより狭い場合もある。

0040

前記欠陥分散抑制層23は、その上に成長される半導体層の成長圧力とは異なる成長圧力で成長させ得るが、 その上に成長される半導体層と同一の圧力下で成長させることもできる。例えば、欠陥分散抑制層23は、100torr以上400torr以下の範囲内、望ましくは、約150torrの成長圧力下で成長させることができる。一方、全体のガスに対してH2の体積比を約30%以内に維持し、また、H2を使用せずにN2雰囲気で工程を進行することが望ましい。

0041

図1(c)を参照すると、欠陥分散抑制層23上に窒化ガリウム系半導体層30が成長される。窒化ガリウム系半導体層30は、n型コンタクト層25、活性層27及びp型コンタクト層29を含むことができる。窒化ガリウム系半導体層30は、金属有機化学気相成長法を用いて成長させることができる。

0042

ここで、n型コンタクト層25は、例えば、n型GaNを含むことができ、活性層27は、InGaN井戸層を含む単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造で形成することができ、p型コンタクト層29はp型GaNを含むことができる。前記n型コンタクト層25及びp型コンタクト層29は単一層又は多重層であり得る。前記n型コンタクト層25は、1000℃以上の温度で成長させることができ、1000℃以上1030℃以下の温度範囲で成長させることができる。

0043

本実施例によると、n型コンタクト層25と異なる条件で基板21とn型コンタクト層25との間に欠陥分散抑制層23を成長させることによって、基板21内の欠陥領域21bが半導体層30内で分散されることを防止することができる。その結果、半導体層30内の欠陥領域30bの幅は、基板21内の欠陥領域21bの幅の2倍を超えないように制御することができる。したがって、相対的に広い非欠陥領域30aを確保することができ、前記非欠陥領域30a内に素子分離領域を形成することによって、高収率で半導体素子を製造することができる。

0044

図2は、欠陥分散抑制層23なしで成長された窒化物半導体層を説明するための概略的な断面図である。

0045

図2を参照すると、図1と対比して、基板21上に欠陥分散抑制層23がない点に差がある。図2に示したように、基板21上にn型コンタクト層25が直接成長される。

0046

この場合、基板21内の欠陥領域はn型コンタクト層25で分散され、さらに、その上の活性層27及びp型コンタクト層29で分散される。

0047

その結果、窒化物半導体層30の表面上で欠陥領域30bが広く形成され、非欠陥領域30aが狭くなる。

0048

ここで、半導体層30内で欠陥領域30bが対称的に分散される場合を示したが、欠陥領域30bは、オフ角によって一側により多く分散される場合もある。

0049

図1の欠陥分散抑制層23は、図2に示すように、半導体層30内で欠陥領域30bが分散されることを防止する。特に、欠陥分散抑制層23は、n型コンタクト層25内で欠陥領域が分散されることを防止する。

0050

(半極性半導体層の成長)
図3(a)及び(b)は、欠陥分散抑制層なしで成長された半極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。

0051

図3(a)及び図3(b)の試料は、図2を参照して説明したように、(20−21)成長面を有する窒化ガリウム基板21上にn型GaNコンタクト層25を直接成長させ、その上に同一の条件で活性層27及びp型コンタクト層29を含む各半導体層を成長させて製作した。

0052

図3(a)及び図3(b)は、ほぼ同一の条件で半導体層30を成長させ、ただし、n型コンタクト層25の成長温度で少しの差がある。n型コンタクト層25の成長速度及び成長圧力はそれぞれ約3μm/hr、約150torrであった。図3(a)及び図3(b)に示したように、欠陥分散抑制層23なしで半導体層30を成長させた場合、半導体層30の表面で広い領域にわたって欠陥領域が分散されることを確認することができる。

0053

図4(a)及び(b)は、相対的に高い温度(1030℃)及び相対的に低い温度(970℃)で成長された欠陥分散抑制層上の半極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。

0054

図4(a)及び(b)の試料は、(20−21)成長面を有する基板21上に、図1(b)を参照して説明したように、GaN欠陥分散抑制層23を成長させ、その上に半導体層30を成長させて製作した。図4(a)の試料は、欠陥分散抑制層23を1030℃で約1.8μm/hrの成長速度で成長させ、その後、温度を下げてn型コンタクト層25を約1000℃で成長させたものであって、図4(b)の試料は、欠陥分散抑制層23を約970℃で約1.8μm/hrの成長速度で成長させ、その後、温度を上げてn型コンタクト層25を約1000℃で成長させたものである。欠陥分散抑制層23の成長圧力は全て400torrであって、n型コンタクト層25の成長速度は約3μm/hrで、成長圧力は150torrであった。図4(a)及び(b)の試料は、全て約0.8μmの厚さで成長させた。

0055

図4(a)及び(b)を参照すると、欠陥分散抑制層23を基板21と半導体層30との間に介在させることによって、半導体層30の表面が改善されることを確認することができる。特に、欠陥分散抑制層23の成長温度を1030℃から970℃に下げることによって、半導体層30の表面が相当改善され、欠陥領域30bの幅が狭くなることを確認することができる。

0056

図5(a)及び(b)は、相対的に低い温度(970℃)で異なる成長圧力(400torr、150torr)で成長された欠陥分散抑制層上の半極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。

0057

図5(a)の試料は、図4(b)の試料とほぼ同一の条件で欠陥分散抑制層23及び半導体層30を成長させ、ただし、欠陥分散抑制層23の厚さを約2倍増加させて約1.5μmにした。一方、図5(b)の試料は、図5(a)の試料と対比して、欠陥分散抑制層23の成長圧力をn型コンタクト層25の成長圧力と同一に約150torrにしたことに差がある。

0058

図5(a)及び図5(b)を参照すると、欠陥分散抑制層23の厚さを増加させることによって、図4(b)の試料に比べて半導体層30の表面が改善されることを確認することができ、さらに、成長圧力を調節することによって表面をさらに改善することができる。

0059

以上の実験結果を見ると、n型コンタクト層25と異なる成長条件で基板21上に欠陥分散抑制層23を成長させることによって、欠陥領域30bが分散されることを抑制することができる。特に、欠陥分散抑制層23の成長温度及び/又は成長速度をn型コンタクト層25より下げることによって、欠陥領域30bの幅を減少させることができる。

0060

図6は、図3(a)ないし図5(b)の6個の試料のPL強度を示すグラフである。

0061

図6を参照すると、半導体層30の表面が改善されるほどPL強度が向上することを確認することができる。特に、欠陥分散抑制層23を介在させた場合、図4(a)の試料3のように、相対的に高い温度(1030℃)で欠陥分散抑制層23を成長させたとしても、欠陥分散抑制層23がない場合に比べてPL強度が増加した。

0062

さらに、図5(a)の試料のように、成長温度を約970℃にn型コンタクト層25の成長温度より相対的に下げながら欠陥分散抑制層23の厚さを約1.5μmに増加させることによってPL強度を急激に向上させることができ、成長圧力を制御することによってPL強度を最適化することができる。

0063

(非極性半導体層の成長)
図7は、欠陥分散抑制層なしで成長された非極性窒化物半導体層の表面を示す光学顕微鏡写真である。

0064

図7の試料は、図2を参照して説明したように、m(10−10)成長面を有する窒化ガリウム基板21上に直接n型コンタクト層25を成長させ、その上に活性層27及びp型コンタクト層29を含む各半導体層を成長させて製作したものである。

0065

欠陥分散抑制層23なしで半導体層30を成長させた場合、半導体層30の表面が非常に粗く、広い領域にわたって欠陥領域が分散されることを確認することができる。

0066

図8(a)及び(b)は、相対的に高温(1030℃)で異なる成長圧力(400torr、150torr)で成長されたGaN欠陥分散抑制層23上の非極性窒化物半導体層30の表面を示す光学顕微鏡写真である。

0067

図8(a)及び(b)の試料は、(10−10)成長面を有する基板21上に、図1(b)を参照して説明したように、欠陥分散抑制層23を成長させ、その上に半導体層30を成長させて製作したものである。図8(a)の試料は、欠陥分散抑制層23を1030℃、約400torrで約2.5μm/hrの成長速度で成長させ、その後、温度を下げてn型コンタクト層25を約1000℃で約3μm/hrの成長速度で成長させたものである。図8(b)の試料は、図8(a)の試料とほぼ類似するが、成長圧力を150torrにしたことに差がある。欠陥分散抑制層23は約50分成長され、厚さは約2.1μmであった。

0068

図8(a)及び(b)を参照すると、欠陥分散抑制層23を基板21と半導体層30との間に介在させることによって、半導体層30の表面が改善されることを確認することができる。特に、成長圧力を150torrに下げることによって、表面特性を相対的に改善することができる。

0069

図9は、相対的に低温(960℃)で成長された欠陥分散抑制層23上の非極性窒化物半導体層30の表面を示す光学顕微鏡写真である。

0070

図9の試料は、図8(b)の試料とほぼ同一の条件で欠陥分散抑制層23及び半導体層30を成長させ、ただし、欠陥分散抑制層23の成長温度を960℃にした。

0071

図9を参照すると、欠陥分散抑制層23の成長温度を960℃に下げることによって、半導体層30の表面が改善されることを確認することができる。

0072

以上の実験結果を見ると、n型コンタクト層25と異なる成長条件で基板21上に欠陥分散抑制層23を成長させることによって、欠陥領域30bが分散されることを抑制することができる。

0073

図10は、図7ないし図9の4個の試料のPL強度を示すグラフである。

0074

図10を参照すると、半導体層30の表面が改善されるほどPL強度が向上することを確認することができる。特に、欠陥分散抑制層23の成長圧力を150torrに下げることによって図8(b)の試料のようにPL強度を増加させることができ、さらに、欠陥分散抑制層23の成長温度を960℃に下げることによってPL強度をさらに増加させることができる。

0075

21:窒化ガリウム基板、23:欠陥分散抑制層、30:窒化ガリウム系半導体層

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