JP2000323751A - ３族窒化物半導体素子製造方法 - Google Patents
３族窒化物半導体素子製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高正孔濃度の結晶層の低抵抗ｐ型化のための
３族窒化物半導体素子製造方法を提供する。 【解決手段】 ３族窒化物半導体素子の製造方法は、２
族不純物元素を添加した３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ
l-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる
第１の結晶層を形成する工程と、第１の結晶層上に、３
族窒化物半導体ＡｌzＧａl-zＮ（０．７≦ｚ≦１）から
なる第２の結晶層を形成する工程と、第１及び第２の結
晶層の形成後に、第２の結晶層の少なくとも一部分を、
エッチングにより除去する工程と、を含む。
３族窒化物半導体素子製造方法を提供する。 【解決手段】 ３族窒化物半導体素子の製造方法は、２
族不純物元素を添加した３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ
l-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）からなる
第１の結晶層を形成する工程と、第１の結晶層上に、３
族窒化物半導体ＡｌzＧａl-zＮ（０．７≦ｚ≦１）から
なる第２の結晶層を形成する工程と、第１及び第２の結
晶層の形成後に、第２の結晶層の少なくとも一部分を、
エッチングにより除去する工程と、を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、３族窒化物半導体
素子（以下、単に素子とも記述する）に関し、特に、そ
の素子の作製方法に関する。
素子（以下、単に素子とも記述する）に関し、特に、そ
の素子の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】発光ダイオード及び半導体レーザダイオ
ードなどの発光素子の分野において、３族窒化物半導体
（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１）の単結晶にマグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）な
どの２族元素が添加された結晶層を有する半導体発光素
子が、青色発光可能な素子として注目されている。
ードなどの発光素子の分野において、３族窒化物半導体
（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦
１）の単結晶にマグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）な
どの２族元素が添加された結晶層を有する半導体発光素
子が、青色発光可能な素子として注目されている。
【０００３】上述の窒化物半導体のエピタキシャル成長
は、通常、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に
よって行なわれるが、ＭＯＣＶＤ法を用いＭｇやＺｎな
どの２族元素が添加された（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）結晶は、成長したまま（ａ
ｓ−ｇｒｏｗｎ：アズグロン）では極めて高抵抗であ
り、青色発光素子を作製しようとしても、電流を通ずる
ことができない。
は、通常、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に
よって行なわれるが、ＭＯＣＶＤ法を用いＭｇやＺｎな
どの２族元素が添加された（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ
（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）結晶は、成長したまま（ａ
ｓ−ｇｒｏｗｎ：アズグロン）では極めて高抵抗であ
り、青色発光素子を作製しようとしても、電流を通ずる
ことができない。
【０００４】近年、Ｍｇなどの２族元素を添加し高抵抗
化した（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦
ｙ≦１）結晶に特殊な処理を施すことにより、低抵抗ｐ
型化する方法が報告されている。Ｈ．Ａｍａｎｏ等は結
晶に低加速電子線照射処理を施すことにより、低抵抗ｐ
型化することを見出している（Ｈ． Ａｍａｎ ｅｔａ
ｌ．：Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏ
ｌ．２８， １９８９， ｐｐ． Ｌ２１１２−２１１
４）。また、Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ等は、窒素雰囲気
大気圧下又は加圧下で７００℃〜８００℃程度の加熱処
理を結晶に施すことによって、やはり低抵抗ｐ型化する
ことを見出している（Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔａ
ｌ．： Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖ
ｏｌ．３１．１９９２， ｐｐＬ１３９−１４２）。
化した（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦
ｙ≦１）結晶に特殊な処理を施すことにより、低抵抗ｐ
型化する方法が報告されている。Ｈ．Ａｍａｎｏ等は結
晶に低加速電子線照射処理を施すことにより、低抵抗ｐ
型化することを見出している（Ｈ． Ａｍａｎ ｅｔａ
ｌ．：Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏ
ｌ．２８， １９８９， ｐｐ． Ｌ２１１２−２１１
４）。また、Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ等は、窒素雰囲気
大気圧下又は加圧下で７００℃〜８００℃程度の加熱処
理を結晶に施すことによって、やはり低抵抗ｐ型化する
ことを見出している（Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔａ
ｌ．： Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖ
ｏｌ．３１．１９９２， ｐｐＬ１３９−１４２）。
【０００５】これらのｐ型化処理の機構は、成膜時にお
いてＭｇなどの２族アクセプタ不純物と膜中でも結合し
てこれを不導態化している水素原子が、上記処理によっ
て解離脱離するものとして解釈されている。前記低加速
電子線照射処理による方法は、発現するｐ型の室温正孔
濃度の値としてＥ１８／ｃｃ台の極めて高いものが得ら
れるものの、処理される深さが電子線の浸透深さで制限
され、加速電圧６〜３０ｋＶに対して約０．３μｍ程度
であった（Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔａｌ．： Ｊ
ｐｎ． Ｊ． Ａ．ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３
１． １９９２， ｐｐＬ １３９−１４２）。また、
真空中で電子線を掃引することによって処理を行うこと
になるため、装置が大がかりになる上に１枚のウェハを
処理するのに必要な時間が長くなるのが量産適用上の難
点であった。
いてＭｇなどの２族アクセプタ不純物と膜中でも結合し
てこれを不導態化している水素原子が、上記処理によっ
て解離脱離するものとして解釈されている。前記低加速
電子線照射処理による方法は、発現するｐ型の室温正孔
濃度の値としてＥ１８／ｃｃ台の極めて高いものが得ら
れるものの、処理される深さが電子線の浸透深さで制限
され、加速電圧６〜３０ｋＶに対して約０．３μｍ程度
であった（Ｓ． Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔａｌ．： Ｊ
ｐｎ． Ｊ． Ａ．ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３
１． １９９２， ｐｐＬ １３９−１４２）。また、
真空中で電子線を掃引することによって処理を行うこと
になるため、装置が大がかりになる上に１枚のウェハを
処理するのに必要な時間が長くなるのが量産適用上の難
点であった。
【０００６】一方、前記熱処理による方法は、処理深さ
については低加速電子線照射処理ほどの強い制約は無
く、また、多数のウェハを加熱炉に入れて一度に処理で
きるため、より量産に適していると考えられる。こうし
た熱処理を用いて半導体レーザ素子を作製した場合、室
温正孔濃度が３Ｅ１７／ｃｃ程度であるために電極部分
の接触抵抗が問題点として残る。また、膜全体の室温正
孔濃度を上げようとして処理温度を高めると、素子の電
気的特性がかえって悪化してしまうという現象があっ
た。これは、膜表面近傍の窒素が脱離することにより窒
素空孔が発生し、この窒素空孔がドナーとして働いてア
クセプタを補償してしまい、表面近傍の正孔濃度がかえ
って減少してしまうからであると考えられる。この結
果、電極の接触状況はかえって悪化してしまう。
については低加速電子線照射処理ほどの強い制約は無
く、また、多数のウェハを加熱炉に入れて一度に処理で
きるため、より量産に適していると考えられる。こうし
た熱処理を用いて半導体レーザ素子を作製した場合、室
温正孔濃度が３Ｅ１７／ｃｃ程度であるために電極部分
の接触抵抗が問題点として残る。また、膜全体の室温正
孔濃度を上げようとして処理温度を高めると、素子の電
気的特性がかえって悪化してしまうという現象があっ
た。これは、膜表面近傍の窒素が脱離することにより窒
素空孔が発生し、この窒素空孔がドナーとして働いてア
クセプタを補償してしまい、表面近傍の正孔濃度がかえ
って減少してしまうからであると考えられる。この結
果、電極の接触状況はかえって悪化してしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記のような窒素抜け
問題に対して、いくつかの対策が考えられる。たとえ
ば、第１の対策は、窒素雰囲気中で加熱処理を行う場合
に窒素の圧力を極めて高くする方法であり、９０気圧程
度の窒素圧力下で加熱処理を行えば、１０００℃程度の
温度でも表面劣化が生じないことが判明している（Ｓ．
Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔａｌ．： Ｊｐｎ． Ｊ．
Ａ．ｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３１． １９９
２， ｐｐＬ １２５８−１２６６）。
問題に対して、いくつかの対策が考えられる。たとえ
ば、第１の対策は、窒素雰囲気中で加熱処理を行う場合
に窒素の圧力を極めて高くする方法であり、９０気圧程
度の窒素圧力下で加熱処理を行えば、１０００℃程度の
温度でも表面劣化が生じないことが判明している（Ｓ．
Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔａｌ．： Ｊｐｎ． Ｊ．
Ａ．ｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｖｏｌ．３１． １９９
２， ｐｐＬ １２５８−１２６６）。
【０００８】しかしながら、この方法を用いる場合、極
めて高圧かつ高温の状況となるため、加熱処理用の容器
が特殊なものとなり、量産性を阻害する。窒素抜け問題
に対する第２の対処方法は、２族不純物元素を添加した
３族窒化物半導体の結晶層上に、別途の材料からなる保
護膜を形成した後に、加熱処理を行うというものであ
る。保護膜の材料には、結晶からの窒素の脱離を防止し
つつ、保護膜からの水素の脱離を阻害しないために、水
素透過性が必要となる。前述のような加熱処理に用いる
温度条件に耐え得る候補材料としては、ＳｉＯ2（酸化
シリコン）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化シリコン）、ＡｌＮ（窒化
アルミニウム）などが挙げられる。
めて高圧かつ高温の状況となるため、加熱処理用の容器
が特殊なものとなり、量産性を阻害する。窒素抜け問題
に対する第２の対処方法は、２族不純物元素を添加した
３族窒化物半導体の結晶層上に、別途の材料からなる保
護膜を形成した後に、加熱処理を行うというものであ
る。保護膜の材料には、結晶からの窒素の脱離を防止し
つつ、保護膜からの水素の脱離を阻害しないために、水
素透過性が必要となる。前述のような加熱処理に用いる
温度条件に耐え得る候補材料としては、ＳｉＯ2（酸化
シリコン）、Ｓｉ3Ｎ4（窒化シリコン）、ＡｌＮ（窒化
アルミニウム）などが挙げられる。
【０００９】ＳｉＯ2は、高温で安定なうえ、ＨＦ（フ
ッ酸）などを用いたウェットエッチングにより容易に除
去できる。一方、ＧａＮ（窒化ガリウム）はＨＦにより
殆ど侵食されないため、自動的に適正なエッチング量の
時点で停止するのが利点であるが、以下に述べるような
欠点がある。ＳｉＯ2はスパッタ法などで成膜すること
になるが、成膜中にＯ（酸素）が抜けてＳｉＯx（ｘは
原子比）になり易く、このため、酸素ガスを添加しつつ
成膜しなければならない。この時、酸素が窒化物半導体
膜中に侵入してしまう。酸素は３族窒化物半導体でドナ
ーとして働くため、２族不純物元素を添加した３族窒化
物半導体の結晶中のアクセプタを補償してしまい、表面
近傍の正孔濃度がかえって減少してしまうことになり、
充分な効果が得られない。
ッ酸）などを用いたウェットエッチングにより容易に除
去できる。一方、ＧａＮ（窒化ガリウム）はＨＦにより
殆ど侵食されないため、自動的に適正なエッチング量の
時点で停止するのが利点であるが、以下に述べるような
欠点がある。ＳｉＯ2はスパッタ法などで成膜すること
になるが、成膜中にＯ（酸素）が抜けてＳｉＯx（ｘは
原子比）になり易く、このため、酸素ガスを添加しつつ
成膜しなければならない。この時、酸素が窒化物半導体
膜中に侵入してしまう。酸素は３族窒化物半導体でドナ
ーとして働くため、２族不純物元素を添加した３族窒化
物半導体の結晶中のアクセプタを補償してしまい、表面
近傍の正孔濃度がかえって減少してしまうことになり、
充分な効果が得られない。
【００１０】Ｓｉ3Ｎ4も充分な高温安定性を有している
が、化学的にも安定性が極めて高いため、化学エッチン
グで除去することは困難である。したがって、ＲＩＥ
（反応性化学エッチング）で除去せざるを得ない。キャ
ップ層の除去を行う場合、前述したエッチングの選択性
（Ｇａ（ガリウム）上のＳｉＯ2をＨＦでエッチングす
る場合は理想的）が重要な要件となる。
が、化学的にも安定性が極めて高いため、化学エッチン
グで除去することは困難である。したがって、ＲＩＥ
（反応性化学エッチング）で除去せざるを得ない。キャ
ップ層の除去を行う場合、前述したエッチングの選択性
（Ｇａ（ガリウム）上のＳｉＯ2をＨＦでエッチングす
る場合は理想的）が重要な要件となる。
【００１１】特にレーザ素子の場合、各層の膜厚は重要
であり、最表層、すなわち電極用のコンタクト層（ここ
ではＭｇドープＧａＮ層）は０．１μｍ程度と比較的薄
い膜厚で形成されている。しかるに、上記のＲＩＥの場
合、高い選択比が望めないため、キャップ層を確実に除
去しつつ尚且つコンタクト層の膜厚を所定量残すことは
極めて困難になってしまうのである。
であり、最表層、すなわち電極用のコンタクト層（ここ
ではＭｇドープＧａＮ層）は０．１μｍ程度と比較的薄
い膜厚で形成されている。しかるに、上記のＲＩＥの場
合、高い選択比が望めないため、キャップ層を確実に除
去しつつ尚且つコンタクト層の膜厚を所定量残すことは
極めて困難になってしまうのである。
【００１２】また、実用的なレーザ素子を実現するため
には、内部になんらかの屈折率導波構造を作り込む必要
がある。最も一般的に用いられている代表的な構造は、
いわゆるリッジ構造である。リッジ構造の形成には、細
いリッジ部分を残して半導体結晶層を除去する方法があ
るが、この除去時の除去深さの制御に高い精度が要求さ
れる。このリッジ形成工程は上記のキャップ層除去工程
の後で行うことになるため、キャップ層除去工程で生じ
た誤差はそのままリッジ高さの誤差に反映してしまうこ
ととなる。
には、内部になんらかの屈折率導波構造を作り込む必要
がある。最も一般的に用いられている代表的な構造は、
いわゆるリッジ構造である。リッジ構造の形成には、細
いリッジ部分を残して半導体結晶層を除去する方法があ
るが、この除去時の除去深さの制御に高い精度が要求さ
れる。このリッジ形成工程は上記のキャップ層除去工程
の後で行うことになるため、キャップ層除去工程で生じ
た誤差はそのままリッジ高さの誤差に反映してしまうこ
ととなる。
【００１３】さらに不都合なことは、ＲＩＥは純粋な化
学エッチングと異なり、プラズマを使用するため結晶表
面に高エネルギの粒子を照射するため、ＲＩＥによりエ
ッチングされた表面には結晶欠陥が形成されてしまう。
こうした欠陥が存在することによって電極接触状態が悪
化してしまうため、この場合もやはり充分な効果が得ら
れない。
学エッチングと異なり、プラズマを使用するため結晶表
面に高エネルギの粒子を照射するため、ＲＩＥによりエ
ッチングされた表面には結晶欠陥が形成されてしまう。
こうした欠陥が存在することによって電極接触状態が悪
化してしまうため、この場合もやはり充分な効果が得ら
れない。
【００１４】ＡｌＮはＧａＮと同様に３族窒化物半導体
であるが、ＧａＮと比較してはるかに高温安定性があ
り、加熱処理温度である８００℃から１０００℃ではほ
とんど分解しない。ＡｌＮを保護膜として用いる場合、
成膜手法はアルミニウム（Ａｌ）ターゲットと窒素ガス
（Ｎ2）を用いた反応性スパッタになり、この場合、保
護膜形成に直接起因する酸素の侵入は無いと考えられ
る。
であるが、ＧａＮと比較してはるかに高温安定性があ
り、加熱処理温度である８００℃から１０００℃ではほ
とんど分解しない。ＡｌＮを保護膜として用いる場合、
成膜手法はアルミニウム（Ａｌ）ターゲットと窒素ガス
（Ｎ2）を用いた反応性スパッタになり、この場合、保
護膜形成に直接起因する酸素の侵入は無いと考えられ
る。
【００１５】また、ＡｌＮは加熱したＫＯＨ（水酸化カ
リウム）水溶液で比較的容易に化学エッチングでき、し
かもこのエッチング条件下ではＧａＮ（少なくともここ
で用いる単結晶のＧａＮ）は全く侵食されないため、両
者の界面でエッチングが自動的に停止するので誠に好都
合である。しかしながら、実験の結果、十分な効果、つ
まりｐ側電極特性の十分な改善は得られなかった。これ
は、ＡｌＮの水素透過性が充分なものでなかったためと
考えられる。
リウム）水溶液で比較的容易に化学エッチングでき、し
かもこのエッチング条件下ではＧａＮ（少なくともここ
で用いる単結晶のＧａＮ）は全く侵食されないため、両
者の界面でエッチングが自動的に停止するので誠に好都
合である。しかしながら、実験の結果、十分な効果、つ
まりｐ側電極特性の十分な改善は得られなかった。これ
は、ＡｌＮの水素透過性が充分なものでなかったためと
考えられる。
【００１６】窒素抜け問題に対する第３の対処方法は、
２族不純物元素を添加した３族窒化物半導体の結晶層上
に引続いてｎ型の３族窒化物半導体の結晶層を形成し、
成膜を完了した後に、このｎ型の３族窒化物半導体の結
晶層を除去するというものである。これは、２族不純物
元素を添加した３族窒化物半導体の結晶中でアクセプタ
を不導態化している水素原子のかなりの部分が結晶成長
後の冷却過程中に結晶表面を通じて結晶内に拡散侵入し
たものであることと、水素原子がｎ型半導体結晶中を拡
散、透過しにくい性質を用いたものである。この方法
は、成膜後の別途の加熱処理を特に必要としないのが利
点であるが、ｎ型層の膜厚を十分厚くしないとＭｇドー
プ膜のｐ型発現が不十分になってしまう傾向を有してい
る。
２族不純物元素を添加した３族窒化物半導体の結晶層上
に引続いてｎ型の３族窒化物半導体の結晶層を形成し、
成膜を完了した後に、このｎ型の３族窒化物半導体の結
晶層を除去するというものである。これは、２族不純物
元素を添加した３族窒化物半導体の結晶中でアクセプタ
を不導態化している水素原子のかなりの部分が結晶成長
後の冷却過程中に結晶表面を通じて結晶内に拡散侵入し
たものであることと、水素原子がｎ型半導体結晶中を拡
散、透過しにくい性質を用いたものである。この方法
は、成膜後の別途の加熱処理を特に必要としないのが利
点であるが、ｎ型層の膜厚を十分厚くしないとＭｇドー
プ膜のｐ型発現が不十分になってしまう傾向を有してい
る。
【００１７】また、第２の方法に関して述べた欠点もま
た有している。つまり、ｎ型層の除去にＲＩＥなどのド
ライエッチングが必要であることと、取り除くべきキャ
ップ層（ここではｎ型ＧａＮ層）と下地層（ここではＭ
ｇドープＧａＮ層）の間になんらの選択性もないことな
どである。ＡｌＮによる保護膜の形成工程の説明で前述
したように、ＡｌＮはＫＯＨ水溶液で化学エッチングで
きるので、最表面の層を高ＡｌＮ組成比（＞５０％）の
ＡｌＧａＮにすれば高選択比の化学エッチングが適用で
きるが、こうした組成領域のＡｌＧａＮは不純物の添加
の有無によらず絶縁体となってしまうことが知られてい
る。これは、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）といった一
般的なドナー不純物がこの組成域ではドナーとして働か
なくなってしまうためであり、これは理論計算でも裏付
けられている。従って、このような組成域のＡｌＧａＮ
を用いた場合、水素の拡散、透過は十分に防止されな
い。
た有している。つまり、ｎ型層の除去にＲＩＥなどのド
ライエッチングが必要であることと、取り除くべきキャ
ップ層（ここではｎ型ＧａＮ層）と下地層（ここではＭ
ｇドープＧａＮ層）の間になんらの選択性もないことな
どである。ＡｌＮによる保護膜の形成工程の説明で前述
したように、ＡｌＮはＫＯＨ水溶液で化学エッチングで
きるので、最表面の層を高ＡｌＮ組成比（＞５０％）の
ＡｌＧａＮにすれば高選択比の化学エッチングが適用で
きるが、こうした組成領域のＡｌＧａＮは不純物の添加
の有無によらず絶縁体となってしまうことが知られてい
る。これは、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）といった一
般的なドナー不純物がこの組成域ではドナーとして働か
なくなってしまうためであり、これは理論計算でも裏付
けられている。従って、このような組成域のＡｌＧａＮ
を用いた場合、水素の拡散、透過は十分に防止されな
い。
【００１８】このように、ｐ型ＧａＮ膜中の正孔濃度を
高い値にしつつも、一方で、レーザ素子の電極特性や加
工精度や生産性を阻害しない３族窒化物半導体素子の製
造方法が存在しなかった。そこで、本発明では、正孔濃
度を向上させるとともに、結晶層の低抵抗ｐ型化のため
素子製造工程上大きな負担を生ぜずに十分な効果をあげ
る３族窒化物半導体素子製造方法を提供することを目的
とする。
高い値にしつつも、一方で、レーザ素子の電極特性や加
工精度や生産性を阻害しない３族窒化物半導体素子の製
造方法が存在しなかった。そこで、本発明では、正孔濃
度を向上させるとともに、結晶層の低抵抗ｐ型化のため
素子製造工程上大きな負担を生ぜずに十分な効果をあげ
る３族窒化物半導体素子製造方法を提供することを目的
とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の３族窒化物半導
体素子の製造方法は、２族不純物元素を添加した３族窒
化物半導体（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，
０≦ｙ≦１）からなる第１の結晶層を形成する工程と、
前記第１の結晶層上に、３族窒化物半導体ＡｌzＧａl-z
Ｎ（０．７≦ｚ≦１）からなる第２の結晶層を形成する
工程と、前記第１及び第２の結晶層の形成後に、前記第
２の結晶層の少なくとも一部分を、エッチングにより除
去する工程と、を含むことを特徴とする。
体素子の製造方法は、２族不純物元素を添加した３族窒
化物半導体（ＡｌxＧａl-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，
０≦ｙ≦１）からなる第１の結晶層を形成する工程と、
前記第１の結晶層上に、３族窒化物半導体ＡｌzＧａl-z
Ｎ（０．７≦ｚ≦１）からなる第２の結晶層を形成する
工程と、前記第１及び第２の結晶層の形成後に、前記第
２の結晶層の少なくとも一部分を、エッチングにより除
去する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２０】本発明の３族窒化物半導体素子の製造方法
においては、前記第２の結晶層の形成を、前記第１の結
晶層の形成温度と略同一の温度において開始することを
特徴とする。本発明の３族窒化物半導体素子の製造方法
においては、前記第１及び第２の結晶層の形成は有機金
属化学気相成長法で行うことを特徴とする。
においては、前記第２の結晶層の形成を、前記第１の結
晶層の形成温度と略同一の温度において開始することを
特徴とする。本発明の３族窒化物半導体素子の製造方法
においては、前記第１及び第２の結晶層の形成は有機金
属化学気相成長法で行うことを特徴とする。
【００２１】本発明の３族窒化物半導体素子の製造方法
においては、前記有機金属化学気相成長法における窒素
原料がアンモニアであることを特徴とする。本発明の３
族窒化物半導体素子の製造方法においては、前記第２の
結晶層の形成時及び又は形成終了後の降温過程におい
て、結晶成長用反応管へのアンモニアの供給量を、第１
の結晶層成長時のアンモニアの供給量より減じたことを
特徴とする。
においては、前記有機金属化学気相成長法における窒素
原料がアンモニアであることを特徴とする。本発明の３
族窒化物半導体素子の製造方法においては、前記第２の
結晶層の形成時及び又は形成終了後の降温過程におい
て、結晶成長用反応管へのアンモニアの供給量を、第１
の結晶層成長時のアンモニアの供給量より減じたことを
特徴とする。
【００２２】本発明の３族窒化物半導体素子の製造方法
においては、前記第２の結晶層の形成終期において、結
晶成長用反応管への３族原料の供給停止時点より早期に
アンモニアの供給を停止することを特徴とする。本発明
の３族窒化物半導体素子の製造方法においては、前記第
２の結晶層の形成終期において、結晶成長用反応管のガ
ス排気経路に設置したアンモニアの検出器のアンモニア
濃度指示値が所定の値を下回ったことを検出して、３族
原料の供給を停止するとともに、降温を行うことを特徴
とする。
においては、前記第２の結晶層の形成終期において、結
晶成長用反応管への３族原料の供給停止時点より早期に
アンモニアの供給を停止することを特徴とする。本発明
の３族窒化物半導体素子の製造方法においては、前記第
２の結晶層の形成終期において、結晶成長用反応管のガ
ス排気経路に設置したアンモニアの検出器のアンモニア
濃度指示値が所定の値を下回ったことを検出して、３族
原料の供給を停止するとともに、降温を行うことを特徴
とする。
【００２３】本発明の３族窒化物半導体素子の製造方法
においては、前記第２の結晶層の形成時において、キャ
リアガスは窒素であることを特徴とする。このように本
発明の３族窒化物半導体素子の製造方法によれば、Ａｌ
Ｎを第２の結晶層であるキャップ層として用い、これを
第１の結晶層である２族不純物を添加した３族窒化物半
導体層上に成膜し、さらに、上記ＡｌＮ層の成膜時にお
いて成膜装置に導入するアンモニア（ＮＨ3）の供給量
を大幅に減少させるとともに、成膜終了後に加熱処理は
行わずに、ＧａＮに対して十分な化学エッチング選択比
を有しているＡｌＮキャップ層を、化学エッチングで除
去することにより、表面が高正孔濃度の第１の結晶層を
有した素子ウェハを得ることができる。
においては、前記第２の結晶層の形成時において、キャ
リアガスは窒素であることを特徴とする。このように本
発明の３族窒化物半導体素子の製造方法によれば、Ａｌ
Ｎを第２の結晶層であるキャップ層として用い、これを
第１の結晶層である２族不純物を添加した３族窒化物半
導体層上に成膜し、さらに、上記ＡｌＮ層の成膜時にお
いて成膜装置に導入するアンモニア（ＮＨ3）の供給量
を大幅に減少させるとともに、成膜終了後に加熱処理は
行わずに、ＧａＮに対して十分な化学エッチング選択比
を有しているＡｌＮキャップ層を、化学エッチングで除
去することにより、表面が高正孔濃度の第１の結晶層を
有した素子ウェハを得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明による素子作製方
法について添付図面を参照しつつ実施例を用いて説明す
る。図１に示したのは、３族窒化物半導体を用いた半導
体レーザ素子の例で、ＳＣＨ(Separate Confinement He
terostructure)構造のリッジ型レーザ素子である。１は
単結晶サファイア基板、２は低温で成膜されたＧａＮ
（又はＡｌＮ）層、３はｎ型ＧａＮ層、４はｎ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層、５はｎ型ＧａＮ層、６はＩｎＧａＮを
主たる構成要素とする活性層、７はｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8
Ｎ層、８はｐ型ＧａＮ層、９はｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
層、１０はｐ型ＧａＮ層、１４はｎ側電極、１３及び１
５はｐ側電極である。１８はリッジ、１１はＳｉＯ2か
らなる絶縁膜である。
法について添付図面を参照しつつ実施例を用いて説明す
る。図１に示したのは、３族窒化物半導体を用いた半導
体レーザ素子の例で、ＳＣＨ(Separate Confinement He
terostructure)構造のリッジ型レーザ素子である。１は
単結晶サファイア基板、２は低温で成膜されたＧａＮ
（又はＡｌＮ）層、３はｎ型ＧａＮ層、４はｎ型Ａｌ
0.1Ｇａ0.9Ｎ層、５はｎ型ＧａＮ層、６はＩｎＧａＮを
主たる構成要素とする活性層、７はｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8
Ｎ層、８はｐ型ＧａＮ層、９はｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ
層、１０はｐ型ＧａＮ層、１４はｎ側電極、１３及び１
５はｐ側電極である。１８はリッジ、１１はＳｉＯ2か
らなる絶縁膜である。
【００２５】活性層６において電子と正孔を再結合させ
ることによって素子が発光する。ｎ型ＧａＮ層５及びｐ
型ＧａＮ層８は活性層で発生した光を導波するガイド層
であり、ガイド層のバンドギャップを活性層６のバンド
ギャップよりが大きく設定することによって、電子及び
正孔を活性層内に効果的に閉じ込めるようになってい
る。ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層７は注入されたキャリア
（特に電子）の閉じ込めを更に強化する障壁層であり、
ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４及びｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
９はガイド層５及び８より低屈折率で作製されているク
ラッド層であり、ガイド層との屈折率差によって、発生
した光の導波が行なわれる。リッジ部１８はクラッド層
９の厚さを変化させることで実効屈折率に横方向の分布
を生じさせて、発生した光を横方向に閉じ込めるために
設けてある。ｎ型ＧａＮ層３は電流の流路として設けら
れている下地層であり、基板であるサファイアに全く導
電性がないために設けられている。また、低温成長Ｇａ
Ｎ（又はＡｌＮ）層２はいわゆるバッファ層であり、Ｇ
ａＮにとっての異種物質であるサファイア基板上に平滑
膜を作製するために形成されている。
ることによって素子が発光する。ｎ型ＧａＮ層５及びｐ
型ＧａＮ層８は活性層で発生した光を導波するガイド層
であり、ガイド層のバンドギャップを活性層６のバンド
ギャップよりが大きく設定することによって、電子及び
正孔を活性層内に効果的に閉じ込めるようになってい
る。ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層７は注入されたキャリア
（特に電子）の閉じ込めを更に強化する障壁層であり、
ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層４及びｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層
９はガイド層５及び８より低屈折率で作製されているク
ラッド層であり、ガイド層との屈折率差によって、発生
した光の導波が行なわれる。リッジ部１８はクラッド層
９の厚さを変化させることで実効屈折率に横方向の分布
を生じさせて、発生した光を横方向に閉じ込めるために
設けてある。ｎ型ＧａＮ層３は電流の流路として設けら
れている下地層であり、基板であるサファイアに全く導
電性がないために設けられている。また、低温成長Ｇａ
Ｎ（又はＡｌＮ）層２はいわゆるバッファ層であり、Ｇ
ａＮにとっての異種物質であるサファイア基板上に平滑
膜を作製するために形成されている。
【００２６】図１に示した素子構造の作製工程を以下に
述べる。まず、図２に示す試料基板を作製する。サファ
イア基板１を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、１０５
０℃の温度において３００Ｔｏｒｒの圧力の水素気流中
で１０分間保持し、サファイア基板１表面の熱クリーニ
ングを行う。この後、サファイア基板１をその温度が６
００℃になるまで降温し、窒素原料であるＮＨ3と、Ａ
ｌ原料であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を成長
炉内に導入し、ＡｌＮからなるバッファ層２を２０ｎｍ
の厚さに堆積させる。
述べる。まず、図２に示す試料基板を作製する。サファ
イア基板１を成膜用ＭＯＣＶＤ成長炉に装填し、１０５
０℃の温度において３００Ｔｏｒｒの圧力の水素気流中
で１０分間保持し、サファイア基板１表面の熱クリーニ
ングを行う。この後、サファイア基板１をその温度が６
００℃になるまで降温し、窒素原料であるＮＨ3と、Ａ
ｌ原料であるＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を成長
炉内に導入し、ＡｌＮからなるバッファ層２を２０ｎｍ
の厚さに堆積させる。
【００２７】続いてＴＭＡの供給を止め、ＮＨ3のみを
流したまま、バッファ層２が成膜されたサファイア基板
１の温度を再び１０５０℃に昇温し、ＴＭＧ（トリメチ
ルガリウム）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積層す
る。この時ｎ型不純物であるＳｉの原料としてＭｅ−Ｓ
ｉＨ3（メチルシラン）を成長雰囲気ガスに添加する。
ｎ型ＧａＮ下地層３が４μｍ程度成長した時点で、ＴＭ
Ｇの供給のみを停止する。一方、Ｍｅ−ＳｉＨ3（メチ
ルシラン）はその供給量を増加してそのまま供給し続け
る。５分間この状態を保持した後、Ｍｅ−ＳｉＨ3（メ
チルシラン）供給量をｎ型層として必要な量まで減らす
とともに、ＴＭＧを再度導入し、同時にＴＭＡを導入し
てｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４の成膜を行う。
流したまま、バッファ層２が成膜されたサファイア基板
１の温度を再び１０５０℃に昇温し、ＴＭＧ（トリメチ
ルガリウム）を導入してｎ型ＧａＮ下地層３を積層す
る。この時ｎ型不純物であるＳｉの原料としてＭｅ−Ｓ
ｉＨ3（メチルシラン）を成長雰囲気ガスに添加する。
ｎ型ＧａＮ下地層３が４μｍ程度成長した時点で、ＴＭ
Ｇの供給のみを停止する。一方、Ｍｅ−ＳｉＨ3（メチ
ルシラン）はその供給量を増加してそのまま供給し続け
る。５分間この状態を保持した後、Ｍｅ−ＳｉＨ3（メ
チルシラン）供給量をｎ型層として必要な量まで減らす
とともに、ＴＭＧを再度導入し、同時にＴＭＡを導入し
てｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４の成膜を行う。
【００２８】ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層４が０．５μｍ
程度成長した時点で、ＴＭＡの供給を停止し、ｎ型Ｇａ
Ｎガイド層５を０．１μｍ成長する。ｎ型ＧａＮガイド
層５の成長が完了した時点で、ＴＭＧ及びＭｅ−ＳｉＨ
3の供給を停止して降温を開始し、基板温度を７５０℃
とする。基板温度が７５０℃となった時点で、原料輸送
ガスであるキャリアガスを水素から窒素に切換え、ガス
流の状態が安定した時点で、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＭｅ−
ＳｉＨ3を導入してバリア層（障壁層）の成長を行う。
次に、Ｍｅ−ＳｉＨ3の供給を停止するとともにＴＭＩ
の流量を増加して、バリア層よりＩｎ組成の高い井戸層
を成長する。バリア層と井戸層の成長は、多重量子井戸
の設計繰返し数に合わせて繰り返す。これにより、多重
量子井戸の活性層６を形成する。
程度成長した時点で、ＴＭＡの供給を停止し、ｎ型Ｇａ
Ｎガイド層５を０．１μｍ成長する。ｎ型ＧａＮガイド
層５の成長が完了した時点で、ＴＭＧ及びＭｅ−ＳｉＨ
3の供給を停止して降温を開始し、基板温度を７５０℃
とする。基板温度が７５０℃となった時点で、原料輸送
ガスであるキャリアガスを水素から窒素に切換え、ガス
流の状態が安定した時点で、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＭｅ−
ＳｉＨ3を導入してバリア層（障壁層）の成長を行う。
次に、Ｍｅ−ＳｉＨ3の供給を停止するとともにＴＭＩ
の流量を増加して、バリア層よりＩｎ組成の高い井戸層
を成長する。バリア層と井戸層の成長は、多重量子井戸
の設計繰返し数に合わせて繰り返す。これにより、多重
量子井戸の活性層６を形成する。
【００２９】最後の井戸層上にバリア層を成膜した時点
で、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＭｅ−ＳｉＨ3の供給を停止す
るとともに、キャリアガスを窒素から水素に切換え、ガ
ス流の状態が安定したところ基板温度を再び１０５０℃
に上昇し、ＴＭＧ及びＴＭＡとｐ型不純物であるＭｇの
原料としてＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇ（エチル−シクロペンタジ
マグネシウム）とを導入してｐ型ＡｌＧａＮ層７を０．
０１μｍ積層する。
で、ＴＭＧ、ＴＭＩ及びＭｅ−ＳｉＨ3の供給を停止す
るとともに、キャリアガスを窒素から水素に切換え、ガ
ス流の状態が安定したところ基板温度を再び１０５０℃
に上昇し、ＴＭＧ及びＴＭＡとｐ型不純物であるＭｇの
原料としてＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇ（エチル−シクロペンタジ
マグネシウム）とを導入してｐ型ＡｌＧａＮ層７を０．
０１μｍ積層する。
【００３０】続いて、ＴＭＡの供給を停止し、ｐ型Ｇａ
Ｎガイド層８を０．１μｍ成長し、再びＴＭＡを導入し
てｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を０．５μｍ成長する。
更に、この上にｐ型ＧａＮコンタクト層１０を０．１μ
ｍ成長する。次に、ＴＭＧ及びＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇの供給
を停止すると同時に、１０５０℃で、ｐ型ＧａＮコンタ
クト層１０上に、ＴＭＡを供給してＡｌＮキャップ層１
６の成長を開始する。ここでは、ＡｌＮの成長初期だけ
その前の工程の温度とほぼ同じ温度に保持すればよい。
Ｎガイド層８を０．１μｍ成長し、再びＴＭＡを導入し
てｐ型ＡｌＧａＮクラッド層９を０．５μｍ成長する。
更に、この上にｐ型ＧａＮコンタクト層１０を０．１μ
ｍ成長する。次に、ＴＭＧ及びＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇの供給
を停止すると同時に、１０５０℃で、ｐ型ＧａＮコンタ
クト層１０上に、ＴＭＡを供給してＡｌＮキャップ層１
６の成長を開始する。ここでは、ＡｌＮの成長初期だけ
その前の工程の温度とほぼ同じ温度に保持すればよい。
【００３１】ＡｌＮ成長開始時のみＮＨ3の供給量をｐ
型ＧａＮコンタクト層からの窒素脱離を防止するのに十
分な量にしておけばよいので、ＡｌＮキャップ層１６成
長開始とともにＮＨ3の供給量を大幅に減少させる。例
えば、本実施例の場合、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０成
長時のＮＨ3流量は５ＳＬＭ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉ
ｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）であるが、ＡｌＮキャ
ップ層１６の成長時は０．２ＳＬＭまで減少させる。Ａ
ｌＮキャップ層１６を０．０１μｍ成長させた時点で、
ＴＭＡの供給を停止してＡｌＮの成長を終了するにあた
り、わずかに早く（１秒〜１０秒前）、ＮＨ3の供給を
停止する。
型ＧａＮコンタクト層からの窒素脱離を防止するのに十
分な量にしておけばよいので、ＡｌＮキャップ層１６成
長開始とともにＮＨ3の供給量を大幅に減少させる。例
えば、本実施例の場合、ｐ型ＧａＮコンタクト層１０成
長時のＮＨ3流量は５ＳＬＭ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉ
ｔｅｒ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）であるが、ＡｌＮキャ
ップ層１６の成長時は０．２ＳＬＭまで減少させる。Ａ
ｌＮキャップ層１６を０．０１μｍ成長させた時点で、
ＴＭＡの供給を停止してＡｌＮの成長を終了するにあた
り、わずかに早く（１秒〜１０秒前）、ＮＨ3の供給を
停止する。
【００３２】このようにして、図２に示すウェハ基板を
調製する。ＴＭＡの供給停止と同時に降温を開始し、基
板温度が室温になった時点で、成長炉よりウェハを取り
出す。成膜装置から取り出したウェハを８５℃に加熱し
た１０％ＫＯＨ水溶液に浸漬し、ＡｌＮキャップ層１６
を除去する。エッチング速度はＡｌＮキャップ層１６の
結晶状態でかなり左右されるが、ＧａＮとＡｌＮとで選
択比が極めて高いので、確実にＡｌＮキャップ層１６が
除去されるようにエッチング時間を設定すればよい。
調製する。ＴＭＡの供給停止と同時に降温を開始し、基
板温度が室温になった時点で、成長炉よりウェハを取り
出す。成膜装置から取り出したウェハを８５℃に加熱し
た１０％ＫＯＨ水溶液に浸漬し、ＡｌＮキャップ層１６
を除去する。エッチング速度はＡｌＮキャップ層１６の
結晶状態でかなり左右されるが、ＧａＮとＡｌＮとで選
択比が極めて高いので、確実にＡｌＮキャップ層１６が
除去されるようにエッチング時間を設定すればよい。
【００３３】こうして得られた図３に示すウェハを複数
作製した。これらを試料１と呼ぶことにする。比較用
に、従来例として、上記ＡｌＮキャップ層成長工程が無
い方法で同様な比較用ウェハを複数作製した。すなわ
ち、ｐ型ＧａＮコンタクト層を０．１μｍ成長後、ＴＭ
Ｇ及びＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇの供給を停止するとともに降温
を開始し、基板温度が４００℃になった時点で、ＮＨ3
の供給を停止し、基板温度が室温になった時点で、比較
用ウェハを取り出した。なお、この場合、ＮＨ3の流量
は５ＳＬＭのまま一定であった。
作製した。これらを試料１と呼ぶことにする。比較用
に、従来例として、上記ＡｌＮキャップ層成長工程が無
い方法で同様な比較用ウェハを複数作製した。すなわ
ち、ｐ型ＧａＮコンタクト層を０．１μｍ成長後、ＴＭ
Ｇ及びＥｔ−Ｃｐ2Ｍｇの供給を停止するとともに降温
を開始し、基板温度が４００℃になった時点で、ＮＨ3
の供給を停止し、基板温度が室温になった時点で、比較
用ウェハを取り出した。なお、この場合、ＮＨ3の流量
は５ＳＬＭのまま一定であった。
【００３４】成膜装置から取り出した比較用ウェハを熱
処理装置に装填し、大気圧の窒素気流中で８００℃、２
０分の加熱処理を行った。こうして得られた比較用ウェ
ハを試料２と呼ぶことにする。次に、図４に示すよう
に、作製された試料１及び２の各ウェハ全面上に、ｐ側
電極用として、真空蒸着法によりＮｉ（ニッケル）膜１
５を２００ｎｍ成膜する。
処理装置に装填し、大気圧の窒素気流中で８００℃、２
０分の加熱処理を行った。こうして得られた比較用ウェ
ハを試料２と呼ぶことにする。次に、図４に示すよう
に、作製された試料１及び２の各ウェハ全面上に、ｐ側
電極用として、真空蒸着法によりＮｉ（ニッケル）膜１
５を２００ｎｍ成膜する。
【００３５】次に、図５に示すように、ウェットエッチ
ングによりＮｉ膜１５の一部を除去する。次に、図６に
示すように、残っているＮｉ膜１５をマスクとして、塩
素ガス（Ｃｌ2）によるＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）を用いて、露出している窒化物半導体層をエッチン
グする。この時、ｎ型クラッド層４を若干残す深さまで
エッチングを行う。
ングによりＮｉ膜１５の一部を除去する。次に、図６に
示すように、残っているＮｉ膜１５をマスクとして、塩
素ガス（Ｃｌ2）によるＲＩＥ（反応性イオンエッチン
グ）を用いて、露出している窒化物半導体層をエッチン
グする。この時、ｎ型クラッド層４を若干残す深さまで
エッチングを行う。
【００３６】次に、図７に示すように、Ｎｉ膜を幅５μ
ｍを残して、ウエットエッチングにより除去し、５μｍ
幅のＮｉマスクを形成する。次に、ＲＩＥ（反応性イオ
ンエッチング）を用いて、５μｍ幅のリッジストライプ
部直下以外の部分、すなわちコンタクト層１０及びｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層９を、クラッド層９の約０．１μ
ｍ残して除去し、図８に示すように、狭リッジ構造１８
を形成する。この時、同時に、残りのｎ型クラッド層４
が除去され、部分的にｎ型ＧａＮ下地層３が露出する。
ｍを残して、ウエットエッチングにより除去し、５μｍ
幅のＮｉマスクを形成する。次に、ＲＩＥ（反応性イオ
ンエッチング）を用いて、５μｍ幅のリッジストライプ
部直下以外の部分、すなわちコンタクト層１０及びｐ型
ＡｌＧａＮクラッド層９を、クラッド層９の約０．１μ
ｍ残して除去し、図８に示すように、狭リッジ構造１８
を形成する。この時、同時に、残りのｎ型クラッド層４
が除去され、部分的にｎ型ＧａＮ下地層３が露出する。
【００３７】この状態になったウェハ上にＳｉＯ2保護
膜１１をスパッタリングなどの方法によって堆積させ
る。この後、通常のフォトリソグラフィ法によってＳｉ
Ｏ2保護膜１１にｐ型リッジ部に３μｍ幅の窓部、及び
ｎ側電極用窓部を形成する。ｎ型ＧａＮ層３が露出して
いる部分に、Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、続いてＡｌ
（アルミニウム）を２００ｎｍ蒸着し、ｎ側電極１４を
形成する。ｐ型ＧａＮ層が露出している部分には、Ｎｉ
（ニッケル）を５０ｎｍ、Ａｕ（金）を２００ｎｍ蒸着
してｐ側電極１３を形成して、各ウェハに図１に示す素
子の複数を作り込む。
膜１１をスパッタリングなどの方法によって堆積させ
る。この後、通常のフォトリソグラフィ法によってＳｉ
Ｏ2保護膜１１にｐ型リッジ部に３μｍ幅の窓部、及び
ｎ側電極用窓部を形成する。ｎ型ＧａＮ層３が露出して
いる部分に、Ｔｉ（チタン）を５０ｎｍ、続いてＡｌ
（アルミニウム）を２００ｎｍ蒸着し、ｎ側電極１４を
形成する。ｐ型ＧａＮ層が露出している部分には、Ｎｉ
（ニッケル）を５０ｎｍ、Ａｕ（金）を２００ｎｍ蒸着
してｐ側電極１３を形成して、各ウェハに図１に示す素
子の複数を作り込む。
【００３８】このようにして作製された各ウェハを素子
毎に切断して素子の電圧電流特性の測定を行った。図９
のａ．は上記の実施例における方法で処理されたウェハ
試料１から作製した素子の電圧電流特性である。これと
比較するために、従来例の試料２から作製した素子の電
圧電流特性も同図中のｂ．で示した。従来例素子の電圧
電流特性ｂ．の場合、特に電流の立ち上がり部分での曲
がりが著しく、材料であるＧａＮのハンドキャップから
予測される約３．４Ｖより高い立ち上がり電圧を示して
いる。このことは、ｐ側電極部分に何らかの電位障壁が
あることを示しており、加熱処理中に半導体表面近傍の
Ｎ原子が脱離したことによるものと推測される。一方、
本発明の製造方法による素子の電圧電流特性ａ．では立
ち上り部分が顕著に改善されており、電極の接触状態が
大きく改善されたことを示している。
毎に切断して素子の電圧電流特性の測定を行った。図９
のａ．は上記の実施例における方法で処理されたウェハ
試料１から作製した素子の電圧電流特性である。これと
比較するために、従来例の試料２から作製した素子の電
圧電流特性も同図中のｂ．で示した。従来例素子の電圧
電流特性ｂ．の場合、特に電流の立ち上がり部分での曲
がりが著しく、材料であるＧａＮのハンドキャップから
予測される約３．４Ｖより高い立ち上がり電圧を示して
いる。このことは、ｐ側電極部分に何らかの電位障壁が
あることを示しており、加熱処理中に半導体表面近傍の
Ｎ原子が脱離したことによるものと推測される。一方、
本発明の製造方法による素子の電圧電流特性ａ．では立
ち上り部分が顕著に改善されており、電極の接触状態が
大きく改善されたことを示している。
【００３９】以下に、本発明の方法における作用機構に
ついて実施例にのっとった考察を含め詳述する。Ｍｇな
どの２族元素を添加した３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ
1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）結晶膜を
ＭＯＣＶＤ法により成長させると、結晶膜中に水素が取
り込まれ、アクセプタ不純物となるべきＭｇが不動態化
される。この水素の量は、結晶膜中に添加されているＭ
ｇの量とほぼ等しく、膜中にＭｇ−Ｈの形に結合した状
態で取り込まれていると考えられている。一方、理論計
算から、Ｍｇ−Ｈは３００℃程度の温度で解離すること
がわかっている。すなわち、高温で成膜中のＭｇ添加Ｇ
ａＮ層に存在している水素原子の濃度は、通常の成膜終
了後のいわゆる「アズグロン」膜中に存在する水素原子
の濃度よりかなり低いものと考えられる。したがって、
上記の「窒素抜け問題に対する第３の対処方法」の部分
で述べたように、「アズグロン」膜中に存在する水素原
子のかなりの部分は成膜後の冷却過程において雰囲気ガ
スから侵入し拡散したものであると推測される。
ついて実施例にのっとった考察を含め詳述する。Ｍｇな
どの２族元素を添加した３族窒化物半導体（ＡｌxＧａ
1-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）結晶膜を
ＭＯＣＶＤ法により成長させると、結晶膜中に水素が取
り込まれ、アクセプタ不純物となるべきＭｇが不動態化
される。この水素の量は、結晶膜中に添加されているＭ
ｇの量とほぼ等しく、膜中にＭｇ−Ｈの形に結合した状
態で取り込まれていると考えられている。一方、理論計
算から、Ｍｇ−Ｈは３００℃程度の温度で解離すること
がわかっている。すなわち、高温で成膜中のＭｇ添加Ｇ
ａＮ層に存在している水素原子の濃度は、通常の成膜終
了後のいわゆる「アズグロン」膜中に存在する水素原子
の濃度よりかなり低いものと考えられる。したがって、
上記の「窒素抜け問題に対する第３の対処方法」の部分
で述べたように、「アズグロン」膜中に存在する水素原
子のかなりの部分は成膜後の冷却過程において雰囲気ガ
スから侵入し拡散したものであると推測される。
【００４０】こうした水素原子は大量に供給されている
ＮＨ3を起源としている。大量のＮＨ3が必要なのは、成
長が行われる１０００℃程度の高温下でのＧａＮの平衡
窒素圧力が極めて高く、十分なＮＨ3流量がないと成膜
は進行せず、窒素脱離に起因する蒸発が生じてしまうた
めである。こうして大量に供給されるＮＨ3が分解して
活性な窒素を発生すると同時に、原子状の水素もまた大
量に発生させることになる。
ＮＨ3を起源としている。大量のＮＨ3が必要なのは、成
長が行われる１０００℃程度の高温下でのＧａＮの平衡
窒素圧力が極めて高く、十分なＮＨ3流量がないと成膜
は進行せず、窒素脱離に起因する蒸発が生じてしまうた
めである。こうして大量に供給されるＮＨ3が分解して
活性な窒素を発生すると同時に、原子状の水素もまた大
量に発生させることになる。
【００４１】本発明でキャップ層１６の材料に用いてい
るＡｌＮの場合、その平衡窒素圧力は遙かに低い。例え
ば１４００℃においてＧａＮの平衡窒素圧力が１０００
ｂａｒを超えるのと比較して、ＡｌＮのそれはわずかに
１Ｅ−８ｂａｒである。したがって、正味の成膜速度を
得るに必要なＮＨ3流量はＧａＮの成長の場合とは比較
にならない程少なくて済む。このような理由から、実施
例のようにＡｌＮキャップ層成長時にはＮＨ3流量を大
幅に減ずることができる。
るＡｌＮの場合、その平衡窒素圧力は遙かに低い。例え
ば１４００℃においてＧａＮの平衡窒素圧力が１０００
ｂａｒを超えるのと比較して、ＡｌＮのそれはわずかに
１Ｅ−８ｂａｒである。したがって、正味の成膜速度を
得るに必要なＮＨ3流量はＧａＮの成長の場合とは比較
にならない程少なくて済む。このような理由から、実施
例のようにＡｌＮキャップ層成長時にはＮＨ3流量を大
幅に減ずることができる。
【００４２】このことは、別の利点も生み出している。
それはＴＭＡとＮＨ3の間で発生する過早反応の軽減で
ある。Ａｌ原料であるＴＭＡとＮＨ3は低温から気相反
応しやすく、ＡｌＧａＮ混晶の成長を困難なものとする
ことで良く知られている。実施例のようにＮＨ3の流量
（つまり気相中の濃度）を低くしたことにより、ＴＭＡ
の流量を通常より大きく設定できるのである。このこと
は、ＡｌＮキャップ層の成膜速度を大きくできることを
意味し、成膜時間を短縮できるので、量産適用上好まし
い。
それはＴＭＡとＮＨ3の間で発生する過早反応の軽減で
ある。Ａｌ原料であるＴＭＡとＮＨ3は低温から気相反
応しやすく、ＡｌＧａＮ混晶の成長を困難なものとする
ことで良く知られている。実施例のようにＮＨ3の流量
（つまり気相中の濃度）を低くしたことにより、ＴＭＡ
の流量を通常より大きく設定できるのである。このこと
は、ＡｌＮキャップ層の成膜速度を大きくできることを
意味し、成膜時間を短縮できるので、量産適用上好まし
い。
【００４３】実施例におけるＡｌＮキャップ層成膜時の
ＮＨ3流量は、成膜に必要な量よりかなり多く設定して
いる。そこで、ＡｌＮキャップ層の成長を終了するにあ
たり、ＴＭＡの供給停止よりＮＨ3の供給停止をやや早
くしているのである。前述したように、ＡｌＮは高温で
の安定性が高いため、雰囲気中にＮＨ3が存在しなくて
も、顕著な表面劣化は生じない。これにより、冷却過程
で雰囲気に存在する残留ＮＨ3からの水素拡散を更に極
小化できるのである。
ＮＨ3流量は、成膜に必要な量よりかなり多く設定して
いる。そこで、ＡｌＮキャップ層の成長を終了するにあ
たり、ＴＭＡの供給停止よりＮＨ3の供給停止をやや早
くしているのである。前述したように、ＡｌＮは高温で
の安定性が高いため、雰囲気中にＮＨ3が存在しなくて
も、顕著な表面劣化は生じない。これにより、冷却過程
で雰囲気に存在する残留ＮＨ3からの水素拡散を更に極
小化できるのである。
【００４４】また、本発明の方法は、ＡｌＮ成膜が完了
したウェハの長期保存の視点からも有利である。ＧａＮ
を長期間大気中に保管しておくと、表面に汚染（酸化膜
と考えられる）が生じる。ＧａＮは化学的に安定である
ため、化学エッチング法で簡便かつ確実にその酸化膜を
除去する方法が確立されていない。本発明の方法によれ
ば、反応管内の清浄な雰囲気中でそのままキャップ層を
形成してしまうことになり、表面はＡｌＮで保護されて
いる。保存しておいてウェハは、素子化プロセス開始直
前に化学エッチングにより、簡便かつ確実に清浄表面を
露出させることができるのである。
したウェハの長期保存の視点からも有利である。ＧａＮ
を長期間大気中に保管しておくと、表面に汚染（酸化膜
と考えられる）が生じる。ＧａＮは化学的に安定である
ため、化学エッチング法で簡便かつ確実にその酸化膜を
除去する方法が確立されていない。本発明の方法によれ
ば、反応管内の清浄な雰囲気中でそのままキャップ層を
形成してしまうことになり、表面はＡｌＮで保護されて
いる。保存しておいてウェハは、素子化プロセス開始直
前に化学エッチングにより、簡便かつ確実に清浄表面を
露出させることができるのである。
【００４５】本発明の場合、キャップ層の組成は高Ａｌ
Ｎ組成（≧０．７）のＡｌＧａＮ混晶であってもよい
が、上記の説明から明らかであるように、最も効果的で
あるのはＡｌＮを用いた場合である。キャップ層の高Ａ
ｌＮ組成は、実施例中のような化学エッチング法（アル
カリ水溶液）で十分な選択比を得るため、及び十分な高
温安定性を得るために、０．７以上が好ましい。
Ｎ組成（≧０．７）のＡｌＧａＮ混晶であってもよい
が、上記の説明から明らかであるように、最も効果的で
あるのはＡｌＮを用いた場合である。キャップ層の高Ａ
ｌＮ組成は、実施例中のような化学エッチング法（アル
カリ水溶液）で十分な選択比を得るため、及び十分な高
温安定性を得るために、０．７以上が好ましい。
【００４６】ＧａＮ単結晶上にＡｌＧａＮ混晶を成長す
る場合において、ＡｌＧａＮ結晶中に微小な割れ（クラ
ック）が生じ易いことがよく知られている。ＡｌＧａＮ
の格子定数がＧａＮのそれよりわずかに小さく、ＡｌＧ
ａＮ膜中に引っ張り歪みが生ずるためである。キャップ
層にこうしたクラックが発生すると、発生したクラック
がｐ型ＧａＮ層にも伝搬してしまうことになる。また、
本発明のようにキャップ層成長時にＮＨ3供給量を大幅
に減じている場合、発生したクラックを通じてＧａＮが
分解するおそれが考えられる。
る場合において、ＡｌＧａＮ結晶中に微小な割れ（クラ
ック）が生じ易いことがよく知られている。ＡｌＧａＮ
の格子定数がＧａＮのそれよりわずかに小さく、ＡｌＧ
ａＮ膜中に引っ張り歪みが生ずるためである。キャップ
層にこうしたクラックが発生すると、発生したクラック
がｐ型ＧａＮ層にも伝搬してしまうことになる。また、
本発明のようにキャップ層成長時にＮＨ3供給量を大幅
に減じている場合、発生したクラックを通じてＧａＮが
分解するおそれが考えられる。
【００４７】本実施例の場合、ＡｌＮキャップ層１６の
膜厚を０．０１μｍに設定しているが、これは、前述の
クラック発生を避けるためである。保護膜としての機能
を確実にするためには、膜厚を増加する方が望ましく、
この場合は、ＡｌＮ膜の形成開始とともに基板温度を下
げ始め、形成初期の部分を除くＡｌＮ膜を４００〜６０
０℃程度の低温で形成するようにすると良い結果が得ら
れる。これは、４００〜６００℃程度の低温で形成した
ＡｌＮが多結晶またはアモルファス状になり、クラック
が発生し難くなるためである。
膜厚を０．０１μｍに設定しているが、これは、前述の
クラック発生を避けるためである。保護膜としての機能
を確実にするためには、膜厚を増加する方が望ましく、
この場合は、ＡｌＮ膜の形成開始とともに基板温度を下
げ始め、形成初期の部分を除くＡｌＮ膜を４００〜６０
０℃程度の低温で形成するようにすると良い結果が得ら
れる。これは、４００〜６００℃程度の低温で形成した
ＡｌＮが多結晶またはアモルファス状になり、クラック
が発生し難くなるためである。
【００４８】Ｍｇドープｐ型ＧａＮコンタクト層１０の
形成終了と同時に降温を開始し、４００〜６００℃の低
温のみでＡｌＮを形成すれば、ＡｌＮ層の膜厚に対する
制約は大きく緩和される。しかしながら、ＮＨ3が大量
に存在する雰囲気中で降温する間にＭｇドープＧａＮ中
へ水素が拡散してしまい、しかる後にＡｌＮでキャップ
することになるので、本発明の効果が得られない。ま
た、水素がＧａＮ中へ拡散しないほどＮＨ3の流量を減
じてから降温すると、ＧａＮ層表面で窒素脱離が生じて
しまうため、やはり本発明の効果は得られない。
形成終了と同時に降温を開始し、４００〜６００℃の低
温のみでＡｌＮを形成すれば、ＡｌＮ層の膜厚に対する
制約は大きく緩和される。しかしながら、ＮＨ3が大量
に存在する雰囲気中で降温する間にＭｇドープＧａＮ中
へ水素が拡散してしまい、しかる後にＡｌＮでキャップ
することになるので、本発明の効果が得られない。ま
た、水素がＧａＮ中へ拡散しないほどＮＨ3の流量を減
じてから降温すると、ＧａＮ層表面で窒素脱離が生じて
しまうため、やはり本発明の効果は得られない。
【００４９】結晶成長用反応管のガス排気経路にアンモ
ニアの検出器を設置し、該検出器のアンモニア濃度指示
値が所定の値を下回ったことを検出して、ＴＭＡの供給
を停止するとともに降温を行うようにすると、反応管内
のＮＨ3分圧が無くなるのと、ＴＭＡの供給停止及び降
温開始のタイミングを精度良く合致させることができ
る。
ニアの検出器を設置し、該検出器のアンモニア濃度指示
値が所定の値を下回ったことを検出して、ＴＭＡの供給
を停止するとともに降温を行うようにすると、反応管内
のＮＨ3分圧が無くなるのと、ＴＭＡの供給停止及び降
温開始のタイミングを精度良く合致させることができ
る。
【００５０】また、ＡｌＮの成長を行う際に、キャリア
ガスに窒素を用いることにより、供給するＮＨ3の量を
いっそう減少させることができ、より高い正孔濃度のｐ
型を得ることができる。
ガスに窒素を用いることにより、供給するＮＨ3の量を
いっそう減少させることができ、より高い正孔濃度のｐ
型を得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】 本発明によれば、第１の結晶層に対し
て十分な化学エッチング選択比を有している材料からな
る第２の結晶層を、第１の結晶層上に成膜し、さらに、
第１の結晶層成膜時において成膜装置に導入する窒素原
料の供給量を大幅に減少させかつ、成膜終了後に、第２
の結晶層を化学エッチングで除去するので、第１の結晶
層表面の正孔濃度が向上する。
て十分な化学エッチング選択比を有している材料からな
る第２の結晶層を、第１の結晶層上に成膜し、さらに、
第１の結晶層成膜時において成膜装置に導入する窒素原
料の供給量を大幅に減少させかつ、成膜終了後に、第２
の結晶層を化学エッチングで除去するので、第１の結晶
層表面の正孔濃度が向上する。
【図１】 本発明による実施例にて作製されたリッジ型
半導体レーザ素子の概略断面図。
半導体レーザ素子の概略断面図。
【図２】 本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図３】 本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図４】 本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図５】 本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図６】 本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図７】 本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図８】 本発明による実施例の半導体レーザの製造工
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
程中におけるレーザ基板の概略断面図。
【図９】 本発明による実施例にて作製された半導体レ
ーザと従来例半導体レーザとの電圧電流特性を示すグラ
フ。
ーザと従来例半導体レーザとの電圧電流特性を示すグラ
フ。
１ 単結晶サファイア基板 ２ 低温成膜ＧａＮ（又はＡｌＮ）層 ３ ｎ型ＧａＮ層 ４ ｎ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 ５ ｎ型ＧａＮ層 ６ ＩｎＧａＮ活性層 ７ ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層 ８ ｐ型ＧａＮ層 ９ ｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層 １０ ｐ型ＧａＮ層 １１ ＳｉＯ2絶縁膜 １３，１５ ｐ側電極 １４ ｎ側電極 １６ キャップ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木村 義則 埼玉県鶴ヶ島市富士見６丁目１番１号 パ イオニア株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 5F041 AA21 CA05 CA34 CA35 CA40 CA45 CA65 CA74 5F045 AA04 AB09 AB14 AB17 AB18 AC08 AC12 AC15 AC19 AD10 AD11 AD14 AF09 BB16 CA12 DA53 DA55 EB15 EE15 EE17 EK26 5F073 AA13 AA45 AA74 CA07 CB05 CB07 CB10 DA05 DA23 DA25 DA35
Claims (8)
- 【請求項１】 ３族窒化物半導体素子の製造方法であっ
て、２族不純物元素を添加した３族窒化物半導体（Ａｌ
xＧａl-x）1-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）から
なる第１の結晶層を形成する工程と、 前記第１の結晶層上に、３族窒化物半導体ＡｌzＧａl-z
Ｎ（０．７≦ｚ≦１）からなる第２の結晶層を形成する
工程と、 前記第１及び第２の結晶層の形成後に、前記第２の結晶
層の少なくとも一部分を、エッチングにより除去する工
程と、を含むことを特徴とする製造方法。 - 【請求項２】 前記第２の結晶層の形成を、前記第１の
結晶層の形成温度と略同一の温度において開始すること
を特徴とする請求項１記載の製造方法。 - 【請求項３】 前記第１及び第２の結晶層の形成は有機
金属化学気相成長法で行うことを特徴とする請求項１記
載の製造方法。 - 【請求項４】 前記有機金属化学気相成長法における窒
素原料がアンモニアであることを特徴とする請求項３記
載の製造方法。 - 【請求項５】 前記第２の結晶層の形成時及び又は形成
終了後の降温過程において、結晶成長用反応管へのアン
モニアの供給量を、第１の結晶層成長時のアンモニアの
供給量より減じたことを特徴とする請求項４記載の製造
方法。 - 【請求項６】 前記第２の結晶層の形成終期において、
結晶成長用反応管への３族原料の供給停止時点より早期
にアンモニアの供給を停止することを特徴とする請求項
４記載の製造方法。 - 【請求項７】 前記第２の結晶層の形成終期において、
結晶成長用反応管のガス排気経路に設置したアンモニア
の検出器のアンモニア濃度指示値が所定の値を下回った
ことを検出して、３族原料の供給を停止するとともに、
降温を行うことを特徴とする請求項６記載の製造方法。 - 【請求項８】 前記第２の結晶層の形成時において、キ
ャリアガスは窒素であることを特徴とする請求項１〜７
のいずれか１記載の製造方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12876899A JP3833848B2 (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | ３族窒化物半導体素子製造方法 |
| EP00109601.5A EP1052705B1 (en) | 1999-05-10 | 2000-05-05 | Method for fabricating a group III Nitride semiconductor device |
| US09/565,025 US6335218B1 (en) | 1999-05-10 | 2000-05-05 | Method for fabricating a group III nitride semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12876899A JP3833848B2 (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | ３族窒化物半導体素子製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000323751A true JP2000323751A (ja) | 2000-11-24 |
| JP3833848B2 JP3833848B2 (ja) | 2006-10-18 |
Family
ID=14993002
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12876899A Expired - Lifetime JP3833848B2 (ja) | 1999-05-10 | 1999-05-10 | ３族窒化物半導体素子製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6335218B1 (ja) |
| EP (1) | EP1052705B1 (ja) |
| JP (1) | JP3833848B2 (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002071561A1 (en) * | 2001-03-06 | 2002-09-12 | Sony Corporation | Nitride based semiconductor laser element and method for fabricating the same |
| JP2003031844A (ja) * | 2001-07-11 | 2003-01-31 | Sony Corp | 半導体発光素子の製造方法 |
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