JP2007142437A - 半導体素子およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｒ面サファイア基板と、前記Ｒ面サファイア基板上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、１０〜２０００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長されるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層と、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層上に形成される第１Ａ面ＧａＮ層と、を含むことを特徴とする半導体素子およびその製造方法である。
【選択図】図４

Description

本発明は半導体素子およびその製造方法に関し、より詳細には、改良された表面モルフォロジー特性を有する半導体素子およびその製造方法に関する。
従来、ＧａＮベースの素子、例えば、窒化物半導体レーザーダイオードは、一般的にＣ面ＧａＮ基板上に形成される。しかし、ＧａＮ結晶のＣ面は、極性面として知られている。したがって、前記窒化物半導体レーザーダイオードの場合、Ｃ面の極性により形成された内部電場の影響により、電子と正孔との結合の可能性が低下する場合があり、結果として、前記窒化物半導体レーザーダイオードの発光効率が低下する。
上記の問題を解決するために、極性を有さないＡ面ＧａＮ基板上に半導体素子を形成するための技術の開発に関心が集まっている。
図１は、従来のＡ面ＧａＮ基板の断面概略図であり、図２および図３はそれぞれ、図１に示すＡ面ＧａＮ基板の断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）写真および表面ＳＥＭ写真である。
図１に示すように、Ａ面ＧａＮ基板は、Ｒ面サファイア基板２上にＡ面ＧａＮ層６をエピタキシャル成長させることによって得られる。しかし、Ｒ面サファイア基板２とＡ面ＧａＮ層６との間の格子不一致が約１６．２％と非常に大きいため、Ｒ面サファイア基板２上に積層されたＡ面ＧａＮ層６の表面に、応力によるＶ字状欠陥が発生するという問題がある。そのため、前記Ｖ字状欠陥が発生したＡ面ＧａＮ層６の表面に素子を形成する場合、素子特性が低下するという問題がある（非特許文献１参照）。
Ｓ．Ｗｕ ｅｔ ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．４２，（２００３）Ｌ８１８〜Ｌ８２０
本発明が解決しようとする課題は、前述した従来技術の問題点を改良するためのものであって、その目的は、改良された表面モルフォロジー特性を有する半導体素子およびその製造方法を提供することにある。
前記課題を解決するために、本発明は、Ｒ面サファイア基板と、前記Ｒ面サファイア基板上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、１０〜１０００ｎｍ（１００〜２００００Å）の厚さにエピタキシャル成長されるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層と、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層上に形成される第１Ａ面ＧａＮ層と、を含むことを特徴とする半導体素子を提供する。
本発明の半導体素子において、前記第１Ａ面ＧａＮ層は、鏡面状の表面モルフォロジーを有することが好ましい。
本発明の半導体素子において、前記窒素を含むガス雰囲気は、窒素雰囲気または窒素と水素との混合ガス雰囲気であることが好ましく、前記混合ガス雰囲気中の窒素の体積含有率は、１〜９９．９９％であることが好ましい。
本発明の半導体素子において、前記第１Ａ面ＧａＮ層上に第２Ａ面ＧａＮ層がさらに成長されることが好ましい。前記第１Ａ面ＧａＮ層はｎ型ドーパントを含むことが好ましく、ｎ型半導体から形成されることがより好ましく、前記第２Ａ面ＧａＮ層はｐ型ドーパントを含むことが好ましく、ｐ型半導体から形成されることがより好ましい。
本発明の半導体素子において、前記第１Ａ面ＧａＮ層および第２Ａ面ＧａＮ層は、９００〜１２００℃の温度で成長されることが好ましく、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層は、０．１３３３〜２６．６６ｋＰａ（１〜２００ｔｏｒｒ）の圧力下で成長されることが好ましい
また、本発明は、Ｒ面サファイア基板上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で１０〜２０００ｎｍ（１００〜２００００Å）の厚さにＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）をエピタキシャル成長させてＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層を形成する工程と、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層上に第１Ａ面ＧａＮ層を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法を提供する。
本発明の半導体素子の製造方法において、前記第１Ａ面ＧａＮ層は、鏡面状の表面モルフォロジーを有することが好ましい。
本発明の半導体素子の製造方法において、前記窒素を含むガス雰囲気は、窒素雰囲気または窒素と水素との混合ガス雰囲気であることが好ましく、前記混合ガス雰囲気中の窒素の体積含有率は、１〜９９．９９％であることが好ましい。 本発明の半導体素子の製造方法において、前記第１Ａ面ＧａＮ層上に、第２Ａ面ＧａＮ層がさらに成長されることが好ましい。前記第１Ａ面ＧａＮ層はｎ型ドーパントを含むことが好ましく、ｎ型半導体から形成されることがより好ましく、前記第２Ａ面ＧａＮ層はｐ型ドーパントを含むことが好ましく、ｐ型半導体から形成されることがより好ましい。
本発明の半導体素子の製造方法において、前記第１Ａ面ＧａＮ層および第２Ａ面ＧａＮ層は、９００〜１２００℃の温度範囲で形成されることが好ましく、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層は、０．１３３３〜２６．６６ｋＰａ（１〜２００ｔｏｒｒ）の圧力下で形成されることが好ましい。
本発明によれば、表面モルフォロジー特性が改良された半導体素子およびその製造方法が提供されうる。
以下、本発明の半導体素子およびその製造方法の好ましい実施形態を、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。図面に示された層や領域の厚さは、説明のために誇張されたものである。
図４は、本発明の第１実施形態による半導体素子の断面概略図であり、図５および図６は、それぞれ、図４に示した本発明の第１実施形態による半導体素子の断面ＳＥＭ写真および表面ＳＥＭ写真である。
図４〜図６に示すように、本発明の第１実施形態による半導体素子は、Ｒ面サファイア基板１２上に順次に積層されたＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４、および第１Ａ面ＧａＮ層１６を備える。本発明による半導体素子は、ＧａＮベースの素子の製造のための半導体基板として使用されうる。
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、好ましくは１０〜２０００ｎｍ（１００〜２００００Å）、より好ましくは１０〜５００ｎｍ（１００〜５０００Å）の厚さにエピタキシャル成長される。前記温度および前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さが前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
前記窒素を含むガス雰囲気は、窒素雰囲気または窒素と水素との混合ガス雰囲気であることが好ましい。前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４が前記混合ガス雰囲気下で形成される場合、前記混合ガス雰囲気中の窒素の体積含有率は１〜９９．９９％であることが好ましい。前記体積含有率が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、好ましくは０．１３３３〜２６．６６ｋＰａ（１〜２００ｔｏｒｒ）、より好ましくは３．９９９〜２６．６６ｋＰａ（３０〜２００ｔｏｒｒ）、さらに好ましくは１３．３３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）の圧力下で形成される。前記圧力が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、Ｒ面サファイア基板１２と第１Ａ面ＧａＮ層１６との間の格子不一致を低減させる役割を果たす。したがって、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４上に、エピタキシャル成長される前記第１Ａ面ＧａＮ層１６の表面モルフォロジー特性が改良されうる。具体的には、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４上に積層された第１Ａ面ＧａＮ層１６は、Ｖ字状欠陥を含まず、鏡面状の表面モルフォロジーを有しうる。特に、ＧａＮ結晶のＡ面は、非極性面であることが知られているため、本発明の半導体素子上に、ＧａＮベースのデバイス、例えば、窒化物半導体レーザーダイオードを形成する場合（図７参照）、前記窒化物半導体レーザーダイオードの発光効率および光出力が改良されうる。
図７は、本発明の第２実施形態による半導体素子の断面図である。図７に示すように、本発明の第２実施形態による半導体素子は、窒化物半導体レーザーダイオードとして形成されうる。
図７に示すように、本発明の第２実施形態による半導体素子、すなわち窒化物半導体レーザーダイオードは、Ｒ面サファイア基板１２上に順次に積層されたＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４、第１Ａ面ＧａＮ層２０、活性層２２、および第２Ａ面ＧａＮ層２４を備える。そして、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の段差部上および第２Ａ面ＧａＮ層２４上に、銀（Ａｇ）または金（Ａｕ）などの導電性物質を用いて、ｎ電極３０およびｐ電極４０が形成されている。
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、好ましくは１０〜２０００ｎｍ（１００〜２００００Å）、より好ましくは１０〜５００ｎｍ（１００〜５０００Å）の厚さにエピタキシャル成長される。前記温度および前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さが、前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
前記窒素を含むガス雰囲気は、窒素雰囲気または窒素と水素との混合ガス雰囲気であることが好ましい。前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４が、前記混合ガス雰囲気下で形成される場合、前記混合ガス雰囲気中の窒素の体積含有率は１〜９９．９９％であることが好ましい。前記体積含有率が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、好ましくは０．１３３３〜２６．６６ｋＰａ（１〜２００ｔｏｒｒ）、より好ましくは３．９９９〜２６．６６ｋＰａ（３０〜２００ｔｏｒｒ）、さらに好ましくは１３．３３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）の圧力下で形成される。前記圧力が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
このような工程で形成された前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、前記Ｒ面サファイア基板１２と前記第１Ａ面ＧａＮ層２０との間の格子不一致を低減させる役割を果たす。したがって、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４上にエピタキシャル成長される前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の表面モルフォロジー特性が改良されうる。具体的には、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４上に積層された第１Ａ面ＧａＮ層２０は、Ｖ字状欠陥を含まず、鏡面状の表面モルフォロジーを有しうる。
本発明の第２実施形態による半導体素子において、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０は、ｎ型ドーパントを含むことが好ましく、ｎ型半導体から形成されることがより好ましい。また、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４は、ｐ型ドーパントを含むことが好ましく、ｐ型半導体から形成されることがより好ましい。具体的には、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０は、ｎ−ＧａＮベースのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層であることが好ましく、ｎ−ＧａＮ層であることがより好ましい。しかし、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０はこれに限定されず、レーザー発振（レージング）が可能なＩＩＩ−Ｖ族の他の化合物半導体層であってもよい。また、第２Ａ面ＧａＮ層２４は、ｐ−ＧａＮ系のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層であることが好ましく、ｐ−ＧａＮ層であることがより好ましい。しかし、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４はこれに限定されず、レーザー発振（レージング）が可能なＩＩＩ−Ｖ族の他の化合物半導体層であってもよい。
また、本発明の第２実施形態による半導体素子において、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０は、９００〜１２００℃の温度で形成されることが好ましい。前記温度が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の表面が良好にならない場合がある。
さらに、本発明の第２実施形態による半導体素子において、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４は、９００〜１２００℃の温度で形成されることが好ましい。前記温度が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４の表面が良好にならない場合がある。
レージングが可能な物質層は、活性層２２として使用されうる。好ましくは、低い臨界電流値および安定した横モード特性を有するレーザー光が発振されうる物質層が、活性層２２として使用され、より好ましくは、前記活性層２２として、Ａｌが所定の比率で含まれる、下記化学式（１）で表されるＧａＮベースのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層が使用される。
前記活性層２２は、多重量子井戸構造または単一量子井戸構造のいずれか１つの構造を有することが好ましいが、かかる活性層２２の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。
前述したように、図７に示す本発明の第２実施形態による半導体素子は、優れた表面モルフォロジー特性を有し、非極性面から形成される上面を有する。したがって、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０上に積層される薄膜、すなわち活性層２２および第２Ａ面ＧａＮ層２４の表面特性が改良されうる。その結果、窒化物半導体レーザーダイオードの内部量子効率および光抽出効率が改良され、窒化物半導体レーザーダイオードの発光効率および光出力が改良されうる。
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の第１実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。それぞれの層は、化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）により形成されることが好ましい。前記化学気相成長法は、原子層成長法（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＡＬＤ）、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）、およびその他周知の気相成長法を含む。
図８Ａ〜図８Ｃに示すように、Ｒ面サファイア基板１２を準備した後、前記Ｒ面サファイア基板１２上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、好ましくは１０〜２０００ｎｍ（１００〜２００００Å）、より好ましくは１０〜５００ｎｍ（１００〜５０００Å）の厚さにＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）をエピタキシャル成長させて、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４を形成する。前記温度および前ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さが前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
前記窒素を含むガス雰囲気は、窒素雰囲気または窒素と水素との混合ガス雰囲気であることが好ましい。前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４が前記混合ガス雰囲気下で形成される場合、前記混合ガス雰囲気中の窒素の体積含有率は１〜９９．９９％であることが好ましい。前記体積含有率が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、好ましくは０．１３３３〜２６．６６ｋＰａ（１〜２００ｔｏｒｒ）、より好ましくは３．９９９〜２６．６６ｋＰａ（３０〜２００ｔｏｒｒ）、さらに好ましくは１３．３３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）の圧力下で形成される。前記圧力が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４を成長させた後、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４上に第１Ａ面ＧａＮ層１６を形成する。前記第１Ａ面ＧａＮ層１６は、９００〜１２００℃の温度で形成されることが好ましく、前記第１Ａ面ＧａＮ層１６の厚さは、１０００〜３０００ｎｍ（１００００〜３００００Å）であることが好ましい。前記温度および前記第１Ａ面ＧａＮ層１６の厚さが前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記第１Ａ面ＧａＮ層１６の表面が良好にならない場合がある。
また、前記第１Ａ面ＧａＮ層１６は、ｎ型ドーパントを含むことが好ましく、ｎ型半導体から形成されることがより好ましい。
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４は、Ｒ面サファイア基板１２と第１Ａ面ＧａＮ層１６との間に介在されて、Ｒ面サファイア基板１２と第１Ａ面ＧａＮ層１６との間の格子不一致を緩和させる役割を果たす。その結果、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４上に積層された第１Ａ面ＧａＮ層１６の表面特性が改良され、Ｖ字状欠陥を含まず、鏡面状の表面モルフォロジー特性を有しうる。特に、ＧａＮ結晶のＡ面は、非極性面であることが知られているため、本発明の第１実施形態による半導体素子上にＧａＮベースの素子、例えば、窒化物半導体レーザーダイオードが形成される場合（図１０Ａ〜図１０Ｄ参照）、前記窒化物半導体レーザーダイオードの発光効率および光出力が改良されうる。特に、本発明による製造工程において、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４のエピタキシャル成長時に、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さを制御することによって、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の上に積層される第１Ａ面ＧａＮ層１６の結晶性が制御されうる。これについて、図９を参照しながら説明する。
図９は、図８Ａ〜図８Ｃに示す半導体素子の製造方法において、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層の厚さと第１Ａ面ＧａＮ層の結晶性との関係を示すグラフである。図９の横軸はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層の厚さを表し、図９の縦軸は２結晶Ｘ線分光器で測定した第１Ａ面ＧａＮ層のスペクトルの半値幅を表す。前記半値幅が小さいほど、２結晶Ｘ線分光器で測定したスペクトルのピーク強度が高いことを意味しており、ピーク強度が高いほど特定の結晶方向へ並ぶ結晶が多い、すなわち結晶性が高いことを示している。図９に示すように、前記第１Ａ面ＧａＮ層１６の結晶性は、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さに依存する。特に、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さが厚くなるほど、前記第１Ａ面ＧａＮ層１６の結晶性が改良されるということが分かる。
図１０Ａ〜図１０Ｄは、本発明の第２実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。図１０Ａ〜図１０Ｄに示すように、本発明の第２実施形態による半導体素子として、窒化物半導体レーザーダイオードが形成されている。ここで、図１０Ａ〜図１０Ｄに示す半導体素子の製造方法は、図８Ａ〜図８Ｃに示した、本発明の第１実施形態による半導体素子の製造方法と同様の工程を含むため、重複する同様の工程については、図８Ａ〜図８Ｃおよび図８Ａ〜図８Ｃについての説明をそのまま引用する。
図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、Ｒ面サファイア基板１２を準備した後、前記Ｒ面サファイア基板１２上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、好ましくは１０〜２０００ｎｍ（１００〜２００００Å）、より好ましくは１０〜５００ｎｍ（１００〜５０００Å）の厚さにＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）をエピタキシャル成長させて、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４を形成する。前記温度および前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さが前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の表面が良好にならない場合がある。
次いで、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４上に順次に第１Ａ面ＧａＮ層２０、活性層２２、および第２Ａ面ＧａＮ層２４を形成する。
本発明による製造方法において、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４のエピタキシャル成長時に、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の厚さを制御することによって、前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層１４の上に積層される前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の結晶性が制御されうることは前述の通りである。
前記第１Ａ面ＧａＮ層２０は、ｎ型ドーパントを含むように形成されることが好ましく、ｎ型半導体から形成されることがより好ましい。また、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４は、ｐ型ドーパントを含むように形成されることが好ましく、ｐ型半導体から形成されることがより好ましい。
前記第１Ａ面ＧａＮ層２０は、９００〜１２００℃の温度で形成されることが好ましく、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の厚さは１０００〜３０００ｎｍ（１００００〜３００００Å）であることが好ましい。前記温度および前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の厚さが前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の表面が良好にならない場合がある。
また、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４は、９００〜１２００℃の温度で形成されることが好ましい。前記温度が前記の範囲を外れると、本発明の半導体素子の形成が困難となる場合があり、また、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４の表面が良好にならない場合がある。
具体的には、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０は、ｎ−ＧａＮベースのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層であることが好ましく、ｎ−ＧａＮ層であることがより好ましい。しかし、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０はこれに限定されず、レーザー発振（レージング）が可能なＩＩＩ−Ｖ族の他の化合物半導体層であってもよい。また、第２Ａ面ＧａＮ層２４は、ｐ−ＧａＮベースのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層であることが好ましく、ｐ−ＧａＮ層であることがより好ましい。しかし、前記第２Ａ面ＧａＮ層２４はこれに限定されず、レーザー発振（レージング）が可能なＩＩＩ−Ｖ族の他の化合物半導体層であってもよい。
レージングが可能な物質層は、活性層２２として使用されうる。好ましくは、低い臨界電流値および安定した横モード特性を有するレーザー光が発振されうる物質層が、活性層２２として使用され、より好ましくはＡｌが所定の比率で含まれる下記化学式（１）で表されるＧａＮベースのＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体層が使用される。
前記活性層２２は、多重量子井戸構造または単一量子井戸構造のいずれか１つの構造を有することが好ましいが、かかる活性層２２の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。
図１０Ｃおよび図１０Ｄに示すように、最上層である前記第２Ａ面ＧａＮ層２４上で所定の領域が選択されて、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の所定の深さまでエッチングおよび／または除去することによって、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０に段差部を形成する。次いで、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０の段差部および第２Ａ面ＧａＮ層２４上に、ＡｇまたはＡｕなどの導電性物質を用いて、ｎ電極３０およびｐ電極４０をそれぞれ形成する。
図７に示す本発明の第２実施形態による半導体素子において、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０は、優れた表面モルフォロジー特性を有し、かつ、非極性面から形成される最上面を有するため、前記第１Ａ面ＧａＮ層２０上に積層される薄膜、すなわち活性層２２および第２Ａ面ＧａＮ層２４の表面特性が改良されうる。その結果、前記窒化物半導体レーザーダイオードの内部量子効率および光抽出効率が改良され、前記窒化物半導体レーザーダイオードの発光効率および光出力が改良されうる。
以上、本発明を、例示的な図面および実施形態を用いて説明したが、特許請求の範囲によって定義された本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本発明の形態や詳細における変更がなされうることは、当業者によって容易に理解されるであろう。
本発明は、半導体素子関連の技術分野に適用可能である。
従来のＡ面ＧａＮ半導体基板の断面概略図である。 図１に示すＡ面ＧａＮ半導体基板の断面ＳＥＭ写真である。 図１に示すＡ面ＧａＮ半導体基板の表面ＳＥＭ写真である。 本発明の第１実施形態による半導体素子の断面概略図である。 本発明の第１実施形態による半導体素子の断面ＳＥＭ写真である。 本発明の第１実施形態による半導体素子の表面ＳＥＭ写真である。 本発明の第２実施形態による半導体素子の断面概略図である。 本発明の第１実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。 本発明の第１実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。 本発明の第１実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。 本発明の第１実施形態による半導体素子の製造方法において、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層の厚さと第１Ａ面ＧａＮ層の結晶性との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。 本発明の第２実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。 本発明の第２実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。 本発明の第２実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面概略図である。
符号の説明
２、１２ Ｒ面サファイア基板、
６ Ａ面ＧａＮ層、
１４ ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層、
１６、２０ 第１Ａ面ＧａＮ層、
２２ 活性層、
２４ 第２Ａ面ＧａＮ層、
３０ ｎ電極、
４０ ｐ電極。

Claims (27)

  1. Ｒ面サファイア基板と、
    前記Ｒ面サファイア基板上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、１０〜２０００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長されるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層と、
    前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層上に形成される第１Ａ面ＧａＮ層と、
    を含むことを特徴とする、半導体素子。
  2. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、鏡面状の表面モルフォロジーを有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体素子。
  3. 前記窒素を含むガス雰囲気は、窒素雰囲気または窒素と水素との混合ガス雰囲気であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体素子。
  4. 前記混合ガス雰囲気中の窒素の体積含有率が、１〜９９．９９％であることを特徴とする、請求項３に記載の半導体素子。
  5. 前記第１Ａ面ＧａＮ層上に、第２Ａ面ＧａＮ層がさらに成長されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体素子。
  6. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、ｎ型ドーパントを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体素子。
  7. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、ｎ型半導体から形成されることを特徴とする、請求項６に記載の半導体素子。
  8. 前記第２Ａ面ＧａＮ層は、ｐ型ドーパントを含むことを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体素子。
  9. 前記第２Ａ面ＧａＮ層は、ｐ型半導体から形成されることを特徴とする、請求項８に記載の半導体素子。
  10. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、９００〜１２００℃の温度で成長されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体素子。
  11. 前記第２Ａ面ＧａＮ層は、９００〜１２００℃の温度で成長されることを特徴とする、請求項５〜１０のいずれか１項に記載の半導体素子。
  12. 前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層は、０．１３３３〜２６．６６ｋＰａの圧力下で成長されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の半導体素子。
  13. Ｒ面サファイア基板と、
    前記Ｒ面サファイア基板上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、１０〜２０００ｎｍの厚さにエピタキシャル成長されるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層と、
    前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層上に形成されｎ型ドーパントを含む第１Ａ面ＧａＮ層と、
    前記第１Ａ面ＧａＮ層上に形成される活性層と、
    前記活性層上に形成されｐ型ドーパントを含む第２Ａ面ＧａＮ層と、
    を含むことを特徴とする、半導体素子。
  14. Ｒ面サファイア基板上に、窒素を含むガス雰囲気下および９００℃〜１１００℃の温度で１０〜２０００ｎｍの厚さにＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）をエピタキシャル成長させてＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層を形成する工程と、
    前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層上に第１Ａ面ＧａＮ層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
  15. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、鏡面状の表面モルフォロジーを有するように形成されることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体素子の製造方法。
  16. 前記窒素を含むガス雰囲気は、窒素雰囲気または窒素と水素との混合ガス雰囲気であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の半導体素子の製造方法。
  17. 前記混合ガス雰囲気中の窒素の体積含有率が、１〜９９．９９％であることを特徴とする、請求項１６に記載の半導体素子の製造方法。
  18. 前記第１Ａ面ＧａＮ層上に第２Ａ面ＧａＮ層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  19. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、ｎ型ドーパントを含むように形成されることを特徴とする、請求項１４〜１８のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  20. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、ｎ型半導体から形成されることを特徴とする、請求項１９に記載の半導体素子の製造方法。
  21. 前記第２Ａ面ＧａＮ層は、ｐ型ドーパントを含むように形成されることを特徴とする、請求項１８〜２０のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  22. 前記第２Ａ面ＧａＮ層は、ｐ型半導体から形成されることを特徴とする、請求項２１に記載の半導体素子の製造方法。
  23. 前記第１Ａ面ＧａＮ層は、９００〜１２００℃の温度で形成されることを特徴とする、請求項１４〜２２のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  24. 前記第２Ａ面ＧａＮ層は、９００〜１２００℃の温度で形成されることを特徴とする、請求項１８〜２３のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  25. 前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層は、０．１３３３〜２６．６６ｋＰａの圧力下で形成されることを特徴とする、請求項１４〜２４のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  26. 前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層の厚さを制御することによって前記第１Ａ面ＧａＮ層の結晶性が制御されることを特徴とする、請求項１４〜２５のいずれか１項に記載の半導体素子の製造方法。
  27. Ｒ面サファイア基板上に窒素を含むガス雰囲気下および９００〜１１００℃の温度で、１０〜２０００ｎｍの厚さにＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）をエピタキシャル成長させて、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層を形成する工程と、
    前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（ただし０≦ｘ＜１）バッファ層上にｎ型ドーパントを含む第１Ａ面ＧａＮ層を形成する工程と、
    前記第１Ａ面ＧａＮ層上に活性層を形成する工程と、
    前記活性層上にｐ型ドーパントを含む第２Ａ面ＧａＮ層を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする、半導体素子の製造方法。
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