JP3816942B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上に窒化物系半導体層を備える半導体素子の製造方法に関する。

窒化ガリウム等の窒化物系半導体は発光素子やその他の電子デバイスとして利用または研究されており、その特性を利用して既に青色発光ダイオードや緑色発光ダイオードが実用化されている。また、窒化物系半導体を利用して次世代の高密度光ディスク光源としての青紫色半導体レーザが開発されている。

従来、窒化物系半導体を利用した発光素子を作製する場合、基板として主にサファイア基板が用いられてきた。しかしながら、サファイア基板とその上に形成される窒化物系半導体との格子不整合率が約１３％と非常に大きく、当該窒化物系半導体には転位等の欠陥が高密度に存在しており、良質の窒化物系半導体を得ることは困難であった。

また近年、欠陥密度の少ない窒化ガリウム基板（以後、「ＧａＮ基板」と呼ぶ）が開発され、ＧａＮ基板の利用方法に関する研究開発が盛んに行われている。ＧａＮ基板は主に半導体レーザ用基板としての利用が提案されている。

ＧａＮ基板上に窒化物系半導体を成長させる場合、窒化物系半導体をＣ面、つまり（０００１）面上に成長させると良好な結晶性が得られないという問題が生じる。この問題に対して、特許文献１では、ＧａＮ基板の上面をＣ面に対して０．０３°以上１０°以下で傾斜させることで、当該ＧａＮ基板上に形成される窒化物系半導体発光素子での結晶性を向上し、長寿命化を可能にする技術が提案されている。

なお、窒化物系半導体を利用して半導体素子を形成する技術については、例えば特許文献２，３にも開示されている。

特開２０００−２２３７４３号公報 特開２０００−８２６７６号公報 特開２００３−６０３１８号公報

さて、ＧａＮ基板を利用して半導体レーザ等の半導体素子を形成する場合には、ＧａＮ基板上に形成される窒化物系半導体層での結晶性のみならず、その表面での平坦性も良好であることが望まれる。しかしながら、特許文献１の技術を利用してＧａＮ基板上に窒化物系半導体層を成長させた場合には、当該窒化物系半導体層の表面での平坦性が不十分であり、更にはその結晶性を十分に確保できないことがあった。そのため、当該窒化物系半導体層を利用して半導体素子を形成した場合には、その電気的特性が悪化したり、信頼性が低下するという問題が生じる。また、半導体素子の製造性の観点から、ＧａＮ基板の上面を大きく傾斜させることは好ましくない。

そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、ＧａＮ基板を利用した半導体素子の製造性を向上しつつ、ＧａＮ基板上に平坦性及び結晶性に優れた窒化物系半導体層を形成することが可能な技術を提供することを目的とする。

この発明の半導体素子の製造方法は、（ａ）上面が（０００１）面に対して＜１−１００＞方向に０．２°よりも大きく１．０°以下のオフ角度を有する窒化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）前記窒化ガリウム基板の前記上面上に、不純物濃度が１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 以下であるｎ型半導体層を前記窒化ガリウム基板と接触して形成する工程と、（ｃ）前記工程（ａ），（ｂ）の間に、少なくともＮＨ ₃ を含むガス、あるいは少なくともＮＨ ₃ とＨ ₂ とを含むガスの雰囲気中において、前記窒化ガリウム基板に対して、８００℃以上１２００℃以下で５分以上の間熱処理を実行する工程とを備え、前記工程（ｃ）において、少なくともＮＨ ₃ とＨ ₂ とを含むガスを使用する場合には、当該ガスにおけるＨ ₂ の割合は１０％以下に設定されている。

この発明の半導体素子の製造方法によれば、窒化ガリウム基板の上面は、（０００１）面に対して＜１−１００＞方向に０．２°よりも大きく１．０°以下のオフ角度を有するため、本発明の半導体素子の製造性を向上しつつ、窒化ガリウム基板上に平坦性及び結晶性に優れた窒化物系半導体層を形成することができる。

図１は本発明の実施の形態に係るＧａＮ基板１０の構造を示す斜視図である。本実施の形態に係るＧａＮ基板１０は六方晶系の結晶構造を有し、当該ＧａＮ基板１０を利用して、半導体レーザや発光ダイオードなどの発光素子や高周波電子デバイスなどの半導体素子が形成される。

図１に示されるように、ＧａＮ基板１０の上面１０ａは、Ｃ面、つまり（０００１）面に対して＜１−１００＞方向にオフ角度θを有する。従って、ＧａＮ基板１０の上面１０ａは、＜１−１００＞方向に垂直であってかつＣ面に平行な＜１１−２０＞方向を回転軸として、Ｃ面に平行な面をオフ角度θ分だけ回転して得られる面と平行となる。本実施の形態では、オフ角度θは０．１°以上１．０°以下に設定される。

本実施の形態に係るＧａＮ基板１０を含めて、一般的にＧａＮ基板の表面には、図１に示されるように、転位密度の高い領域２１と転位密度の低い領域２２とが、＜１１−２０＞方向に沿って交互に並んでいる。このようなＧａＮ基板を利用して半導体素子を形成する場合には、転位密度の低い領域２２を利用するのが通例である。

次に、ＧａＮ基板１０を利用して形成した半導体素子の一例について説明する。図２はＧａＮ基板１０を利用して形成した窒化物系半導体レーザの構造を示す斜視図である。図２に示されるように、ＧａＮ基板１０の上面１０ａ上には複数の窒化物系半導体層が積層されている。具体的には、ＧａＮ基板１０の上面１０ａ上には、ｎ型半導体層１１と、ｎ型クラッド層１２と、ｎ型光ガイド層１３と、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１４と、ｐ型電子障壁層１５と、ｐ型光ガイド層１６と、ｐ型クラッド層１７と、ｐ型コンタクト層１８とがこの順で積層されている。そして、ＧａＮ基板１０の下面にはｎ電極１９が設けられており、ｐ型コンタクト層１８の上面上にはｐ電極２０が設けられている。

ｎ型半導体層１１は、例えば厚さ１．０μｍでｎ型のＧａＮやｎ型の窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）から成る。ｎ型クラッド層１２は、例えば厚さ１．０μｍでｎ型のＡｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎから成る。ｎ型光ガイド層１３は、例えば厚さ０．１μｍでｎ型のＧａＮから成る。多重量子井戸活性層１４は、例えば、窒化インジウムガリウム（Ｉｎ_0.12Ｇａ_0.88Ｎ）から成る厚さ３．５ｎｍの井戸層と、ＧａＮからなる厚さ７．０ｎｍの障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を備えている。

ｐ型電子障壁層１５は、例えば厚さ０．０２μｍでｐ型のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎから成る。ｐ型光ガイド層１６は、例えば厚さ０．１μｍでｐ型のＧａＮから成る。ｐ型クラッド層１７は、例えば厚さ０．４μｍでｐ型のＡｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎから成る。そして、ｐ型コンタクト層１８は、厚さ０．１μｍでｐ型のＧａＮから成る。

このような構造を備える本実施の形態に係る窒化物系半導体レーザは、（１−１００）面でへき開されており、当該（１−１００）面に共振器ミラーを備えている。そして、ｎ電極１９とｐ電極２０間に電圧を印加すると、多重量子井戸活性層１４からレーザが出力される。

図３は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造の変形例を示す斜視図である。図３に示される半導体レーザはリッジ導波型の半導体レーザであって、図１に示される半導体レーザにおいて、ｐ型クラッド層１７、ｐ型コンタクト層１８及びｐ電極２０の形状を変形し、更にシリコン酸化膜５２を備えるものである。以下に、図３に示される半導体レーザの製造方法について説明する。

なお、ｎ型半導体層１１やｎ型クラッド層１２などの窒化物系半導体層の結晶成長方法には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などがあるが、以下の例では、ＭＯＣＶＤ法を使用する。また、ＩＩＩ族原料には、トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」と呼ぶ）やトリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」と呼ぶ）、あるいはトリメチルインジウム（以下、「ＴＭＩ」と呼ぶ）を使用し、Ｖ族原料にはアンモニア（ＮＨ₃）ガスを使用する。また、ｎ型不純物原料には例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）を用い、ｐ型不純物原料には例えばシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ₂Ｍｇ）を使用する。そして、これらの原料ガスを運ぶキャリアガスには水素（Ｈ₂）ガス及び窒素（Ｎ₂）ガスを使用する。

図４は図３に示される半導体レーザの製造方法を示すフローチャートである。まずステップｓ１において、例えばオフ角度θが０．５°に設定された図１に示されるＧａＮ基板１０を準備する。そして、ステップｓ２においてＧａＮ基板１０を熱処理する。ステップｓ２では、まずＧａＮ基板１０をＭＯＣＶＤ装置内に設置する。次に、装置内にＮＨ₃ガスを供給しながら装置内温度を１０００℃まで昇温する。昇温後、装置内にＮＨ₃ガス、Ｎ₂ガス及びＨ₂ガスを含む混合ガスを供給し、当該混合ガス雰囲気中で１５分間、ＧａＮ基板１０を熱処理する。このとき、混合ガス中でのＨ₂ガスが占める割合は例えば５％に設定される。

次にステップｓ３において、ｎ型半導体層１１等を含む複数の窒化物系半導体層をＧａＮ基板１０上に積層する。ステップｓ３では、まずＭＯＣＶＤ装置内へのＴＭＧガスとＳｉＨ₄ガスの供給を開始し、ＧａＮ基板１０の上面１０ａ上にｎ型のＧａＮから成るｎ型半導体層１１を成長させる。そして、更にＴＭＡガスの供給を開始して、ｎ型のＡｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎから成るｎ型クラッド層１２をｎ型半導体層１１上に成長させる。

次に、ＴＭＡガスの供給を停止して、ｎ型のＧａＮから成るｎ型光ガイド層１３をｎ型クラッド層１２上に成長させる。その後、ＴＭＧガスとＳｉＨ₄ガスの供給を停止して、装置内温度を７００℃まで降温する。そして、ｎ型光ガイド層１３上に多重量子井戸活性層１４を成長させる。具体的には、ＴＭＧガス、ＴＭＩガス及びＮＨ₃ガスを供給することでＩｎ_0.12Ｇａ_0.88Ｎから成る井戸層を成長し、ＴＭＧガスとＮＨ₃ガスを供給することでＧａＮから成る障壁層を成長する。この処理を繰り返し実行することによって、井戸層及び障壁層の対を３対備える多重量子井戸活性層１４を形成する。

その後、ＮＨ₃ガスを供給しながら装置内温度を１０００℃にまで再び昇温した後、ＴＭＧガス、ＴＭＡガス、ＣＰ₂Ｍｇガスの供給を開始し、ｐ型のＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎから成るｐ型電子障壁層１５を多重量子井戸活性層１４上に成長させる。次に、ＴＭＡガスの供給を停止し、ｐ型のＧａＮから成るｐ型光ガイド層１６をｐ型電子障壁層１５上に成長させる。次に、ＴＭＡガスの供給を再度開始し、ｐ型のＡｌ_0.07Ｇａ_0.93Ｎから成る厚さ０．４μｍのｐ型クラッド層１７をｐ型光ガイド層１６上に成長させる。

次に、ＴＭＡガスの供給を停止して、ｐ型のＧａＮから成る厚さ０．１μｍのｐ型コンタクト層１８層をｐ型クラッド層１７上に成長させる。その後、ＴＭＧガス及びＣＰ₂Ｍｇガスの供給を停止して装置内温度を室温にまで冷却する。

以上のようにして、すべての窒化物系半導体層の結晶成長が終了しステップｓ３が完了すると、ステップｓ４において、光導波路となるリッジ部５１を形成する。ステップｓ４では、まずウェハ全面にレジストを塗布し、リソグラフィー工程を実行することによりメサ部の形状に対応した所定形状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、ｐ型コンタクト層１８及びｐ型クラッド層１７を順次エッチングする。これにより、光導波路となるリッジ部５１が形成される。なお、このときのエッチングガスとしては例えば塩素系ガスが使用される。

次に、ステップｓ５においてｐ電極２０及びｎ電極１９を形成する。ステップｓ５では、まず、ステップｓ４でマスクとして用いたレジストパターンを残したまま、ＣＶＤ法や真空蒸着法、あるいはスパッタリング法などにより、例えば厚さが０．２μｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）５２をウェハ全面に形成し、レジストパターンの除去と同時にリッジ部５１上にあるシリコン酸化膜５２を除去する。この処理は「リフトオフ」と呼ばれる。これにより、リッジ部５１を露出する開口部５３がシリコン酸化膜５２に形成される。

次に、ウェハ全面に例えば真空蒸着法により白金（Ｐｔ）から成る金属膜と金（Ａｕ）から成る金属膜とを順次形成した後、レジスト塗布工程およびリソグラフィー工程を実行し、その後、ウエットエッチングあるいはドライエッチングを実行することにより、開口部５３内にｐ電極２０を形成する。

その後、ＧａＮ基板１０の下面全面に、例えば真空蒸着法によりチタン（Ｔｉ）から成る金属膜とアルミニウム（Ａｌ）から成る金属膜とを順次形成し、形成された積層膜をエッチングしてｎ電極１９を形成する。そして、ｎ電極１９をＧａＮ基板１０にオーミック接触させるためのアロイ処理を行う。

以上のようにして形成された構造をへき開などによりバー状に加工して、当該構造に両共振器端面を形成する。そして、これらの共振器端面に端面コーティングを施した後、このバー状の構造をへき開などによりチップ状に分割する。これにより、図３に示される半導体レーザが完成する。

以上のように、本実施の形態では、ＧａＮ基板１０の上面１０ａが、（０００１）面に対して＜１−１００＞方向に０．１°以上のオフ角度θを備えているため、当該上面１０ａ上に形成されるｎ型半導体層１１の平坦性及び結晶性が向上する。その結果、ｎ型半導体層１１を利用して形成された本実施の形態に係る半導体素子の電気的特性が向上し、信頼性が向上する。

図５は、ＧａＮ基板１０の上面１０ａのオフ角度θと、当該上面１０ａ上に形成されるｎ型半導体層１１の上面での最大高低差との関係を示す図である。図５中のひし形印は、本実施の形態のようにＧａＮ基板１０の上面１０ａが＜１−１００＞方向にオフ角度θを備える場合のデータであり、四角印は、本実施の形態とは異なり、ＧａＮ基板１０の上面１０ａが＜１１−２０＞方向にオフ角度θを備える場合のデータである。後述の図９，１０中のひし形印及び四角印も同様である。

なお、図５中の縦軸の最大高低差は、ｎ型半導体層１１を厚さ４μｍまで成長させ、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＡＦＭ）を用いて当該ｎ型半導体層１１を縦２００μｍ×横２００μｍの範囲で表面観察した際の値を示している。後述する図６，１０についても同様である。

図５に示されるように、オフ角度θが０．１°以上になると、ｎ型半導体層１１の上面での最大高低差が大幅に小さくなり表面モフォロジが良好となる。そして、ＧａＮ基板１０の上面１０ａを＜１−１００＞方向に傾けた場合には、オフ角度θが０．２５°以上となると、更にｎ型半導体層１１での最大高低差が減少し、当該ｎ型半導体層１１の表面モフォロジが良好となる。一方で、図５に示されるように、オフ角度θが１．０°よりも大きくなると、ｎ型半導体層１１の上面での最大高低差が大きくなる。

なお、オフ角度θが０．０５°以下の場合には、ｎ型半導体層１１の表面に六角ヒロックが発生するためその表面での凹凸が大きり、平坦なモフォロジは得られない。

また、オフ角度θが０．０５°以上０．２５°未満では、オフ角度θの方向に垂直な方向、つまり＜１−１００＞方向あるいは＜１１−２０＞方向に垂直な方向に沿ってステップ状の段差が生じる。しかしながら、オフ角度θの方向が＜１−１００＞方向の場合には、オフ角度θが０．２５°以上になると、ステップ状の段差は減少し、より平坦なモフォロジが得られる。このとき、ｎ型半導体層１１での平均表面粗さは０．５ｎｍ以下に抑えることができる。

一方で、オフ角度θの方向が＜１１−２０＞方向の場合には、オフ角度θが０．２５°以上になっても、図１に示したＧａＮ基板１０の表面上の転位密度の高い領域２１によって、ステップフロー成長が阻害されるために、ステップ状の段差が残ってしまい、良好な表面モフォロジは得られない。このような表面の凹凸は、例えば本実施の形態のような半導体レーザを作製した場合には、ｎ型半導体層１１のみならず多重量子井戸活性層１４にも段差が生じてしまい、レーザの共振器内での損失が大きくなり、しきい値電流密度が悪化する等の問題が生じる。

以上のように、ＧａＮ基板１０の上面１０ａのオフ角度θとその方向とが、当該上面１０ａ上に形成される成長層の表面凹凸や結晶性に大きな影響を与える。本実施の形態のように、＜１−１００＞方向に０．１°以上傾いたＧａＮ基板１０の上面１０ａ上に半導体レーザを作製した場合には、平坦性および結晶性が良好でかつ安定な素子特性が得られる。そして、＜１−１００＞方向に０．２５°以上傾いたＧａＮ基板１０の上面１０ａ上に半導体レーザを作製した場合には、平坦性および結晶性がより良好となり、＜１−１００＞方向に０．３°以上傾いたＧａＮ基板１０の上面１０ａ上に半導体レーザを作製した場合には、平坦性および結晶性がさらに良好となる。

更に、本実施の形態では、オフ角度θは１．０°以下に設定されているため、ＧａＮ基板１０を加工してオフ角度θを設ける際の加工性が向上し、更には、ＧａＮ基板１０上に積層される複数の窒化物系半導体層を形成し易くなる。従って、ＧａＮ基板１０を利用した半導体素子の製造性が向上する。

なお、通常、半導体レーザは（１−１００）面に共振器ミラーを有するが、この場合には、＜１−１００＞方向のオフ角度θが大きくなるとミラー損失が大きくなる。従って、半導体レーザでのミラー損失を低減するという観点からも、オフ角度θは１．０°以下に設定することが好ましい。

図１に示されるＧａＮ基板１０では、＜１−１００＞方向にのみオフ角度θを設けていたが、＜１１−２０＞方向にもオフ角度θ１を設けても良い。図６は、ＧａＮ基板１０の上面１０ａが＜１−１００＞方向に０．２５°のオフ角度θを備え、更に＜１１−２０＞方向にオフ角度θ１を備える場合での、当該オフ角度θ１と、当該上面１０ａ上に形成されるｎ型半導体層１１の上面での最大高低差との関係を示す図である。

図６に示されるように、ＧａＮ基板１０の上面１０ａが＜１−１００＞方向に０．２５°傾いている状態において、＜１１−２０＞方向のオフ角度θ１を０°以上０．１°以下に設定すると、ｎ型半導体層１１の上面での最大高低差はほとんど変化することがなく、当該ｎ型半導体層１１の表面モフォロジは良好である。図６に示される結果はオフ角度θが０．２５°のときの結果であるが、当該オフ角度θが０．２５°以上であれば同様の結果となる。なお、図２に示される窒化物形半導体レーザにおいて、＜１−１００＞方向にオフ角度θを、＜１１−２０＞方向にオフ角度θ１をそれぞれ備えるＧａＮ基板１０を利用した場合の当該窒化物系半導体レーザの構造を図７に示す。

図８は、ＧａＮ基板１０を成長炉内でＮＨ₃ガス、Ｎ₂ガス及びＨ₂ガスを含む混合ガス雰囲気中、あるいはＮＨ₃ガス及びＮ₂ガスを含む混合ガス雰囲気中で１０００℃で熱処理を行ったときの、ＧａＮ基板１０の上面１０ａでの最大高低差と熱処理時間との関係を、混合ガス中におけるＨ₂ガスの割合をパラメータとして示す図である。

図８中の丸印はＨ₂ガスの分圧が０％の場合、つまり混合ガス中にＨ₂ガスが含まれていない場合のデータを示しており、図８中の四角印、三角印、バツ印、＊印及びひし形印は、Ｈ₂ガスの分圧が５％、１０％、２０％、３０％及び４０％に設定された場合のデータをそれぞれ示している。また、図８中の縦軸の最大高低差は、ＧａＮ基板１０の上面１０ａを縦１０μｍ×横１０μｍの範囲でＡＦＭを用いて表面観察した際の値を示している。後述する図９についても同様である。

図８に示されるように、上述のステップ２において、Ｈ₂ガスの分圧が３０％以下で５分以上熱処理を行うと、ＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸は大きく減少する。

また、Ｈ₂ガスの分圧が０％以上１０％以下で１０分以上熱処理を行うことで、ＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸は１ｎｍ以下まで低減できる。本発明のように、＜１−１００＞方向に０．１°以上傾いたＧａＮ基板１０の上面１０ａ上に窒化物系半導体層を形成する場合においては、ＧａＮ基板１０の上面１０ａに２ｎｍ以上の凹凸があると、平坦性の向上および結晶品質向上の効果が最大限に発揮することができないことがある。従って、本発明の効果を最大限に確実に発揮させるためには、窒化物系半導体層の成長前にＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸を熱処理によって１ｎｍ以下まで低減させることは非常に重要である。

また、ＧａＮ基板１０に対する熱処理を長時間行うと、ＧａＮ基板１０中での窒化ガリウムの分解が促進され、当該ＧａＮ基板１０から窒素が抜けてしまい、その結果、ＧａＮ基板１０の上面１０ａの平坦性があまり向上しないことがある。図８より、熱処理時間が３０分を超えると、ＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸が急激に大きくなることがわかる。従って、ＧａＮ基板１０の平坦性を確実に向上させるためには熱処理時間は３０分以下が好ましい。

また熱処理温度については、８００℃以上１２００℃以下であれば同様の効果を生じ、ＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸は減少する。そして、熱処理温度を１０００℃以上１２００℃以下に設定することによってＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸は更に減少する。図９は、ＮＨ₃ガス、Ｎ₂ガス及びＨ₂ガスを含み、Ｈ₂ガスの分圧が２０％に設定された混合ガス雰囲気中でＧａＮ基板１０を成長炉内で５分間熱処理を行ったときの、ＧａＮ基板１０の上面１０ａでの最大高低差と熱処理温度との関係を示す図である。図９に示されるように、熱処理温度が７００℃以下の場合には、ＧａＮ基板１０の上面１０ａでのＧａ原子のマストランスポーテーションがほとんど生じないため、当該上面１０ａでの凹凸の低減が見られないが、熱処理温度が８００度以上となると当該上面１０ａでの凹凸が大きく低減される。そして、熱処理温度が１０００℃以上になるとＧａＮ基板１０の上面１０ａでの最大高低差はさらに小さくなる。一方、熱処理温度を１２００℃よりも高く設定すると、ＭＯＣＶＤ装置内の基板加熱用ヒータへの負荷が著しく高まり、頻繁にヒータ交換を要することになり好ましくない。さらに、ＧａＮ基板１０の上面１０ａから窒素原子が再蒸発する確率は、加熱温度に対して指数関数的に増加するため、１２００℃よりも高い温度で熱処理を行う場合には、窒素原子の再蒸発を防止するために必要なＮＨ₃ガスの流量を増加させる必要があるため、生産性の観点からも好ましくない。

なお、Ｈ₂ガスの分圧が３０％以下では、ＧａＮ基板１０中において、ガリウム（Ｇａ）原子のマイグレーションが促進されることから、ＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸は減少する。

また、Ｈ₂ガスの分圧が３０％以上では、熱処理による基板表面に対するサーマルエッチングが強く作用するため、ＧａＮ基板１０の上面１０ａの凹凸はほとんど変化しない。

以上のように、ステップｓ２において、ＮＨ₃を含むガス、あるいはＨ₂の割合が３０％以下に設定されている、ＮＨ₃とＨ₂とを含むガスの雰囲気中において、ＧａＮ基板１０に対して、８００℃以上１２００℃以下で５分以上の間熱処理を実行することによって、当該ＧａＮ基板１０の上面１０ａの平坦性は向上する。従って、ＧａＮ基板１０の上面１０ａ上に形成される窒化物系半導体層の平坦性も更に向上し、当該窒化物系半導体層を利用して電気的特性が良好な半導体素子を形成することができる。

また、熱処理時間を３０分以下に設定することによって、ＧａＮ基板１０の平坦性を確実に向上させることができる。

なお、ＧａＮ基板１０を熱処理する際には、上記の例で使用した混合ガス中に含まれるＮ₂ガスはキャリアガスとして機能するため、当該Ｎ₂ガスはＧａＮ基板１０の上面１０ａでの平坦性の向上にほとんど寄与しないことから、Ｎ₂ガスは必ずしも混合ガス中に含まれる必要はない。

図１０は本実施の形態に係るｎ型半導体層１１の不純物濃度と当該ｎ型半導体層１１の上面での最大高低差との関係を示す図である。図１０に示されるように、ｎ型半導体層１１の不純物濃度を、１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上１×１０²⁰ｃｍ^-3以下に設定することによって、その上面での最大高低差は小さくなり、ｎ型半導体層１１の表面モフォロジは更に良好となる。また、ｎ型半導体層１１の不純物濃度を、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下に設定することによって、その上面での最大高低差は１０ｎｍよりも小さい値となり、ｎ型半導体層１１の表面モフォロジは更に良好となる。そして、ｎ型半導体層１１の不純物濃度を、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に設定することによって、その上面での最大高低差は更に小さい値となり、ｎ型半導体層１１の表面モフォロジは更に良好となる。

本発明は半導体レーザ以外の他の半導体発光素子だけでなく、その他の電子デバイスにも適用可能である。

以上のように、本発明によれば、ＧａＮ基板上に平坦性及び結晶性に優れた窒化物系半導体層を形成することが可能となる。ここでいう結晶性とは、結晶の原子配列の規則性、すなわち結晶の構造的規則性に起因する当該結晶の電気的光学的特性を意味する。窒化物系半導体層での構造的規則性が確保されない場合には、ＧａＮ基板の平坦性には依存しない異常構造が窒化物系半導体層に形成される。異常構造は、窒化物系半導体層の表面での不規則的な凹凸と、ヒロックと呼ばれる、基板の結晶学的対称性を反映した規則性が認められる表面形状とに主に大別でき、ヒロックは本質的にはファセットの一種であると考えられる。不規則的な凹凸は、結晶成長の過程において、III族原子の表面マイグレーションが不十分であるために形成される。表面マイグレーションが不十分な場合、結晶学的に本来III族原子が配置されるべきサイトに、当該III族原子が位置する確率が減少する。このため、原子スケールでの微視的構造で規定される特性が悪化する。具体的には、原子空孔や格子間原子などの格子欠陥によって、電気的特性としては、キャリアの散乱確率によって規定されるキャリア移動度が低減する。また、不純物による発光中心が形成される結果、光学的特性が劣化する。一方、ファセットの形成は、III族原子の表面マイグレーションの微視的異方性を誘引する。このため、半導体レーザの多重量子井戸活性層の膜厚に空間的な揺らぎが引き起こされる。この揺らぎはナノメータースケールであっても、発光波長に重大な影響を及ぼす。

従って、窒化物系半導体層に異常構造を形成させない結晶成長を実現することが良好な半導体レーザ特性を得る上で本質的に重要である。異常構造の形成を防ぐためには、本発明のように予めＧａＮ基板に適切なオフ角度を設けて、いわゆるステップフロー成長を生じさせることが有効である。特に、図１に示されるＧａＮ基板１０のように、一方向だけにオフ角度を設けて、一方向性のステップフロー成長を生じさせることによって、異常構造の形成は確実に抑制できる。理論的に理想的なオフ角度を定量的に予測することは、結晶成長という動的な物理化学的現象が極めて複雑であることから、非常に困難である。本実施の形態のように、実験的手法により適切なオフ角度を調査することが現実性の高い手法と考えられる。

本発明の実施の形態に係る窒化ガリウム基板の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る半導体素子の構造を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る半導体素子の構造の変形例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。 窒化ガリウム基板の上面でのオフ角度と、窒化物系半導体層の表面での最大高低差との関係を示す図である。 窒化ガリウム基板の上面が＜１−１００＞方向にオフ角度を備える場合の、＜１１−２０＞方向のオフ角度と窒化物系半導体層の上面での最大高低差との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る半導体素子の構造の変形例を示す斜視図である。 窒化ガリウム基板に対する熱処理時間と、当該窒化ガリウム基板の上面での最大高低差との関係を示す図である。 窒化ガリウム基板に対する熱処理温度と、当該窒化ガリウム基板の上面での最大高低差との関係を示す図である。 窒化物系半導体層の不純物濃度と、当該窒化物系半導体層の上面での最大高低差との関係を示す図である。

符号の説明

１ 窒化ガリウム基板、１０ａ 上面、１１ ｎ型半導体層、θ，θ１ オフ角度。

Claims (5)

1. （ａ）上面が（０００１）面に対して＜１−１００＞方向に０．２°よりも大きく１．０°以下のオフ角度を有する窒化ガリウム基板を準備する工程と、
   （ｂ）前記窒化ガリウム基板の前記上面上に、不純物濃度が１×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 以上１×１０ ¹⁹ ｃｍ ^-3 以下であるｎ型半導体層を前記窒化ガリウム基板と接触して形成する工程と、
   （ｃ）前記工程（ａ），（ｂ）の間に、少なくともＮＨ ₃ を含むガス、あるいは少なくともＮＨ ₃ とＨ ₂ とを含むガスの雰囲気中において、前記窒化ガリウム基板に対して、８００℃以上１２００℃以下で５分以上の間熱処理を実行する工程と
   を備え、
   前記工程（ｃ）において、少なくともＮＨ ₃ とＨ ₂ とを含むガスを使用する場合には、当該ガスにおけるＨ ₂ の割合は１０％以下に設定されている、半導体素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記工程（ｃ）において、前記窒化ガリウム基板に対して５分以上３０分以下の間熱処理を実行する、半導体素子の製造方法。
3. 請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記工程（ｃ）において、前記窒化ガリウム基板に対して１０００℃以上１２００℃以下で熱処理を実行する、半導体素子の製造方法。
4. 請求項１及び請求項２のいずれか一つに記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記工程（ｃ）において、前記窒化ガリウム基板に対して１０００℃で１０分以上熱処理を実行する、半導体素子の製造方法。
5. 請求項１に記載の半導体素子の製造方法であって、
   前記ｎ型半導体層は、不純物濃度が１×１０ ¹⁷ ｃｍ^-3以上５×１０ ¹⁸ ｃｍ^-3以下である、半導体素子の製造方法。

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