特許 6331572 窒化物半導体素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6331572

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】窒化物半導体素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/205 20060101AFI20180521BHJP

   H01S 5/343 20060101ALI20180521BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/205

   H01S5/343 610

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-68383(P2014-68383)

(22)【出願日】2014年3月28日

(65)【公開番号】特開2015-192036(P2015-192036A)

(43)【公開日】2015年11月2日

【審査請求日】2017年2月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000226057

【氏名又は名称】日亜化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100158

【弁理士】

【氏名又は名称】鮫島 睦

(74)【代理人】

【識別番号】100138863

【弁理士】

【氏名又は名称】言上 惠一

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(72)【発明者】

【氏名】道上 敦生

【審査官】 河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／０３７２５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−１０４５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１４６７５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第９９／０３８２１８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｓ ５／３４３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

有機金属気相成長法によって、サファイア基板上に単結晶のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）からなる第１窒化物半導体層を積層する第１窒化物半導体層積層工程と、
前記第１窒化物半導体層に第２窒化物半導体層を積層する第２窒化物半導体層積層工程と、
を備え、
前記第１窒化物半導体層積層工程は、
酸素を供給しながら、前記サファイア基板の上面全体を前記第１窒化物半導体層で被膜させる第１工程と、
前記第１工程で供給される酸素の流量よりも少ない流量の酸素を供給しながら、または、酸素を供給しないで、前記第１窒化物半導体層を結晶成長させる第２工程と、
を有し、
前記サファイア基板の前記第１窒化物半導体層側の上面は、ｃ面の平坦面と、前記平坦面に設けられた凸部と、を有し、
前記凸部の形状は、略円錐形、または、側面にｎ面を有する略六角錘形であることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記第１窒化物半導体層積層工程では、８００℃以上で、前記第１窒化物半導体層を成長させることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記第１窒化物半導体層積層工程と、前記第２窒化物半導体層積層工程とは、有機金属気相成長法によって連続して行われることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。

【請求項4】

請求項１から３の何れか一つに記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記第１窒化物半導体層は、ＡｌＮであることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。

【請求項5】

請求項１から４の何れか一つに記載の窒化物半導体素子の製造方法において、
前記第２窒化物半導体層は、ＧａＮであることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、窒化物半導体素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、窒化物半導体素子の製造方法としては、ＷＯ９９／３８２１８（特許文献１）に記載されたものがある。この窒化物半導体素子の製造方法では、基板上に、有機金属気相成長法によって、低温でチッ化ガリウム系化合物半導体からなるバッファ層を設け、さらに、チッ化ガリウム系化合物半導体からなる発光層を、高温で、順次積層していた。そして、バッファ層を成長させる際、酸素を供給することで、バッファ層を安定して成長させていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】ＷＯ９９／３８２１８

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、前記従来の窒化物半導体素子の製造方法では、バッファ層を成長させる温度が低温であるため、バッファ層は、単結晶にはならず、アモルファスに近い多結晶の状態であった。このため、バッファ層上に形成される窒化物半導体層の結晶性には改善の余地があった。

【0005】

そこで、本発明の実施形態に係る課題は、窒化物半導体層の結晶性を向上できる窒化物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】

【0006】

前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法は、有機金属気相成長法によって、サファイア基板上に単結晶のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）からなる第１窒化物半導体層を積層する第１窒化物半導体層積層工程と、前記第１窒化物半導体層に第２窒化物半導体層を積層する第２窒化物半導体層積層工程とを備え、前記第１窒化物半導体層積層工程は、酸素を供給しながら、前記サファイア基板の上面全体を前記第１窒化物半導体層で被膜させる第１工程と、前記第１工程で供給される酸素の流量よりも少ない流量の酸素を供給しながら、または、酸素を供給しないで、前記第１窒化物半導体層を結晶成長させる第２工程と、を有することを特徴としている。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態に係る窒化物半導体素子の製造方法によれば、前記第１窒化物半導体層積層工程の第１工程では、酸素を供給しているので、＋ｃ極性の第１窒化物半導体層を安定して成長させることができる。また、前記第１窒化物半導体層積層工程の第２工程では、供給される酸素の流量を減少または０としているので、第１窒化物半導体層の結晶性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の構成を示す模式的断面図である。

【図2A】本発明の一実施形態に係るサファイア基板の構成を示す模式的平面図である。

【図2B】本発明の一実施形態に係るサファイア基板の構成を示す模式図であり、図２ＡのＡ−Ａ線における断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る窒化物半導体素子の製造工程において、第１窒化物半導体層積層工程の第２工程で供給される酸素の流量とＸ線回折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭ）との関係を示すグラフである。

【図4A】本発明の一実施形態に係る第２窒化物半導体層の初期成長を説明する斜視方向からみた模式図である。

【図4B】本発明の一実施形態に係る第２窒化物半導体層の初期成長を説明する平面方向からみた模式図である。

【図5A】比較例としての第２窒化物半導体層の初期成長を説明する斜視方向からみた模式図である。

【図5B】比較例としての第２窒化物半導体層の初期成長を説明する平面方向からみた模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

【0010】

図１は、本発明の一実施形態の窒化物半導体素子を示す断面図である。図１に示すように、窒化物半導体素子１は、サファイア基板１１と、サファイア基板１１に積層される第１窒化物半導体層２１と、第１窒化物半導体層２１に積層される第２窒化物半導体層２２と、第２窒化物半導体層２２に積層される第３窒化物半導体層２３と、を有する。さらに、第３窒化物半導体層２３は、サファイア基板側から順に、ｎ型半導体層１３と、発光層１４と、ｐ型半導体層１５とを少なくとも有する。第３窒化物半導体層２３は、一領域において少なくとも発光層１４とｐ型半導体層１５とが除去されて、ｎ型半導体層１３が露出する領域（以下、露出領域という）を有する。ｎ型半導体層１３の露出領域には、ｎ側電極１６が設けられ、ｐ型半導体層１５の上面には、ｐ側電極１７が設けられる。

【0011】

前記サファイア基板１１は、図２Ａと図２Ｂに示すように、第１窒化物半導体層２１が積層される側の面（上面）１１０に、複数の凸部１１２と、複数の凸部１１２の周囲に配置されたｃ面からなる平坦面１１１と、を有する。凸部１１２の形状は、後述する第２窒化物半導体層２２のＧａＮの結晶構造が６回対称性を有しているため、底面形状を６回対称とする錘状が好ましく、例えば本実施形態のような略円錐としても良く、さらには構成する各辺が、サファイアの結晶面（例えば、ａ面及びｍ面）に略平行な略六角錘形としても良い。なお、サファイア基板１１の上面１１０に、凸部１１２を設けない構成としてもよい。

【0012】

前記第１窒化物半導体層２１は、有機金属気相成長法によって形成された単結晶のバッファ層である。なお、本実施形態における単結晶とは、Ｘ線回折ロッキングカーブ測定によって得られるスペクトルの半値幅が１８００ａｒｃｓｅｃ以下を示すものをいう。このような第１窒化物半導体層２１は、Ａｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）からなり、好ましくはＡｌＮである。第１窒化物半導体層が単結晶であるため、サファイアの格子定数に近いＡｌＮを用いる方がエピタキシャル成長しやすく、後述する第２窒化物半導体層２２の結晶性向上に効果的である。また、第１窒化物半導体層２１の膜厚は、サファイア基板の上面全体を第１窒化物半導体層２１が十分に被膜できる１０ｎｍ以上、かつ、第１窒化物半導体層２１の結晶性が向上する１００ｎｍ以下程度の範囲とするのが好ましく、さらに好ましくは１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度の範囲、さらに好ましくは２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下程度の範囲とすることで、第１窒化物半導体層２１の結晶性をさらに良好なものにすることができる。また、第１窒化物半導体層２１の酸素含有濃度は、＋ｃ極性の第１窒化物半導体層２１を安定して得られる１％以上、かつ、第１窒化物半導体層２１上に積層される第２窒化物半導体層２２の結晶性を良好なものにすることができる１０％以下程度の範囲にするのが好ましい。なお、ここでいう第１窒化物半導体層２１の酸素含有濃度とは、後述する第１工程で成膜される層に含有される酸素の濃度をいう。

【0013】

前記第２窒化物半導体層２２は、第１窒化物半導体層２１を埋め込むＧａＮ層であり、特に初期成長時に平坦な結晶面を有し、後述する第３窒化物半導体層２３に生じる転位を減らすことができる。このような、第２窒化物半導体層２２の膜厚は、少なくとも第１窒化物半導体層２１を被膜できる厚みを有していれば良く、例えば１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下程度である。

【0014】

前記第３窒化物半導体層２３（ｎ型半導体層１３、発光層１４、ｐ型半導体層１５）は、半導体発光素子に適した材料であれば良く、例えば、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＜１）などを用いることができる。また、第３窒化物半導体層２３を構成する各半導体層は、それぞれ単層構造でもよいが、組成及び膜厚等の異なる層の積層構造、超格子構造等であってもよい。特に、発光層１４は、量子効果が生ずる薄膜を積層した単一量子井戸又は多重量子井戸構造であることが好ましい。

【0015】

前記ｎ側電極１６及び前記ｐ側電極１７は、それぞれ金属ワイヤなどの外部電極が接続され、第３窒化物半導体層２３と電気的に接続するための部材である。ｎ側電極１６は、第３窒化物半導体層２３を構成するｎ型半導体層１３と接するように形成され、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗなどの単体金属又はこれらの金属を主成分とする合金などを用いることができ、さらには、これらの金属材料を単層で、又は積層したものを利用することができる。また、前記ｐ側電極１７は、本実施形態においては、透光性電極１７ａと、パッド電極１７ｂとを有する。透光性電極１７ａは、第３窒化物半導体層２３を構成するｐ型半導体層１５の上面において略全面に形成され、例えば、ＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）やＩＺＯ（インジウム・亜鉛酸化物）などの透光性導電材料が用いられる。パッド電極１７ｂは、透光性電極１７ａの上面の一部に形成され、ｎ側電極１６と同様の金属材料を用いることができる。

【0016】

次に、図１を参照して、前記窒化物半導体素子１の製造方法について説明する。

【0017】

窒化物半導体素子１の製造方法は、まず、有機金属気相成長法によって、サファイア基板１１上に、単結晶のＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）からなる第１窒化物半導体層２１を積層する（以下、第１窒化物半導体層積層工程という）。そして、前記第１窒化物半導体層積層工程の後、有機金属気相成長法によって、第１窒化物半導体層２１上に第２窒化物半導体層２２を積層する（以下、第２窒化物半導体層積層工程という）。

【0018】

次に、前記第２窒化物半導体層２２上に、ｎ型半導体層１３、発光層１４、ｐ型半導体層１５を、有機金属気相成長法などによって、順に積層して第３窒化物半導体層２３を形成する（以下、第３窒化物半導体層積層工程という）。

【0019】

次に、形成された第３窒化物半導体層２３の上面の一部の領域について、ｐ型半導体層１５、発光層１４及びｎ型半導体層１３の一部をエッチングにより除去してｎ型半導体層１３が底面に露出した露出領域を形成する。その後、当該分野で周知の方法により、ｎ型半導体層１３の露出領域にｎ側電極１６、ｐ型半導体層１５の上面にｐ側電極１７をそれぞれ形成して、窒化物半導体素子１を製造する。

【0020】

本実施形態において、前記第１窒化物半導体層積層工程は、第１工程と第２工程とを有する。

【0021】

前記第１工程では、酸素を、例えば０．０１ｓｃｃｍ以上０．１ｓｃｃｍ以下程度、さらに好ましくは０．０２ｓｃｃｍ以上０．０６ｓｃｃｍ以下程度（ただし、酸素の供給方法は、不活性ガスに酸素を混合して目的の流量で供給しても良いし、直接、酸素を目的の流量で供給しても良い）供給しながら、サファイア基板１１の上面１１０の全体を第１窒化物半導体層２１で被膜させる。これにより、＋ｃ極性の第１窒化物半導体層２１を安定して成長させることができ、さらに、その第１窒化物半導体層２１上に積層される第２窒化物半導体層２２において、平坦な結晶面を得ることができる。これは、酸素を加えることで、第１窒化物半導体層２１のＮ極性化（−ｃ極性）が抑制されて第１窒化物半導体層２１の成長が安定することによると考えられる。

【0022】

前記第２工程では、前記第１工程で供給される酸素の流量よりも少ない流量の酸素を供給しながら、または、酸素を供給しないで、第１窒化物半導体層２１を結晶成長させる。これにより、第１窒化物半導体層２１の結晶性を向上でき、さらに、結晶性の良い第１窒化物半導体層２１上に積層される第２窒化物半導体層２２においても、結晶性を向上できる。なお、第２工程において供給される酸素の流量を減少させる場合、第１工程で供給される酸素の流量から、段階的または連続的に減少させてもよい。

【0023】

前記第１窒化物半導体層積層工程では、８００℃以上で、第１窒化物半導体層２１を成長させる。これにより、第１窒化物半導体層２１を確実に単結晶化させることができる。なお、第１窒化物半導体層２１の成長温度は、好ましくは、８００℃〜１３００℃であり、さらに好ましくは、９００℃〜１２００℃である。これにより、サファイア基板１１の上面１１０のダメージを軽減し、かつ、第１窒化物半導体層２１を単結晶化することができる。これに対して、成長温度が上限値よりも大きいと、サファイア基板１１の上面１１０がダメージをうけるおそれがあり、成長温度が下限値より小さいと、第１窒化物半導体層２１を単結晶化することができない。

【0024】

次に、図３を用いて、前記第１窒化物半導体層積層工程の第１工程および第２工程の実施例を説明する。本実施例では、第２工程において酸素の供給量を変えて形成した３つのサンプルを準備して、それぞれのサンプルをＸ線ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＣ−ＦＷＨＭ）にて測定した。なお、本実施例におけるサファイア基板は、その上面に略円錐形状の凸部を複数有し、それら凸部の周囲にはｃ面からなる平坦面を有するものを用いる。本実施例における凸部の形成方法としては、サファイア基板の上面に、形成する凸部の底面形状と同様の形状（本実施例では円形状とする）にてレジストマスクをパターン形成した後、ドライエッチングをレジストマスクが完全に除去されるまで行うことで形成することができる。

【0025】

図３では、第１窒化物半導体層をＡｌＮとし、前記第１工程において、酸素を窒素又はアルゴンなどの不活性ガスに混合させることで、約０．０２ｓｃｃｍの酸素を供給する。次に、前記第２工程において、第１工程と同様の方法にて酸素をそれぞれ、０ｓｃｃｍ、約０．０１ｓｃｃｍ、約０．０２ｓｃｃｍ供給して、サファイア基板上にＡｌＮ層を約３０ｎｍ程度成膜した３つのサンプルを準備する。次に、３つのサンプルのＡｌＮ層上にそれぞれ、第２窒化物半導体層としてのＧａＮ層を約５μｍ成膜した後、このＧａＮ層についてＸ線回折ロッキングカーブ半値幅（ＸＲＤロッキングカーブＦＷＨＭ）を測定した。このとき、ＧａＮ層のミラー指数（００２）（１０２）について測定した。図３では、横軸に、第２工程で供給される酸素の流量を示し、縦軸に、Ｘ線回折ロッキングカーブ半値幅を示す。

【0026】

なお、本実施例では、第１窒化物半導体層にＡｌＮを用いているが、本発明はこれに限定されるものではない。第１窒化物半導体層は、Ａｌの混晶比が高いもの、例えばＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０．５＜Ｘ≦１）であれば同様の傾向を示すと考えられる。

【0027】

図３に示すように、ミラー指数が（１０２）では、第２工程で供給される酸素の流量が少ないほど、Ｘ線回折ロッキングカーブ半値幅が小さくなり、結晶性が良くなっている。ミラー指数が（００２）では、第２工程で供給される酸素の流量にかかわらず、Ｘ線回折ロッキングカーブ半値幅はほぼ一定である。したがって、第２工程で供給される酸素の流量が、第１工程で供給される酸素の流量よりも少ないと、ＧａＮ層（第２窒化物半導体層）の結晶性を向上できることが分かる。

【0028】

次に、図４Ａと図４Ｂを用いて、前記第２窒化物半導体層の初期成長を説明する。

【0029】

図４Ａと図４Ｂは、略円錐形状の凸部１１２を有するサファイア基板１１の上面１１０全体に、第１窒化物半導体層である単結晶のＡｌＮ層２１が積層されており、積層されたＡｌＮ層２１上に第２窒化物半導体層であるＧａＮ層２２ａ，２２ｂを成長させたときの初期成長の状態を模式的に示す図である。

【0030】

図４Ａと図４Ｂに示すように、初期成長のときのＧａＮ層２２ａ，２２ｂは、単結晶のＡｌＮ層２１上において、サファイア基板１１の平坦面１１１（ｃ面）に位置する部分と、凸部１１２の側面におけるｎ面近傍に位置する部分と、から成長する。

【0031】

さらに、ｎ面近傍の位置に成長したＧａＮ層２２ａによって、凸部１１２の周囲にある平坦面１１１の位置から成長したＧａＮ層２２ｂが、凸部１１２を囲むように、安定した六角形状のファセットを形成することが促進される。

【0032】

その結果、凸部１１２の周囲にある平坦面１１１の位置から成長したＧａＮ層２２ｂの合わさり目が、１つになるように成長することによって、ＧａＮ層２２ｂに生じる転位が減少する傾向にある。したがって、サファイア基板１１は、その上面１１０に略円錐形の凸部１１２を有することによって、第２窒化物半導体層から生じる転位の数を減らすことができると考えられる。なお、本実施例では凸部の形状を略円錐としたがこれに限定されず、凸部の側面近傍にｎ面を有していれば良く、略六角錘形としても良い。

【0033】

次に、比較例として、本実施例における第２工程を行わずに第１工程のみ（約０．０４ｓｃｃｍの酸素を供給）でＡｌＮ層２１を形成する場合のＧａＮ層２２ｃの初期成長を、図５Ａと図５Ｂを用いて説明する。

【0034】

図５Ａと図５Ｂに示すように、ＧａＮ層２２ｃのファセットが不安定な略六角形状を有する傾向にある。このため、ＧａＮ層２２ｃは、図５ＢのＡ部分に示すように、略六角形状を構成する辺の長さが異なる歪んだ部分を有することで、ＧａＮ層２２ｃが凸部１１２を埋め込むときに偏り、本実施例よりも転位が増加すると考えられる。

【0035】

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。

【符号の説明】

【0036】

１ 窒化物半導体素子
１１ サファイア基板
１１０ 上面
１１１ 平坦面
１１２ 凸部
１３ ｎ型半導体層
１４ 発光層
１５ ｐ型半導体層
１６ ｎ側電極
１７ ｐ側電極
２１ 第１窒化物半導体層
２２ 第２窒化物半導体層
２３ 第３窒化物半導体層

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】