JP2005239440A - Nitride semiconductor substrate, semiconductor device, semiconductor light emitting element, and semiconductor light receiving element - Google Patents
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Abstract
Translated fromJapaneseDescription
Translated fromJapanese本発明は、窒化物半導体基板、半導体デバイス、半導体発光素子および半導体受光素子に関する。 The present invention relates to a nitride semiconductor substrate, a semiconductor device, a semiconductor light emitting element, and a semiconductor light receiving element.
従来、この種の窒化物半導体基板として、図８に示すような窒化物半導体基板１が提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。窒化物半導体基板１において、周期ストライプ状に起伏するＡｌＧａＮからなるシード結晶層８上に、ＡｌＮからなる低温堆積中間層５を形成し、さらに同低温堆積中間層５上にＡｌＧａＮからなる半導体層６を形成している。 Conventionally, a nitride semiconductor substrate 1 as shown in FIG. 8 has been proposed as this type of nitride semiconductor substrate (see, for example, Patent Document 1). In the nitride semiconductor substrate 1, a low temperature deposition
かかる構成によれば、低温堆積中間層５が互いに格子定数の異なるシード結晶層８と半導体層６との間に介在するため、シード結晶層８と半導体層６との間の格子不整合に起因する内部応力を緩和することが可能であった。すなわち、この内部応力によって、半導体層６においてクラックが発生することを抑制することが可能であった。このように、半導体層６に発生するクラックを抑制することにより、最終的には半導体層６の平坦表面が得ることができる。従って、各種半導体発光素子や半導体受光素子の作製に好適な窒化物半導体基板を得ることが可能となっていた。 According to such a configuration, since the low temperature deposition
一方、同窒化物半導体基板においてシード結晶層８は周期ストライプ状に起伏し面方位が（１−１０１）である斜面を有している。このようにすることにより、半導体層６の成長において成長方向に貫通する転位Ｄの伝播を横方向とすることができる。従って、半導体層６においてはシード結晶層８の各起伏部の中央位置に転位を集中させることができ、極めて転位の少ない半導体層６表面を得ることができる。 On the other hand, in the nitride semiconductor substrate, the seed crystal layer 8 has an inclined surface having a periodic stripe shape and a plane orientation of (1-101). By doing so, the propagation of dislocations D penetrating in the growth direction in the growth of the semiconductor layer 6 can be set in the lateral direction. Therefore, in the semiconductor layer 6, dislocations can be concentrated at the center position of each undulation portion of the seed crystal layer 8, and the surface of the semiconductor layer 6 with very few dislocations can be obtained.
このように極めて転位の少ない半導体層６表面上に半導体発光素子を作製すると非発光再結合を抑制することができるため、同半導体発光素子においては高い量子効率を得ることが可能であった。従って、発光効率の良い半導体発光素子を作製することが可能であった。また、同様の理由により、半導体層６表面上に半導体受光素子を形成することによって、高耐圧、低暗電流性の優れた半導体受光素子を作製することが可能であった。
しかしながら、上述した窒化物半導体基板において、応力緩和効果が良好な低温堆積中間層５を形成するためにはその成長温度を５００〜６００℃に制御しなければならず、高度の温度制御が要求されるという課題があった。なお、５００℃以下の温度で低温堆積中間層５を成長させると半導体層６の結晶品質が低下し、６００℃以上の温度で低温堆積中間層５を成長させると低温堆積中間層５の格子不整合緩和効果が低下する。 However, in the nitride semiconductor substrate described above, in order to form the low temperature deposition
さらに、半導体層６におけるＡｌＮモル分率が２０％を超える場合には半導体層６とシード結晶層８との格子不整合が著しいものとなり、低温堆積中間層５の応力緩和効果が良好なものであっても半導体層６におけるクラックを抑制することができないという課題があった。すなわち、ＡｌＮモル分率が２０％を超えるような半導体層６を形成することができないという課題があった。 Furthermore, when the AlN molar fraction in the semiconductor layer 6 exceeds 20%, the lattice mismatch between the semiconductor layer 6 and the seed crystal layer 8 becomes significant, and the stress relaxation effect of the low temperature deposition
一方、半導体層６のＡｌＮモル分率が２０％よりも高く、かつ、半導体層６の表面にクラックのない窒化物半導体基板が作製できると、同半導体層６の表面上にＡｌＮモル分率の高い半導体構造を形成することが可能となる。半導体層６のＡｌＮモル分率が高ければ、その上に形成するＡｌＮモル分率の高い半導体構造との構成整合性が良くなり、クラックが発生することを防止できるからである。また、クラックを発生させることなくＡｌＮモル分率の高い半導体構造の膜厚を大きくすることも可能となる。 On the other hand, when a nitride semiconductor substrate having an AlN mole fraction of the semiconductor layer 6 higher than 20% and having no cracks on the surface of the semiconductor layer 6 can be produced, the AlN mole fraction on the surface of the semiconductor layer 6 is increased. A high semiconductor structure can be formed. This is because if the AlN mole fraction of the semiconductor layer 6 is high, the structural consistency with the semiconductor structure having a high AlN mole fraction formed thereon is improved, and the occurrence of cracks can be prevented. It is also possible to increase the film thickness of a semiconductor structure having a high AlN molar fraction without generating cracks.
ＡｌＮモル分率の高い半導体構造はワイドギャップを有しているため、近年、ＡｌＮモル分率の高い半導体構造がクラックフリーで積層可能な窒化物半導体の実現が望まれている。例えば、窒化物半導体基板上にＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮクラッド層を積層した場合、波長が３４０〜３５０ｎｍ程度の深紫外線領域の短波長光も発光させることが可能な半導体発光素子を作製することも可能となる。このような短波長光の発光が実現すると、外部光源によって色味が変動しない白色照明や液晶パネルのバックライト等の作製や、酸化チタン等の光触媒を励起させて有機物を分解するための光源を作製することが可能となる。また、ＡｌＧａＮクラッド層の膜厚を大きくすることができるため、同クラッド層にて光の閉じ込めを行うことが可能となり半導体レーザの作製に利用することも可能となる。 Since a semiconductor structure having a high AlN mole fraction has a wide gap, in recent years, it has been desired to realize a nitride semiconductor in which a semiconductor structure having a high AlN mole fraction can be stacked without cracks. For example, when an AlGaN cladding layer having a high AlN mole fraction is stacked on a nitride semiconductor substrate, a semiconductor light emitting device capable of emitting short wavelength light in the deep ultraviolet region having a wavelength of about 340 to 350 nm is manufactured. Is also possible. When such short-wavelength light emission is realized, it is possible to produce a white illumination that does not vary in color by an external light source, a backlight of a liquid crystal panel, etc., or a light source for decomposing organic matter by exciting a photocatalyst such as titanium oxide. It can be produced. Further, since the thickness of the AlGaN cladding layer can be increased, light can be confined in the cladding layer and can be used for manufacturing a semiconductor laser.
また、このような窒化物半導体基板を半導体受光素子の作製に利用すると、ＡｌＮモル分率の高いワイドギャップ光吸収層を形成することが可能となり、波長が３００ｎｍ以下の短波長領域でも動作可能な半導体受光素子を作製することが可能となる。このように、ＡｌＮモル分率の高い半導体構造がクラックフリーで積層可能な窒化物半導体の実現は、今後の半導体発光・半導体受光素子の作製において極めて重要な課題となっている。 In addition, when such a nitride semiconductor substrate is used for manufacturing a semiconductor light receiving element, it is possible to form a wide gap light absorption layer with a high AlN molar fraction, and it is possible to operate even in a short wavelength region with a wavelength of 300 nm or less. A semiconductor light receiving element can be manufactured. Thus, the realization of a nitride semiconductor in which a semiconductor structure having a high AlN mole fraction can be stacked without cracks is an extremely important issue in the production of future semiconductor light emitting and semiconductor light receiving elements.
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、作製が容易、かつ、ＡｌＮモル分率の高い半導体構造がクラックフリーで積層可能な窒化物半導体、および、同窒化物半導体を利用した半導体デバイス、半導体発光素子および半導体受光素子の提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and is a nitride semiconductor that can be easily manufactured and can be stacked with a high AlN molar fraction in a crack-free manner, and a semiconductor device using the nitride semiconductor An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device and a semiconductor light receiving device.
上記目的を達成するため請求項１にかかる発明は、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶層と、上記シード結晶層上に形成され（０００１）面 ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）からなる半導体層とを備えるとともに、上記半導体層の内部には、同半導体層の内部にて同半導体層の表面側が終端する隙間が備えられる構成としてある。In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 includes a seed crystal layer made of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5), and the seed crystal. Anda semiconductor layer made of (0001) plane Ala Ga1-ab Inb N (0.1 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1), and the inside of the semiconductor layer, In the semiconductor layer, a gap is provided that terminates on the surface side of the semiconductor layer.
上記のように構成した請求項１の発明において、シード結晶層はＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）から構成され、同シード結晶層上に半導体層が形成される。この半導体層は、（０００１）面 ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）で構成されるとともに、内部に隙間を備える。上記隙間は上記半導体層の内部にて表面側が終端する。すなわち、上記隙間は上記半導体層の表面まで到達しない。従って、上記半導体層の表面を平坦に形成することができる。また、上記半導体層内部に蓄積された内部応力を上記隙間により緩和することができる。従って、内部応力によりクラックが発生することを防止することができる。In the invention of claim 1 configured as described above, the seed crystal layer is composed of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5). A semiconductor layer is formed on the layer. This semiconductor layer is composed of (0001) plane Ala Ga1-ab Inb N (0.1 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1) and has a gap inside. The gap ends at the surface side inside the semiconductor layer. That is, the gap does not reach the surface of the semiconductor layer. Therefore, the surface of the semiconductor layer can be formed flat. Also, the internal stress accumulated in the semiconductor layer can be relaxed by the gap. Therefore, it is possible to prevent cracks from being generated due to internal stress.
さらに、上記隙間の一態様として、請求項２にかかる発明は、上記隙間は、上記半導体層の表面側が終端させられたクラックである構成としてある。
上記のように構成した請求項２の発明において、上記半導体層にクラックを発生させ、同クラックを表面側から終端させることにより上記隙間を形成する。例えば、上記半導体層の成長過程において上記クラックを発生させ、その後も継続的に上記半導体層を成長させることにより、上記クラックを終端させることができる。なお、上記クラックを終端させるには、上記クラックの発生後、横方向成長が促進される条件で上記半導体層を成長させることが好ましい。Furthermore, as an aspect of the gap, the invention according to
In the invention of
また、上記クラックを発生させる手法の一例として、請求項３にかかる発明は、上記シード結晶層の格子定数は、上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きい構成としてある。
上記のように構成した請求項３の発明において、上記シード結晶層の格子定数を上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、上記クラックを発生しやすくすることができる。すなわち、上記シード結晶層と上記半導体層との間の格子不整合により上記半導体層を引き延ばそうとする内部応力を蓄積させることができるため、同蓄積した内部応力により上記半導体層に上記クラックを発生させることができる。As an example of the method for generating the crack, the invention according to
In the invention of
一方、上記シード結晶層の一例として、請求項４にかかる発明は、上記シード結晶層は周期ストライプ状に起伏する構成としてある。
上記のように構成した請求項４の発明において、上記シード結晶層は周期ストライプ状に起伏させることにより、その上に形成される上記半導体層の転位の伝播方向を横方向とすることができる。すなわち、上記半導体層の内部に生成する転位を同半導体層の表面に到達させにくくするとともに、表面到達転位を各シード結晶層の中央位置に集中させることができる。On the other hand, as an example of the seed crystal layer, the invention according to claim 4 is configured such that the seed crystal layer undulates in a periodic stripe shape.
In the invention of claim 4 configured as described above, the seed crystal layer is undulated in the form of periodic stripes, whereby the dislocation propagation direction of the semiconductor layer formed thereon can be set to the lateral direction. That is, it is possible to make it difficult for dislocations generated in the semiconductor layer to reach the surface of the semiconductor layer, and to concentrate surface dislocations at the center position of each seed crystal layer.
また、上記シード結晶層の具体的形状の一例として、請求項５にかかる発明は、上記シード結晶層の起伏部は上記半導体層の表面に対して傾斜する斜面を有する構成としてある。
上記のように構成した請求項５の発明において、上記シード結晶層の起伏部に上記半導体層の表面に対して傾斜する斜面を形成することにより、上記斜面上に成長する上記半導体層における転位の伝播方向を上記半導体層の表面に対して傾斜させることができる。これによって、転位を上記半導体層の表面に到達させにくくすることができ、上記半導体層の表面における転位密度を低減することができる。As an example of a specific shape of the seed crystal layer, the invention according to
In the invention of
一方、上記シード結晶層の形成手段の一例として、請求項６にかかる発明は、上記シード結晶層は、（０００１）面 ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）からなるベース半導体層上にストライプ状の周期マスクを形成し、その後、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させる構成としてある。On the other hand, as an example of the means for forming the seed crystal layer, the invention according to claim 6 is directed to that the seed crystal layer has a (0001) plane of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0). A periodic mask having a stripe shape is formed on the base semiconductor layer made of ≦ y ≦ 0.5, and then Alx Ga1-xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5). ).
上記のように構成した請求項６発明において、（０００１）面 ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）で構成されるベース半導体層を形成しておき、同ベース半導体層上にストライプ状の周期マスクを形成する。そして、このストライプ状の周期マスクが形成された上記ベース半導体層上に（０００１）面 ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることにより、上記シード結晶層を形成する。 In the present invention configured as described above, a base semiconductor layer composed of (0001) plane AlxGa1-xyInyN (0≤x≤0.3, 0≤y≤0.5) is formed. A striped periodic mask is formed on the base semiconductor layer. Then, by growing (0001) plane AlxGa1-x-yInyN (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5) on the base semiconductor layer on which the striped periodic mask is formed, The seed crystal layer is formed.
また、上記シード結晶層の形成手段の別の一例として、請求項７にかかる発明は、上記シード結晶層は、周期ストライプ状に起伏する（０００１）面 ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）からなるストライプ半導体層上にＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることにより形成される構成としてある。Further, as another example of the means for forming the seed crystal layer, the invention according to claim 7 is directed to the (0001) plane Alx Ga1 -xy Iny N (0 Alx Ga1-xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5) is grown on the stripe semiconductor layer composed of ≦ x ≦ 0.3 and 0 ≦ y ≦ 0.5) It is as a structure formed by making it.
上記のように構成した請求項７発明において、ストライプ半導体層は周期ストライプ状に起伏するとともに、（０００１）面 ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）で構成される。そして、同ストライプ半導体層上にＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることにより、上記シード結晶層を形成する。According to the seventh aspect of the invention configured as described above, the stripe semiconductor layer undulates in a periodic stripe shape, and (0001) plane Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5). Then, Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5) is grown on the stripe semiconductor layer, thereby forming the seed crystal layer.
また、上記シード結晶層の形成手段の別の一例として、請求項８にかかる発明は、上記シード結晶層は、周期ストライプ状に起伏する単結晶基板にＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることにより形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項８発明において、周期ストライプ状に起伏する単結晶基板に対して、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることによっても周期ストライプ状の上記シード結晶層を形成することもできる。As another example of the means for forming the seed crystal layer, the invention according to claim 8 is characterized in that the seed crystal layer is formed of Alx Ga1-xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5).
In the invention of claim 8 configured as described above, Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5) is applied to the single crystal substrate undulating in a periodic stripe shape. ) Can be grown to form the seed crystal layer in a periodic stripe shape.
また、上記シード結晶層の具体的形状の一例として、請求項９にかかる発明は、上記斜面は、（１−１０１）面である構成としてある。
上記のように構成した請求項９発明において、上記斜面を（１−１０１）面とすることにより、上記半導体層における転位の伝播方向を横方向とすることができる。As an example of a specific shape of the seed crystal layer, the invention according to claim 9 is configured such that the slope is a (1-101) plane.
In the ninth aspect of the invention configured as described above, by disposing the inclined surface as a (1-101) plane, the propagation direction of dislocations in the semiconductor layer can be a lateral direction.
さらに、上記シード結晶層の具体的形状の別の一例として、請求項１０にかかる発明は、上記斜面は、（１１−２２）面である構成としてある。
上記のように構成した請求項１０発明において、上記斜面を（１１−２２）面とすることにより、上記半導体層における転位の伝播方向を横方向とすることができる。Furthermore, as another example of the specific shape of the seed crystal layer, the invention according to
In the tenth aspect of the present invention configured as described above, by disposing the inclined surface as a (11-22) plane, the propagation direction of dislocations in the semiconductor layer can be a lateral direction.
一方、上記単結晶基板の素材の例として、請求項１１にかかる発明は、上記単結晶基板は、サファイアまたは炭化珪素または珪素またはＺｒＢ2で形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項１１発明において、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮの成長に好適な上記単結晶基板の素材としてサファイアまたは炭化珪素または珪素またはＺｒＢ2を適用することができる。On the other hand, as an example of the material of the single crystal substrate, the invention according to
In the eleventh aspect of the invention configured as described above, sapphire, silicon carbide, silicon, or ZrB2 can be applied as a material for the single crystal substrate suitable for the growth of Alx Ga1 -xy Iny N.
上述の窒化物半導体基板は単独で存在する場合もあるし、あるデバイスに組み込まれた状態で利用されることもあるなど、発明の思想としては、各種の態様を含むものである。その一例として、請求項１２に記載した発明では半導体デバイスとして発明を特定し、請求項１３に記載した発明では半導体発光素子として発明を特定し、請求項１４に記載した発明では半導体受光素子として発明を特定している。また、一次複製品、二次複製品などの複製段階については全く問う余地無く同等である。さらに、これらの半導体デバイスおよび半導体発光素子および半導体受光素子において上記請求項２〜請求項１１に対応した構成にすることも可能である。 The above-described nitride semiconductor substrate may exist alone, or may be used in a state of being incorporated in a certain device. The idea of the invention includes various aspects. As an example, the invention described in
さらに、請求項１５にかかる発明は、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）から成るシード結晶層と、上記シード結晶層上に形成され（０００１）面 ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）からなる半導体層とを備えるとともに、上記半導体層の成長過程においてクラックを発生させ、さらに、同半導体層の成長を続行することにより同クラックの少なくとも表面側が消失させられる構成としてある。Furthermore, the invention according to
すなわち、上記半導体層の成長過程においてクラックを発生させることにより、上記半導体層の内部に蓄積した内部応力を一度解放させることができる。従って、最終的には低内部応力状態の上記半導体層を得ることができる。また、少なくとも上記クラックの表面側が消失していれば、各種半導体素子を上記半導体層に問題なく積層することができる。つまり、少なくとも上記クラックの表面側が消失していれば良く、上記クラックの全体が消失していても良い。 That is, by generating a crack in the growth process of the semiconductor layer, the internal stress accumulated in the semiconductor layer can be released once. Therefore, the semiconductor layer having a low internal stress state can be finally obtained. If at least the surface side of the crack has disappeared, various semiconductor elements can be stacked on the semiconductor layer without any problem. That is, it is sufficient that at least the surface side of the crack disappears, and the entire crack may disappear.
以上説明したように請求項１および請求項１２から請求項１５の発明によれば作製が容易、かつ、ＡｌＮモル分率が高く表面にクラックのない半導体層を有する窒化物半導体基板、半導体デバイス、半導体発光素子および半導体受光素子を提供することができる。
請求項２の発明によれば、容易に半導体層中に隙間を形成することができる。
請求項３の発明によれば、容易に半導体層中にクラックを形成することができる。
請求項４、請求項５、請求項９および請求項１０の発明によれば、半導体層表面に到達する転位を減少させることができる。
請求項６から請求項８の発明によれば、シード結晶層の具体的形成手段を提供することができる。
請求項１１の発明によれば、シード結晶層の成長に好適な単結晶基板の素材を提供することができる。As described above, according to the inventions of claim 1 and claims 12 to 15, a nitride semiconductor substrate, a semiconductor device, which has a semiconductor layer that is easy to manufacture and has a high AlN molar fraction and no cracks on the surface, A semiconductor light emitting element and a semiconductor light receiving element can be provided.
According to invention of
According to invention of
According to the invention of claim 4,
According to the sixth to eighth aspects of the present invention, a specific means for forming the seed crystal layer can be provided.
According to the eleventh aspect of the present invention, it is possible to provide a single crystal substrate material suitable for the growth of the seed crystal layer.
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）第一の実施形態：
（２）第二の実施形態：
（３）第三の実施形態：
（４）第四の実施形態：
（５）第五の実施形態：Here, embodiments of the present invention will be described in the following order.
(1) First embodiment:
(2) Second embodiment:
(3) Third embodiment:
(4) Fourth embodiment:
(5) Fifth embodiment:
（１）第一の実施形態：
図１は、本発明の第一の実施の形態にかかる低転位３族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を模式的に示している。同図（ａ）において、窒化物半導体基板１０は、（０００１）サファイアで形成された単結晶基板１１と、ＡｌＮ低温バッファ層１２と、ＧａＮ（ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ，ｘ＝０，ｙ＝０）で形成されたベース半導体層１３と、アモルファスＳｉＯ2で形成された周期マスク１４と、ＧａＮ（ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ，ｘ＝０，ｙ＝０）で形成されたシード結晶層１５と、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ，ａ＝０．２５，ｂ＝０）で形成された半導体層１６とから構成されている。また、半導体層１６は内部に隙間１７を有している。また、ベース半導体層１３とシード結晶層１５と半導体層１６には線状の転位Ｄが複数形成されている。(1) First embodiment:
FIG. 1 schematically shows a structure of a
図１（ｃ）において、有機金属化合物気相成長法により単結晶基板１１上に約５００℃で低温バッファ層１２を成長させ、さらに同低温バッファ層１２上に約１０００℃でベース半導体層１３を成長させている。ベース半導体層１３には上方に向かって伝播する多数の転位Ｄが存在しており、ベース半導体層１３の表面まで到達している。一般にベース半導体層１３の表面まで到達する転位Ｄの密度は、１０9ｃｍ-2程度にも達する。In FIG. 1C, a low
図１（ｂ）において、上記のように低温バッファ層１２とベース半導体層１３とを形成した窒化物半導体基板１０を一旦成長装置から取り出し、例えば結晶方位＜１１−２０＞に沿って幅３μｍの周期マスク１４を６μｍ周期で形成する。そして、その上に適切な条件でＧａＮの選択成長を行うと、結晶方位＜１１−２０＞に沿って周期ストライプ状に起伏するシード結晶層１５を形成することができる。このシード結晶層１５の外縁は、頂点にて交差する二面の（１−１０１）斜面で構成されている。これにより、シード結晶層１５に対して下地のベース半導体層１３から伝播した転位Ｄを、シード結晶層１５の内部で略水平方向に屈曲させることができる。ただし、シード結晶層１５のＡｌＮモル分率が高いと周期マスク１４上への多結晶の析出が顕著となり、好ましくない。そのため、ＡｌＮモル分率が１０％以下となるようにシード結晶層１５を形成するのが好ましい。 In FIG. 1B, the
さらに、図１（ａ）において上記のように形成した窒化物半導体基板１０に対してＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを成長させることより、半導体層１６を形成している。半導体層１６を形成するにあたっては、例えば低成長圧力、高温、低５族−４族比といった横方向への成長速度が上がる条件においてＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを成長させている。また、半導体層１６を構成するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎに対してシード結晶層１５を構成するＧａＮはＡｌＮモル分率が低いため、シード結晶層１５の格子定数は半導体層１６の格子定数よりも０．１％以上大きくなっている。Further, the
このような格子不整合により、半導体層１６に引っ張り方向の内部応力を蓄積させることができる。この内部応力は半導体層１６の膜厚の増加とともに増加し、結晶固有の限界値を超えたところで図２に示すようなクラックＣを発生させる。同時に、クラックＣの発生により、同内部応力を緩和させることができる。そして、クラックＣの発生後も横方向への成長速度が上がる条件において半導体層１６の結晶成長を継続すると、クラックＣの上方開口がＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎの結晶により再結合される。さらに、半導体層１６の結晶成長を継続すると最終的に平坦な半導体層１６の表面を形成することができる。Due to such lattice mismatch, internal stress in the tensile direction can be accumulated in the
上述のとおり一度発生したクラックＣの上方開口は再結合させられているため、同クラックは半導体層１６の表面まで到達しない。すなわち、クラックＣを半導体層１６の表面側から終端させることにより、クラックＣのない半導体層１６の平坦表面を得ることができる。一般に、半導体層１６の表面までクラックＣが到達すると、同半導体層１６の表面上に各種半導体構造を積層して高性能デバイスを作製することはできないが、表面までクラックＣを到達させないようにすることにより問題なく高性能デバイスを作製することができる。なお、シード結晶層１５に沿った方向に対して半導体層１６の結晶構造が冗長となるため、同方向に剥離するように面状のクラックＣが発生する。 As described above, since the upper opening of the crack C once generated is recombined, the crack does not reach the surface of the
一方、シード結晶層１５の内部で略水平方向に伝播した転位Ｄは、半導体層１６においても引き続き略水平方向に伝播する。そして、隣接し合うシード結晶層１５同士の中央位置にて消失するか、再び成長方向に屈曲され表面に向かって伝播する。従って、半導体層１６の表面まで到達する転位Ｄの密度を１０8ｃｍ-2以下と極めて小さいものとすることができるとともに、同到達した転位Ｄをシード結晶層１５の中央位置に集中させることができる。このように低転位かつ平坦な表面を有する半導体層１６上に半導体発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるため、高い量子効率が得ることができる。また、同低転位基板上に半導体受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現することができる。On the other hand, the dislocation D propagated in the substantially horizontal direction inside the
なお、本実施の形態ではシード結晶層１５の格子定数を半導体層１６の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、クラックＣを発生させるようにしたが、他の手法でクラックＣを発生させても良い。例えば、半導体層１６としてＳｉを添加したｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を適用しても良い。この場合、より早期にクラックＣの発生と終端が起こるため薄い膜厚で半導体層１６の結晶成長を完了させることができる。また、シード結晶層１５の格子定数が半導体層１６の格子定数よりも０．１％以上大きければ良く、この条件において両者の組成を変更することも可能である（ただし、０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５，０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１が満足される）。In this embodiment, the crack C is generated by increasing the lattice constant of the
また、クラックＣは少なくとも表面側が消失していれば良く、表面側の一部のみが再結合させられるものに限られない。例えば、クラックＣの発生後に成長した結晶により、クラックＣ全体が埋められるものであっても良いし、その他の部分が部分的に再結合するものであっても良い。いずれにしても、一度クラックが発生した時点で、それ以前に蓄積した内部応力を解放することができるため、最終的に半導体層１６を低内部応力状態とすることができる。 Further, the crack C only needs to disappear at least on the surface side, and is not limited to one in which only a part of the surface side is recombined. For example, the whole of the crack C may be filled with crystals grown after the generation of the crack C, or the other part may be partially recombined. In any case, once the crack is generated, the internal stress accumulated before that time can be released, so that the
さらに、本実施形態では、＜１１−２０＞方向に沿った周期マスク１４を用いることによりシード結晶層１５の斜面を（１−１０１）面としたものを例示したが、＜１−１００＞方向の周期マスク１４を用いてシード結晶層１６の斜面を（１１−２２）面としても同様の効果を得ることができる。むろん、単結晶基板１１としても（０００１）サファイア基板に限られるものではなく、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉやＺｒＢ2等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。Further, in this embodiment, the
（２）第二の実施形態：
図３および図４は、本発明の第二の実施の形態にかかる低転位３族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を模式的に示している。図３（ａ）において、窒化物半導体基板１１０は、（０００１）サファイアで形成された単結晶基板１１１と、ＡｌＮ低温バッファ層１１２と、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ，ｘ＝０．１，ｙ＝０）で形成されたストライプ半導体層１１３ａと、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ，ｘ＝０．１，ｙ＝０）で形成されたシード結晶層１１５と、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ，ａ＝０．２５，ｂ＝０）で形成された半導体層１１６とから構成されている。また、半導体層１１６は内部に隙間１１７を有している。また、ベース半導体層１１３とシード結晶層１１５と半導体層１１６には線状の転位Ｄが複数形成されている。(2) Second embodiment:
3 and 4 schematically show the structure of a low-dislocation group III nitride semiconductor substrate and a manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3A, a
図４（ｂ）において、有機金属化合物気相成長法により単結晶基板１１１上に約５００℃で低温バッファ層１１２を成長させ、さらに同低温バッファ層１１２上に約１０００℃でベース半導体層１１３を成長させている。ベース半導体層１１３には上方に向かって伝播する多数の転位Ｄが存在しており、ベース半導体層１１３の表面まで到達している。一般にベース半導体層１１３の表面まで到達する転位Ｄの密度は、１０9ｃｍ-2程度にも達する。In FIG. 4B, a low
上記のように低温バッファ層１１２とベース半導体層１１３とを形成した窒化物半導体基板１１０を一旦成長装置から取り出し、ベース半導体層１１３上に例えば結晶方位＜１１−２０＞に沿って図示しない周期レジストマスクを６μｍ周期で形成する。そして、同周期レジストマスクを形成した窒化物半導体基板１１０に例えばイオンエッチングを行うことにより、図４（ａ）に示すようなストライプ半導体層１１３ａを形成することができる。そして、その上に適切な条件でＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎの成長を行うと、図３（ｂ）に示すように結晶方位＜１１−２０＞に沿って周期ストライプ状に起伏するシード結晶層１１５を形成することができる。このシード結晶層１１５の外縁は、頂点にて交差する二面の（１−１０１）斜面で構成されている。これにより、シード結晶層１１５に対して下地のストライプ半導体層１１３ａから伝播した転位Ｄを、シード結晶層１１５の内部で略水平方向に屈曲させることができる。The
さらに、図３（ａ）において、上記のように形成した窒化物半導体基板１１０に対してＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを成長させることより、半導体層１１６を形成している。半導体層１１６を形成するにあたっては、例えば低成長圧力、高温、低５族−４族比といった横方向への成長速度が上がる条件においてＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを成長させている。また、半導体層１１６を構成するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎに対してシード結晶層１１５を構成するＧａＮはＡｌＮモル分率が低いため、シード結晶層１１５の格子定数は半導体層１１６の格子定数よりも０．１％以上大きくなっている。Further, in FIG. 3A, the
このような格子不整合により、半導体層１１６に引っ張り方向の内部応力を蓄積させることができる。この内部応力は半導体層１１６の膜厚の増加とともに増加し、結晶固有の限界値を超えたところで図２に示すようなクラックＣを発生させる。同時に、クラックＣの発生により、同内部応力を緩和させることができる。そして、クラックＣの発生後も横方向への成長速度が上がる条件において半導体層１１６の結晶成長を継続すると、クラックＣの上方開口がＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎの結晶により再結合される。さらに、半導体層１１６の結晶成長を継続すると最終的に平坦な半導体層１１６の表面を形成することができる。Due to such lattice mismatch, internal stress in the tensile direction can be accumulated in the
上述のとおり一度発生したクラックＣの上方開口は再結合させられているため、同クラックは半導体層１１６の表面まで到達しない。すなわち、クラックＣを半導体層１１６の表面側から終端させることにより、クラックＣのない半導体層１１６の平坦表面を得ることができる。一般に、半導体層１１６の表面までクラックＣが到達すると、同半導体層１１６の表面上に各種半導体層を積層して高性能デバイスを作製することはできないが、表面までクラックＣを到達させないようにすることにより問題なく高性能デバイスを作製することができる。なお、シード結晶層１５に沿った方向に対して半導体層１６の結晶構造が冗長となるため、同方向に剥離するように面状のクラックＣが発生する。 Since the upper opening of the crack C once generated is recombined as described above, the crack does not reach the surface of the
一方、シード結晶層１１５の内部で略水平方向に伝播した転位Ｄは、半導体層１１６においても引き続き略水平方向に伝播する。そして、隣接し合うシード結晶層１１５同士の中央位置にて消失するか、再び成長方向に屈曲され表面に向かって伝播する。従って、半導体層１１６の表面まで到達する転位Ｄの密度を１０8ｃｍ-2以下と極めて小さいものとすることができるとともに、同到達した転位Ｄをシード結晶層１１５の中央位置に集中させることができる。このように低転位かつ平坦な表面を有する半導体層１１６上に半導体発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるため、高い量子効率が得ることができる。また、同低転位基板上に半導体受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現することができる。On the other hand, the dislocation D propagated in the substantially horizontal direction inside the
なお、本実施の形態ではシード結晶層１１５の格子定数を半導体層１１６の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、クラックＣを発生させるようにしたが、他の手法でクラックＣを発生させても良い。例えば、半導体層１１６としてＳｉを添加したｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を適用しても良い。この場合、より早期にクラックＣの発生と終端が起こるため薄い膜厚で半導体層１１６の結晶成長を完了させることができる。また、シード結晶層１１５の格子定数が半導体層１１６の格子定数よりも０．１％以上大きければ良く、この条件において両者の組成を変更することも可能である（ただし、０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５，０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１が満足される）。In this embodiment, the crack C is generated by increasing the lattice constant of the
また、クラックＣは少なくとも表面側が消失していれば良く、表面側の一部のみが再結合させられるものに限られない。例えば、クラックＣの発生後に成長した結晶により、クラックＣ全体が埋められるものであっても良いし、その他の部分が部分的に再結合するものであっても良い。いずれにしても、一度クラックが発生した時点で、それ以前に蓄積した内部応力を解放することができるため、最終的に半導体層１１６を低内部応力状態とすることができる。 Further, the crack C only needs to disappear at least on the surface side, and is not limited to one in which only a part of the surface side is recombined. For example, the whole of the crack C may be filled with crystals grown after the generation of the crack C, or the other part may be partially recombined. In any case, since the internal stress accumulated before the crack can be released once the crack is generated, the
さらに、本実施形態では、＜１１−２０＞方向に沿ったストライプ半導体層１１３ａを形成することによりシード結晶層１１５の斜面を（１−１０１）面としたものを例示したが、＜１−１００＞方向に沿ったストライプ半導体層１１３ａを形成することによりシード結晶層１１５の斜面を（１１−２２）面としても同様の効果を得ることができる。むろん、単結晶基板１１１としても（０００１）サファイア基板に限られるものではなく、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉやＺｒＢ2等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。Furthermore, in the present embodiment, the example in which the slope of the
（３）第三の実施形態：
図５は、本発明の第三の実施の形態にかかる低転位３族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を模式的に示している。同図（ａ）において、窒化物半導体基板２１０は、（０００１）サファイアで形成された単結晶基板２１１と、ＡｌＮ低温バッファ層２１２と、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ（ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ，ｘ＝０．１，ｙ＝０）で形成されたシード結晶層２１５と、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ，ａ＝０．２５，ｂ＝０）で形成された半導体層２１６とから構成されている。また、半導体層２１６は内部に隙間２１７を有している。また、シード結晶層２１５と半導体層２１６には線状の転位Ｄが複数形成されている。(3) Third embodiment:
FIG. 5 schematically shows a structure of a
図５（ｃ）において、単結晶基板２１１に例えばサファイアの結晶方位＜１−１００＞に沿って幅３μｍの周期溝を６μｍ周期で形成している。すなわち、単結晶基板２１１を周期ストライプ状に起伏させている。そして、この単結晶基板２１１上に例えば有機金属化合物気相成長法により約５００℃で低温バッファ層２１２を成長させている。 In FIG. 5C, a periodic groove having a width of 3 μm is formed in a
図５（ｂ）において、上記のように低温バッファ層２１２を形成した窒化物半導体基板２１０の上に適切な条件でＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎの成長を行っている。このようにすることにより、サファイアの結晶方位＜１−１００＞に沿って周期ストライプ状に起伏するシード結晶層２１５を形成することができる。このシード結晶層２１５の外縁は、頂点にて交差する二面の（１−１０１）斜面で構成されている。これにより、シード結晶層２１５において生成した転位Ｄを、シード結晶層２１５の内部で略水平方向に屈曲させることができる。In FIG. 5B, Al0.1 Ga0.9 N is grown on the
さらに、図５（ａ）において上記のように形成した窒化物半導体基板２１０に対してＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを成長させることより、半導体層２１６を形成している。半導体層２１６を形成するにあたっては、例えば低成長圧力、高温、低５族−４族比といった横方向への成長速度が上がる条件においてＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎを成長させている。また、半導体層２１６を構成するＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎに対してシード結晶層２１５を構成するＡｌ0.1Ｇａ0.9ＮはＡｌＮモル分率が低いため、シード結晶層２１５の格子定数は半導体層２１６の格子定数よりも０．１％以上大きくなっている。Further, the
このような格子不整合により、半導体層２１６に引っ張り方向の内部応力を蓄積させることができる。この内部応力は半導体層２１６の膜厚の増加とともに増加し、結晶固有の限界値を超えたところで図２に示すようなクラックＣを発生させる。同時に、クラックＣの発生により、同内部応力を緩和させることができる。そして、クラックＣの発生後も横方向への成長速度が上がる条件において半導体層２１６の結晶成長を継続すると、クラックＣの上方開口がＡｌ0.25Ｇａ0.75Ｎの結晶により再結合される。さらに、半導体層２１６の結晶成長を継続すると最終的に平坦な半導体層２１６の表面を形成することができる。Due to such lattice mismatch, internal stress in the tensile direction can be accumulated in the
上述のとおり一度発生したクラックＣの上方開口は再結合させられているため、同クラックは半導体層２１６の表面まで到達しない。すなわち、クラックＣを半導体層２１６の表面側から終端させることにより、クラックＣのない半導体層２１６の平坦表面を得ることができる。一般に、半導体層２１６の表面までクラックＣが到達すると、同半導体層２１６の表面上に各種半導体層を積層して高性能デバイスを作製することはできないが、表面までクラックＣを到達させないようにすることにより問題なく高性能デバイスを作製することができる。なお、シード結晶層１５に沿った方向に対して半導体層１６の結晶構造が冗長となるため、同方向に剥離するように面状のクラックＣが発生する。 Since the upper opening of the crack C once generated as described above is recombined, the crack does not reach the surface of the
一方、シード結晶層２１５の内部で略水平方向に伝播した転位Ｄは、半導体層２１６においても引き続き略水平方向に伝播する。そして、隣接し合うシード結晶層２１５同士の中央位置にて消失するか、再び成長方向に屈曲され表面に向かって伝播する。従って、半導体層２１６の表面まで到達する転位Ｄの密度を１０8ｃｍ-2以下と極めて小さいものとすることができるとともに、同到達した転位Ｄをシード結晶層２１５の中央位置に集中させることができる。このように低転位かつ平坦な表面を有する半導体層２１６上に半導体発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるため、高い量子効率が得ることができる。また、同低転位基板上に半導体受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現することができる。On the other hand, the dislocation D propagated in the substantially horizontal direction inside the
なお、本実施の形態ではシード結晶層２１５の格子定数を半導体層２１６の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、クラックＣを発生させるようにしたが、他の手法でクラックＣを発生させても良い。例えば、半導体層２１６としてＳｉを添加したｎ型Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ層を適用しても良い。この場合、より早期にクラックＣの発生と終端が起こるため薄い膜厚で半導体層２１６の結晶成長を完了させることができる。また、シード結晶層２１５の格子定数が半導体層２１６の格子定数よりも０．１％以上大きければ良く、この条件において両者の組成を変更することも可能である（ただし、０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５，０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１が満足される）。In this embodiment, the crack C is generated by increasing the lattice constant of the
また、クラックＣは少なくとも表面側が消失していれば良く、表面側の一部のみが再結合させられるものに限られない。例えば、クラックＣの発生後に成長した結晶により、クラックＣ全体が埋められるものであっても良いし、その他の部分が部分的に再結合するものであっても良い。いずれにしても、一度クラックが発生した時点で、それ以前に蓄積した内部応力を解放することができるため、最終的に半導体層２１６を低内部応力状態とすることができる。 Further, the crack C only needs to disappear at least on the surface side, and is not limited to one in which only a part of the surface side is recombined. For example, the whole of the crack C may be filled with crystals grown after the generation of the crack C, or the other part may be partially recombined. In any case, since the internal stress accumulated before the crack can be released once the crack is generated, the
さらに、本実施形態では、単結晶基板２１１にサファイアの結晶方位＜１−１００＞に沿った周期溝を形成することによりシード結晶層２１５の斜面を（１−１０１）面としたものを例示したが、＜１１−２０＞方向の周期溝を形成してシード結晶層２１５の斜面を（１１−２２）面としても同様の効果を得ることができる。むろん、単結晶基板２１１としても（０００１）サファイア基板に限られるものではなく、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉやＺｒＢ2等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。Further, in the present embodiment, the
（４）第四の実施形態：
図６は、本発明の第四の実施の形態にかかる窒化物半導体基板を利用した紫外半導体発光素子の素子構造を示している。同図において、第二の実施形態の窒化物半導体基板１１０上に引き続き有機金属化合物気相成長法を行うことにより半導体発光素子１５０を形成している。これにより、窒化物半導体基板１１０上には順に第一のクラッド層１２１と、多重量子井戸活性層１２２と、キャップ層１２３と、第二のクラッド層１２４と、コンタクト層１２５とが形成されている。第一のクラッド層１２１は、ｎ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ＡｌcＧａ1-c-dＩｎdＮ，ｃ＝０．２５，ｄ＝０）で構成されている。多重量子井戸活性層１２２は、例えば厚さ３ｎｍのＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ井戸層と、厚さ９ｎｍのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎバリア層によって構成することができる。(4) Fourth embodiment:
FIG. 6 shows an element structure of an ultraviolet semiconductor light emitting element using a nitride semiconductor substrate according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, a semiconductor
キャップ層１２３はｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎで構成されており、第二のクラッド層１２４はｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ｎ（ＡｌeＧａ1-e-fＩｎfＮ，ｅ＝０．２５，ｆ＝０）で構成されている。そして、これらの層を成長させた後にコンタクト層１２５上に金属薄膜により構成されたオーム性半透明電極１２６を形成し、さらにその上にはボンディングパッド電極１２７を形成している。一方、多重量子井戸活性層１２２とキャップ層１２３と第二のクラッド層１２４とコンタクト層１２５を部分的にエッチングすることにより第一のクラッド層１２１を露出させ、同露出した第一のクラッド層１２１の表面にｎ型電極１２８を形成している。Capping
かかる構成において、ボンディングパッド電極１２７およびｎ型電極１２８間に電圧を印可し、電流を流すことにより、多重量子井戸活性層１２２に電子および正孔が注入され、そのバンドギャップに相当する約３３０ｎｍの波長の光を放出することができる。半導体発光素子１５０を構成する各層は、前述のように低転位の半導体層１１６上に積層されるため、多重量子井戸活性層１２２も同様に低転位となっている。これにより、非発光再結合の割合は極めて少なくすることができるため、大部分の電子−正孔対を光の放出を伴って再結合させることができる。従って、非常に高い量子効率が実現できる。 In such a configuration, when a voltage is applied between the
また、半導体層１１６における隙間１１７により内部応力が一度緩和されているため、半導体層１１６を低応力状態とすることができる。従って、半導体層１１６上に成長させられる第一のクラッド層１２１と多重量子井戸活性層１２２とキャップ層１２３と第二のクラッド層１２４とコンタクト層１２５において蓄積される内部応力も小さいものとすることができる。従って、半導体層１１６上に成長させられる第一のクラッド層１２１と多重量子井戸活性層１２２とキャップ層１２３と第二のクラッド層１２４とコンタクト層１２５においてもクラックを防止することが可能となっている。 Further, since the internal stress is once relaxed by the
すなわち、第一のクラッド層１２１および第二のクラッド層１２４等のように格子不整合に起因して内部応力が蓄積しやすい高ＡｌＮモル分率半導体を窒化物半導体基板１１０上に成長させても、クラックを発生させることなく半導体発光素子１５０を作製することができる。高ＡｌＮモル分率半導体によれば、ワイドギャップを得ることができるため、波長が３４０〜３５０ｎｍ程度の深紫外線領域の短波長光も発光させることが可能な半導体発光素子１５０を作製することも可能となる。さらに、同様の理由により、クラックを発生させることなくクラッド層の膜厚を大きくすることができるため、同クラッド層にて光の閉じ込めを行うことが可能となり半導体レーザの作製に利用することも可能となる。 That is, even if a high AlN molar fraction semiconductor that easily accumulates internal stress due to lattice mismatch, such as the
（５）第五の実施形態
図７は、本発明の第五の実施の形態にかかる窒化物半導体基板を利用した紫外半導体受光素子の素子構造を示している。同図において、第一の実施形態の窒化物半導体基板１０上に引き続き有機金属化合物気相成長法を行うことにより半導体受光素子５０を形成している。これにより、窒化物半導体基板１０上には順に第一の導電型半導体層２１と、第二の導電型半導体層としての光吸収層２２が形成されている。第一の導電型半導体層２１はｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ（ＡｌgＧａ1-g-hＩｎhＮ，ｇ＝０．４，ｈ＝０）で構成されており、光吸収層２２はｎ-−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ（ＡｌiＧａ1-i-jＩｎjＮ，０．ｉ＝０．６，ｊ＝０）で構成されている。(5) Fifth Embodiment FIG. 7 shows an element structure of an ultraviolet semiconductor light receiving element using a nitride semiconductor substrate according to a fifth embodiment of the present invention. In the figure, a semiconductor
そして、これらの層を成長させた後に光吸収層２２上に金属薄膜により構成されたショットキー半透明電極２３を形成し、さらにその上にはボンディングパッド電極２４を形成している。一方、光吸収層２２を部分的にエッチングすることにより第一の導電型半導体層２１を露出させ、同露出した第一の導電型半導体層２１の表面にｎ型電極２５を形成している。なお、本実施形態において半導体層１６の組成は、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎ（ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ，ａ＝０．４，ｂ＝０）としている。After these layers are grown, a Schottky
かかる構成において、ボンディングパッド電極２４およびｎ型電極２５間に逆バイアス電圧を印可しておくことにより、ショットキー半透明電極２３を通して光吸収層２２に入射された波長３３０ｎｍ以下の光に応じて光吸収層２２の内部にて電子−正孔対を生じさせることができる。そして、この電子−正孔対は逆バイアス電圧により加速させられるため、電子をｎ型電極２５に移動させるとともに、正孔をボンディングパッド電極２４に移動させることができる。すなわち、ｎ型電極２５とボンディングパッド電極２４間の光電流として外部に取り出すことが可能となる。従って、半導体受光素子５０によって波長３３０ｎｍ以下の深紫外光を検出することが可能となっている。 In such a configuration, by applying a reverse bias voltage between the
本実施形態においても、前述のように低転位の半導体層１６上に積層されるため、光吸収層２２も同様に低転位となっている。従って、量子効率が高く、暗電流の極めて少ない半導体受光素子５０を作製することができる。特に、暗電流低減の効果は絶大であり、１０Ｖの逆バイアス電圧において１０ｐＡ／ｃｍ2以下であった。これは、従来の転位の多い窒化物半導体基板上を利用して形成した半導体受光素子と比較した場合、約８桁の低減に相当する。Also in this embodiment, the
また、本実施形態においても半導体層１６における隙間１７により内部応力が一度緩和されているため、半導体層１６を低応力状態とすることができる。従って、半導体層１６上に成長させられる第一の導電型半導体層２１と光吸収層２２において蓄積される内部応力も小さいものとすることができる。従って、半導体層１６上に成長させられる第一の導電型半導体層２１と光吸収層２２においてもクラックを防止することが可能となっている。 Also in this embodiment, since the internal stress is once relaxed by the
すなわち、格子不整合に起因して内部応力が蓄積しやすい高ＡｌＮモル分率半導体を第一の導電型半導体層２１と光吸収層２２等として成長させても、クラックを発生させることなく半導体受光素子５０を作製することができる。高ＡｌＮモル分率半導体によれば、波長３３０ｎｍ以下の深紫外光に対応するワイドギャップを得ることができるため、波長が３３０ｎｍ以下の深紫外線領域の短波長光も検出可能な半導体受光素子５０を作製することも可能となる。 That is, even if a high AlN mole fraction semiconductor in which internal stress is likely to accumulate due to lattice mismatch is grown as the first conductive
なお、本実施の形態では紫外半導体受光素子としてショットキー型フォトダイオードを示したが、ｐｉｎ型フォトダイオード、フォトトランジスタ、等の他の構造についても適用可能である。さらに、これらを２次元アレイに集積したイメージセンサー等への応用にも使用できる。 In the present embodiment, a Schottky photodiode is shown as the ultraviolet semiconductor light receiving element. However, other structures such as a pin photodiode and a phototransistor are also applicable. Furthermore, it can be used for application to an image sensor in which these are integrated in a two-dimensional array.
１，１０，１１０，２１０…窒化物半導体基板
５…低温堆積中間層
６，１６，１１６，２１６…半導体層
８，１５，１１５，２１５…シード結晶層
１１，１１１，２１１…単結晶基板
１２，１１２，２１２…低温バッファ層
１３…ベース半導体層
１１３ａ…ストライプ半導体層
１４…周期マスク
１７，１１７，２１７…隙間
２１…第一の導電型半導体層
２２…光吸収層（第一の導電型半導体層）
２３…ショットキー半透明電極
２４，１２７…ボンディングパッド電極
２５，１２８…ｎ型電極
５０…半導体受光素子
１２１…第一のクラッド層
１２２…多重量子井戸活性層
１２３…キャップ層
１２４…第二のクラッド層
１２５…コンタクト層
１２６…オーム性半透明電極
１５０…半導体発光素子
Ｃ…クラック
Ｄ…転位DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,10,110,210 ...
23 ... Schottky
Claims (15)
Translated fromJapanese上記シード結晶層上に形成され（０００１）面 ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）からなる半導体層とを備えるとともに、
上記半導体層の内部には、
同半導体層の内部にて同半導体層の表面側が終端する隙間が備えられることを特徴とする窒化物半導体基板。A seed crystal layer made of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5);
A semiconductor layer formed on the seed crystal layer and made of (0001) plane Ala Ga1-ab Inb N (0.1 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1),
Inside the semiconductor layer,
A nitride semiconductor substrate comprising a gap that terminates in a surface side of the semiconductor layer inside the semiconductor layer.
（０００１）面 ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）からなるベース半導体層上にストライプ状の周期マスクを形成し、その後、ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体基板。The seed crystal layer is
A striped periodic mask is formed on a base semiconductor layer made of (0001) plane Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5), and then Alx The Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5) is grown to grow. Nitride semiconductor substrate.
周期ストライプ状に起伏する（０００１）面 ＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）からなるストライプ半導体層上にＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体基板。The seed crystal layer is
Undulating periodically stripes (0001) planeAl x Ga 1-xy In y N (0 ≦ x ≦ 0.3,0 ≦ y ≦ 0.5) to consist of stripe semiconductor layer Alx Ga1-xy In the nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is formed by growing they N (0 ≦ x ≦ 0.3,0 ≦ y ≦ 0.5).
周期ストライプ状に起伏する単結晶基板にＡｌxＧａ1-x-yＩｎyＮ（０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５）を成長させることにより形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の窒化物半導体基板。The seed crystal layer is
It is formed by growing Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5) on a single crystal substrate undulating in a periodic stripe shape. The nitride semiconductor substrate according to any one of claims 1 to 5.
上記窒化物半導体基板上に形成された半導体ヘテロ構造とを具備することを特徴とする半導体デバイス。A seed crystal layer made of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5), and a (0001) plane Ala Ga1− formed on the seed crystal layer. and a semiconductor layer made ofab Inb N (0.1 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1), and the semiconductor layer has a surface side terminated inside the semiconductor layer. A nitride semiconductor substrate provided with a gap to be
A semiconductor device comprising: a semiconductor heterostructure formed on the nitride semiconductor substrate.
上記窒化物半導体基板上に形成された導電型ＡｌcＧａ1-c-dＩｎdＮ（０．１≦ｃ≦１，０≦ｄ≦０．５）により形成される第一のクラッド層と、
上記窒化物半導体基板上において上記第一のクラッド層よりもバンドギャップの小さい導電型ＡｌeＧａ1-e-fＩｎfＮ（０．１≦ｅ≦１，０≦ｆ≦１）により形成される第二のクラッド層とを具備することを特徴とする半導体発光素子。A seed crystal layer made of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5), and a (0001) plane Ala Ga1− formed on the seed crystal layer. and a semiconductor layer made ofab Inb N (0.1 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1), and the semiconductor layer has a surface side terminated inside the semiconductor layer. A nitride semiconductor substrate provided with a gap to be
A first clad layer formed of conductivity type Alc Ga1-cd Ind N (0.1 ≦ c ≦ 1, 0 ≦ d ≦ 0.5) formed on the nitride semiconductor substrate;
On the nitride semiconductor substrate, a conductive type Ale Ga1-ef Inf N (0.1 ≦ e ≦ 1, 0 ≦ f ≦ 1) having a smaller band gap than the first cladding layer is formed. A semiconductor light emitting element comprising: a second clad layer.
上記窒化物半導体基板上において導電型ＡｌgＧａ1-g-hＩｎhＮ（０．１≦ｇ≦１，０≦ｈ≦０．５）により形成される第一の導電型半導体層と、
上記窒化物半導体基板上において導電型ＡｌiＧａ1-i-jＩｎjＮ（０．１≦ｉ≦１，０≦ｊ≦１）により形成される第二の導電型半導体層とを具備することを特徴とする半導体受光素子。A seed crystal layer made of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5), and a (0001) plane Ala Ga1− formed on the seed crystal layer. and a semiconductor layer made ofab Inb N (0.1 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1), and the semiconductor layer has a surface side terminated inside the semiconductor layer. A nitride semiconductor substrate provided with a gap to be
A first conductive semiconductor layer formed of conductive Alg Ga1-gh Inh N (0.1 ≦ g ≦ 1, 0 ≦ h ≦ 0.5) on the nitride semiconductor substrate;
And a second conductive type semiconductor layer formed of conductive type Ali Ga1-ij Inj N (0.1 ≦ i ≦ 1, 0 ≦ j ≦ 1) on the nitride semiconductor substrate. A semiconductor light receiving device characterized.
上記シード結晶層上に形成され（０００１）面 ＡｌaＧａ1-a-bＩｎbＮ（０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１）からなる半導体層とを備えるとともに、
上記半導体層の成長過程においてクラックを発生させ、さらに、同半導体層の成長を続行することにより同クラックの少なくとも表面側が消失させられることを特徴とする窒化物半導体基板。A seed crystal layer made of Alx Ga1 -xy Iny N (0 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.5);
A semiconductor layer formed on the seed crystal layer and made of (0001) plane Ala Ga1-ab Inb N (0.1 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1),
A nitride semiconductor substrate, wherein a crack is generated in the growth process of the semiconductor layer, and further, at least a surface side of the crack is eliminated by continuing the growth of the semiconductor layer.
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