JP2007214380A

JP2007214380A - 窒化化合物半導体基板及び半導体デバイス

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Publication number: JP2007214380A
Application number: JP2006032950A
Authority: JP
Inventors: Harumasa Yoshida; 治正吉田; Yasufumi Takagi; 康文高木; Masakazu Kuwabara; 正和桑原; Hiroshi Amano; 浩天野
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Meijo University
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Meijo University
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP5060055B2

Abstract

【課題】全面に渡って転位密度を低減し、クッラク発生を防止することが可能な窒化化合物半導体基板及び半導体デバイスを提供する。
【解決手段】第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の厚み方向に沿った断面は三角波形状となり、谷の位置Ｔは結晶成長制限部Ｃの直上に位置する。三角波の山の位置Ｙには欠陥や転位が残るが、その山の頂上の面積は小さく、基板の全面に渡って転位密度を低減し、クラックの発生を防止する。埋め込み層Ｇは、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮからなり、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２との間には、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２との格子歪を緩和するよう、埋め込み層Ｇと同様の材料からなり格子定数が小さな歪み抑制層Ｆが介在しているため、埋め込み層Ｇ内には圧縮応力が生じて引っ張り歪みが導入されず、クラックの発生を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化化合物半導体基板及び半導体デバイスに関する

窒化物半導体（ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ系）を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）をはじめとする半導体デバイスにおいて、その特性および信頼性向上のためには結晶欠陥密度（転位密度）を低減することが必須となる。結晶欠陥（結晶転位）密度の低減の手法として、基板結晶表面に周期的にストライプの三角ファセット溝を形成した後に、横方向成長による埋め込み成長を用いることで、欠陥密度を低減することが知られている。

下記特許文献１によれば、サファイア基板上に、ＧａＮ、あるいはＡｌＮからなる低温バッファ層を介してＧａＮ層が成長されている。ＧａＮ層表面に、例えば、ＳｉＯ_２から成るストライプマスクが周期的に形成され、その上に再びＧａＮオーバーグロース層が成長されている。ＧａＮオーバーグロース層は、ストライプマスクのない部分、即ちＧａＮ層が露出した領域でのみ成長を開始し、しばらくすると、ストライプマスク上を横方向に成長した結晶が、その上を覆いつくす。そして、最終的に、表面が平坦な膜となる。

このようなＧａＮオーバーグロース層の成長の過程において、本来、成長方向に真上に貫通する転位は、結晶合体部を除いてストライプマスク上には殆ど存在しない。その結果、中央部を除いたストライプマスク上のＧａＮオーバーグロース層には転位の少ない領域が形成されるとされている。

同文献によれば、この製造方法を用いることにより、ほぼ全面に低転位なＡｌＮを含むＩＩＩ族窒化物半導体基板が作製可能となり、高性能短波長発光素子や受光素子が実現できる可能性が示されている。
国際公開ＷＯ２００３／０２５２６３パンフレット

しかしながら、特に、短波長用の結晶成長では、例えば埋め込み層を構成するＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高くする必要があるが、下地層に用いるＧａＮ層などと格子間隔が大きく異なり（ＡｌＧａＮ格子定数＜ＧａＮ格子定数）、埋め込み層内に大きな引っ張り歪みが発生する、この引っ張り歪より、実際には、埋め込み層内に多数のクラックが発生するため、デバイスの歩留まりが向上しない

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、全面に渡って転位密度を低減し、クッラク発生を防止することが可能な窒化化合物半導体基板及び半導体デバイスを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る窒化化合物半導体基板は、下地となる第１ＧａＮ系半導体層と、第１ＧａＮ系半導体層の表面上に部分的に形成された結晶成長制限部と、第１ＧａＮ系半導体層上に成長し、厚み方向に沿った断面が三角波形状であって、結晶成長制限部の直上に三角波の谷が位置する第２ＧａＮ系半導体層と、第２ＧａＮ系半導体層上に形成されたＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮからなる歪み抑制層と、歪み抑制層上に形成されたＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮからなり、格子定数が歪み抑制層よりも大きい埋め込み層とを備えることを特徴とする。

下地となる第１ＧａＮ系半導体層上には第２ＧａＮ系半導体層が成長するが、部分的にマスク等の結晶成長制限部が設けてあるため、結晶成長制限部上では横方向成長が行われる。したがって、結晶成長制限部上の結晶性は高くなる。また、第２ＧａＮ系半導体層の第１ＧａＮ系半導体層上に成長した部分は、結晶成長制限部上に成長した部分とは縦方向の成長速度が異なるため、第２ＧａＮ系半導体層の厚み方向に沿った断面は三角波形状となる。

すなわち、三角波の谷は結晶成長制限部の直上に位置する。三角波の山の位置には欠陥や転位が残るが、その山の頂上の面積は小さく、全面に渡って転位密度を低減し、クラック発生を防止することが見込まれる。特に、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮからなる埋め込み層と、第２ＧａＮ系半導体層との間には、第２ＧａＮ系半導体層との格子歪を緩和するよう、埋め込み層と同様の材料からなり格子定数が小さな歪み抑制層が介在しているため、埋め込み層内には圧縮応力が生じて引っ張り歪みが導入されず、クラックの発生を防止できる。

特に、Ａｌの組成比が１０％を超えた場合に、この構造は有効である。すなわち、Ａｌの組成比が高い場合に、膜厚が厚くても、低欠陥でかつクラックの無い埋め込み層を形成することが可能となる。

また、結晶成長制限部は、絶縁体からなるマスクによって構成されていることが好ましい。絶縁体のマスクを用いた場合、第２ＧａＮ系半導体層の縦方向の結晶成長が確実に抑制される。

また、本発明の窒化化合物半導体基板は、第２ＧａＮ系半導体層と歪み抑制層との間に介在するＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる中間層を更に備えることが好ましい。このような中間層、特に３００℃から８００℃の低温で成長させた低温中間層を用いた場合には歪み抑制層への歪みを緩和し歪み抑制層の成長を良好におこなうことができる。

また、本発明に係る半導体デバイスは、上述の窒化化合物半導体基板と、窒化化合物半導体基板上に形成された半導体機能素子とを備えることを特徴とする。欠陥が低減されクラックの無い化合物半導体基板上に形成された半導体デバイスは、半導体機能素子の部分の光学特性、電気伝導特性に優れることとなる。

窒化化合物半導体基板は全面に渡って転位密度を低減し、クッラク発生を防止することができ、これを用いた半導体デバイスは光学特性、電気伝導特性に優れることとなる。

以下、実施の形態に係る化合物半導体基板及び半導体デバイスについて、添付の図面に基づいて説明する。なお、説明において、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は、実施の形態に係る化合物半導体基板の縦断面図である。なお、層構造の明確化のため、各層のハッチングの記載は省略する。

基板Ａ上に緩衝層Ｂを成長し、この上に下地となる第１ＧａＮ系半導体層Ｄ１を成長し、第１ＧａＮ層Ｄ１の露出表面上に結晶成長制限部Ｃを部分的に設ける。複数の結晶成長制限部Ｃは紙面に垂直な方向に延びている。結晶成長制限部Ｃは、ストライプ状であってもよく格子状であってもよい。この表面上に第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２を成長させる。第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の縦断面は三角波形状となり、結晶成長制限部Ｃの直上に三角波の谷が位置する。第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の露出表面上に中間層Ｅを成長し、この上に歪み抑制層Ｆが成長しており、歪み抑制層Ｆ上に埋め込み層Ｇが成長し、表面が平坦となっている。

図２は、窒化化合物半導体基板の平面図である。

ＧａＮ系半導体層Ｄの三角波断面の山の位置Ｙと谷の位置Ｔとが交互に並んでいる。山の位置Ｙと谷の位置Ｔとの間に低欠陥（低転位）領域が形成されている。

図３は、各構成要素に用いることができる材料を示す表である。

基板Ａの材料としては、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＺｎＯを用いることができ、緩衝層Ｂの材料としては、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができる。

結晶成長制限部Ｃの材料としてはＳｉＯ_２やＳｉＮを用いることができる。結晶成長制限部Ｃは、絶縁体からなるマスクによって構成されている場合、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の縦方向の結晶成長が確実に抑制される。

さらに、ＧａＮ系半導体層Ｄの材料としては、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができる。

中間層Ｅの材料としては、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ又はＩｎＧａＮを用いることができる。中間層Ｅは、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２と歪み抑制層Ｆとの間に介在しており、このような中間層Ｅ、特に３００℃から８００℃の低温で成長させた低温中間層を用いた場合には、歪み抑制層Ｆへの歪みを緩和し歪み抑制層Ｆの成長を良好におこなうことができる。

また、歪み抑制層Ｆの材料としては、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮを用いることができ、埋め込み層Ｇの材料としてはＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮを用いることができる。

なお、緩衝層Ｂや中間層Ｅは挿入しないでも上述の効果を得ることができ、成長マスクとしての結晶成長制限部Ｃは空隙を用いることも可能である。

各要素Ａ〜Ｇの好適な材料と厚みの範囲の一例は以下の通りである。
・Ａ：サファイア／５０〜１０００μｍ
・Ｂ：ＧａＮ／５〜１００ｎｍ
・Ｃ：ＳｉＯ_２／５０〜５００ｎｍ
・Ｄ：ＧａＮ／０．１〜２０μｍ
・Ｅ：ＡｌＮ／５〜１００ｎｍ
・Ｆ：ＡｌＧａＮ／５〜１０００ｎｍ
・Ｇ：ＡｌＧａＮ／０．１〜２０μｍ
図４は、図１に示した窒化化合物半導体基板の模式図である。同図には、埋め込み成長による欠陥（転位）の伝搬の様子が記載されている。

この窒化化合物半導体基板は、第１ＧａＮ系半導体層Ｄ１の表面上に部分的に形成された結晶成長制限部Ｃと、第１ＧａＮ系半導体層Ｄ１上に成長し、厚み方向に沿った断面が三角波形状であって、結晶成長制限部Ｃの直上に三角波の谷の位置Ｔが存在する第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２と、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２上に形成された歪み抑制層Ｆと、歪み抑制層Ｆ上に形成され、格子定数が歪み抑制層Ｆよりも大きい埋め込み層Ｇとを備えている。

下地となる第１ＧａＮ系半導体層Ｄ１上には第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２が成長するが、部分的にマスク等の結晶成長制限部Ｃが設けてあるため、結晶成長制限部Ｃ上ではＧａＮ系半導体の横方向成長が行われる。したがって、結晶成長制限部Ｃ上の結晶性は高くなる。横方向結晶成長時においては、破線で示されるように、欠陥（転位）も横方向に延びて成長する。但し、谷の位置Ｔでは、両側から中心に向かって横方向成長した結晶同士が衝突するため、その結晶性は低下している。

第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の第１ＧａＮ系半導体層Ｄ１上に成長した部分は、結晶成長制限部Ｃ上に成長した部分とは縦方向の成長速度が異なるため、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の厚み方向に沿った断面は三角波形状となり、谷の位置Ｔは結晶成長制限部Ｃの直上に位置する。

三角波の山の位置Ｙには欠陥や転位が残るが、その山の位置Ｙの頂上の面積は小さく、基板の全面に渡って転位密度を低減し、クラックの発生を防止することが見込まれる。埋め込み層Ｇは、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮからなり、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２との間には、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２との格子歪を緩和するよう、埋め込み層Ｇと同様の材料からなり格子定数が小さな歪み抑制層Ｆが介在しているため、埋め込み層Ｇ内には圧縮応力が生じて引っ張り歪みが導入されず、クラックの発生を防止できる。

ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮにおいて、Ａｌの組成比を増加させると、エネルギーバンドギャップが短波長側にシフトする。style='font-size:10.5pt'>化合物半導体における格子定数は、原子半径が大きい元素が含まれているほど大きくなる傾向があり、また、格子定数が大きいほどエネルギーバンドギャップは小さくなる傾向がある。青色や紫外線などの短波長の光に対応する半導体機能素子を形成するためには、Ａｌの組成比を増加させて、エネルギーバンドギャップを広くする必要があるが、窒化化合物半導体では、Ａｌの組成比の増加に伴い結晶転位密度も増加する傾向がある。また、ＧａＮなど結晶格子間隔の大きい結晶膜上に、ＡｌＧａＮなど格子間隔の小さい膜を成長する場合には、引っ張り歪みが生じるためクラックが生じやすい。Ａｌ組成が高い場合やＡｌＧａＮ膜厚が厚い場合には、この傾向は顕著となる。

上述の構造は、結晶転位密度が増加する場合、結晶格子間隔の差が大きな場合、すなわち、Ａｌの組成比が１０％を超えた場合に特に有効である。Ａｌの組成比が高い場合に、膜厚が厚くても、低欠陥でかつクラックの無い埋め込み層Ｇを形成することが可能となる。

図５は、図１に示した窒化化合物半導体基板の表面顕微鏡写真を示す図である。

基板Ａとしてサファイア、緩衝層Ｂとして低温ＧａＮ、結晶成長制限部ＣとしてＳｉＯ_２、ＧａＮ系半導体層ＤとしてＧａＮ、中間層Ｅとして低温ＡｌＮ、歪み抑制層ＦとしてＡｌＧａＮ、埋め込み層ＧとしてＡｌＧａＮを用いた。この表面顕微鏡写真によれば、クラックの無い平滑な面が形成されている。

図６は、図１に示した窒化化合物半導体基板から歪み抑制層Ｆを省略した窒化化合物半導体基板（比較例）の表面顕微鏡写真を示す図である。

結晶成長制限部Ｃのストライプ方向とは垂直な方向に沿って多数のクラックが生じていることが観察される。

図７は、図５で用いた窒化化合物半導体基板の表面カソードルミネッセンス像を示す図である。この写真中の黒い点は、転位に起因する非発光領域を示している。広いエリアに低転位の領域を形成されていることが観察される。

図８は、窒化化合物半導体基板１００上に、下部コンタクト層４、下部クラッド層５、活性層７、キャリアブロック層８、上部クラッド層１０が順次積層されている。上部クラッド層１０上に上部コンタクト層１１が形成されている。上部コンタクト層１１の上部表面には透明電極１５を介して上部電極１３が接触している。下部コンタクト層４は露出面を有しており、この露出面上に下部電極１４が接触している。なお、透明電極１５及び下部電極１４は、それぞれｐ型のコンタクト層１１及びｎ型のコンタクト層４とオーミック接触する。

各要素の材料の一例は以下の通りである。
・下部コンタクト層４：ＡｌＧａＮ（ｎ型）
・下部クラッド層５：ＡｌＧａＮ（ｎ型）
・活性層７：ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層
・キャリアブロック層８：ＡｌＧａＮ
・上部クラッド層１０：ＡｌＧａＮ（ｐ型）
・上部コンタクト層１１：ＧａＮ（ｐ型）
・透明電極１５：ＩＴＯ

この半導体デバイスは、上述の窒化化合物半導体基板１００と、窒化化合物半導体基板１００上に形成された半導体機能素子（発光素子）とを備えている。欠陥が低減されクラックの無い窒化化合物半導体基板１００上に形成された半導体デバイスは、下地の結晶性を継承するため、発光素子の光学特性、電気伝導特性は優れることとなる。なお、窒化化合物半導体基板１００上には他の半導体機能素子、ＭＥＳＦＥＴ等も形成することができる。

次に、上述の窒化化合物半導体基板の製造方法について説明する。

本実施形態では、結晶を成長させる方法として有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法が用いられるが、本発明はこれに限定されず、分子線成長（ＭＢＥ）法、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法等、他の成長方法を用いてもよい。

また、本実施形態では、窒素原料ガスとしてアンモニア（ＮＨ_３）を含むガスが、ＩＩＩ族原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）やトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を含むガスが、ｎ型ドーピング原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ_４）を含むガスが、ｐ型ドーピング原料ガスとしてジシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を含むガスが用いられるが、本発明はこれに限定されない。

工程（１）ＧａＮ層成長工程

サファイア基板（基板Ａ）を、ＭＯＣＶＤによる結晶成長を行うことが可能な空間（ＭＯＣＶＤ室）に導入して固定し、ＭＯＣＶＤ室内を水素雰囲気にする。次に、サファイア基板に対して１０５０℃で５分間の熱処理を行い、サファイア基板の表面を清浄化する。このように適切な条件で熱処理を行うことで、サファイア基板の表面の汚染物質が取り除かれると共に、表面の平面度が向上する。

次に、サファイア基板の温度を４７５℃まで降温し、トリメチルガリウムを含むＩＩＩ族原料ガス、及び窒素原料ガス等を供給して、サファイア基板上に膜厚が２５ｎｍの緩衝層Ｂを成長させる。そして、１０７５℃まで昇温し、トリメチルガリウムを含むＩＩＩ族原料ガス、及び窒素原料ガス等を供給して、緩衝層上に膜厚が緩衝層より厚い２．５μｍのＧａＮ層（第１のＧａＮ系半導体層Ｄ１）を成長させる。

工程（２）ＳｉＯ_２ストライプ形成

工程（１）で得られた基板をＭＯＣＶＤ室から取り出し、プラズマＣＶＤによる成膜が可能な空間（プラズマＣＶＤ室）に導入して固定する。次に、上記の基板上に、膜厚が３００ｎｍのＳｉＯ_２膜を堆積させる。次に、通常のフォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によりＳｉＯ_２膜を加工して、幅３μｍで周期６μｍのＳｉＯ_２の周期ストライプパターンを形成する。また、ストライプの方向は、ＧａＮ［１−１００］方向である。次に、ＳｉＯ_２ストライプ（結晶成長制限部Ｃ）を形成した基板を、再度、ＭＯＣＶＤ成長室に導入して固定し、ＭＯＣＶＤ室をアンモニア雰囲気にして、１０７５℃で５分間の熱処理を行う。

工程（３）ＧａＮ三角ファセット形成

その後、成長圧力６．７×１０^４Ｐａ、基板温度９２５℃でＧａＮを成長させ、三角波断面有する第２のＧａＮ系半導体層Ｄ２（三角ファセット構造）を形成する。

工程（４）中間層成長工程

前工程でＧａＮの三角ファセットを形成した後、基板の温度を５５０℃まで降温し、ＧａＮ層の表面上に膜厚が１０ｎｍの中間層Ｅを成長させる。

工程（５）化合物層成長工程

工程（４）で得られた基板を１１２５℃まで昇温し、中間層Ｅの上に膜厚が約１２０ｎｍのＡｌ_０．６Ｇａ_０．４Ｎ層（Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｎ系化合物層：歪み抑制層Ｆ）を成長させる。次に、膜厚が８．４μｍのＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層（Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｎ系化合物層：埋め込み層Ｇ）を成長させる。これにより、ＧａＮの三角ファセット構造が埋め込まれ、基板の表面が平坦化されて、窒化化合物半導体基板が得られる。なお、これらの膜厚は、平坦な基板上に成長させた場合の膜厚に換算した値である。また、成長圧力は１．０×１０^４Ｐａとした。

工程（６）半導体デバイス製造工程

前工程で得られた基板の上に、ＳｉをドープしたＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層（Ｓｉドープコンタクト層）を３μｍ、Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層（第１クラッド層）を２５０ｎｍ、ＡｌＧａＮ量子井戸構造（活性層）、Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．６５Ｎ層（キャリアブロック層）を２０ｎｍ、ＭｇをドープしたＡｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層（Ｍｇドープクラッド層）を２５０ｎｍ、ＭｇをドープしたＧａＮ層（コンタクト層）を５０ｎｍ、順に成長させて、半導体構造物を得た。

また、窒化化合物半導体基板及び半導体デバイスの製造方法は、サファイア基板上に直接上述の工程（２）の工程においてＳｉＯ_２ストライプを形成し、以下の工程（３−２）及び上述の工程（４）及び工程（５）を経ることによって形成してもよい。

工程（３−２）ＧａＮ三角ファセットの形成工程

工程（２）で得られた基板を、基板温度４７５℃まで昇温し、膜厚が２５ｎｍの緩衝層を成長させる。その後、成長圧力６．７×１０^４Ｐａで、基板温度９２５℃まで昇温しＧａＮの三角ファセット構造を形成する。

なお、三角ファセットＧａＮ上へＡｌＮ緩衝層を挿入して横方向埋め込み成長を行う場合、上述の特許文献１の方法では、埋め込まれるＡｌＧａＮ層のＡｌ組成が１０％を越えると、ＧａＮとＡｌＧａＮ層との格子定数が大きく異なるため、歪みが十分に緩和されず、実際には多くのクラックが発生してしまう。特に、レーザ構造等のように、埋め込み層の膜厚が１０μｍ程度以上となるような場合には、多くのクラックが発生してしまう。

一方、本発明では低温ＡｌＮ中間層を介して歪みを緩和したＡｌＧａＮ歪み抑制層を成長した後に、ＡｌＧａＮ歪み抑制層よりも格子定数が大きいＡｌＧａＮ層を成長することで（ＡｌＧａＮ歪み抑制層からＡｌＧａＮ層は圧縮応力を受ける）、クラックの発生を防止している。

なお、化合物半導体基板は、図１とは別の構造を採用することも可能である。

図９は、第２実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。

この窒化化合物半導体基板は、図１に示したものと比較して緩衝層Ｂを備えていない点のみが異なり、基板Ａ上に直接、第１ＧａＮ系半導体層Ｄ１が成長している。各要素の材料の一例は以下の通りである。
・Ａ：Ｇａ_２Ｏ_３
・Ｃ：ＳｉＯ_２
・Ｄ：ＧａＮ
・Ｅ：ＡｌＮ
・Ｆ：ＡｌＧａＮ
・Ｇ：ＡｌＧａＮ
図１０は、第３実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。

この窒化化合物半導体基板は、図１に示したものと比較して基板Ａ、緩衝層Ｂ、ＧａＮ系半導体層Ｄの材料が同一である点のみが異なり、これらは一体化している。一体化したＧａＮ系半導体層をＨとする。各要素の材料の一例は以下の通りである。
・Ｈ：ＧａＮ
・Ｃ：ＳｉＯ_２
・Ｅ：ＡｌＧａＮ
・Ｆ：ＩｎＡｌＧａＮ
・Ｇ：ＩｎＡｌＧａＮ
図１１は、第４実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。

この窒化化合物半導体基板は、基板Ａと、基板Ａ上に成長し、緩衝層を兼用する第１ＧａＮ系半導体層Ｄ１と、この上に成長した第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２を備えている。結晶成長制限部Ｃは、基板Ａの表面に形成された凹部内の空隙として与えられており、中間層Ｅ、歪み抑制層Ｆ、埋め込み層Ｇ積層構造は、図１に示したものと同一である。各要素の材料の一例は以下の通りである。
・Ａ：サファイア
・Ｃ：空隙
・Ｄ１：ＧａＮ
・Ｄ２：ＡｌＧａＮ
・Ｅ：ＡｌＮ
・Ｆ：ＡｌＧａＮ
・Ｇ：ＡｌＧａＮ

図１２は、第５実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。

この窒化化合物半導体基板は、図１１に示したものと比較して、結晶成長制限部Ｃが、基板Ａの表面から上方に向けてＧａＮ系半導体層Ｄを侵食した形状の空隙として与えられている点のみが異なる。この空隙は、例えば、空隙内に絶縁層やホトレジストを形成しておき、ＧａＮ系半導体層Ｄの形成後にこれを溶解することによって形成することができる。各要素の材料の一例は以下の通りである。
・Ａ：サファイア
・Ｃ：空隙
・Ｄ１：ＩｎＧａＮ
・Ｄ２：ＧａＮ
・Ｅ：ＡｌＧａＮ
・Ｆ：ＩｎＡｌＧａＮ
・Ｇ：ＩｎＡｌＧａＮ

図１３は、縦断面が三角波形状を有する第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。この第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の表面形状は上述のものとは異なる。すなわち、図１３（ａ）に示すように、ＧａＮは六方晶をしており、紙面に垂直な方向にｃ軸が延びているが、本例では、１つの結晶格子のｃ軸の延長線上に頂点を有する六角錐が形成されている（図１３（ｂ）参照）。このような構造（周期六角錐ファセット構造）の場合も、第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の縦断面は三角波形状となる。

以上、説明したように、上述の窒化化合物半導体基板は、サファイア基板、酸化ガリウム基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板など窒化物とは異なる異種基板または窒化物基板上に、ＡｌＧａＮ層を有している。なお、歪み抑制層Ｆ（Ａｌ_Ｘ１Ｇａ_Ｙ１Ｎ系化合物層）及び埋め込み層Ｇ（Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_Ｙ２Ｎ系化合物層）は、０＜Ｘ１≦１、０≦Ｘ２＜１、Ｘ１＞Ｘ２の関係を満たすことが好ましい。上述のＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ各層は表記した主要元素により構成される他、さらに微量のＡｌ、Ｉｎを添加することによりＡｌＩｎＧａＮ層として実現してもよいが、この場合も、歪み抑制層Ｆの格子間隔＜埋め込み層Ｇの格子間隔となる組成が条件となる。

本発明は、化合物半導体基板及び半導体デバイスに利用することができる。

実施の形態に係る化合物半導体基板の縦断面図である。窒化化合物半導体基板の平面図である。各構成要素に用いることができる材料を示す表である。図１に示した窒化化合物半導体基板の模式図である。図１に示した窒化化合物半導体基板の表面顕微鏡写真を示す図である。図１に示した窒化化合物半導体基板から歪み抑制層Ｆを省略した窒化化合物半導体基板（比較例）の表面顕微鏡写真を示す図である。図５で用いた窒化化合物半導体基板の表面カソードルミネッセンス像を示す図である。窒化化合物半導体基板１００上に、下部コンタクト層４、下部クラッド層５、活性層７、キャリアブロック層８、上部クラッド層１０が順次積層されている。第２実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。第３実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。第４実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。第５実施形態に係る窒化化合物半導体の縦断面図である。縦断面が三角波形状を有する第２ＧａＮ系半導体層Ｄ２の平面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。

符号の説明

４・・・下部コンタクト層、５・・・下部クラッド層、７・・・活性層、８・・・キャリアブロック層、１０・・・上部クラッド層、１１・・・上部コンタクト層、１３・・・上部電極、１４・・・下部電極、１５・・・透明電極、１００・・・窒化化合物半導体基板、Ａ・・・基板、Ｂ・・・緩衝層、Ｃ・・・結晶成長制限部、Ｄ・・・ＧａＮ系半導体層、Ｅ・・・中間層、Ｆ・・・抑制層、Ｔ・・・谷の位置、Ｙ・・・山の位置、

Claims

下地となる第１ＧａＮ系半導体層と、
前記第１ＧａＮ系半導体層の表面上に部分的に形成された結晶成長制限部と、
前記第１ＧａＮ系半導体層上に成長し、厚み方向に沿った断面が三角波形状であって、前記結晶成長制限部の直上に前記三角波の谷が位置する第２ＧａＮ系半導体層と、
前記第２ＧａＮ系半導体層上に形成されたＡｌＮ、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮからなる歪み抑制層と、
前記歪み抑制層上に形成されたＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＧａＮからなり、格子定数が前記歪み抑制層よりも大きい埋め込み層と、
を備えることを特徴とする窒化化合物半導体基板。
前記結晶成長制限部は、絶縁体からなるマスクによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化化合物半導体基板。
前記第２ＧａＮ系半導体層と前記歪み抑制層との間に介在するＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ又はＩｎＧａＮからなる中間層を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の窒化化合物半導体基板。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化化合物半導体基板と、
前記窒化化合物半導体基板上に形成された半導体機能素子と、
を備えることを特徴とする半導体デバイス。