JP2010287714A - 窒化物半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェットエッチングの際に所定の位置で確実にエッチストップすることができる構造を提供する。
【解決手段】電流狭窄層（窒化物半導体層３）と接しており、かつ電流狭窄層（窒化物半導体層３）よりも基板１側に位置する窒化物半導体層２に遷移金属を導入する。窒化物半導体層２がｎ型導電型の場合は正孔を捕獲する準位を形成する遷移金属（Ｔｉ）、またｐ型導電型の場合は電子を捕獲する準位を形成する遷移金属（Ｃｕ）を導入する。この構成に対して、ＰＥＣエッチングを行うと、電流狭窄層（窒化物半導体層３）と窒化物半導体層２の界面近傍で確実なエッチストップが得られ、デバイス特性の安定化が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体材料を用いた半導体素子に関するものである。

現在、窒化ガリウム（ＧａＮ）を代表とし、一般式がＩｎ_ＸＧａ_ＹＡｌ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）で表されるIII族元素であるアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）と、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とからなるIII-Ｖ族窒化物系化合物半導体、いわゆる窒化物半導体が注目を集めている。例えば、光デバイスに関しては窒化物半導体を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）が、大型ディスプレイ素子及び信号機等において用いられている。また、窒化物半導体を用いたＬＥＤと蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤも商品化されており、将来的に発光効率が改善されれば、現状の照明素子に置き換わることも期待されている。

また、窒化物半導体を用いた青紫色半導体レーザ素子も非常に盛んに研究開発が行われており、市場規模も年々増加している。青紫色半導体レーザ素子は、従来のＣＤ及びＤＶＤ等の光ディスクに用いられている赤色域や赤外域の光を発光する半導体レーザ素子と比べて、光ディスク上におけるスポット径を小さくすることが可能であるため、光ディスクの記録密度を向上させることが可能である。

また、窒化ガリウム系材料は、高絶縁破壊電界、高電界における高い飽和電子速度、ヘテロ接合での高い２次元電子ガス密度という優れた物性を有するため、電子デバイス用材料としても有望視されている。

窒化物半導体のエッチング方法としては、一般的には塩素系ガスをエッチングガスとするドライエッチングが用いられる。しかし、窒化物半導体層に対してドライエッチングを行うと、エッチング面及びその近傍層にダメージが生じる、さらにはエッチング面に塩素が残留し、デバイス特性が劣化する可能性がある
そこで、ダメージフリーのエッチング方法として、アルカリ溶液とＵＶ（紫外線）光を用いてウェットエッチング（ＰＥＣエッチング：Photo electro Chemical エッチング）がある。一般的なウェットエッチングの構成を図９に示す。窒化物半導体１０１上にメタルマスク１０２を形成し、メタルマスク１０２とカソード１０３を電気的に接続する。それらをＫＯＨ溶液１０４に浸し、窒化物半導体１０１に窒化物半導体１０１で吸収が生じる波長を有する光の照射を行う。光照射した状態のｎ型の窒化物半導体１０１とＫＯＨ溶液１０４が形成するバンド構造を図１０に示す。

光吸収により生じた正孔が窒化物半導体１０１とＫＯＨ溶液１０４の界面に溜まり、以下の反応式で窒化物半導体１０１のエッチングが進行する。また、光吸収により生じた電子はカソード１０３で以下の反応式で消費される。なお、以下の反応式では窒化物半導体１０１がＧａＮの場合を記載する。
（反応式）
ＧａＮ＋６ＯＨ⁻＋３ｈ^＋→ＧａＯ３^―＋０．５Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ
１／２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→２ＯＨ⁻
図１１にＰＥＣエッチング技術を用いて作製した窒化物系青紫レーザ（ＬＤ）を示す（特許文献１参照）。これは図１１に示すように、ＧａＮ基板１０５、ｎ−ＧａＮ層１０６、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１０７、ｎ−ＧａＮガイド層１０８、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層１０９、ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層１１０、ｐ−ＧａＮガイド層１１１、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１１２、ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１１３、ｐ−ＧａＮガイド層１１４、ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層１１５、ｐ−ＧａＮコンタクト層１１６から構成されている。

ｐ−ＧａＮコンタクト層１１６上にはｐ型電極１１７、ＧａＮ基板１０５の各層が形成されている面と反対側の面にｎ型電極１１８が形成されている。電流はｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１１３の部分は流れず、ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１１３が除去された部分のみを流れる。また、光閉じ込めはｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１１３とｐ−ＧａＮガイド層１１４との屈折率差で行っている。この構造を以降、埋め込み構造と記す。

この埋め込み型青紫レーザを作製する際に、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１１３の一部をＰＥＣエッチングにより除去する。この際、ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１１３とｎ−ＧａＮ電流狭窄層１１２の界面近傍でエッチストップが生じることを発明者らは見出している。

特開２００８−２８２８３６号公報

前述の背景技術で記したように、本発明者はｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１１３をウェットエッチングで除去し、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１１３とｎ−ＧａＮ電流狭窄層１１２の界面近傍でエッチストップさせることに成功している。しかし、ｒｕｎ−ｔｏ−ｒｕｎや面内評価を行うと、所定の位置でエッチストップせず、ｎ−ＡｌＧａＮ電流狭窄層１１３の下層にまでエッチングが進行してしまう場合があることが分かった。そのため、デバイス特性が劣化あるいは変動し、歩留まりが低下するという課題があることが分かった。

そこで本発明では、ウェットエッチングの際に所定の位置で確実にエッチストップすることができる構造を提供する。また、本発明を用いることにより、同一材料内（構成元素の組成比が同一）の任意の位置でエッチストップさせることが可能となる。

前記の目的を達成するために、本発明に係る窒化物半導体装置は、基板上に第１の窒化物半導体層、ｎ型導電型の第２の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第２の窒化物半導体層の少なくとも一部は前記第１の窒化物半導体層との界面近傍まで除去されており、前記１の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第２の窒化物半導体層との界面近傍には遷移金属が導入されていることを特徴とする。

係る構成に対して第２の窒化物半導体層のエッチングを行うと、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面近傍で確実にエッチストップが得られ、良好な段差構造を作製することができる。

本発明の窒化物半導体装置は、前記第１の窒化物半導体層がｎ型導電型であり、前記遷移金属が正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする。

係る構成により、第１の窒化物半導体層中で少数キャリアである正孔が捕獲され、エッチングに寄与できる正孔が非常に少なくなるので、第１と第２の窒化物半導体層の界面近傍でエッチストップが生じる。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移金属が、チタン（Ｔｉ）であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記第１の窒化物半導体層がｐ型導電型であり、前記遷移金属が電子を捕獲する準位を形成することを特徴とする。

係る構成により、第１の窒化物半導体層中で少数キャリアである電子が捕獲され、エッチングに寄与できる電子が非常に少なくなるので、第１と第２の窒化物半導体層の界面近傍でエッチストップが生じる。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移金属が銅（Ｃｕ）であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記第２の窒化物半導体層がＵＶ照射とアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより除去されていることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に第１の窒化物半導体層、ｎ型導電型の第２の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第２の窒化物半導体層の少なくとも一部は前記第１の窒化物半導体層との界面近傍まで除去されており、前記１の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第２の窒化物半導体層との界面近傍層にはフッ素が導入されていることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記第２の窒化物半導体層がＵＶ照射とアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより除去されていることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型の第１クラッド層、第１あるいは第２導電型の窒化物半導体層、その直上に第１導電型の電流狭窄層が形成され、前記電流狭窄層の一部が前記窒化物半導体層近傍まで除去されており、前記電流狭窄層上及び前記電流狭窄層の除去された部分には第２導電型の第２クラッド層が形成され、前記窒化物半導体層には遷移金属が導入されていることを特徴とする。

係る構成に対して第１導電型の電流狭窄層のエッチングを行うと、第１導電型の電流狭窄層と窒化物半導体層の界面近傍で確実にエッチストップが得られる。そのため、歩留まり良くデバイスを作製することができる。

本発明の窒化物半導体装置は、前記窒化物半導体層はｎ型導電型で電流狭窄層の一部として機能し、前記遷移金属が正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移金属がチタン（Ｔｉ）であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記窒化物半導体層がｐ型導電型でクラッド層の一部として機能し、前記遷移金属が電子を捕獲する準位を形成することを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移金属が銅（Ｃｕ）であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型の第１クラッド層、第１あるいは第２導電型の窒化物半導体層、その直上に第１導電型の電流狭窄層が形成され、前記電流狭窄層の一部が前記窒化物半導体層近傍まで除去されており、前記電流狭窄層上及び前記電流狭窄層の除去された部分には第２導電型の第２クラッド層が形成され、前記窒化物半導体層にはフッ素が導入されていることを特徴とする。

係る構成に対して第１導電型の電流狭窄層のエッチングを行うと、第１導電型の電流狭窄層と窒化物半導体層の界面近傍で確実にエッチストップが得られ、歩留まり良くデバイスを作製することができる。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、前記第３の窒化物半導体層が除去された領域にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍には遷移元素が導入されていることを特徴とする。

係る構成に対して第３の窒化物半導体層のエッチングを行うと、第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面近傍で確実にエッチストップが得られ、デバイス特性を安定化させることができる。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移元素は正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移元素がチタン（Ｔｉ）であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、前記第３の窒化物半導体層が除去された領域にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍にはフッ素が導入されていることを特徴とする。

係る構成に対して第３の窒化物半導体層のエッチングを行うと、第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面近傍で確実にエッチストップが得られ、デバイス特性を安定化させることができる。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、少なくとも前記第３の窒化物半導体層が除去された領域に第４の窒化物半導体層が形成されており、前記第４の窒化物半導体層上にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍には遷移元素が導入されていることを特徴とする。

係る構成に対して第３の窒化物半導体層のエッチングを行うと、第３の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層の界面近傍で確実にエッチストップが得られ、デバイス特性を安定化させることができる。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移元素は正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、前記遷移元素がチタン（Ｔｉ）であることを特徴とする。

本発明の窒化物半導体装置は、基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、少なくとも前記第３の窒化物半導体層が除去された領域に第４の窒化物半導体層が形成されており、前記第４の窒化物半導体層上にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍にはフッ素が導入されていることを特徴とする。

本発明によれば、窒化物半導体層のエッチングを行う際に、制御性良く特定の位置でエッチストップさせることができ、良好な段差構造を作製することができるため、段差構造を内包する埋め込み型レーザやリセス構造を有するＨＦＥＴ（Hetero-junction Field Effect Transistor）などのデバイス特性が安定し、かつ歩留まり良く作製することが可能となるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１における段差構造の埋め込み型レーザを示す断面図 本実施の形態１における段差構造の作製方法（ａ）〜（ｄ）を示す断面図 本発明の実施の形態２における窒化物半導体装置を示す断面図 本実施の形態２における窒化物半導体装置の作製方法（ａ）〜（ｆ）を示す断面図 本発明の実施の形態３における窒化物半導体装置を示す断面図 本実施の形態３における窒化物半導体装置の作製方法（ａ）〜（ｅ）を示す断面図 本発明の実施の形態４における窒化物半導体装置を示す断面図 本実施の形態４における窒化物半導体装置の作製方法（ａ）〜（ｈ）を示す断面図 ウェットエッチングの構成を示す図 光照射した状態のｎ型の窒化物半導体層とＫＯＨ溶液が形成するバンド構造を示す図 従来の窒化物半導体装置を示す断面図

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

まずは、窒化物半導体層に段差構造を作製する一般的な方法とその課題を説明する。段差構造を作製する方法としては、一般的に塩素系ガスを用いたドライエッチング法がある。しかし、背景技術で記したように、エッチング面にダメージが残ったり、塩素系のガスが残留したりするという課題がある。また、同一材料内では当然ながら選択性は無く（エッチレートに差は無く）、エッチストップさせることはできない。窒化物半導体層を構成する元素の組成比を変更すると選択性が生じるが（エッチレートが若干変化するが）、選択比は小さく、特定の層でエッチストップさせることは困難である。

その他の段差構造を作製する方法として、選択成長を用いる方法がある。これは、窒化物半導体層上に部分的に誘電体などからなるマスクを形成して、その後マスクが形成されていない部分にのみ選択的に再成長を行う方法である。しかし、マスク上にも主に多結晶からなるデポ物が形成されるため、良好な段差構造を作製するのは困難である。

（実施の形態１）
そこで、本発明の実施の形態１について、窒化物半導体からなる段差構造を示す図１を参照しながら説明する。図１に示すように、基板１上にｎ型の窒化物半導体層２、ｎ型の窒化物半導体層３が形成されており、窒化物半導体層３の一部が窒化物半導体層２のほぼ界面まで除去されている。窒化物半導体層２のうち、窒化物半導体層３との界面近傍には遷移金属であるＴｉが導入されており、Ｔｉは窒化物半導体層２中で正孔がトラップされる準位を形成する。導入される遷移金属としてはＴｉ（チタン）以外には、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｅ（テルル）でも良い。また、いずれか一つ、あるいは複数が同時に導入されていても良い。なお、本実施の形態１では、窒化物半導体層２の窒化物半導体層３との界面近傍にのみ遷移金属を導入しているが、窒化物半導体層２の全てに遷移金属が導入されていても構わない。

続いて、前記段差構造の作製方法に関して図２を参照しながら説明する。基板１上にｎ型の窒化物半導体層２を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により形成する（図２（ａ）参照）。その後、ｎ型の窒化物半導体層２上に酸化シリコンなどからなるマスク膜４を形成し、形成したマスク膜４を用いて窒化物半導体層２にＴｉを導入する（図２（ｂ）参照）。Ｔｉの導入法としては、イオン注入法または熱拡散法などを用いることができ、なかでも熱拡散法はｎ型の窒化物半導体層２にダメージが入らないため好ましい。Ｔｉはｎ型の窒化物半導体層２中に正孔がトラップされる準位を形成する。

次にマスク膜４を除去し、ｎ型の窒化物半導体層２上にｎ型の窒化物半導体層３をＭＯＣＶＤ法で形成する（図２（ｃ）参照）。その後、ｎ型の窒化物半導体層３の一部をＰＥＣエッチングにより除去する（図２（ｄ）参照）。この際、ｎ型の窒化物半導体層３はエッチングされるが、窒化物半導体層２はエッチングが生じず、両者の界面近傍でエッチストップする。

この理由について以下に説明する。ＰＥＣエッチングでは前述したように、ＵＶ照射により生成された電子及び正孔がエッチングに寄与する。そのため、本層構成に対してＰＥＣエッチングを行うと、窒化物半導体層３は除去される。しかし、窒化物半導体層２はＴｉ導入により正孔トラップが形成されているので、ＵＶ照射で生成された正孔がそこで消費され、エッチングに寄与できない。そのため、窒化物半導体層２はエッチングされず、窒化物半導体層３と窒化物半導体層２との界面近傍で確実なエッチストップが生じる。このようにして、特定の位置でエッチストップが生じた段差構造を提供することができる。

また、エッチストップ層となるｎ型の窒化物半導体層２に対して、正孔を捕獲する準位を形成する遷移金属を導入した理由について説明する。ＵＶ照射では電子及び正孔の両者が生成されるが、エッチストップさせるためにはエッチストップ層での少数キャリアを捕獲する準位を形成し、消費させる必要がある。本構成ではｎ型の窒化物半導体層２中の少数キャリアである正孔がほとんど無くなり、エッチングに寄与できなくなり、エッチストップが生じる。もし、ｎ型の窒化物半導体層２中に多数キャリアである電子を捕獲する準位を形成しても、電子密度を小さくすることは困難であり、エッチストップは生じない。

このような理由から窒化物半導体層２がｐ型導電型である場合、電子を捕獲する準位を形成する遷移金属を導入するのが好ましい。具体的にはＣｕが望ましいが、その他電子を捕獲する準位を形成する遷移金属なら何でも良い。

（実施の形態１の変形例）
本実施の形態１における変形例について説明する。本変形例では、図１の窒化物半導体層２のうち、少なくとも窒化物半導体層３との界面に遷移金属ではなく、フッ素が導入されている。フッ素を導入する方法としては、例えばイオン注入やＣＨＦ_３（フロン２３）ガスなどを用いたプラズマ中に窒化物半導体層２を晒すといった方法があるが、後者の方が低ダメージという点で望ましい。

フッ素が窒化物半導体層２中でどのように作用するかの詳細は明らかになっていないが、Ｆ系プラズマ中に晒された窒化物半導体層に対してＰＥＣエッチングを行ってもエッチングされないという実験結果が得られている。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、実施の形態１で示したのと同様に段差構造を用いた埋め込み型レーザについて説明する。図３は埋め込み型レーザの断面図、図４はその製造方法を示す図である。

ＧａＮ基板１１上に、ｎ−ＧａＮ層１２、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１３、ｎ−ＧａＮガイド層１４、ＩｎＧａＮからなるＭＱＷ活性層１５、ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層１６、第１ｐ−ＧａＮクラッド層１７、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８、ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９が順に形成されている。ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９の一部はｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８との界面近傍層まで除去されており、除去された部分及びｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９上に第２ｐ−ＧａＮクラッド層２０、第３ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｐ−ＧａＮコンタクト層２２が形成されている。ｐ−ＧａＮコンタクト層２２上にはｐ型電極２３、ＧａＮ基板１１の成長層が形成されていない面にｎ型電極２４が形成されている。

電流はｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９の除去された部分（電流注入部２５）を通じてＭＱＷ活性層１５に流れ、レーザ発振が生じる。ＭＱＷ活性層１５からは約４０５ｎｍの発光が生じる。この構成において、電流注入部２５ではｎ型導電型であるｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８が残存している。また、同時にｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９の薄膜層が残っている場合もある。しかし、第２ｐ−ＧａＮクラッド層２０、第３ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｐ−ＧａＮコンタクト層２２の再成長時に第１ｐ−ＧａＮクラッド層１７及び第２ｐ−ＧａＮクラッド層２０の双方からＭｇが拡散して混入するため、電流注入部２５に残存したｎ型導電型は最終的にｐ型導電型に転換している。

この構成の特徴は、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８にＴｉが導入されていることである。実施の形態１でも示した通りＴｉはｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８中で正孔トラップとして機能する準位を形成する。Ｔｉ以外でも正孔トラップとして機能する準位を形成する遷移金属であれば何でも良い。

また、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８全てにＴｉが導入されていても構わないが、望ましくはｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９との界面近傍にのみＴｉが導入されている方が望ましい。なぜなら、デバイス動作時には、電流注入部２５のｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８は上述したようにｐ型導電型として機能するので、正孔トラップ準位が形成された層の膜厚が厚いと層抵抗が高くなり、電気的特性が劣化してしまう。具体的にはＴｉが導入されている層は電気的にほとんど影響しない１０ｎｍ以下が望ましい。

次に、図４を参照しながら埋め込み型レーザの製造方法について説明する。まず、図４（ａ）に示すようにＧａＮからなる基板１１の上に、ｎ−ＧａＮ層１２と、ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層１３と、ｎ−ＧａＮガイド層１４と、ＭＱＷ活性層１５と、オーバーフロー抑制のｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層１６と、第１ｐ−ＧａＮクラッド層１７、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８を有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により順次形成する。

次に、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８にＴｉを導入する（図４（ｂ）参照）。Ｔｉの導入法としては、前述した実施の形態１で記したのと同様である。その後、Ｔｉが導入されたｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８上にｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９を成長する（図４（ｃ）参照）。

次に、図４（ｄ）に示すように、ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９のＰＥＣエッチングを行う。なお、この際、基板１１がＧａＮ基板の場合、ＭＯＣＶＤ法による成長層が形成されていない面（Ｖ族面）を、例えば誘電体膜などで被覆するなどの方法で、Ｖ族面側に薬液が接触しないようにする必要がある。エッチングはｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９をエッチングし、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８とｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９の界面近傍でエッチストップする。

続いて、ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９上、及びエッチングで除去された部分に第２ｐ−ＧａＮクラッド層２０、第３ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層２１、ｐ−ＧａＮコンタクト層２２をＭＯＣＶＤ法で再成長する（図４（ｅ）参照）。

その後、窒素雰囲気中、８００℃でｐ型導電型の活性化アニールを行い、ｐ−ＧａＮコンタクト層２２上にｐ型電極２３を形成する。ｐ型電極２３はニッケル（Ｎｉ）またはパラジウム（Ｐｄ）を含む多層膜を電子線（ＥＢ）蒸着法により形成し、その後シンタを行うことにより形成する。

続いて、ＧａＮ基板１１のＭＯＣＶＤ法での成長層が形成されていない面を研磨により薄くし、研磨した面にｎ型電極２４を形成する（図４（ｆ）参照）。ｎ型電極材料としてはＴｉやＶなどを含んだ多層膜を用いるのが一般的である。その後、へき開を行い、チップ分離することにより、埋め込み型レーザが作製される。

本実施の形態２ではｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８にＴｉが導入されており、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８内で正孔をトラップする準位を形成する。そこで、図４（ｄ）の工程でＰＥＣエッチングによりｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９を除去する工程において、実施の形態１で記したのと同じ理由で、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８とｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９の界面近傍で確実にエッチストップが生じる。そのため、デバイス特性を安定化させることができ、歩留まり良く埋め込み型レーザを作製することが可能となる。

（実施の形態２の変形例）
本実施の形態２における変形例について説明する。前述したように、実施の形態２では、エッチストップ近傍層の構造を第１ｐ−ＧａＮクラッド層１７／Ｔｉが導入されたｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８／ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９としたが、第１ｐ−ＧａＮクラッド層１７／ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９でも良い。この場合、第１ｐ−ＧａＮクラッド層１７の少なくともｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９との界面近傍には電子をトラップする準位を形成する遷移金属が導入されている。電子をトラップする準位を形成する遷移金属としては、例えばＣｕがある。このような構成とすることにより、実施の形態１で記した通り、ＰＥＣエッチングでｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９はエッチングされ、第１ｐ−ＧａＮクラッド層１７との界面近傍で確実にエッチストップが生じ、デバイス特性を安定化させることができる。

（実施の形態２の別の変形例）
本実施の形態２における別の変形例について説明する。この変形例では、図３のｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８のうち、少なくともｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９との界面にフッ素が導入されている。フッ素を導入することは、前述した実施の形態１の変形例と同様である。このような構成とすることにより、ＰＥＣエッチング時に、ｎ−ＧａＮ電流狭窄層１８とｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層１９との界面近傍層で確実にエッチストップが生じ、デバイス特性を安定化させることができる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３として、リセス構造を有するヘテロ接合電界効果トランジスタ及びその製造方法を示す。

図５に本実施の形態３のヘテロ接合電界効果トランジスタ（Hetero-junction Field Effect Transistor；以下ＨＦＥＴと記す）を示す。サファイア基板３１上にバッファ層３２、ｉ−ＧａＮチャネル層３３、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５が形成されている。ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の少なくとも一部分はｉ−ＡｌＧａＮ層３４との界面近傍までエッチングで除去されている。ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の開口部以外にはオーミック電極３６，３７（ソース及びドレイン電極）が形成されている。また、開口部にはゲート電極３８が形成されている。このような構造を有するＨＦＥＴで、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４のうちｎ−ＡｌＧａＮ層３５との界面近傍にはＴｉが導入されている。本実施の形態３ではｉ−ＡｌＧａＮ層３４としたが、ｎ−ＡｌＧａＮ層でも構わない。

続いて、前述したＨＦＥＴの製造方法を図６に示す。ＭＯＣＶＤ法による成長で、サファイア基板３１上にバッファ層３２、ｉ−ＧａＮチャネル層３３、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４を形成する（図６（ａ）参照）。その後、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４にＴｉを導入する（図６（ｂ）参照）。また、Ｔｉ以外にも正孔を捕獲する準位を形成する遷移元素であれば何でも構わない。Ｔｉの導入法としては、前述した実施の形態１で記したのと同様である。また、実施の形態１，２の変形例に示したように、フッ素であっても良い。

次に、ＭＯＣＶＤ法による成長でｎ−ＡｌＧａＮ層３５を形成する（図６（ｃ）参照）。続いて、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の一部をＰＥＣエッチングで除去する（図６（ｄ））。この際、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４にはＴｉが導入されているので、正孔を捕獲する準位が形成されている。そのため、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５をエッチングで除去した後、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４との界面近傍で確実にエッチストップが生じる。

最後に、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の非エッチング部にオーミック電極３６及び３７、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５のエッチング部にゲート電極３８をそれぞれ形成し、ＨＦＥＴが作製される（図６（ｅ））。

通常、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５をエッチングする際に、エッチング量がばらつき、そのため閾値電圧Ｖｔｈがばらつくという課題がある。しかし、本製造方法ではｎ−ＡｌＧａＮ層３５とｉ−ＡｌＧａＮ層３４の界面近傍で確実にエッチストップさせることができるため、歩留まり良くＨＦＥＴを作製することが可能である。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４として、リセス構造を有する窒化物半導体トランジスタ及びその製造方法を示す。

図７に本実施の形態４の窒化物半導体トランジスタを示す。サファイア基板３１上にバッファ層３２、ｉ−ＧａＮチャネル層３３、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５が形成されている。ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の少なくとも一部分はｉ−ＡｌＧａＮ層３４との界面近傍までエッチングで除去されている。

ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の開口部にはｐ型窒化物半導体層３９が形成されており、ｐ型窒化物半導体層３９上にはゲート電極３８が形成されている。

ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の開口部以外の領域にオーミック電極３６，３７（ソース及びドレイン電極）が形成されている。このような構造を有するＨＦＥＴで、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４のうちｎ−ＡｌＧａＮ層３５との界面近傍にはＴｉが導入されている。本実施の形態４ではｉ−ＡｌＧａＮ層３４としたが、ｎ−ＡｌＧａＮ層でも構わない。また、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５としたが、ｉ−ＡｌＧａＮ層でも構わない。

続いて、前述した窒化物半導体トランジスタの製造方法を図８に示す。ＭＯＣＶＤ法による成長で、サファイア基板３１上にバッファ層３２、ｉ−ＧａＮチャネル層３３、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４を形成する（図８（ａ）参照）。その後、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４にＴｉを導入する（図８（ｂ）参照）。また、Ｔｉ以外にも正孔を捕獲する準位を形成する遷移元素であれば何でも構わない。Ｔｉの導入法としては、前述した実施の形態１で記したのと同様である。また、実施の形態１，２の変形例に示したように、フッ素であっても良い。

次に、ＭＯＣＶＤ法による成長でｎ−ＡｌＧａＮ層３５を形成する（図８（ｃ）参照）。続いて、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の一部をＰＥＣエッチングで除去する（図８（ｄ））。この際、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４にはＴｉが導入されているので、正孔を捕獲する準位が形成されている。そのため、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５をエッチングで除去した後、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４との界面近傍で確実にエッチストップが生じる。

続いて、ウェハ全面にｐ型窒化物半導体層３９をＭＯＣＶＤ法で再成長する（図８（ｅ））。その後、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５をＰＥＣエッチングで除去した部分近傍のみｐ型窒化物半導体層３９を残るように、それ以外のｐ型窒化物半導体層３９をエッチングで除去する（図８（ｆ））。

次に、ｉ―ＧａＮチャネル層３３、ｉ−ＡｌＧａＮ層３４、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の一部をエッチングで除去する（図８（ｇ））
最後に、ｐ型窒化物半導体層３９上にゲート電極３８、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５の非エッチング部にオーミック電極３６及び３７をそれぞれ形成し、窒化物半導体トランジスタが作製される（図８（ｈ））。

通常、ｎ−ＡｌＧａＮ層３５をエッチングする際に、エッチング量がばらつき、そのため閾値電圧Ｖｔｈがばらつくという課題がある。しかし、本製造方法ではｎ−ＡｌＧａＮ層３５とｉ−ＡｌＧａＮ層３４の界面近傍で確実にエッチストップさせることができるため、歩留まり良くトランジスタを作製することが可能である。

本発明に係る窒化物半導体装置は、窒化物半導体層のエッチングを行う際に、制御性良く特定の位置でエッチストップさせることができ、良好な段差構造を作製することができ、デバイス特性が安定し、かつ歩留まり良く作製でき、窒化物半導体材料を用いた半導体素子として有用である。

１ 基板
２，３ 窒化物半導体層
４ マスク膜
１１，１０５ ＧａＮ基板
１２，１０６ ｎ−ＧａＮ層
１３，１０７ ｎ−ＡｌＧａＮクラッド層
１４，１０８ ｎ−ＧａＮガイド層
１５，１０９ ＭＱＷ活性層
１６，１１０ ｐ−ＡｌＧａＮ電子障壁層
１７ 第１ｐ−ＧａＮクラッド層
１８，１１２ ｎ−ＧａＮ電流狭窄層
１９，１１３ ｎ−Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ電流狭窄層
２０ 第２ｐ−ＧａＮクラッド層
２１ 第３ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層
２２，１１６ ｐ−ＧａＮコンタクト層
２３，１１７ ｐ型電極
２４，１１８ ｎ型電極
２５ 電流注入部
３１ サファイア基板
３２ バッファ層
３３ ｉ−ＧａＮチャネル層
３４ ｉ−ＡｌＧａＮ層
３５ ｎ−ＡｌＧａＮ層
３６，３７ オーミック電極
３８ ゲート電極
３９ ｐ型窒化物半導体層
１０１ 窒化物半導体
１０２ メタルマスク
１０３ カソード
１０４ ＫＯＨ溶液
１１１ ｐ−ＧａＮガイド層
１１４ ｐ−ＧａＮガイド層
１１５ ｐ−ＡｌＧａＮクラッド層

Claims (22)

1. 基板上に第１の窒化物半導体層、ｎ型導電型の第２の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第２の窒化物半導体層の少なくとも一部は前記第１の窒化物半導体層との界面近傍まで除去されており、前記１の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第２の窒化物半導体層との界面近傍には遷移金属が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
2. 前記第１の窒化物半導体層がｎ型導電型であり、前記遷移金属が正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
3. 前記遷移金属が、チタン（Ｔｉ）であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体装置。
4. 前記第１の窒化物半導体層がｐ型導電型であり、前記遷移金属が電子を捕獲する準位を形成することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体装置。
5. 前記遷移金属が銅（Ｃｕ）であることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体装置。
6. 前記第２の窒化物半導体層がＵＶ照射とアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより除去されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体装置。
7. 基板上に第１の窒化物半導体層、ｎ型導電型の第２の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第２の窒化物半導体層の少なくとも一部は前記第１の窒化物半導体層との界面近傍まで除去されており、前記１の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第２の窒化物半導体層との界面近傍にはフッ素が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
8. 前記第２の窒化物半導体層がＵＶ照射とアルカリ溶液を用いたウェットエッチングにより除去されていることを特徴とする請求項７に記載の窒化物半導体装置。
9. 基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型の第１クラッド層、第１あるいは第２導電型の窒化物半導体層、その直上に第１導電型の電流狭窄層が形成され、前記電流狭窄層の一部が前記窒化物半導体層近傍まで除去されており、前記電流狭窄層上及び前記電流狭窄層の除去された部分には第２導電型の第２クラッド層が形成され、前記窒化物半導体層には遷移金属が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
10. 前記窒化物半導体層はｎ型導電型で電流狭窄層の一部として機能し、前記遷移金属が正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体装置。
11. 前記遷移金属がチタン（Ｔｉ）であることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体装置。
12. 前記窒化物半導体層がｐ型導電型でクラッド層の一部として機能し、前記遷移金属が電子を捕獲する準位を形成することを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体装置。
13. 前記遷移金属が銅（Ｃｕ）であることを特徴とする請求項１２に記載の窒化物半導体装置。
14. 基板上に第１導電型のクラッド層、活性層、第２導電型の第１クラッド層、第１あるいは第２導電型の窒化物半導体層、その直上に第１導電型の電流狭窄層が形成され、前記電流狭窄層の一部が前記窒化物半導体層近傍まで除去されており、前記電流狭窄層上及び前記電流狭窄層の除去された部分には第２導電型の第２クラッド層が形成され、前記窒化物半導体層にはフッ素が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
15. 基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、前記第３の窒化物半導体層が除去された領域にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍には遷移元素が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
16. 前記遷移元素は正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする請求項１５に記載の窒化物半導体装置。
17. 前記遷移元素がチタン（Ｔｉ）であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の窒化物半導体装置。
18. 基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、前記第３の窒化物半導体層が除去された領域にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍にはフッ素が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
19. 基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、少なくとも前記第３の窒化物半導体層が除去された領域に第４の窒化物半導体層が形成されており、前記第４の窒化物半導体層上にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍には遷移元素が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。
20. 前記遷移元素は正孔を捕獲する準位を形成することを特徴とする請求項１９に記載の窒化物半導体装置。
21. 前記遷移元素がチタン（Ｔｉ）であることを特徴とする請求項１９または２０に記載の窒化物半導体装置。
22. 基板上に、第１の窒化物半導体層、前記第１の窒化物半導体層とは構成元素が異なる第２の窒化物半導体層、前記第２の窒化物半導体層上に第３の窒化物半導体層が順に形成されており、前記第３の窒化物半導体層の一部が前記第２の窒化物半導体層との界面近傍まで除去され、少なくとも前記第３の窒化物半導体層が除去された領域に第４の窒化物半導体層が形成されており、前記第４の窒化物半導体層上にゲート電極が形成されており、前記第２の窒化物半導体層のうち、少なくとも前記第３の窒化物半導体層との界面近傍にはフッ素が導入されていることを特徴とする窒化物半導体装置。

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