JP2001217506A

JP2001217506A - 半導体基板およびその作製方法および発光素子

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Publication number: JP2001217506A
Application number: JP2000032694A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Iwata; 浩和岩田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-02-03
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2001-08-10
Anticipated expiration: 2020-02-03
Also published as: JP4204163B2

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶欠陥の少ない高品質かつ大面積のIII族
窒化物の半導体基板およびその作製方法および発光素子
を提供する。【解決手段】単体、あるいは積層構造を有する第一の
基板１０００上に、少なくともその上面が、結晶方位が
そろった単結晶である複数の柱状構造体あるいは板状構
造体１２００を分散して形成する第１の工程と、個々の
柱状構造体あるいは板状構造体１２００の上部で連結さ
れた少なくとも１層のIII族窒化物半導体層１０４０を
形成する第２の工程と、柱状構造体あるいは板状構造体
１２００が分散して成る領域を分離領域として、III族
窒化物半導体層１０４０を第一の基板１０００から分離
し、分離されたIII族窒化物半導体層１０４０をIII族窒
化物の半導体基板として得る第３の工程とを有してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板および
その作製方法および発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、青色のＬＥＤは、赤色や緑色のＬ
ＥＤに比べて輝度が小さく実用化に難点があったが、近
年、一般式ＩｎＡｌＧａＮで表されるＧａＮ系化合物半
導体において、低温ＡｌＮバッファー層、あるいは低温
ＧａＮバッファー層を用いることによる結晶成長技術の
向上と、Ｍｇをドープした低抵抗のｐ型半導体層が得ら
れたことにより、高輝度青色ＬＥＤが実用化され、さら
には、実用化には至らないが室温で連続発振する半導体
レーザが実現された。

【０００３】一般に、高品質の半導体層を基板上にエピ
タキシャル成長させる場合には、基板と半導体層の格子
定数や熱膨張係数が同程度である必要がある。しかしな
がら、ＧａＮ系半導体については、これらを同時に満足
する基板が現在世の中には存在しない。

【０００４】現在、ＧａＮバルク単結晶を作製する試み
がなされているが、いまだに数ミリ程度のものしか得ら
れていないのが実状であり、実用化には程遠い状態であ
る。

【０００５】従って、ＧａＮ系では、一般に、サファイ
ア，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄スピネル，ＳｉＣのようなＧａＮ系半
導体と格子定数や熱膨張係数の大きく異なる異種基板を
用い、結晶成長を行い、レーザ素子を作製している。

【０００６】しかるに、異種基板を用いる場合には、結
晶欠陥，光共振器端面形成，電極形成，放熱性という問
題が有り、実用的なレーザ素子を作製することは未だ実
現されていない。

【０００７】以下、これらの問題を簡単に説明する。結
晶欠陥に関しては、サファイア，ＭｇＡｌ₂Ｏ₄スピネ
ル，ＳｉＣのようなＧａＮ系半導体とは格子定数や熱膨
張係数の大きく異なる異種基板を用いて結晶成長を行な
うと、格子不整合により導入される転位密度が１０⁸〜
１０¹⁰ｃｍ^-2と非常に大きく、また、異種基板とＧａＮ
系半導体との熱膨張係数との違いにより、歪みやクラッ
クが発生するなど、実用的な半導体レーザを作製するの
に必要な品質を有する結晶成長は困難であった。

【０００８】また、光共振器端面形成に関しては、異種
基板とＧａＮ系化合物半導体のへき開面は必ずしも一致
しているわけではないので、従来のＡｌＧａＡｓ系等の
レーザのように、へき開法で平行かつ平滑な光共振器端
面を形成することが困難であった。

【０００９】従って、ＧａＮ系では、ドライエッチング
や、サファイア等の基板を薄く研磨し、基板をへき開す
ることで、ＧａＮ系結晶を割るなどの方法で、光共振器
端面を作製している。

【００１０】ここで、ドライエッチングを使用する方法
では、作製プロセスにおいて、ドライエッチング用マス
クの形成，ドライエッチング，マスク除去等の工程が必
要とされ、複雑化していた。さらには、ＧａＮ系化合物
半導体のドライエッチング技術は未だ確立されていない
ため、形成された共振器ミラーには、縦筋状の凹凸が生
じ、また、テーパー状に形成されるなど、その平滑性，
平行性，垂直性は未だ十分ではなかった。また、ドライ
エッチングで共振器ミラーを形成した場合には、共振器
ミラー端面の前方に基板がテラスとして残るため、この
テラスによって光が反射され、ビーム形状が単峰になら
なかった。

【００１１】また、サファイア等の基板を薄く研磨し、
基板をへき開することで、ＧａＮ系結晶を割るなどの方
法で、光共振器端面を形成する方法では、ＧａＮ系結晶
と基板とのへき開面のずれから、光共振器端面は凹凸が
大きく平滑にはならないので、レーザーのしきい値電流
の増加を招いていた。

【００１２】また、電極形成に関しては、一般的に使用
されているサファイア基板が絶縁性であるため、基板裏
面から電極をとることができなかった。そのため、電極
は素子表面に形成されることになり、従来のＡｌＧａＡ
ｓ系等のレーザーのように基板裏面に電極を形成しダイ
ボンディングするような実装ができず、さらには、電極
のスペースの分だけチップ面積が大きくなるといった問
題もあった。また、ｎ側の電極形成のために、ｎ型層を
露出するためのドライエッチングが必要とされるので、
レーザ素子の作製工程が複雑化していた。

【００１３】また、放熱性に関しては、一般的に使用さ
れているサファイア基板の熱伝導性の悪さから、高温動
作あるいは大出力動作では、寿命は極端に短かった。

【００１４】以上の問題点を解決するため、低欠陥密度
の高品質ＧａＮ厚膜によってＧａＮ基板を作製する技術
が開発されている。

【００１５】例えば、特開平１０−３２６９１２号公
報，特開平１０−３２６７５１号公報，特開平１０−３
１２９７１号公報，特開平１１−４０４８号公報には、
異種基板上にマスクを用いてＧａＮを選択成長し、さら
に結晶成長を続けることで、マスクを埋め込み、基板全
面に平坦なＧａＮ厚膜を形成する技術が開示されてい
る。

【００１６】図１１は特開平１０−３１２９７１号公報
に示されているＧａＮ厚膜基板の作製方法を説明するた
めの図である。

【００１７】図１１を参照すると、先ず、サファイア等
の異種基板１１に、ＧａＮ等のIII−Ｖ族化合物半導体
膜１２を積層し、その上に、ＳｉＯ₂等からなる数μｍ
幅のマスク１４を作製し、ＧａＮ等のIII−Ｖ族化合物
半導体を選択成長させる成長領域１３を形成する（図１
１（ａ））。

【００１８】次いで、成長領域１３にＧａＮ等のIII−
Ｖ族化合物半導体を選択成長させファセット構造１５を
作製する（図１１（ｂ））。

【００１９】III−Ｖ族化合物半導体の成長をさらに続
けると、ファセット１５は横方向に成長し、マスク１４
上を覆う（図１１（ｃ））。

【００２０】さらに成長を続けると、隣接するIII−Ｖ
族化合物半導体１５は合体し、溝が埋まる（図１１
（ｄ））。

【００２１】さらに成長を続けると、III−Ｖ族化合物
半導体１５の表面は平坦化し、基板全面に平坦なIII−
Ｖ族化合物半導体厚膜が形成される（図１１（ｅ））。

【００２２】上述の各公報に示されている技術によれ
ば、異種基板上に選択成長した部分の結晶層には、基板
界面で発生した貫通転位の密度が高いが、マスク上を横
方向にラテラル成長した部分では貫通転位の密度は激減
し高品質の結晶となっている。さらに、この上に選択成
長とラテラル成長を繰り返すことで、ウエハー全面で、
転位の少ない高品質のＧａＮ厚膜が形成することが出来
る。また、この技術によれば、１００μｍ以上の厚いＧ
ａＮを成長しても、熱膨張係数差に起因するクラックが
入らないので、異種基板を除去しても基板として利用で
きる厚さのＧａＮ厚膜を成長することが出来る。

【００２３】そして、上述の各公報の技術では、光共振
器端面，電極形成，放熱性の問題の解決のため、最終的
に、異種基板とマスクを除去し、ＧａＮ基板を形成して
いる。異種基板とマスク材料の除去は、研磨あるいは熱
衝撃を利用する方法によっている。

【００２４】特開平１０−３１２９７１号公報，特開平
１１−４０４８号公報には、異種基板とマスク材料を除
去したＧａＮ基板上に、レーザ構造を積層して作製した
ＧａＮ系半導体レーザが開示されている。

【００２５】図１２は特開平１１−４０４８号公報に示
されている半導体レーザを示す図である。図１２におい
て、窒化物半導体基板（ＧａＮ基板）４０は、図１１に
示した工程と同様に、サファイア基板上に、選択成長マ
スクを介して、ＳｉをドープしたＧａＮを厚く成長した
後、サファイア基板，選択成長マスクを研磨して除去
し、ＳｉドープＧａＮ基板のみとし、作製している。

【００２６】そして、図１２の半導体レーザでは、この
ＧａＮ基板４０の上に、レーザ構造となる窒化物半導体
層を成長させている。レーザの積層構造は、ｎ型ＧａＮ
からなる第２のバッファー層４１、ｎ型Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9
Ｎからなるクラック防止層４２、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ
／ＧａＮ超格子からなるｎ側クラッド層４３、ｎ型Ｇａ
Ｎからなるｎ側光ガイド層４４、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ／
Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ多重量子井戸構造の活性層４５、ｐ型
Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎからなるｐ側キャップ層４６、ｐ型Ｇ
ａＮからなるｐ側光ガイド層４７、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8
Ｎ／ＧａＮ超格子からなるｐ側クラッド層４８、ｐ型Ｇ
ａＮからなるｐ側コンタクト層４９を順次積層して形成
されている。

【００２７】そして、ｐ側コンタクト層４９，ｐ側クラ
ッド層４８の一部をドライエッチングして、幅４μｍの
リッジストライプを形成する。リッジストライプを形成
する位置は、選択成長マスクがあった直上の結晶部分で
ある。この位置合わせは、サファイア基板と選択成長マ
スクが除去されているため、窒化物半導体素子成長前に
起点となる目印をＧａＮ基板側に入れて行っている。リ
ッジストライプ上にはＮｉ／Ａｕからなるｐ側電極５１
が形成され、ｎ型ＧａＮ基板の裏面には、Ｔｉ／Ａｌか
らなるｎ側電極５３が形成されている。そして、レーザ
ー共振器端面は、ｎ型ＧａＮ基板のＭ面をへき開するこ
とで形成されている。

【００２８】その他のＧａＮ厚膜基板の作製技術として
は、例えば特開平７−２０２２６５号公報、特開平７−
１６５４９８号公報に示されている技術が知られてお
り、この技術は、サファイア基板の上にＺｎＯよりなる
バッファ層を形成し、その上にＧａＮ系半導体を成長さ
せた後、バッファ層を溶解除去し、基板とＧａＮ系半導
体を分離して作製するものである。

【００２９】また、特開平１０−２２９２１８号公報に
は、第１の基板上にＧａＮ系半導体が形成された第１の
ウエハーと第２の基板上にＧａＮ系半導体が形成された
第２のウエハーとを用意し、前記第１と第２のウエハー
とをそれぞれのＧａＮ系半導体同士が密着するようにし
て接着した後、第１の基板と第２の基板とを研磨除去す
る方法が示されている。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、低温
バッファー層の技術や、選択成長とラテラル成長の組み
合わせによる低欠陥基板の作製技術により、サファイア
等の異種基板上への高品質ＧａＮ系化合物半導体の結晶
成長が可能となり、ＧａＮ系半導体レーザの室温近傍で
の低出力動作時の長寿命化が図られている。さらには、
ＧａＮ基板が作製され、この基板を用いることによりＧ
ａＮ系半導体レーザの特性の改善が見込まれつつある。

【００３１】しかしながら、工業的に実用できる大面
積，高品質のＧａＮ基板は、未だ実現されていないのが
実状である。その結果、高出力動作する実用的なレーザ
ーも未だ実現されていない。

【００３２】また、特開平１０−３２６９１２号公報、
特開平１０−３２６７５１号公報、特開平１０−３１２
９７１号公報、特開平１１−４０４８号公報に示されて
いるＧａＮ基板の作製方法では、厚いＧａＮを成長して
もクラックは発生しないが、ＧａＮと異種基板との熱膨
張係数差により、ウエハーに反りが生じる。このため、
直径２インチ程度の異種基板を全面均一に研磨すること
は困難であり、たとえ、直径２インチ程度の基板上に高
品質のＧａＮ厚膜を成長しても、異種基板研磨のために
は、１０ｍｍ程度に分割する必要が有り、大型のＧａＮ
基板は作製できなかった。すなわち、従来のような基板
の研磨除去の方法では、大面積のＧａＮ基板を作製する
ことは困難である。また、この反りのために、異種基板
研磨の過程でＧａＮ層に欠陥が導入されるなどして、結
晶性が悪くなり、その上に作製した半導体レーザのしき
い電流密度が増加するなど、半導体レーザの特性は必ず
しも良いものではない。

【００３３】また、第１と第２のウエハーとをそれぞれ
のＧａＮ系半導体同士が密着するようにして接着した
後、第１の基板と第２の基板とを除去する特開平１０−
２２９２１８号公報に示されている方法では、基板とＧ
ａＮ系半導体との熱膨張係数の違いによって、ＧａＮを
厚く成長するとウエハーが反るため、大面積のウエハー
では、ウエハー全面でＧａＮ系半導体同士が完全に密着
しないこともある。また、密着の過程でクラックが入る
場合もある。さらに、第１の基板と第２の基板を研磨除
去するため、１枚のＧａＮ基板を作製するのに２枚の高
価な基板を使うことになり高コストになるなどの問題も
ある。

【００３４】また、基板の研磨除去を要しないＧａＮ基
板を作製する特開平７−２０２２６５号公報、特開平７
−１６５４９８号公報に示されている技術では、薄膜の
ＺｎＯよりなるバッファ層を溶解除去するのに非常に長
時間を要し、実用化は難しい。

【００３５】一方、熱衝撃を利用して異種基板を分離す
る方法においても、熱衝撃による欠陥の導入の問題は研
磨の場合と同様であり、高品質のＧａＮ基板を作製する
ことは困難である。

【００３６】本発明は、これら従来のＧａＮ系半導体基
板の作製方法の問題点を解決し、結晶欠陥の少ない高品
質かつ大面積のIII族窒化物の半導体基板およびその作
製方法および発光素子を提供することを目的としてい
る。

【００３７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、単体、あるいは積層構造を
有する第一の基板上に、少なくともその上面が、結晶方
位がそろった単結晶である複数の柱状構造体あるいは板
状構造体を分散して形成する工程と、個々の柱状構造体
あるいは板状構造体の上部で連結された少なくとも１層
のIII族窒化物半導体層を形成する工程と、柱状構造体
あるいは板状構造体が分散してなる領域を分離領域とし
て、III族窒化物半導体層を第一の基板から分離して半
導体基板とする工程とを有していることを特徴としてい
る。

【００３８】また、請求項２記載の発明は、請求項１記
載の半導体基板の作製方法において、柱状構造体あるい
は板状構造体は、第一の基板上のIII族窒化物半導体が
直接成長しない領域で囲まれた複数の領域に形成されて
おり、III族窒化物半導体層は、柱状構造体あるいは板
状構造体上に選択的に成長したIII族窒化物半導体の結
晶成長が続けられることによって、III族窒化物が直接
成長しない領域を覆うように成長し、最終的に基板全面
にわたって形成されることを特徴としている。

【００３９】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体基板の作製方法において、前
記III族窒化物半導体層は、単結晶層として形成される
ことを特徴としている。

【００４０】また、請求項４記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体基板の作製方法において、柱
状構造体あるいは板状構造体は、オーバーハング形状で
あることを特徴としている。

【００４１】また、請求項５記載の発明は、請求項１乃
至請求項４のいずれか一項に記載の半導体基板の作製方
法において、柱状構造体あるいは板状構造体は、その側
面よりも、上面にIII族窒化物半導体が優先的に結晶成
長する材料からなることを特徴としている。

【００４２】また、請求項６記載の発明は、請求項１乃
至請求項４のいずれか一項に記載の半導体基板の作製方
法において、柱状構造体あるいは板状構造体の上面は、
第一の基板表面よりも優先的にIII族窒化物半導体が結
晶成長する材料からなることを特徴としている。

【００４３】また、請求項７記載の発明は、請求項１乃
至請求項６のいずれか一項に記載の作製方法で作製され
たIII族窒化物の半導体基板である。

【００４４】また、請求項８記載の発明は、請求項７記
載の半導体基板において、主面が、Ｃ面あるいはｍ面で
あることを特徴としている。

【００４５】また、請求項９記載の発明は、請求項７ま
たは請求項８記載のIII族窒化物の半導体基板上にIII族
窒化物半導体積層構造が形成されて構成された発光素子
である。

【００４６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明に係るIII族窒化物の
半導体基板の作製工程例を示す図である。図１を参照す
ると、この作製工程例では、単体、あるいは積層構造を
有する第一の基板１０００上に、少なくともその上面
が、結晶方位がそろった単結晶である複数の柱状構造体
あるいは板状構造体１２００を分散して形成する第１の
工程（図１(ａ)）と、個々の柱状構造体あるいは板状構
造体１２００の上部で連結された少なくとも１層のIII
族窒化物半導体層１０４０を形成する第２の工程（図１
(ｂ)）と、柱状構造体あるいは板状構造体１２００が分
散して成る領域を分離領域として、III族窒化物半導体
層１０４０を第一の基板１０００から分離し、分離され
たIII族窒化物半導体層１０４０をIII族窒化物の半導体
基板として得る第３の工程（図１(ｃ)）とを有してい
る。

【００４７】ここで、第一の基板１０００は、単結晶、
多結晶、非晶質のいずれでも良い。また、その材質は、
III族窒化物半導体を結晶成長する条件で安定であるも
のであれば、酸化物，化合物半導体，金属，窒化物など
の任意のもので良い。

【００４８】また、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００は、少なくともその上面が、第一の基板１０００上
に形成された柱状構造体あるいは板状構造体で結晶方位
がそろった単結晶であれば良く、上面以外の部分は、単
結晶、多結晶、非晶質であっても差し支えない。また、
上面およびその他の部分の材質もIII族窒化物半導体を
結晶成長する条件で安定であり、結晶成長に使用可能な
ものであれば、酸化物，化合物半導体，金属，窒化物な
どの任意のもので良い。

【００４９】また、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００の寸法、および基板１０００内での柱状構造体ある
いは板状構造体１２００の面内密度は、後の工程でこの
上に形成されるIII族窒化物半導体層１０４０と第一の
基板１０００とをこの領域で分離できる程度のものに適
宜選ばれる。

【００５０】柱状構造体あるいは板状構造体１２００の
作製方法に関しては特に限定されるものではなく、使用
する基板や材料によって適宜決めることができる。柱状
構造体あるいは板状構造体１２００は、例えば次のよう
な方法で容易に形成することができる。

【００５１】すなわち、第１の例として、単結晶基板上
にエピタキシャル成長させたIII族窒化物半導体層をエ
ッチングでパターニングして作製することができる。ま
た、第２の例として、III族窒化物半導体層表面に選択
成長用のマスクを形成して選択成長によって作製するこ
とができる。また、第３の例として、単結晶基板上に島
状に柱状構造をエピタキシャル成長させて形成すること
ができる。また、第４の例として、単結晶基板をエッチ
ングでパターニングして作製することができる。

【００５２】また、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００の上部で連結され形成されるIII族窒化物半導体層
１０４０は、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎのうち少なくとも一つの
元素を含む窒化物半導体の単結晶層として形成される。
III族窒化物半導体層１０４０の電気伝導型は、ｎ型、
ｐ型、絶縁型のいずれであっても良い。また、III族窒
化物半導体層１０４０は、複数のIII族窒化物半導体層
の積層構造であっても良く、各層の組成や、電気伝導
型、層厚は特に限定されるものではない。例えば、III
族窒化物半導体層の積層構造として、ｐ−ｎ接合を有す
る発光素子の構造を形成しても良い。

【００５３】III族窒化物半導体層１０４０の形成は、
柱状構造体あるいは板状構造体１２００の上にIII族窒
化物半導体を結晶成長することで行う。

【００５４】この結晶成長では、まず個々の柱状構造体
あるいは板状構造体１２００の単結晶表面上に、III族
窒化物半導体が結晶成長する。そして、さらに結晶成長
を続けると、結晶が大きくなり、隣接するIII族窒化物
半導体結晶同士が合体し、最終的に、基板全面に柱状構
造体あるいは板状構造体１２００の上部で連結された単
結晶のIII族窒化物半導体層１０４０が形成される。そ
して、III族窒化物半導体層１０４０の下には、柱状構
造体あるいは板状構造体１２００が分散して形成された
空洞層が形成される。

【００５５】III族窒化物半導体層１０４０の結晶成長
の方法は限定されるものではないが、厚い結晶層を成長
するためには、結晶成長速度の速いＨＶＰＥ法やＭＯＣ
ＶＤ法が望ましい。また、III族窒化物半導体層１０４
０の結晶構造や主面の面方位は、柱状構造体あるいは板
状構造体１２００の上面の単結晶部の材質や結晶構造，
面方位に依存しており、これを制御することによって、
所望の結晶構造や面方位のIII族窒化物半導体層１０４
０を作製できる。

【００５６】例えば、柱状構造体あるいは板状構造体１
２００の上面の単結晶部の結晶構造を立方晶にし、主面
を（１００）面等にすることで、立方晶のIII族窒化物
半導体を作製できる。また、立方晶の（１１１）面や六
方晶にすれば、六方晶のIII族窒化物半導体を作製でき
る。

【００５７】また、III族窒化物半導体層１０４０の面
方位は、柱状構造体あるいは板状構造体１２００の上面
を、例えば、６Ｈ−ＳｉＣのＣ面，ＺｎＯのＣ面，III
族窒化物のＣ面，サファイアのＣ面，あるいはサファイ
アのａ面とすれば、Ｃ面のIII族窒化物半導体層が形成
され、また、柱状構造体あるいは板状構造体１２００の
上面を、６Ｈ−ＳｉＣのｍ面とすれば、ｍ面のIII族窒
化物半導体層が形成され、また、柱状構造体あるいは板
状構造体１２００の上面を、サファイアＲ面とすれば、
ａ面が主面となるIII族窒化物半導体層が形成される。

【００５８】また、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００が分散してなる領域を分離領域として、III族窒化
物半導体層１０４０を第一の基板１０００から分離する
分離方法は特に限定されないが、最も簡便なのは、構造
体基板に外力を加えて分離する方法である。すなわち、
III族窒化物半導体層１０４０と第一の基板１０００と
は柱状構造体あるいは板状構造体１２００の上部で連結
されているだけで、その他の部分は、空洞である。その
ため、所定の外力を加えることで、柱状構造体あるいは
板状構造体１２００を破砕することができる。この外力
としては、結晶成長後の冷却過程で、第一の基板１００
０とIII族窒化物半導体層１０４０との熱膨張係数差に
よって生じる応力を利用することもできる。この場合、
結晶成長後の冷却過程で生ずる第一の基板１０００とII
I族窒化物半導体層１０４０との熱膨張係数差によって
発生する応力で、III族窒化物半導体層１０４０や第一
の基板１０００にクラックが発生する前に、柱状構造体
あるいは板状構造体１２００が容易に破壊され、その結
果、結晶成長されたIII族窒化物半導体層１０４０はク
ラックが発生することなく、冷却段階で第一の基板１０
００から容易に分離される。

【００５９】その他の分離方法としては、柱状構造体あ
るいは板状構造体１２００をエッチングすることによる
リフトオフがある。このリフトオフの方法では、第一の
基板１０００とIII族窒化物半導体層１０４０との間に
は空洞があるので、エッチング溶液やエッチングガスが
容易に進入し、柱状構造体あるいは板状構造体１２００
を容易にエッチングすることができ、これにより、III
族窒化物半導体層１０４０を第一の基板１０００から分
離することができる。

【００６０】また、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００が熱分解するものであれば、熱処理によっても、柱
状構造体あるいは板状構造体１２００を分解除去でき、
これにより、III族窒化物半導体層１０４０を第一の基
板１０００から分離することができる。

【００６１】以上のように、本発明のIII族窒化物半導
体基板の作製方法では、III族窒化物半導体層１０４０
は第一の基板１０００とは柱状構造体あるいは板状構造
体１２００で連結されているだけで、その他の部分は空
洞であり、これにより、III族窒化物半導体層１０４０
を第一の基板１０００から容易に分離することができ
る。

【００６２】このように、本発明の作製方法を使用すれ
ば、基板を小さく分割する必要がなく、大面積のままII
I族窒化物半導体層１０４０を第一の基板１０００から
分離することが可能となり、クラックが無い、大面積の
III族窒化物半導体基板（すなわち、III族窒化物半導体
層１０４０）を得ることができる。

【００６３】なお、上述したIII族窒化物半導体基板の
作製方法において、第一の基板１０００上のIII族窒化
物半導体が直接成長しない領域で囲まれた複数の領域に
柱状構造体あるいは板状構造体１２００を形成し、III
族窒化物半導体層１０４０は、柱状構造体あるいは板状
構造体１２００上に選択的に成長したIII族窒化物半導
体の結晶成長が続けられることによって、III族窒化物
が直接成長しない領域を覆うように成長し、最終的に基
板全面にわたって形成されるように作製することもでき
る。

【００６４】ここで、III族窒化物半導体が直接成長し
ない領域とは、III族窒化物半導体結晶の核発生が起ら
ないか、核が発生してもすぐに再蒸発してしまい、結晶
成長が進まない領域のことを意味する。

【００６５】また、III族窒化物半導体が直接成長しな
い領域の形成は、柱状構造体あるいは板状構造体１２０
０を形成する前、あるいは、柱状構造体あるいは板状構
造体１２００を形成した後のいずれで行っても良い。

【００６６】III族窒化物半導体が直接成長しない領域
の形成工程の例としては、例えば、Ｓｉ基板上に、Ａｌ
Ｎ単結晶，ＳｉＯ₂を順次に堆積し、ＳｉＯ₂をパターニ
ングして、ＡｌＮが露出した領域とＳｉＯ₂で覆われた
領域を形成する。ＳｉＯ₂上には、III族窒化物半導体
（例えばＧａＮ）は直接成長しないので、この領域がII
I族窒化物半導体（例えばＧａＮ）が直接成長しない領
域になる。その後、ＳｉＯ ₂上をマスクで覆い、ＡｌＮ
が露出した領域には複数の微少な円形パターンのマスク
を形成してドライエッチングを行い、ＡｌＮが露出した
領域にのみ、柱状構造体あるいは板状構造体１２００を
形成する。柱状構造体あるいは板状構造体１２００の上
部は単結晶ＡｌＮとなる。最後にマスクを除去して、Ｓ
ｉＯ₂で覆われた領域とＡｌＮが上面となる柱状構造体
あるいは板状構造体１２００が形成された領域が形成さ
れる。このようにして、柱状構造体あるいは板状構造体
１２００が形成された領域とＳｉＯ₂で覆われたIII族窒
化物半導体が直接成長しない領域とを形成することがで
きる。

【００６７】なお、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００が形成される領域とIII族窒化物半導体が直接成長
しない領域の形状，面積比は特に限定するものではない
が、高品質のIII族窒化物半導体の結晶成長と素子作製
という本発明の目的から、選択成長する領域はできるだ
け小さくし、III族窒化物半導体が直接成長しない領域
を大きくすることが望ましい。

【００６８】このような作製方法では、柱状構造体ある
いは板状構造体１２００が形成された領域とIII族窒化
物半導体が直接成長しない領域が形成された基板上にII
I族窒化物半導体の結晶成長を行うと、III族窒化物半導
体は、柱状構造体あるいは板状構造体１２００の上部に
優先的に成長する。そして、個々の柱状構造体あるいは
板状構造体１２００の単結晶表面上に、結晶成長したII
I族窒化物半導体結晶が大きく成長して、隣接するIII族
窒化物半導体結晶同士が合体し、柱状構造体あるいは板
状構造体１２００が形成された領域で一つになる。この
状態ではIII族窒化物半導体結晶は柱状構造体あるいは
板状構造体１２００の上部で連結されており、従って、
III族窒化物半導体結晶の下は柱状構造体あるいは板状
構造体１２００が分散した空洞層となっている。

【００６９】さらに、III族窒化物半導体の結晶成長を
継続すると、周辺のIII族窒化物半導体が直接結晶成長
しない領域上を、III族窒化物半導体の結晶が横方向に
ラテラル成長し、隣接したIII族窒化物半導体結晶同士
が合体する。さらに結晶成長を継続すると、表面が平坦
化し、単結晶のIII族窒化物半導体層１０４０が基板全
面に積層する。このようにして、単結晶のIII族窒化物
半導体層１０４０を基板全面に積層することができる。

【００７０】なお、この工程で、隣接したIII族窒化物
半導体結晶同士が合体した後、あるいは、表面を平坦化
した後に、その上に別の組成のIII族窒化物半導体を結
晶成長し、積層構造を形成しても良い。例えば、ＧａＮ
を選択成長し、結晶成長を継続し表面を平坦化した後
に、その上にＡｌＧａＮを成長しても良い。これによ
り、積層構造として、例えば、ｐ−ｎ接合を有する発光
素子の構造を形成することもできる。

【００７１】すなわち、III族窒化物半導体が選択成長
した領域は、従来の異種基板上に成長したＧａＮ結晶と
同様に転位密度が高いが、そこから横方向に成長した結
晶部分、すなわち、選択成長領域の周囲のIII族窒化物
半導体が直接成長しない領域上に形成された結晶部分で
は、転位密度は著しく減少する。従って、この領域上に
発光素子の積層構造を結晶成長することによって、転位
の少ない高品質の結晶を例えば発光素子に使用すること
ができる。

【００７２】また、結晶成長されるIII族窒化物半導体
層１０４０の厚さは、最終的に、III族窒化物半導体基
板として利用できるだけの厚さであれば良い。また、II
I族窒化物半導体層１０４０の結晶成長の際に、ｎ型ド
ーパントやｐ型ドーパント材料をドーピングして、ｎ型
あるいはｐ型あるいは絶縁型といった電気伝導型を制御
することも可能である。

【００７３】また、上述したIII族窒化物半導体基板の
作製方法において、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００を、オーバーハング形状（その上面の面積が、これ
らの構造体のその他の部分の基板に平行な面での断面積
よりも大きい形状）にすることもできる。

【００７４】柱状構造体あるいは板状構造体１２００を
オーバーハング形状にする場合には、上部がひさしとな
り、原料ガスが下部に供給されにくくなる。その結果、
結晶成長が上部で優先的に起るので、柱状構造体や板状
構造体１２００が埋め込まれることなくIII族窒化物半
導体層１０４０が成長し、III族窒化物半導体層１０４
０の下に空洞領域が形成されやすくなる。そして、III
族窒化物半導体層１０４０を第一の基板１０００から分
離しやすくなる。

【００７５】オーバーハング形状の柱状構造体あるいは
板状構造体１２００は、例えば、次のようにして作製で
きる。すなわち、第１の例として、柱状構造体あるいは
板状構造体１２００をエッチング速度の異なる２層構造
で形成し、下部層をエッチング速度の速い層にすること
で、アンダーカットを形成し、オーバーハング形状の柱
状構造体あるいは板状構造体１２００を作製できる。ま
た、第２の例として、ビームの発散角の大きなドライエ
ッチング装置でエッチングを行い、エッチングによって
構造体の上部の面積が大きくなるようにテーパーをつけ
ることで、オーバーハング形状の柱状構造体あるいは板
状構造体１２００を作製できる。また、第３の例とし
て、選択成長マスクを使用して選択成長し、さらにそこ
から、選択成長マスク上にも横方向に成長させてオーバ
ーハングさせた後、マスクを除去することで、オーバー
ハング形状の柱状構造体あるいは板状構造体１２００を
作製できる。

【００７６】また、上述したIII族窒化物半導体基板の
作製方法において、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００を、その側面よりも上面にIII族窒化物半導体が優
先的に結晶成長する材料により形成することができる。

【００７７】柱状構造体あるいは板状構造体１２００
を、その側面よりも上面にIII族窒化物半導体が優先的
に結晶成長する材料とすることで、III族窒化物半導体
の結晶成長が柱状構造体あるいは板状構造体１２００の
上部で優先的に起こり、その結果、柱状構造体や板状構
造体１２００が埋め込まれることなくIII族窒化物半導
体層１０４０が成長し、III族窒化物半導体層１０４０
の下に空洞領域が形成され易くなる。これにより、III
族窒化物半導体層１０４０を第一の基板１０００から分
離し易くなる。

【００７８】このような柱状構造体あるいは板状構造体
１２００は、例えば、次のような仕方で作製することが
できる。すなわち、第１の例として、柱状構造体あるい
は板状構造体１２００をIII族窒化物半導体の結晶核発
生密度の異なる２層構造で形成し、上層を結晶核発生が
優先的に起る層とすることで、柱状構造体あるいは板状
構造体１２００を作製できる。また、第２の例として、
柱状構造体あるいは板状構造体１２００の側面をIII族
窒化物半導体が核発生し難い材料で覆うことにより、柱
状構造体あるいは板状構造体１２００を作製できる。

【００７９】また、上述したIII族窒化物半導体基板の
作製方法において、柱状構造体あるいは板状構造体１２
００の上面を、第一の基板１０００の表面よりも、III
族窒化物半導体が優先的に結晶成長する材料とすること
もできる。

【００８０】柱状構造体あるいは板状構造体１２００の
上面を、第一の基板１０００の表面よりもIII族窒化物
半導体が優先的に結晶成長する材料とすることで、III
族窒化物半導体の結晶成長が柱状構造体あるいは板状構
造体１２００の上部で優先的に起こり、その結果、柱状
構造体や板状構造体１２００が埋め込まれることなくII
I族窒化物半導体層１０４０が成長し、III族窒化物半導
体層１０４０の下に空洞領域が形成され易くなる。これ
により、III族窒化物半導体層１０４０を第一の基板１
０００から分離し易くなる。

【００８１】このような柱状構造体あるいは板状構造体
１２００は、例えば、次のような仕方で作製することが
できる。すなわち、第１の例として、第一の基板１００
０の表面を、III族窒化物半導体が核発生しにくい材料
で形成し、その上にIII族窒化物半導体が核発生しやす
い材料で、柱状構造体あるいは板状構造体１２００を形
成することができる。また、第２の例として、第一の基
板１０００の表面をIII族窒化物半導体が核発生し難い
材料で覆うことによって、上記のような柱状構造体ある
いは板状構造体１２００を形成することができる。

【００８２】本発明のIII族窒化物の半導体基板は、上
述した各作製方法のいずれかによって作製される。すな
わち、III族窒化物半導体層１０４０を第一の基板１０
００から分離して得ることができる。そして、本発明の
III族窒化物の半導体基板は、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎのうち
少なくとも一つの元素を含む窒化物半導体の単結晶とし
て形成される。

【００８３】また、本発明のIII族窒化物の半導体基板
の電気伝導型は、ｎ型，ｐ型，絶縁型のいずれであって
も良い。また、複数のIII族窒化物半導体層の積層構造
であっても良く、この場合、積層構造の各層の組成や電
気伝導型、層厚は、特に限定されるものではない。例え
ば、この積層構造として、ｐ−ｎ接合を有する発光素子
の構造が形成されていても良い。

【００８４】上述の例では、III族窒化物の半導体基板
は、主面が、Ｃ面あるいはｍ面となっているが、本発明
のIII族窒化物の半導体基板の主面の面方位も特に限定
されるものではない。

【００８５】また、第一の基板１０００上のIII族窒化
物半導体が直接成長しない領域で囲まれた複数の領域に
柱状構造体あるいは板状構造体１２００を形成し、柱状
構造体あるいは板状構造体１２００上に選択的に成長し
たIII族窒化物半導体の結晶成長が続けられることによ
ってIII族窒化物が直接成長しない領域を覆うように成
長し最終的に基板全面にわたって形成されるように作製
された本発明の半導体基板は、III族窒化物半導体結晶
が直接成長しない領域上をラテラル成長した部分では柱
状構造体や板状構造体１２００上に選択成長した領域に
比べて転位密度が著しく減少しており、半導体基板内に
低転位密度の結晶性の良い領域が含まれている。これに
より、本発明のIII族窒化物半導体基板上に、III族窒化
物半導体積層構造からなるIII族窒化物半導体発光素子
を作製する場合、良質のIII族窒化物半導体発光素子を
提供することができる。

【００８６】なお、本発明の発光素子としては、発光ダ
イオード，半導体レーザ，スーパールミネッセントダイ
オード等、任意の発光素子を提供できる。すなわち、発
光素子のｐ型，ｎ型層に対応した電極に電流が印加され
るときに、ｐ−ｎ接合に電流が注入され、キャリアの再
結合によって、発光するものであれば良い。また、発光
素子の構造に関しても、特に限定するものではなく、発
光素子を構成する積層構造が、III族窒化物半導体積層
構造からなり、少なくとも１つのｐ−ｎ接合を有し、こ
のｐ−ｎ接合に電流が注入され、キャリアの再結合によ
って発光する構造であれば、ホモ接合，シングルヘテロ
接合，ダブルヘテロ接合，量子井戸構造，多重量子井戸
構造等、任意の構造のものにすることができる。

【００８７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００８８】実施例１図２は実施例１のIII族窒化物半導体基板であるＧａＮ
基板の作製方法を説明するための図である。

【００８９】図２を参照すると、厚さ３００μｍ，直径
２インチの（０００１）Ｃ面サファイア基板１００上
に、ＭＯＣＶＤ法により、５５０℃の温度で低温ＧａＮ
バッファー層１０１を約５０ｎｍの厚さに堆積し、さら
に、その上に、１０５０℃の温度で高温ＧａＮ層１０２
を約１μｍの厚さに積層した。そして、レジストで基板
全面にわたって、直径１μｍの円パターン１０３を２μ
ｍピッチで形成した(図２(ａ))。

【００９０】次いで、円パターン１０３をマスクとし
て、ドライエッチングを行い、サファイア基板１００に
到達するまで、ＧａＮ層１０２と低温ＧａＮバッファー
層１０１をエッチングした(図２(ｂ))。

【００９１】次いで、硫酸と過酸化水素水の混合溶液
で、レジストマスク１０３を溶解除去した(図２(ｃ))。
これにより、サファイア基板１００上には、直径１μ
ｍ，高さ約１μｍの柱状構造１１０が２μｍピッチで形
成されている。

【００９２】次いで、基板をＨＶＰＥ装置にセットし、
１０５０℃の温度でＧａＮ層１０４を約３００μｍの厚
さに成長した(図２(ｄ))。サファイア表面とＧａＮ表面
とでは、ＧａＮはＧａＮ表面に優先的に成長するので、
ＧａＮ層１０４は柱状構造１１０の上に成長する。Ｇａ
Ｎ層１０４の下の柱状構造１１０が形成されていた領域
は、柱状構造体１１０が分散した空洞層１２０となって
いる。

【００９３】このようにして、ＧａＮ層１０４を結晶成
長後、室温まで冷却し、ウエハーを取り出すと、柱状構
造１１０が破断しており、ＧａＮ層１０４はサファイア
基板１００から剥離していた(図２(ｅ))。

【００９４】以上の工程で作製されたＧａＮ層１０４
は、Ｃ軸方向に成長しており、主面は（０００１）Ｃ面
であった。このＧａＮ層１０４は、ＧａＮ基板として使
用される。

【００９５】実施例２図３は実施例２のIII族窒化物半導体基板であるＧａＮ
基板の作製方法を説明するための図である。

【００９６】図３を参照すると、厚さ３００μｍ，直径
２インチの（０００１）Ｃ面サファイア基板２００上
に、Ｚｎ(Ｃ₅Ｈ₇Ｏ₂)₂を原料として５５０℃の温度で直
径約１．５μｍのＺｎＯウィスカー２０１をエピタキシ
ャル成長する(図３(ａ))。

【００９７】次いで、サファイア基板２００をＨＶＰＥ
装置にセットし、１０５０℃の温度でＧａＮ層２０２を
ＺｎＯウィスカー２０１上に約３００μｍの厚さに成長
した(図３(ｂ))。ここで、ＧａＮ層２０２はＺｎＯウィ
スカー２０１上に成長し、ＧａＮ層２０２の下のＺｎＯ
ウィスカー２０１が形成されていた領域は、空洞層２１
０となっている。

【００９８】このようにして、ＧａＮ層２０２を結晶成
長後、室温まで冷却し、ウエハーを取り出すと、ＺｎＯ
ウィスカー２０１は破断しており、ＧａＮ層２０２はサ
ファイア基板２００から剥離していた(図３(ｃ))。

【００９９】以上の工程で作製されたＧａＮ層２０２
は、Ｃ軸方向に成長しており、主面は（０００１）Ｃ面
であった。このＧａＮ層２０２は、ＧａＮ基板として使
用される。

【０１００】実施例３

【０１０１】図４，図５は実施例３のIII族窒化物半導
体基板であるｎ型ＧａＮ基板の作製方法を説明するため
の図である。

【０１０２】図４，図５を参照すると、厚さ３００μ
ｍ，直径２インチの（０００１）Ｃ面サファイア基板３
００をＭＯＣＶＤ装置にセットし、５５０℃の温度で低
温ＧａＮバッファー層３０１を約５０ｎｍの厚さに堆積
し、さらにその上に、１０５０℃の温度でＧａＮ層３０
２を約１μｍの厚さに積層し、その後、ＣＶＤ装置で、
ＳｉＯ₂膜３０３を約２００ｎｍの厚さに堆積した(図４
(ａ))。

【０１０３】次いで、ＳｉＯ₂膜３０３表面にレジスト
を塗布し、フォトリソグラフィーで基板全面にわたっ
て、開口部３０５の幅１０μｍ、繰り返しピッチ３０μ
ｍのストライプパターン３０４を形成した(図４(ｂ))。

【０１０４】次いで、ストライプパターン３０４をマス
クとして、バッファーフッ酸溶液でストライプパターン
の開口部３０５で露出したＳｉＯ₂膜３０３をエッチン
グし、ＧａＮ層３０２表面を露出させた(図４(ｃ))。

【０１０５】次いで、硫酸と過酸化水素水の混合溶液
で、レジストマスク３０４を溶解除去した。ＧａＮ層３
０２上には、ＳｉＯ₂からなる開口部の幅１０μｍ、繰
り返しピッチ３０μｍのストライプパターン３０６が形
成された(図４(ｄ))。

【０１０６】次いで、再度レジストを塗布し、フォトリ
ソグラフィーで、露出したＧａＮ層３０２表面に直径が
約１μｍの円形パターン３０７を繰り返しピッチ２μｍ
で複数形成し、ストライプパターン３０６の表面をレジ
ストで覆った(図４(ｅ))。

【０１０７】次いで、円パターン３０７をマスクとし
て、ドライエッチングを行い、サファイア基板３００に
到達するまでＧａＮ層３０２と低温ＧａＮバッファー層
３０１をエッチングした(図４(ｆ))。

【０１０８】次いで、硫酸と過酸化水素水の混合溶液
で、レジストマスク３０７を溶解除去した。これによ
り、開口部３０５の領域に、高さ約１μｍの柱状構造体
３０８が作製された(図５(ｇ))。

【０１０９】次いで、基板をＨＶＰＥ装置にセットし、
１０５０℃の温度でＧａＮ層３０９を約３００μｍの厚
さに成長した(図５(ｈ)，(ｉ)，(ｊ))。

【０１１０】なお、結晶成長の際に、ｎ型ドーパントと
して、Ｓｉをドーピングして成長を行い、ｎ型ＧａＮを
成長した。結晶成長は、まず、柱状構造体３０８の上面
のＧａＮ表面に選択成長が起り、次いで、柱状構造が形
成されている領域表面がＧａＮ結晶３０９で覆われ（図
５(ｈ)）、さらに結晶成長を続けると、ＧａＮ結晶３０
９は横方向にも成長し、ＳｉＯ₂上に広がりはじめる。
そして、柱状構造体３０８が形成されている領域から成
長した隣接したＧａＮ結晶３０９同士が合体し、基板表
面をＧａＮ結晶３０９が覆い（図５(ｉ)）、最終的に厚
さ約３００μｍのＧａＮ単結晶厚膜３０９が成長した
（図５(ｊ)）。なお、ＧａＮ単結晶厚膜３０９の下の柱
状構造体３０８が形成されていた領域は、柱状構造体３
０８が分散した空洞層３１０となっている。

【０１１１】しかる後、結晶成長温度から室温まで冷却
し、ウエハーを取り出すと、柱状構造３０８が破断して
おり、ＧａＮ層３０９はサファイア基板３００から剥離
していた（図５(ｋ)）。

【０１１２】以上の工程で作製されたＧａＮ層３０９
は、Ｃ軸方向に成長しており、主面は（０００１）Ｃ面
であった。また、電気伝導型はｎ型であった。このＧａ
Ｎ層３０９はｎ型ＧａＮ基板として使用される。

【０１１３】実施例４図６は実施例４のIII族窒化物半導体基板であるＧａＮ
基板の作製方法を説明するための図である。

【０１１４】図６を参照すると、厚さ４５０μｍ，直径
２インチの（１１１）Ｓｉ基板４００上に、ＭＯＣＶＤ
法で約０．１μｍの厚さのＡｌＮ層４０１を積層して第
一の基板とし、そして、その上に、レジストを塗布し、
フォトリソグラフィーで基板全面にわたって、直径２μ
ｍの円パターン４０２を３μｍピッチで形成した（図６
(ａ)）。

【０１１５】次いで、円パターン４０２をマスクとし
て、ドライエッチングを行い、ＡｌＮ層４０１とＳｉ基
板４００を約１．５μｍエッチングした（図６(ｂ)）。
Ｓｉ部分４０３にはサイドエッチが生じており、表面の
ＡｌＮ層４０１の直径が約２μｍであるのに対して、Ｓ
ｉ部分４０３の直径は約１μｍであった。

【０１１６】次いで、硫酸と過酸化水素水の混合溶液
で、レジスト円パターン４０２を溶解除去した。基板表
面には、直径約２μｍのオーバーハングのついたＡｌＮ
層４０１とＳｉ部分４０３からなる高さ約１．５μｍの
柱状構造体４０４が形成された（図６(ｃ)）。

【０１１７】次いで、基板をＨＶＰＥ装置にセットし、
１０５０℃の温度でＧａＮ層４０５を約３００μｍの厚
さに成長した（図６(ｄ)）。なお、Ｓｉ表面には、Ｇａ
Ｎは直接成長しないので、ＧａＮ層４０５の下の柱状構
造体４０４が形成されていた領域は、柱状構造体４０４
が分散した空洞層４０６となっている。

【０１１８】次いで、結晶成長温度から室温まで冷却
し、ウエハーを取り出すと、柱状構造４０４が破断して
おり、ＧａＮ層４０５はＳｉ基板４００から剥離してい
た（図６(ｅ)）。

【０１１９】以上の工程で作製されたＧａＮ層４０５は
Ｃ軸方向に成長しており、主面は（０００１）Ｃ面であ
った。このＧａＮ層４０５はＧａＮ基板として使用され
る。

【０１２０】実施例５図７，図８は実施例５のIII族窒化物半導体基板である
ｎ型ＧａＮ基板の作製方法を説明するための図である。

【０１２１】図７，図８を参照すると、厚さ３００μ
ｍ，直径２インチの（０００１）Ｃ面サファイア基板５
００をＭＯＣＶＤ装置にセットし、５５０℃の温度で低
温ＧａＮバッファー層５０１を約５０ｎｍの厚さに堆積
し、その後、１０５０℃の温度でＧａＮ層５０２を約１
μｍの厚さに積層した（図７(ａ)）。

【０１２２】次いで、ＣＶＤ装置で、ＳｉＯ₂膜５０３
を約１μｍ堆積した（図７(ｂ)）。しかる後、ＳｉＯ₂
膜５０３表面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ
ーで基板全面にわたって、開口部５０５の幅１μｍ、繰
り返しピッチ４μｍのストライプパターン５０４を形成
した（図７(ｃ)）。

【０１２３】次いで、ストライプパターン５０４をマス
クとして、バッファーフッ酸溶液でレジストパターン開
口部５０５で露出したＳｉＯ₂膜５０３をエッチング
し、ＧａＮ層５０２表面を露出させた（図７(ｄ)）。

【０１２４】次いで、硫酸と過酸化水素水の混合溶液
で、レジストパターン５０４を溶解除去した。基板表面
には、ＳｉＯ₂からなる開口部５０５の幅１μｍ、繰り
返しピッチ４μｍのストライプパターンが形成された
（図７(ｅ)）。

【０１２５】次いで、再び基板をＭＯＣＶＤ装置にセッ
トして、露出したＧａＮ層５０２表面にＧａＮ結晶５０
６を選択成長し、さらに成長を継続し横方向にも結晶を
成長させ、ＳｉＯ₂膜５０３上にＧａＮ結晶５０６を広
げ、隣接するＧａＮ結晶５０６が合体する前に成長を中
断して、基板をＭＯＣＶＤ装置から取り出した（図８
(ｆ)）。

【０１２６】次いで、フッ酸水溶液で、ＳｉＯ₂パター
ン５０３をエッチングした。これにより、サファイア基
板５００上のＧａＮ層５０２上には、上部の両側に約
１．３μｍのオーバーハングが形成された幅約１μｍの
ＧａＮの板状構造体５０６が形成された（図８(ｇ)）。

【０１２７】次いで、基板をＨＶＰＥ装置にセットし、
１０５０℃でＧａＮ層５０８を約３００μｍ成長した
（図８(ｈ)，(ｉ)）。なお、結晶成長の際に、ｎ型ドー
パントとして、Ｓｉをドーピングして成長を行い、ｎ型
ＧａＮを成長した。なお、オーバーハングの下のＧａＮ
結晶には、原料がガスが供給されにくいので、ＧａＮは
成長し難く、板状構造体５０６が形成されていた領域
は、空洞５０７が残り、空洞層５０９となっている。

【０１２８】次いで、結晶成長温度から室温まで冷却
し、ウエハーを取り出すと、サファイア基板５００上の
ＧａＮ層５０２に幅約１μｍのＧａＮの板状構造体５０
６が４μｍピッチで形成されている空洞層５０９とその
上に約３００μｍのＧａＮ層５０８が形成されていた。
このウエハーに外力を加え板状構造体５０６を破断し、
ＧａＮ層５０８が基板から分離した（図８(ｊ)）。

【０１２９】以上の工程で作製したＧａＮ層５０８は、
Ｃ軸方向に成長しており、主面は（０００１）Ｃ面であ
った。また、電気伝導型はｎ型であった。このＧａＮ層
５０８はｎ型ＧａＮ基板として使用される。

【０１３０】実施例６図９，図１０は本発明の実施例６の半導体レーザを示す
図である。なお、図９は斜視図であり、図１０は光出射
方向に垂直な面での断面図である。

【０１３１】図９，図１０に示す実施例６の半導体レー
ザは、実施例３で作製したｎ型ＧａＮ基板３０９上に積
層したIII族窒化物半導体積層構造で作製されている。

【０１３２】半導体レーザ構造は、Ｓｉをドーピングし
て低抵抗にしたｎ型ＧａＮ層６１０上に、ｎ型Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.8Ｎクラッド層６１１、ｎ型ＧａＮ光ガイド層６
１２、Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ／Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ量子井
戸活性層６１３、ｐ型ＧａＮ光ガイド層６１４、ｐ型Ａ
ｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層６１５、ｐ型ＧａＮキャップ
層６１６から成る積層構造６０００を、ｐ型ＧａＮキャ
ップ層６１６からｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層６１
５の途中までをストライプ状に残してエッチングし、電
流狭窄リッジ導波路構造６２０を作製している。この電
流狭窄リッジ導波路構造６２０は、ＧａＮ基板の＜１−
１００＞方向に沿って形成されている。

【０１３３】積層構造６０００の表面には、ＳｉＯ₂か
らなる絶縁膜６１７が形成されており、リッジ６２０上
の絶縁膜６１７には、開口部が形成されている。この開
口部で露出したｐ型ＧａＮキャップ層６１６表面には、
ｐ側のオーミック電極６１８が形成されている。また、
ｎ型ＧａＮ基板３０９の裏面には、ｎ側のオーミック電
極６１９が形成されている。

【０１３４】また、リッジ６２０と活性層６１３に垂直
に光共振器面６００１，６００２が形成されている。こ
こで、光共振器面６００１，６００２は、ＧａＮ基板の
＜１−１００＞方向に沿った電流狭窄リッジ導波路構造
６２０に垂直な（１−１００）面をへき開することによ
り形成されている。

【０１３５】なお、レーザ構造となる積層構造６０００
はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長した。また、ｎ側オー
ミック電極６１９としては、Ｔｉ／Ａｌを蒸着して形成
し、ｐ側オーミック電極６１８としては、Ｔａ／Ｔｉ／
Ａｕを蒸着して形成した。

【０１３６】ｐ側のオーミック電極６１８とｎ側のオー
ミック電極６１９に電流を注入することによって、活性
層６１３にキャリアが注入され、発光，光の増幅が起
り、光共振器面６００１，６００２からレーザー光６１
０１，６１０２が出射される。

【０１３７】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１乃至請
求項６記載の発明によれば、単体、あるいは積層構造を
有する第一の基板上に、少なくともその上面が、結晶方
位がそろった単結晶である複数の柱状構造体あるいは板
状構造体を分散して形成する工程と、個々の柱状構造体
あるいは板状構造体の上部で連結された少なくとも１層
のIII族窒化物半導体層を形成する工程と、柱状構造体
あるいは板状構造体が分散してなる領域を分離領域とし
て、III族窒化物半導体層を第一の基板から分離して半
導体基板とする工程とを有しているので、基板を小さく
分割する必要がなく、大面積のままIII族窒化物半導体
層を第一の基板から分離することが可能となり、クラッ
クが無い、大面積のIII族窒化物半導体基板を提供する
ことができる。

【０１３８】特に、請求項２記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体基板の作製方法において、柱状構造体
あるいは板状構造体は、第一の基板上のIII族窒化物半
導体が直接成長しない領域で囲まれた複数の領域に形成
されており、III族窒化物半導体層は、柱状構造体ある
いは板状構造体上に選択的に成長したIII族窒化物半導
体の結晶成長が続けられることによって、III族窒化物
が直接成長しない領域を覆うように成長し、最終的に基
板全面にわたって形成されるので（選択成長とIII族窒
化物半導体が直接成長しない領域上への横方向の結晶成
長とを組み合わせることで）、III族窒化物半導体が直
接成長しない領域上に形成された結晶部分の転位密度を
著しく減少させ、高品質のIII族窒化物半導体基板を提
供することができる。また、選択成長する領域を、柱状
構造体あるいは板状構造体が形成された領域としている
ので、III族窒化物半導体層を第一の基板から容易に分
離することができる。従って、基板を小さく分割する必
要がなく、大面積のままIII族窒化物半導体層を基板か
ら分離することが可能となり、クラックが無い、低転位
密度の大面積のIII族窒化物半導体基板を提供すること
ができる。

【０１３９】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項１または請求項２の半導体基板の作製方法において、
柱状構造体あるいは板状構造体は、オーバーハング形状
（その上面の面積が、これらの構造体のその他の部分の
基板に平行な面の断面積よりも大きい形状）であるの
で、柱状構造体あるいは板状構造体の上面部がひさしと
なり、原料ガスが下部に供給されにくくなり、その結
果、結晶成長が上部で優先的に起こり、III族窒化物半
導体層を成長しても、その下の柱状構造や板状構造が埋
め込まれることなく、空洞領域が形成されやすくなる。
その結果、III族窒化物半導体層を第一の基板から歩留
まり良く分離しやすくなる。従って、基板を小さく分割
する必要がなく、大面積のままIII族窒化物半導体層を
基板から分離することが可能となり、クラックが無い、
低転位密度の大面積のIII族窒化物半導体基板を提供す
ることができる。

【０１４０】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体基板の
作製方法において、柱状構造体あるいは板状構造体は、
その側面よりも、上面にIII族窒化物半導体が優先的に
結晶成長する材料からなり、この場合、結晶成長が柱状
構造体あるいは板状構造体の上部で優先的に起るので、
III族窒化物半導体層を成長しても、その下の柱状構造
や板状構造が埋め込まれることなく、空洞領域が形成さ
れやすくなる。その結果、III族窒化物半導体層を第一
の基板から歩留まり良く分離しやすくなる。従って、基
板を小さく分割する必要がなく、大面積のままIII族窒
化物半導体層を基板から分離することが可能となり、ク
ラックが無い、低転位密度の大面積のIII族窒化物半導
体基板を提供することができる。

【０１４１】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体基板の
作製方法において、柱状構造体あるいは板状構造体の上
面は、第一の基板表面よりも、III族窒化物半導体が優
先的に結晶成長する材料からなり、この場合、結晶成長
が柱状構造体あるいは板状構造体の上部で優先的に起こ
るので、III族窒化物半導体層を成長しても、その下の
柱状構造や板状構造が埋め込まれることなく、空洞領域
が形成されやすくなる。その結果、III族窒化物半導体
層を第一の基板から歩留まり良く分離しやすくなる。従
って、基板を小さく分割する必要がなく、大面積のまま
III族窒化物半導体層を基板から分離することが可能と
なり、クラックが無い、低転位密度の大面積のIII族窒
化物半導体基板を提供することができる。

【０１４２】また、請求項７記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の作製方法で作
製されたIII族窒化物の半導体基板であるので、クラッ
クが無い、大面積のIII族窒化物半導体基板となる。特
に、請求項２の半導体基板の作製方法で作製されたIII
族窒化物半導体基板は低転位密度である。従って、この
基板を使用することで、高品質のIII族窒化物結晶を成
長することができ、高品質のIII族窒化物半導体発光素
子を一度に多量に作製できる。すなわち、高品質のIII
族窒化物結晶を成長できる大面積のIII族窒化物半導体
基板を提供でき、また、高品質のIII族窒化物半導体発
光素子を一度に多量に作製可能な基板を提供できる。

【０１４３】また、請求項８記載の発明によれば、請求
項７の半導体基板において、主面が、Ｃ面あるいはｍ面
であるので、請求項６の作用効果に加えて、この半導体
基板を使用して、結晶成長によって積層されたIII族窒
化物積層構造から成る発光素子の光出射端面をへき開に
よって形成することができる。すなわち、主面がＣ面で
ある半導体基板を用いれば、III族窒化物半導体積層構
造のへき開面であるｍ面とａ面が半導体基板と垂直にな
るので、どちらかをへき開して、光出射端面を形成する
ことができる。また、主面がｍ面である基板を用いれ
ば、III族窒化物半導体積層構造のへき開面であるＣ面
とａ面が基板と垂直になるので、へき開して、光出射端
面を形成することができる。

【０１４４】また、請求項９記載の発明によれば、請求
項７または請求項８記載のIII族窒化物の半導体基板上
にIII族窒化物半導体積層構造が形成されて構成された
発光素子であり、異種基板との格子不整や、熱膨張係数
差によって発生する欠陥や、歪みが低減された、高品質
の結晶層を使用した発光素子であるので、発光効率が高
く、高出力動作が可能な発光素子を提供できる。また、
欠陥が少ないので、劣化が遅く、特に半導体レーザで
は、高温、高出力動作においても寿命の長い信頼性の高
いものを提供できる。

【０１４５】また、基板を導電性にすることによって、
従来は困難であった基板裏面側に電極を形成することが
可能となる。これによって、半導体レーザー側をヒート
シンク材に実装するフェースダウン実装が容易になり、
大出力動作時における放熱効率を高くすることができ、
従って、高温、大出力動作が可能なレーザを実現でき
る。

【０１４６】さらに、基板の熱伝導性もサファイアより
も大きく、基板からの放熱特性が向上していることか
ら、高温、高出力動作時においても、素子の温度上昇が
抑制されるので、素子の劣化が遅く、寿命の長い信頼性
の高いものを提供できる。

【０１４７】また、半導体レーザの場合には、光共振器
端面を基板をへき開して形成することができるので、ド
ライエッチング等の複雑な作製工程を必要とせずに、容
易に平滑性，平行性の良い光共振器ミラーを形成でき
る。また、形成された光共振器面は、サファイア等のへ
き開方向の異なる異種基板を無理にへき開して作製され
たものではないので、原子オーダーで平滑である。その
ため、光共振器端面での散乱ロスが低減され、低しきい
値でレーザ発振する。また、ビーム形状も単峰である。
さらに、III族窒化物半導体基板は、φ２インチやφ３
インチあるいはそれ以上の大面積基板が作製できるの
で、大面積基板上に一度に多数の発光素子を作製するこ
とが可能である。その結果、低コストの発光素子を作製
することができる。

【０１４８】このように、請求項９記載の発明によれ
ば、発光効率が高く、高出力動作ができる寿命の長い信
頼性の高いIII族窒化物半導体発光素子を低コストで提
供できる。また、放熱特性に優れ、高温、高出力動作が
可能な、長寿命のIII族窒化物半導体発光素子を低コス
トで提供できる。また、ビーム品質の良い長寿命のIII
族窒化物半導体レーザを低コストで提供できる。また、
従来のフェースダウン実装技術が容易に使用可能なIII
族窒化物半導体発光素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るIII族窒化物の半導体基板の作製
工程例を示す図である。

【図２】実施例１のIII族窒化物半導体基板の作製工程
を示す図である。

【図３】実施例２のIII族窒化物半導体基板の作製工程
を示す図である。

【図４】実施例３のIII族窒化物半導体基板の作製工程
を示す図である。

【図５】実施例３のIII族窒化物半導体基板の作製工程
を示す図である。

【図６】実施例４のIII族窒化物半導体基板の作製工程
を示す図である。。

【図７】実施例５のIII族窒化物半導体基板の作製工程
を示す図である。

【図８】実施例５のIII族窒化物半導体基板の作製工程
を示す図である。

【図９】実施例６の半導体レーザを示す図（斜視図）で
ある。

【図１０】図９の半導体レーザの光出射方向に垂直な面
での断面図である。

【図１１】従来のＧａＮ厚膜基板の作製工程を示す図で
ある。

【図１２】従来の半導体レーザを示す図である。

【符号の説明】

１００，２００，３００，５００サファイア基板１０１，３０１，５０１低温ＧａＮバッファー層１０２，３０２，５０２高温ＧａＮ層１０３，３０７，４０２円パターン１０４，２０２，３０９，４０５，５０８ＧａＮ
層１１０，３０８，４０４柱状構造１２０，２１０，３１０，４０６，５０９空洞層２０１ＺｎＯウィスカー３０３，５０３ＳｉＯ₂膜３０４，５０４レジストストライプパターン３０５，５０５開口部３０６ＳｉＯ₂ストライプパターン４００（１１１）Ｓｉ基板４０１ＡｌＮ層５０６ＧａＮの板状構造５０７空洞６０１，６０４ＧａＮ層６０２低温で積層したＧａＮ層６０３高温で積層したＧａＮ層６１０ｎ型ＧａＮ厚膜６１１ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層６１２ｎ型ＧａＮ光ガイド層６１３Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ／Ｉｎ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ
量子井戸活性層６１４ｐ型ＧａＮ光ガイド層６１５ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎクラッド層６１６ｐ型ＧａＮキャップ層６１７絶縁膜ＳｉＯ₂ ６１８ｐ側のオーミック電極６１９ｎ側のオーミック電極６２０電流狭窄リッジ導波路構造６０００半導体レーザ積層構造６００１，６００２光共振器面６１０１，６１０２レーザー光１０００第一の基板１２００柱状構造体あるいは板状構造体１０４０ III族窒化物半導体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単体、あるいは積層構造を有する第一の
基板上に、少なくともその上面が、結晶方位がそろった
単結晶である複数の柱状構造体あるいは板状構造体を分
散して形成する工程と、個々の柱状構造体あるいは板状
構造体の上部で連結された少なくとも１層のIII族窒化
物半導体層を形成する工程と、柱状構造体あるいは板状
構造体が分散してなる領域を分離領域として、III族窒
化物半導体層を第一の基板から分離して半導体基板とす
る工程とを有していることを特徴とする半導体基板の作
製方法。
【請求項２】請求項１記載の半導体基板の作製方法に
おいて、柱状構造体あるいは板状構造体は、第一の基板
上のIII族窒化物半導体が直接成長しない領域で囲まれ
た複数の領域に形成されており、III族窒化物半導体層
は、柱状構造体あるいは板状構造体上に選択的に成長し
たIII族窒化物半導体の結晶成長が続けられることによ
って、III族窒化物が直接成長しない領域を覆うように
成長し、最終的に基板全面にわたって形成されることを
特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の半導体基
板の作製方法において、前記III族窒化物半導体層は、
単結晶層として形成されることを特徴とする半導体基板
の作製方法。
【請求項４】請求項１または請求項２記載の半導体基
板の作製方法において、柱状構造体あるいは板状構造体
は、オーバーハング形状であることを特徴とする半導体
基板の作製方法。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか一項に
記載の半導体基板の作製方法において、柱状構造体ある
いは板状構造体は、その側面よりも、上面にIII族窒化
物半導体が優先的に結晶成長する材料からなることを特
徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項６】請求項１乃至請求項４のいずれか一項に
記載の半導体基板の作製方法において、柱状構造体ある
いは板状構造体の上面は、第一の基板表面よりも優先的
にIII族窒化物半導体が結晶成長する材料からなること
を特徴とする半導体基板の作製方法。
【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれか一項に
記載の作製方法で作製されたIII族窒化物の半導体基
板。
【請求項８】請求項７記載のIII族窒化物の半導体基
板において、主面が、Ｃ面あるいはｍ面であることを特
徴とするIII族窒化物の半導体基板。
【請求項９】請求項７または請求項８記載のIII族窒
化物の半導体基板上にIII族窒化物半導体積層構造が形
成されて構成された発光素子。