JP2001267244A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】貫通転位の抑制されたIII族窒化物系化合物半
導体の製造方法を提供する。 【解決手段】単結晶が成長しない温度で形成されたIII
族窒化物系化合物半導体から成る緩衝層と、単結晶が成
長する温度で形成されたIII族窒化物系化合物半導体層
とを１周期として任意周期繰り返し積層した基底層２０
を形成する。基底層２０の最上層であるIII族窒化物系
化合物半導体層３１は、貫通転位の抑制された結晶性の
良い層となる。これをエッチングして段差を設け、段差
の側面を核として横方向エピタキシャル成長させれば、
段差を埋める部分は縦方向に伝搬する貫通転位をほとん
ど伝搬しない。これにより、段差を埋める部分上方のII
I族窒化物系化合物半導体の領域を極めて貫通転位の抑
制された領域とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、III族窒化物系化
合物半導体の製造方法及び半導体素子に関する。特に、
横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）成長を用いる、II
I族窒化物系化合物半導体の製造方法、及びその方法に
より得られたIII族窒化物系化合物半導体上に素子層を
形成して形成されたIII族窒化物系化合物半導体素子に
関する。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばA
lN、GaN、InNのような２元系、Al_xGa_1-xN、Al_xIn_1-xN、
Ga_xIn_1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、Al_xGa_y
In_{1- x-y}N（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を
包括した一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0
≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書にお
いては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物
半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にする
ための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導
体をも含んだ表現とする。

【従来の技術】

【０００２】III族窒化物系化合物半導体は、例えば発
光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広
範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード
(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用され
ている。また、そのバンドギャップが広いため、他の半
導体を用いた素子よりも高温において安定した動作を期
待できることから、ＦＥＴ等トランジスタへの応用も盛
んに開発されている。また、ヒ素(As)を主成分としてい
ないことで、環境面からも様々な半導体素子一般への開
発が期待されている。このIII族窒化物系化合物半導体
では、通常、サファイアを基板として用い、その上に形
成している。この際、特開平９−１９９７５９号公報記
載の如く、多重層から成る層をバッファ層とするものも
公知である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サファ
イア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成する
と、サファイアとIII族窒化物系化合物半導体との格子
定数のミスフィットにより転位が発生し、このため素子
特性が良くないという問題がある。このミスフィットに
よる転位は半導体層を縦方向（基板面に垂直方向）に貫
通する貫通転位であり、III族窒化物系化合物半導体中
に10⁹cm^-2程度の転位が伝搬してしまうという問題があ
る。これは組成の異なるIII族窒化物系化合物半導体各
層を最上層まで伝搬する。これにより例えば発光素子の
場合、ＬＤの閾値電流、ＬＤ及びＬＥＤの素子寿命など
の素子特性が良くならないという問題があった。また、
他の半導体素子としても、欠陥により電子が散乱するこ
とから、移動度（モビリティ）の低い半導体素子となる
にとどまっていた。これらは、他の基板を用いる場合も
同様であった。

【０００４】これについて、図９の模式図で説明する。
図９は、基板９１と、その上に形成されたバッファ層９
２と、更にその上に形成されたIII族窒化物系化合物半
導体層９３を示したものである。基板９１としてはサフ
ァイアなど、バッファ層９２としては窒化アルミニウム
(AlN)などが従来用いられている。窒化アルミニウム(Al
N)のバッファ層９２は、サファイア基板９１とIII族窒
化物系化合物半導体層９３とのミスフィットを緩和させ
る目的で設けられているものであるが、それでも転位の
発生を０とすることはできない。この転位発生点９００
から、縦方向（基板面に垂直方向）に貫通転位９０１が
伝播し、それはバッファ層９２、III族窒化物系化合物
半導体層９３をも貫いていく。こうして、III族窒化物
系化合物半導体層９３の上層に、所望の様々なIII族窒
化物系化合物半導体を積層して半導体素子を形成しよう
とすると、III族窒化物系化合物半導体層９３の表面に
達した転位９０２から、半導体素子を貫通転位が更に縦
方向に伝搬していくこととなる。このように、従来の技
術では、III族窒化物系化合物半導体層を形成する際、
転位の伝搬を阻止できないという問題があった。

【０００５】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、貫通転位の発生を抑制し
たIII族窒化物系化合物半導体を製造することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明は、基板上にIII族窒化物系
化合物半導体をエピタキシャル成長により得るIII族窒
化物系化合物半導体の製造方法において、少なくとも３
層のIII族窒化物系化合物半導体層を有し、最上層を第
１のIII族窒化物系化合物半導体とする多重層から成る
基底層をエッチングにより、点状、ストライプ状又は格
子状等の島状態とし、段差を設ける工程と、エッチング
により形成された点状、ストライプ状又は格子状等の島
状態の第１のIII族窒化物系化合物半導体の段差の上段
の上面及び側面を核として、第２のIII族窒化物系化合
物半導体を縦及び横方向エピタキシャル成長させる工程
とを有することを特徴とする。尚、本明細書で基底層と
は、以下に示す如くエッチングの深さに関係なく、一体
として記述するために用いる用語である。また、ここで
島状態とは、エッチングにより形成された段差の上段の
様子を概念的に言うものであって、必ずしも各々が分離
した領域を言うものでなく、ウエハ上全体をストライプ
状又は格子状に形成するなどのように極めて広い範囲に
おいて段差の上段が連続していても良いものとする。ま
た、段差の側面とは必ずしも基板面及びIII族窒化物系
化合物半導体表面に対して垂直となるものを言うもので
なく、斜めの面でも良い。この際、段差の底部に底面の
無い、断面がＶ字状のものでも良い。これらは特に言及
されない限り以下の請求項でも同様とする。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法におい
て、基底層は、単結晶が成長しない温度で形成されたII
I族窒化物系化合物半導体から成る緩衝層と、単結晶が
成長する温度で形成されたIII族窒化物系化合物半導体
層とを１周期として任意周期繰り返し積層したものであ
ることを特徴とする。ここで単結晶が成長しないとは、
非晶質或いは多結晶となる場合を言う。

【０００８】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法におい
て、緩衝層は、２００〜６００℃又は１０００〜１１８
０℃において形成されたことを特徴とする。また、請求
項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載のII
I族窒化物系化合物半導体の製造方法において、緩衝層
は、Al_xGa_1-1N（0≦x≦1）であることを特徴とする。

【０００９】また、請求項５に記載の発明は、エッチン
グは、段差の底部として基板面を露出させるものである
ことを特徴とする。

【００１０】また、請求項６に記載の発明は、請求項１
乃至請求項５のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化
合物半導体の製造方法において、段差の底部の幅と側面
の高さは、底部からの縦方向成長により段差が埋まるよ
りも、側面からの横方向成長により段差が塞がれる方が
早いよう形成されることを特徴とする。

【００１１】また、請求項７に記載の発明は、請求項１
乃至請求項６のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化
合物半導体の製造方法において、段差の側面は、略全部
が｛１１−２０｝面であることを特徴とする。

【００１２】また、請求項８に記載の発明は、第１のII
I族窒化物系化合物半導体と第２のIII族窒化物系化合物
半導体とが同組成であることを特徴とする。尚、ここで
同組成とは、ドープ程度の差（モル比１パーセント未満
の差）は無視するものとする。

【００１３】また、請求項９に記載の発明は、請求項１
乃至請求項８のいずれか１項に記載の製造方法により製
造したIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタ
キシャル成長した部分の上層に形成されたことを特徴と
するIII族窒化物系化合物半導体素子である。

【００１４】また、請求項１０に記載の発明は、請求項
１乃至請求項９のいずれか１項に記載の製造方法により
製造したIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピ
タキシャル成長した部分の上層に、異なるIII族窒化物
系化合物半導体層を積層することにより得られることを
特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子であ
る。

【００１５】また、請求項１１に記載の発明は、請求項
１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のIII族窒化物
系化合物半導体の製造方法に加えて、横方向エピタキシ
ャル成長した部分の上層以外を略全部除去することによ
り、III族窒化物系化合物半導体層を得ることを特徴と
するIII族窒化物系化合物半導体の製造方法である。

【００１６】

【作用及び発明の効果】本発明のIII族窒化物系化合物
半導体の製造方法の概略を図１を参照しながら説明す
る。尚、図１では、従属請求項の説明及び理解を助ける
ため基板１を有する図を示しているが、本発明は、縦方
向に貫通転位を有するIII族窒化物系化合物半導体か
ら、縦方向の貫通転位の軽減された領域を有するIII族
窒化物系化合物半導体層を得るものであり、基板１は本
発明に必須の要素ではない。

【００１７】図１の（ａ）のように、基底層として基板
上に形成された緩衝層、及びこの緩衝層上にエピタキシ
ャル成長したIII族窒化物系化合物半導体層を１周期と
して、複数周期形成された層を形成する。この時、緩衝
層２１、２３が単結晶が成長しない温度で形成されるの
で、緩衝層２１、２３が貫通転位を止める働きをし、最
上層のIII族窒化物系化合物半導体層３１は上層程貫通
転位が抑制された、結晶性の良い層とすることができ
る。この、基底層２０を点状、ストライプ状又は格子状
等の島状態にエッチングし、段差を設けて基板１面を露
出させる（図１の（ａ））。こうして、結晶性の良い段
差の上段のIII族窒化物系化合物半導体層３１の上面及
び側面を核として、第２のIII族窒化物系化合物半導体
３２を縦及び横方向エピタキシャル成長させることで段
差部分を埋めつつ、上方にも成長させることができる。
露出した基板１面からの縦方向成長が無い又は遅いなら
ば、第２のIII族窒化物系化合物半導体３２が横方向エ
ピタキシャル成長した部分の上部は、III族窒化物系化
合物半導体層３１が有する貫通転位の伝搬が抑制され、
埋められた段差部分に貫通転位の軽減された領域を作る
ことができる（請求項１、請求項２、請求項５）。一
方、段差の上段上方の部分も、多重層から成る基底層を
有しないでIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場
合に比べて、大幅に貫通転位が抑制される。このよう
に、単結晶が成長しない温度で形成される緩衝層と単結
晶層を任意周期繰り返して形成したIII族窒化物系化合
物半導体の基底層の、最上層の結晶性の良い第１のIII
族窒化物系化合物半導層を核としてエピタキシャル成長
させることにより、全体として貫通転位を低減するとと
もに、極めて貫通転位の抑制された領域を有するIII族
窒化物系化合物半導を製造することが可能となる。これ
は、貫通転位が少ない領域を核として横方向エピタキシ
ャル成長させたことで、横方向エピタシキャル成長部は
相乗的に貫通転位の伝搬が抑制されることによる。

【００１８】図１では、第２のIII族窒化物系化合物半
導体３２が段差の底部からも縦方向エピタキシャル成長
しない図としたが、これは条件により任意である。これ
により段差の側面を核として横方向成長する部分は、貫
通転位が縦方向に伝搬しない。第１のIII族窒化物系化
合物半導体層３１と第２のIII族窒化物系化合物半導体
３２とはエピタキシャル成長により不連続面がほとんど
無いならば、絶縁体等によるマスクを有するものと比較
して縦方向（基板１面の法線方向）へ電流を流す際、不
連続部分により抵抗が生じることが無い。また、構造的
にも安定したものとすることができる。更に、絶縁体等
によるマスクの場合に生じる、貫通転位の絶縁体上の回
り込みも生じない。

【００１９】基底層を形成する緩衝層は、２００〜６０
０℃の比較的低温で形成するか、又は逆に１０００〜１
１８０℃で形成することが望ましい。これにより、貫通
転位を良く伝搬する単結晶層とならず、貫通転位を抑制
することができる（請求項３）。また、緩衝層としては
アルミニウム(Al)を含むIII族窒化物系化合物半導体を
用いることで多結晶層を容易に形成することができる。
これにより、横方向エピタキシャル成長の核となる単結
晶層において、貫通転位を抑制することができ、相乗効
果を大きくすることができる（請求項４）。

【００２０】エッチングにより形成する段差は、段差の
底部の幅と側面の高さは、底部からの縦方向成長により
段差が埋まるよりも、側面からの横方向成長により段差
が塞がれる方が早いよう形成する、即ち、エピタキシャ
ル条件との関係から、そのように段差を設計することが
重要である（請求項６）。こうして、基板１面を露出し
なくても、段差の設計とエピタキシャル条件により、段
差を埋める第２のIII族窒化物系化合物半導体３２への
貫通転位を抑制することができる。これを図２及び図３
に示す。図２は、段差の底部として、最上層のIII族窒
化物系化合物半導体層３１直下の緩衝層２３が露出して
いる場合を示す。また、図３は段差の底部が最上層のII
I族窒化物系化合物半導体層３１である場合、即ち第１
のIII族窒化物系化合物半導体層３１の厚さの中に段差
を設ける場合である。図２、図３のように、段差の底部
から縦方向エピタキシャル成長が生じる場合も段差の幅
と深さを設計することにより、段差の底部からの貫通転
位が伝搬する前に、段差の側面からの横方向エピタキシ
ャル成長により段差が塞がれるならば目的を達成するこ
とができる。尚、図２、図３いずれの場合も、段差の底
部から縦方向エピタキシャル成長が生じる条件の図を示
しているが、段差の底部から縦方向エピタキシャル成長
がほとんど生じない場合は図１と同様の成長となる。

【００２１】上記の様な速い横方向エピタキシャル成長
は、III族窒化物系化合物半導体層３１の段差の側面が
｛１１−２０｝面であるとき容易に実現可能である（請
求項７）。このとき例えば横方向エピタキシャル成長中
の成長面の少なくとも上部を｛１１−２０｝面のまま保
つことができる。また、第１のIII族窒化物系化合物半
導体と第２のIII族窒化物系化合物半導体とが同組成で
あるならば、速い横方向エピタキシャル成長は容易に実
現可能である（請求項８）。

【００２２】以上のような方法により、第１のIII族窒
化物系化合物半導体層３１から伝搬する貫通転位を抑制
し構造的に安定なものとする一方、不連続面による抵抗
増加を伴わないで第２のIII族窒化物系化合物半導体３
２を形成することができる。尚、図１では基板面に垂直
な側面を持つ段差を形成するものを示したが、本発明は
これに限られず、段差の側面は斜めの面でも良い。この
際、段差の底部に底面の無い、断面がＶ字状のものでも
良い。これらは以下の説明でも同様である。

【００２３】上記の工程で得られたIII族窒化物系化合
物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上
層に素子を形成することで、欠陥の少ない、移動度の大
きい層を有する半導体素子とすることができる（請求項
９）。

【００２４】上記の工程で得られたIII族窒化物系化合
物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上
層に発光素子を形成することで、素子寿命、或いはＬＤ
の閾値の改善された発光素子とすることができる（請求
項１０）。

【００２５】また、上記の工程で得られたIII族窒化物
系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部
分の上層のみをその他の層から分離することで、転位等
結晶欠陥の著しく抑制された結晶性の良いIII族窒化物
系化合物半導体を得ることができる（請求項１１）。尚
「略全部除去」とは、製造上の簡便さから、一部貫通転
位の残った部分を含んでいたとしても本発明に包含され
ることを示すものである。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１に本発明のIII族窒化物系化
合物半導体の製造方法の実施の形態の一例の概略を示
す。基底層として基板上に形成された緩衝層、及びこの
緩衝層上にエピタキシャル成長したIII族窒化物系化合
物半導体層を１周期として、複数周期形成された層を使
用する。図１のように第１の緩衝層２１、III族窒化物
系化合物半導体層２２、第２の緩衝層２３、III族窒化
物系化合物半導体層３１をこの順に形成して基底層とす
る。この、第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１を
エッチングして段差を設ける。図１では段差の底部に基
板１面を露出させた例を示している（図１の（ａ））。
こうして、エッチングされなかった面を上段として、側
面及び段差の底部（下段面）が形成される。側面は例え
ば｛１１−２０｝面である。次に横方向エピタキシャル
成長する条件で、段差の側面及び上面を核として第２の
III族窒化物系化合物半導体３２のエピタキシャル成長
を行う。有機金属成長法を用いれば、成長面を｛１１−
２０｝面に保ったまま横方向エピタキシャル成長が容易
に可能である。こうして、基板１面からの縦方向成長が
無いか又は極めて遅く、段差の側面の横方向成長が生じ
るならば、第２のIII族窒化物系化合物半導体３２に
は、段差の底部からの貫通転位がほとんど伝搬しない
（図１の（ｂ））。こうして、段差の両側面の横方向成
長がエッチングされた部分の上方で合体するよう、エッ
チング形状と横方向エピタキシャル成長条件とを設定す
ることで、エッチングされた上部の第２のIII族窒化物
系化合物半導体３２には貫通転位が極めて抑制された領
域を形成することができる（図１の（ｃ））。尚、基板
１を露出させる場合は、次に述べる基板１を露出させな
い場合に比べて第１のIII族窒化物系化合物半導体層の
厚さを薄くできる

【００２７】また、図２のように、段差の底部として、
第２の緩衝層２３が露出するものでも良い。更には、図
２の（ａ）のような工程の段階で、III族窒化物系化合
物半導体層３１の厚さより浅いエッチングをして段差の
底部がIII族窒化物系化合物半導体層３１とする製造方
法（図３）でも良い。いずれも段差の下段上方に形成さ
れるIII族窒化物系化合物半導体層３２は、主に段差の
上段の最上層のIII族窒化物系化合物半導体層３１を核
とした横方向エピタキシャル成長により形成され、縦方
向に伝搬する貫通転位の抑制された領域とすることがで
きる。その他、効果はすでに述べた図１の場合と同様で
ある。尚、段差の底部からの縦方向成長が避けられない
場合は、段差の深さと幅の関係を、縦方向成長により段
差が埋められるよりも横方向エピタキシャル成長により
塞がれる方が早いよう設計する。

【００２８】上記の発明の実施の形態としては、次の中
からそれぞれ選択することができる。

【００２９】基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順
次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シ
リコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl₂O₄)、Zn
O、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化
ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガ
リウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用
いることができる。

【００３０】III族窒化物系化合物半導体層を形成する
方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が
好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相
成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いて
も良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。

【００３１】例えばサファイア基板上にIII族窒化物系
化合物半導体積層する際、結晶性良く形成させるため、
サファイア基板との格子不整合を是正すべくバッファ層
を形成することが好ましい。他の基板を使用する場合も
バッファ層を設けることが望ましい。バッファ層として
は、低温で形成させたIII族窒化物系化合物半導体Al_xGa
_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）、より好ま
しくはAl_xGa_1-xN（0≦x≦1）が用いられる。このバッフ
ァ層は単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良
い。バッファ層の形成方法は、380〜420℃の低温で形成
するものでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣ
ＶＤ法で形成しても良い。また、ＤＣマグネトロンスパ
ッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガス
を原材料として、リアクティブスパッタ法によりAlNか
ら成るバッファ層を形成することもできる。同様に一般
式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1、組
成比は任意）のバッファ層を形成することができる。更
には蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレー
ション法、ＥＣＲ法を用いることができる。物理蒸着法
によるバッファ層は、200〜600℃で行うのが望ましい。
さらに望ましくは300〜600℃であり、さらに望ましくは
350〜450℃である。これらのスパッタリング法等の物理
蒸着法を用いた場合には、バッファ層の厚さは、100〜3
000Åが望ましい。さらに望ましくは、100〜400Åが望
ましく、最も望ましくは、100〜300Åである。多重層と
しては、例えばAl_xGa_1-xN（0≦x≦1）から成る層とGaN
層とを交互に形成する、組成の同じ層を形成温度を例え
ば600℃以下と1000℃以上として交互に形成するなどの
方法がある。勿論、これらを組み合わせても良く、多重
層は３種以上のIII族窒化物系化合物半導体Al_xGa_yIn
_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1,0≦x+y≦1）を積層しても良
い。一般的には緩衝層は非晶質であり、中間層は単結晶
である。緩衝層と中間層を１周期として複数周期形成し
ても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多い
ほど結晶性が良くなる。

【００３２】バッファ層及び上層のIII族窒化物系化合
物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タ
リウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部
をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)
で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、こ
れら元素を組成に表示できない程度のドープをしたもの
でも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有
しないIII族窒化物系化合物半導体であるAl_xGa_1-xN（0
≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原
子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原
子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子
の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性
を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII
族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグロー
ンで得ることもできる。このようにして結晶性を良くす
ることで本願発明と合わせて更に貫通転位を１００乃至
１０００分の１程度にまで下げることもできる。バッフ
ァ層とIII族窒化物系化合物半導体層とが２周期以上で
形成されている基底層の場合、各III族窒化物系化合物
半導体層に主たる構成元素よりも原子半径の大きな元素
をドープすると更に良い。なお、発光素子として構成す
る場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、
若しくは３元系を用いることが望ましい。

【００３３】ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形
成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、
C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。ま
た、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II
族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを
複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープし
ても良い。

【００３４】横方向エピタキシャル成長としては成長面
が基板に垂直となるものが望ましいが、基板に対して斜
めのファセット面のまま成長するものでも良い。この
際、段差の底部に底面の無い、断面がＶ字状のものでも
良い。

【００３５】横方向エピタキシャル成長としては、横方
向エピタキシャル成長面の少なくとも上部と基板面とは
垂直であることがより望ましく、更にはいずれもIII族
窒化物系化合物半導体の｛１１−２０｝面であることが
より望ましい。

【００３６】エッチングする際は、深さと幅の関係か
ら、横方向エピタキシャル成長により塞がれるように段
差を設ける。この時、基板面又は緩衝層等の組成の異な
る底面からの縦方向成長が少なくとも初期段階において
無い、又は極めて遅いことも利用すると良い。

【００３７】段差の下段を形成する際は基板を露出させ
るようにエッチングすることが最も望ましいが、基板を
露出させず、緩衝層が露出するよう基底層中でエッチン
グを止めても良い。この時、組成比や結晶性のことなる
緩衝層として次のようにすることが望ましい。緩衝層
を、AlN、Al_xGa_1-xN又はAl_xGa_yIn_1-x-yN（x≠0）からな
る層とし、第１のIII族窒化物系化合物半導体をGaNとす
るならば、AlN、Al_xGa_{1- x}N又はAl_xGa_yIn_1-x-yN（x≠0）
からなる異なる層は、Cl₂、BCl₃などの塩素を含むプラ
ズマエッチングの際ストッパ層として働くので好都合で
ある。これにより、緩衝層を段差の底部とした場合、そ
こからの縦方向成長を抑えて第１のIII族窒化物系化合
物半導体層側面からの横方向成長を促進させる条件を容
易に設定することができる。これは、段差の設計をも容
易とし、段差の深さを浅いものとすることができる。

【００３８】基板上に積層するIII族窒化物系化合物半
導体層の結晶軸方向が予想できる場合は、III族窒化物
系化合物半導体層のａ面（｛１１−２０｝面）又はｍ面
（｛１−１００｝面）に垂直となるようストライプ状に
マスク或いはエッチングを施すことが有用である。な
お、島状、格子状等に、上記ストライプ及びマスクを任
意に設計して良い。横方向エピタキシャル成長面は、基
板面に垂直なものの他、基板面に対し斜めの角度の成長
面でも良い。III族窒化物系化合物半導体層のａ面とし
て（１１−２０）面を横方向エピタキシャル成長面とす
るには例えばストライプの長手方向はIII族窒化物系化
合物半導体層のｍ面である（１−１００）面に垂直とす
る。例えば基板をサファイアのａ面又はｃ面とする場合
は、どちらもサファイアのｍ面がその上に形成されるII
I族窒化物系化合物半導体層のａ面と通常一致するの
で、これに合わせてエッチングを施す。点状、格子状そ
の他の島状とする場合も、輪郭（側壁）を形成する各面
が｛１１−２０｝面とすることが望ましい。

【００３９】エッチングマスクは、多結晶シリコン、多
結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiO_x)、
窒化珪素(SiN_x)、酸化チタン(TiO_X)、酸化ジルコニウム
(ZrO _X)等の酸化物、窒化物、チタン(Ti)、タングステン
(W)のような高融点金属、これらの多層膜をもちいるこ
とができる。これらの成膜方法は蒸着、スパッタ、ＣＶ
Ｄ等の気相成長法の他、任意である。

【００４０】エッチングをする場合は反応性イオンビー
ムエッチング（ＲＩＢＥ）が望ましいが、任意のエッチ
ング方法を用いることができる。基板面に垂直な側面を
有する段差を形成するのでないものとして、異方性エッ
チングにより例えば段差の底部に底面の無い、断面がＶ
字状のものを形成しても良い。

【００４１】上記の貫通転位の抑制された領域を有する
III族窒化物系化合物半導体の、全体或いは貫通転位の
抑制された領域を中心としてその上部にＦＥＴ、発光素
子等の半導体素子を形成することができる。発光素子の
場合は、発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、単一量
子井戸構造（ＳＱＷ）の他、ホモ構造、ヘテロ構造、ダ
ブルヘテロ構造のものが考えられるが、ｐｉｎ接合或い
はｐｎ接合等により形成しても良い。

【００４２】上述の、貫通転位の抑制された領域を有す
るIII族窒化物系化合物半導体の、例えば基板１、バッ
ファ層２及びエッチングにより段差を設けた貫通転位の
抑制されていない部分を除去して、III族窒化物系化合
物半導体基板とすることができる。この上にIII族窒化
物系化合物半導体素子を形成することが可能であり、或
いはより大きなIII族窒化物系化合物半導体結晶を形成
するための基板として用いることができる。除去方法と
しては、メカノケミカルポリッシングの他、任意であ
る。

【００４３】以下、発明の具体的な実施例に基づいて説
明する。実施例として発光素子をあげるが、本発明は下
記実施例に限定されるものではなく、任意の素子に適用
できるIII族窒化物系化合物半導体の製造方法を開示し
ている。

【００４４】本発明のIII族窒化物系化合物半導体は、
有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）に
よる気相成長により製造された。用いられたガスは、ア
ンモニア(NH₃)とキャリアガス(H₂又はN₂)とトリメチル
ガリウム（Ga(CH₃)₃，以下「TMG」と記す）とトリメチ
ルアルミニウム（Al(CH₃)₃，以下「TMA」と記す）、ト
リメチルインジウム（In(CH₃)₃，以下「TMI」と記
す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Mg(C
₅H₅)₂、以下「Cp₂Mg」と記す）である。

【００４５】〔第１実施例〕本実施例の工程を図１に示
す。有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面と
し、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで
低下させて、H₂を10L/min、NH₃を5L/min、TMAを20μmol
/minで約3分間供給して第１のAlN層（第１の緩衝層）２
１を約40nmの厚さに形成した。次に、サファイア基板１
の温度を1000℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/mi
n、TMGを300μmol/minで導入し、膜厚約0.3μmのGaN層
（中間層）２２を形成した。次に温度を400℃まで低下
させて、H₂を10L/min、NH₃を5L/min、TMAを20μmol/min
で約3分間供給して第２のAlN層（第２の緩衝層）２３を
約40nmの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温
度を1000℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMG
を300μmol/minで導入し、膜厚約1μmのGaN層３１を形
成した。こうして、膜厚約40nmの第１のAlN層（第１の
緩衝層）２１、膜厚約0.3μmのGaN層（中間層）２２、
膜厚約40nmの第２のAlN層（第２の緩衝層）２３、膜厚
約1μmのGaN層３１から成る基底層２０を形成した。一
般的には緩衝層は非晶質であり、中間層は単結晶であ
る。緩衝層と中間層を１周期として複数周期形成しても
良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど
結晶性が良くなる。

【００４６】次にハードベークレジストマスクを使用し
て、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を用い
た選択ドライエッチングにより、幅1μm、間隔1μm、深
さ1.4μmのストライプ状にエッチングした。これによ
り、基底層２０の幅1μm、段差1.4μmの上段と、幅1μm
の基板１面の露出した下段の底部とが交互に形成された
（図１）。この時、深さ1.4μmの段差を形成する側面
は、GaN層３１の｛１１−２０｝面とした。

【００４７】次に、サファイア基板１の温度を1150℃に
保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/min
で導入し、基底層２０の深さ1.4μmの段差を形成する側
面である｛１１−２０｝面を核としてGaN層３２を横方
向エピタキシャル成長により形成した。この時、段差の
上面からも縦方向エピタキシャル成長が一部生じた。こ
うして主に｛１１−２０｝面を成長面とする横方向エピ
タキシャル成長により段差が埋められ、表面が平坦とな
った。こののち、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを30
0μmol/minで導入し、GaN層３２を成長させ、GaN層３１
とGaN層３２とを合計2μmの厚さとした。GaN層３２の、
GaN層３１の深さ1.4μmの段差の底部上方に形成された
部分は、段差の上面上方に形成された部分に比して貫通
転位が著しく抑えられた。これは、サファイア基板１上
にGaNは高温では成長しにくいので、GaN層３２は主に段
差を形成する基底層２０、特にGaN層３１を核として成
長することによる。また、段差を形成するGaN層３１の
厚さも薄くできる。

【００４８】〔第２実施例〕本実施例では、第１実施例
とほぼ同様の基底層について、第２のAlN層（第２の緩
衝層）２３を段差の底部として露出させて横方向エピタ
キシャル成長させた。この工程を図２に示す。第１実施
例と同様に、膜厚約40nmの第１のAlN層（第１の緩衝
層）２１、膜厚約0.3μmのGaN層（中間層）２２、膜厚
約40nmの第２のAlN層（第２の緩衝層）２３を形成し、
次に膜厚約2μmのGaN層３１を形成した。こうして基底
層２０を形成した。

【００４９】次にハードベークレジストマスクを使用し
て、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を用い
た選択ドライエッチングにより、幅1μm、間隔1μm、深
さ2μmのストライプ状にエッチングした。これにより、
GaN層３１の幅1μm、段差2μmの上段と、幅1μmの第２
のAlN層（第２の緩衝層）２３が露出した面（下段の底
部）とが交互に形成された（図２）。この時、深さ2μm
の段差を形成する側面は、GaN層３１の｛１１−２０｝
面とした。

【００５０】次に、サファイア基板１の温度を1150℃に
保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/min
で導入し、GaN層３１の深さ2μmの段差を形成する側面
である｛１１−２０｝面を核としてGaN層３２を横方向
エピタキシャル成長により形成した。この時、段差の上
面と、底部からも縦方向エピタキシャル成長が一部生じ
た。こうして主に｛１１−２０｝面を成長面とする横方
向エピタキシャル成長により段差が埋められ、表面が平
坦となった。こののち、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、T
MGを300μmol/minで導入し、GaN層３２を成長させ、GaN
層３１とGaN層３２とを合計3μmの厚さとした。GaN層３
２の、GaN層３１の深さ2μmの段差の底部上方に形成さ
れた部分は、段差の上面上方に形成された部分に比して
貫通転位が著しく抑えられた。

【００５１】〔第３実施例〕本実施例では、第２実施例
とほぼ同様の基底層について、GaN層３１を底部として
横方向エピタキシャル成長させた。この工程を図３に示
す。第２実施例と同様に、膜厚約40nmの第１のAlN層
（第１の緩衝層）２１、膜厚約0.3μmのGaN層（中間
層）２２、膜厚約40nmの第２のAlN層（第２の緩衝層）
２３、膜厚約3μmのGaN層３１からなる基底層２０を形
成した。

【００５２】次にハードベークレジストマスクを使用し
て、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を用い
た選択ドライエッチングにより、幅1μm、間隔1μm、深
さ約2μmのストライプ状にエッチングした。これによ
り、GaN層３１の幅1μm、段差2μmの上段と、幅1μmのG
aN層３１の下段の底部とが交互に形成された（図３）。
この時、深さ2μmの段差を形成する側面は、GaN層３１
の｛１１−２０｝面とした。

【００５３】次に、サファイア基板１の温度を1150℃に
保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/min
で導入し、基底層２０の深さ2.3μmの段差を形成する側
面である｛１１−２０｝面を核としてGaN層３２を横方
向エピタキシャル成長により形成した。この時、段差の
上面と、底部からも縦方向エピタキシャル成長が一部生
じた。こうして主に｛１１−２０｝面を成長面とする横
方向エピタキシャル成長により段差が埋められ、表面が
平坦となった。こののち、H₂を20L/min、NH₃を10L/mi
n、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３２を成長さ
せ、GaN層３１とGaN層３２とを合計4μmの厚さとした。
GaN層３２の、GaN層３１の深さ2μmの段差の底部上方に
形成された部分は、段差の上面上方に形成された部分に
比して貫通転位が著しく抑えられた。

【００５４】〔第４実施例〕本実施例では、第１実施例
において、GaN層３１を形成する際、TMIをドープしてGa
N:In層３１とした。インジウム(In)のドープ量は約1×1
0¹⁶/cm³とした。こののち、第１実施例とほぼ同様にエ
ッチング及びGaNの横方向エピタキシャル成長を行った
（図４）。主に結晶性の良いGaN:In層３１を核として横
方向成長したGaN層３２は第１実施例のそれよりも貫通
転位がやや小さくなった。また、GaN:In層３１上部に縦
方向成長したGaN層３２は、第１実施例のそれよりも貫
通転位が約１／１００に低減された。

【００５５】〔第５実施例〕第１実施例と同様に形成し
たウエハ上に、次のようにして図５に示すレーザダイオ
ード（ＬＤ）１００を形成した。但し、GaN層３２の形
成の際、シラン（SiH ₄）を導入して、GaN層３２をシリ
コン(Si)ドープのｎ型GaNから成る層とした。尚、図を
簡略とするため、GaN層３１とGaN層３２を合わせて単に
GaN層１０３と記載する。

【００５６】サファイア基板１０１、AlNから成るバッ
ファ層１０２、GaN層とｎ型GaN層の２段のGaN層１０３
から成るウエハ上に、シリコン(Si)ドープのAl_0.08Ga
_0.92Nから成るｎクラッド層１０４、シリコン(Si)ドー
プのGaNから成るｎガイド層１０５、ＭＱＷ構造の発光
層１０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガ
イド層１０７、マグネシウム(Mg)ドープのAl_0.08Ga_0.92
Nから成るｐクラッド層１０８、マグネシウム(Mg)ドー
プのGaNから成るｐコンタクト層１０９を形成した。次
にｐコンタクト層１０９上に金(Au)から成る電極１１０
Ａを、GaN層とｎ型GaN層の２段のGaN層１０３が露出す
るまで一部エッチングしてアルミニウム(Al)から成る電
極１１０Ｂを形成した。このようにして形成したレーザ
ダイオード（ＬＤ）１００は素子寿命及び発光効率が著
しく向上した。

【００５７】〔第６実施例〕第１実施例と同様に形成し
たウエハ上に、次のようにして図６に示す発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）２００を形成した。但し、GaN層３２の形
成の際、シラン（SiH ₄）を導入して、GaN層３２をシリ
コン(Si)ドープのｎ型GaNから成る層とした。尚、図を
簡略とするため、GaN層３１とGaN層３２を合わせて単に
GaN層２０３と記載する。

【００５８】サファイア基板２０１、AlNから成るバッ
ファ層２０２、GaN層とｎ型GaN層の２段のGaN層２０３
から成るウエハ上に、シリコン(Si)ドープのAl_0.08Ga
_0.92Nから成るｎクラッド層２０４、発光層２０５、マ
グネシウム(Mg)ドープのAl_0.08Ga _0.92Nから成るｐクラ
ッド層２０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成る
ｐコンタクト層２０７を形成した。次にｐコンタクト層
２０７上に金(Au)から成る電極２０８Ａを、GaN層とｎ
型GaN層の２段のGaN層２０３が露出するまで一部エッチ
ングしてアルミニウム(Al)から成る電極２０８Ｂを形成
した。このようにして形成した発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）２００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。

【００５９】〔応用〕本発明の応用例として、第２のGa
N層３２の貫通転位の低減されていない領域をさらにエ
ッチングし、更にGaN層を横方向エピタキシャル成長さ
せることも有用である。図７は、第１のGaN層３１、第
２のGaN層３２のエッチングをする位置の模式図であ
る。図７の（ａ）のように、ストライプ状にエッチング
をして、段差の上段のGaN層３１（図で斜線）の部分
と、Ｂで示した段差の底部とを形成する。図７の（ｂ）
のように、図７の（ａ）でＢで示した段差を埋めたGaN
層３２を残し、ストライプ状にエッチングをして、Ａで
示した段差の底部とを形成する。こうしてGaN層３３を
段差の上段となった第２のGaN層３２を核として横方向
エピタキシャル成長すると、図７の（ｃ）のように、Ga
N層３１から貫通転位を伝搬している部分である３１と
示した領域、横方向エピタキシャル成長したGaN層３２
の上部で貫通転位が抑制された３２と示した領域、横方
向エピタキシャル成長したGaN層３３の上部で貫通転位
が抑制された３３と示した領域とが形成される。これに
より、ウエハのほぼ全面にわたって、貫通転位の低減さ
れた領域を形成することが可能である。尚、GaN層３２
のエッチング深さは任意として良く、貫通転位を有する
下層の基底層の一部又は全部をエッチングしても良い。
実施例１のように基板面上のGaN層３２を横方向エピタ
キシャル成長により形成し、次に、核とした基底層２０
をエッチングして、横方向エピタキシャル成長により貫
通転位の抑制された部分を核としてGaN層３３を横方向
成長させれば、基板１を剥離しやすく、且つ全体として
貫通転位の抑制されたGaN基板を形成することも可能で
ある。これらにより、全面にわたって貫通転位の抑制さ
れたIII族窒化物系化合物半導体基板を得ることもでき
る。尚、GaN層３２をエッチングして段差を形成し、そ
れを核としてGaN層３３を横方向成長させる場合は、本
発明の横方向成長に限られない。例えば底部にマスクを
形成し、底部からの縦方向成長を遮断し、横方向成長を
確実なものとしても良い。

【００６０】〔エッチングの変形〕また、図８は、３組
の｛１１−２０｝面により、島状に段差の上段を形成す
る例である。図８の（ａ）は、３組の｛１１−２０｝面
で形成される外周をも示しているが、これは理解のため
簡略化した模式図であり、実際には島状の段差の上段は
ウエハ当たり数千万個形成して良い。図８の（ａ）で
は、島状の段差の上段に対し、段差の底部Ｂは３倍の面
積を有する。図８の（ｂ）では、島状の段差の上段に対
し、段差の底部Ｂは８倍の面積を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るIII族窒化物系化
合物半導体の製造工程を示す断面図。

【図２】本発明の第２の実施例に係るIII族窒化物系化
合物半導体の製造工程を示す断面図。

【図３】本発明の第３の実施例に係るIII族窒化物系化
合物半導体の製造工程を示す断面図。

【図４】本発明の第４の実施例に係るIII族窒化物系化
合物半導体の製造工程を示す断面図。

【図５】本発明の第５の実施例に係るIII族窒化物系化
合物半導体発光素子の構造を示す断面図。

【図６】本発明の第６の実施例に係るIII族窒化物系化
合物半導体発光素子の構造を示す断面図。

【図７】第１のIII族窒化物系化合物半導体のエッチン
グの他の例を示す模式図。

【図８】第１のIII族窒化物系化合物半導体のエッチン
グの更に別の例を示す模式図。

【図９】III族窒化物系化合物半導体を伝搬する貫通転
位を示す断面図。

【符号の説明】

１、１０１、２０１ 基板 ２、１０２、２０２ バッファ層（異なる層） ２０ 基底層 ２１ 基底層を形成する第１緩衝層 ２２ 基底層を形成する中間層 ２３ 基底層を形成する第２緩衝層（異なる層） ３１ 第１のIII族窒化物系化合物半導体（層） ３２ 第２のIII族窒化物系化合物半導体（層） １０３、２０３ n-GaN層 １０４、２０４ n-AlGaNクラッド層 １０５ n-GaNガイド層 １０６、２０５ 発光層 １０７ p-GaNガイド層 １０８、２０６ p-AlGaNクラッド層 １０９、２０７ p-GaN層 １１０Ａ、２０８Ａ ｐ電極 １１０Ｂ、２０８Ｂ ｎ電極

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Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にIII族窒化物系化合物半導体を
   エピタキシャル成長により得るIII族窒化物系化合物半
   導体の製造方法において、 少なくとも３層のIII族窒化物系化合物半導体層を有
   し、最上層を第１のIII族窒化物系化合物半導体とする
   多重層から成る基底層をエッチングにより、点状、スト
   ライプ状又は格子状等の島状態とし、段差を設ける工程
   と、 前記エッチングにより形成された点状、ストライプ状又
   は格子状等の島状態の前記第１のIII族窒化物系化合物
   半導体の段差の上段の上面及び側面を核として、第２の
   III族窒化物系化合物半導体を縦及び横方向エピタキシ
   ャル成長させる工程とを有することを特徴とするIII族
   窒化物系化合物半導体の製造方法。
2. 【請求項２】 前記基底層は、単結晶が成長しない温度
   で形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成る緩衝
   層と、単結晶が成長する温度で形成されたIII族窒化物
   系化合物半導体層とを１周期として任意周期繰り返し積
   層したものであることを特徴とする請求項１に記載のII
   I族窒化物系化合物半導体の製造方法。
3. 【請求項３】 前記緩衝層は、２００〜６００℃又は１
   ０００〜１１８０℃において形成されたことを特徴とす
   る請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造
   方法。
4. 【請求項４】 前記緩衝層は、Al_xGa_1-1N（0≦x≦1）で
   あることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のII
   I族窒化物系化合物半導体の製造方法。
5. 【請求項５】 前記エッチングは、段差の底部として基
   板面を露出させるものであることを特徴とする請求項１
   乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化
   合物半導体の製造方法。
6. 【請求項６】 前記段差の底部の幅と側面の高さは、底
   部からの縦方向成長により段差が埋まるよりも、側面か
   らの横方向成長により段差が塞がれる方が早いよう形成
   されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれ
   か１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方
   法。
7. 【請求項７】 前記段差の側面は、略全部が｛１１−２
   ０｝面であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の
   いずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製
   造方法。
8. 【請求項８】 前記第１のIII族窒化物系化合物半導体
   と前記第２のIII族窒化物系化合物半導体とが同組成で
   あることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか
   １項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に
   記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により製
   造した前記III族窒化物系化合物半導体層の、横方向エ
   ピタキシャル成長した部分の上層に形成されたことを特
   徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項８のいずれか１項
    に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により
    製造した前記III族窒化物系化合物半導体層の、横方向
    エピタキシャル成長した部分の上層に、異なるIII族窒
    化物系化合物半導体層を積層することにより得られるこ
    とを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求項８のいずれか１項
    に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法に加え
    て、横方向エピタキシャル成長した部分の上層以外を略
    全部除去することにより、前記III族窒化物系化合物半
    導体基板を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物
    半導体基板の製造方法。