JP2003124576A - 窒化物半導体基板及びその成長方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基板上への窒化物半導体の成長であって、低欠
陥であり結晶性の良好な窒化物半導体基板及び、その成
長方法を提供する。 【解決手段】基板上に第１の窒化物半導体を成長後、第
１の窒化物半導体表面に凹凸を形成し、この凸部上面は
保護膜で保護されており、その後、凸部以外の露出部を
熱処理し、さらに組成比の異なる第２の窒化物半導体を
第１の窒化物半導体の凹部底面及び側面に成長させ、そ
の後、保護膜を除去し、凸部上面から第３の窒化物半導
体を成長させ低欠陥であり平坦な窒化物半導体基板とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は発光素子及び受光素
子、電子デバイス等へ利用できる窒化物半導体（Ｉｎ_ｘ
Ａｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦
１）基板の成長方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、サファイア、スピネル、炭化ケイ
素のような窒化物半導体と異なる異種基板上に、窒化物
半導体を成長させる研究が種々検討されている。これは
発光素子等に利用可能な結晶性のよい窒化物半導体のバ
ルク単結晶を現段階の技術で形成させるのが困難なため
であり、前記に示すような窒化物半導体と異なる異種基
板上に窒化物半導体を成長させる方法が検討されてい
る。しかしながら、格子定数や熱膨張係数が窒化ガリウ
ム等と一致する異種基板が存在しないため異種基板上に
直接に窒化物半導体を成長させると窒化物半導体に結晶
欠陥が多く発生してしまう。そこで、この問題を解決す
べく以下に示す方法が報告されている。

【０００３】例えば、窒化ガリウム基板を形成する方法
としては、特開平７−２０２２６５号、特開平７−１６
５４９８号に、サファイア基板の上にＺｎＯよりなるバ
ッファ層を形成して、そのバッファ層の上に窒化物半導
体を成長させた後、バッファ層を溶解除去する技術が記
載されている。しかしながらサファイア基板の上に成長
されるＺｎＯバッファ層の結晶性は悪く、そのバッファ
層の上に窒化物半導体を成長させても良質の窒化物半導
体基板とすることは難しい。

【０００４】また、ＪＰＮ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．
Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２に
はＥＬＯＧ（Epitaxial lateral overgrowth GaN）の成
長方法として、サファイアのＣ面上に成長させた窒化物
半導体上にＳｉＯ_２等の保護膜を部分的に形成し、この
上に、１００Ｔｏｒｒの減圧で、窒化物半導体を成長さ
せることにより、転位の少ない窒化物半導体を得ること
を開示している。このようなＥＬＯＧ成長は、保護膜を
形成し意図的に窒化物半導体を横方向に成長させること
により、転位が窒化物半導体の成長と共に進行すると、
転位は保護膜を有しない部分上にのみ発生するため、保
護膜上には転位欠陥の少ない窒化物半導体を形成するこ
とができる。しかしながら、上記に示す成長方法では、
保護膜上に低欠陥領域を形成できるものの保護膜上への
窒化物半導体の横方向成長時、及び窒化物半導体素子の
成長時に保護膜の分解による汚染が発生していた。その
ため、半導体素子の特性劣化が問題となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＬＥＤ素子、ＬＤ素
子、受光素子等の電子デバイスに使用される窒化物半導
体素子を形成する際、結晶欠陥が少なく結晶純度の高い
窒化物半導体よりなる基板を形成することができれば、
その基板上に成長させた窒化物半導体素子の結晶性が飛
躍的によくなる。そこで、本発明の目的は、上記課題を
解決した結晶性の良い窒化物半導体基板の成長方法を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の目的は、
以下（１）〜（７）に示す本発明の構成によって達成す
ることができる。 （１）本発明における窒化物半導体基板は、基板上に、
凹凸の段差を有した第１の窒化物半導体と、該第１の窒
化物半導体の凹部端面及び底面に第１の窒化物半導体と
組成の異なる第２の窒化物半導体と、前記第１の窒化物
半導体の凸部上面から成長し第２の窒化物半導体を覆う
第３の窒化物半導体とを有する。 （２）前記窒化物半導体基板は、前記第２の窒化物半導
体と第３の窒化物半導体との間には空洞を有することを
特徴とする。 （３）前記窒化物半導体基板は、前記第２の窒化物半導
体はＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）から成ることを
特徴とする。 （４）本発明の窒化物半導体基板の成長方法は、基板上
に第１の窒化物半導体を成長させ、該第１の窒化物半導
体に開口部を有する保護膜を形成する工程と、前記保護
膜の開口部に凹部を形成し第１の窒化物半導体に凹凸の
段差形状を形成する工程と、前記第１の窒化物半導体の
凹部端面及び底面に第２の窒化物半導体を成長させる工
程と、前記第２の窒化物半導体を成長させた後、保護膜
を取り除き、第１の窒化物半導体の凸部を核として第３
の窒化物半導体を成長させ第２の窒化物半導体を覆う工
程とを有することを特徴とする。 （５）前記窒化物半導体基板の成長方法は、前記第２の
窒化物半導体はＩｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）から
成ることを特徴とする。 （６）前記窒化物半導体基板の成長方法は、前記第１の
窒化物半導体に凹凸の段差を形成する工程後、第１の窒
化物半導体の露出部である凹部側面及び底面に熱処理、
又は電磁波照射をする工程を含むことを特徴とする。 （７）前記窒化物半導体基板の成長方法は、前記第１の
窒化物半導体に凹凸の段差を形成する工程後、第１の窒
化物半導体の露出部である凹部側面及び底面にイオン注
入する工程を含むことを特徴とする。

【０００７】つまり、本発明の成長方法により形成され
た窒化物半導体基板は、基板上に成長させた段差を有す
る第１の窒化物半導体の凸部上面より選択的に第３の窒
化物半導体を縦方向および横方向に成長させて窒化物半
導体基板としたものであるが、第３の窒化物半導体の成
長時に保護膜を有しないため、保護膜上への横方向成長
とは異なり保護膜が分解することにより結晶特性が劣化
する心配はない。さらに、ＥＬＯＧ成長では窒化物半導
体を保護膜上に横方向成長させた場合に応力が発生し、
さらに、窒化物半導体同士が接合することにより形成さ
れた接合部には結晶欠陥が収束するとともに、接合部に
段差が形成される場合があった。そのため、平坦な窒化
物半導体基板にはならず、この上に窒化物半導体から成
る発光素子等を形成するのは困難であった。しかしなが
ら、本発明における成長方法では、窒化物半導体の成長
を強引に横方向成長させるのではなく、第１の窒化物半
導体上面よりストレスを有さず縦方向及び横方向に第３
の窒化物半導体が成長し、さらに成長が進むことで第３
の窒化物半導体同士が接合し接合部を形成するため、上
記のような問題は起こらず、平坦かつミラー形状である
窒化物半導体基板を提供することができる。また、第１
の窒化物半導体凹部上に成長した第３の窒化物半導体
は、横方向成長領域であり単位面積あたりの欠陥数は１
×１０^７個／ｃｍ^２以下の窒化物半導体基板となる。

【０００８】第１の窒化物半導体の凸部上面から選択的
に第３の窒化物半導体を成長させるために第１の窒化物
半導体の凹部底面及び側面には上記に示す第２の窒化物
半導体を形成する。この第２の窒化物半導体は第１の窒
化物半導体や後に選択的に成長させる第３の窒化物半導
体とは組成比や不純物のドープ量が異なるものとする。
このため、第３の窒化物半導体の成長速度を変えること
ができる。つまり、第２の窒化物半導体からの成長速度
を第１の窒化物半導体の凸部上面からの成長速度よりも
大幅に遅くするものである。このような選択成長をする
ことで第１の窒化物半導体の凹凸段差は凹部には空洞を
残した状態で平坦化した窒化物半導体基板とすることが
できる。この空洞はエアギャップの効果があり、基板の
反りを緩和することができる。さらに本発明では第１の
窒化物半導体と第２の窒化物半導体とからの成長速度差
を利用した選択成長であり、さらに凹凸を形成して選択
性を持たせている。この第１の窒化物半導体に形成され
る凹凸の段差は０．１μｍ以上あればよく、第３の窒化
物半導体を成長時の窒化物半導体基板の膜厚を薄膜化さ
せることもできる。この時、第１の窒化物半導体から第
３の窒化物半導体までのトータル膜厚は５μｍ程度とす
ることができる。

【０００９】また、第２の窒化物半導体をＩｎ_ａＧａ
_１−ａＮ（０＜ａ≦１）とする。Ｉｎ _ａＧａ_１−ａＮは
熱力学的に不安定であり、７００℃以上の高温や水素雰
囲気中で熱分解がおこる。そのため、第２の窒化物半導
体から成長する第３の窒化物半導体は成長速度が遅く、
また多結晶化する。

【００１０】また、第１の窒化物半導体に凹凸を形成
後、凸部の上面に保護膜を残した状態で熱処理や電磁波
照射、又はイオン注入をすることにより凹部の側面及び
底面に荒れを形成した後に第２の窒化物半導体を形成し
てもよい。これにより保護膜を除去後、第３の窒化物半
導体の成長時に成長速度差を大きくすることができる。
このように凹部底面及び側面に荒れを形成後、Ｉｎ_ａＧ
ａ_１−ａＮ（０＜ａ≦１）である第２の窒化物半導体を
成長させることで、より選択的に第１の窒化物半導体の
凸部上面より第３の窒化物半導体を成長させることがで
きる。

【００１１】上記熱処理の温度は特に限定されないが窒
化物半導体の成長温度以下であり、窒化物半導体の表面
が熱分解される程度であればよい。好ましくは４００℃
以上１０５０℃以下の温度範囲とする。熱処理の温度が
１０５０℃以下であれば保護膜下にある第１の窒化物半
導体は熱処理時に分解させることなく露出部である第１
の窒化物半導体凹部を熱分解させることができる。ま
た、熱処理温度が４００℃以下であれば分解が不十分と
なり、長時間の熱処理を必要とするため窒化物半導体基
板の製造効率を下げてしまう。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明を更に詳
細に説明する。図１〜図５は、本発明の窒化物半導体基
板及びその成長方法について一実施の形態を段階的に示
した模式図である。

【００１３】本発明における窒化物半導体基板の成長方
法の一実施形態として、まず、図１に示すように、基板
１上に第１の窒化物半導体２を成長させ、その上に開口
部を有する保護膜３を形成し、次に図２に示すように保
護膜３の開口部に凹部を形成し、第１の窒化物半導体２
に段差形状を形成する。次に、図３に示すように、第１
の窒化物半導体の露出部分である凹部底面及び側面に第
２の窒化物半導体４を成長させ、その後、図４に示す工
程では、第１の窒化物半導体凸部上にある保護膜３を取
り除き、続いて図５に示すように第１の窒化物半導体２
を核として第３の窒化物半導体５を成長させる。この第
３の窒化物半導体が第２の窒化物半導体を覆うことで窒
化物半導体基板を形成する。また、保護膜３の開口部に
凹部を形成後、露出している第１の窒化物半導体の凹部
底面及び側面に熱処理や電磁波照射、又はイオン注入を
行い分解面を形成することで、第３の窒化物半導体の成
長速度にさらに選択性を持たせることができる。

【００１４】以下に各工程ごとに図を用いて更に詳細に
説明する。図１は基板１上に、第１の窒化物半導体２を
成長させ、さらに開口部を有する保護膜３を形成させる
工程を行った模式的断面図である。この基板１として
は、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサフ
ァイア、スピネル（ＭｇＡｌ _２Ｏ_４）のような絶縁性基
板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｇ
ａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子接合する酸化物
基板、その他には金属基板等を用いることができる。ま
た、同種基板である窒化物半導体を用いることもでき
る。これらの基板はオフアングルを有するもの、ステッ
プ状にオフアングルを有するものでもよい。

【００１５】また、基板１上にバッファ層（図示されて
いない）を介して、第１の窒化物半導体２を成長させて
もよい。バッファ層としては、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ
_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦
１）等が用いられる。バッファ層は、３００℃以上９０
０℃以下の温度で、膜厚１０オングストローム以上０．
５μｍ以下で成長される。これは基板１と第１の窒化物
半導体２との格子定数不整を緩和するためであり、転位
欠陥を単位面積あたり１×１０^９個／ｃｍ^２程度まで低
減させる点で好ましい。

【００１６】さらに、基板１上に形成される第１の窒化
物半導体２としては、アンドープの窒化物半導体やＳ
ｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＳ等のｎ型不純物をドープしたｎ
型の窒化物半導体、またはＭｇ等のｐ型不純物をドープ
したもの、ｎ型不純物とｐ型不純物を同時ドープさせた
ものを用いることができる。第１の窒化物半導体２は、
９００℃〜１２００℃で基板上に成長され、第１の窒化
物半導体２の膜厚は凹凸形成に必要な膜厚であれば特に
限定されない。薄膜形成する場合であっても１．０μｍ
以上であれば結晶表面にピットの少ない平坦な鏡面を形
成することができる。第１の窒化物半導体２は一般式Ｉ
ｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示すことができる。

【００１７】次に、第１の窒化物半導体２の表面上に部
分的に形成される保護膜３としては、熱処理（アニー
ル）や電磁波照射、イオン注入による工程後、保護膜下
にある窒化物半導体を分解させない性質を有する材料を
選択する。熱処理工程においては、好ましくは、酸化ケ
イ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）、窒化酸
化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、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、ま
たはこれらの多層膜や１２００℃以上の融点を有する金
属などの材料も用いることができる。電磁波照射やイオ
ン注入をする場合においても、上記材料を保護膜材料に
用いることができる。

【００１８】前記保護膜３の形状としては、例えば、ス
トライプ形状や格子状、又は島状、円形、又は多角形の
開口部を有するものがある。多角形の開口部を有する具
体的なパターン形状としては六角抜き型やその逆パター
ンの六角柱型が挙げられる。ストライプ形状であれば、
第３の窒化物半導体の横方向成長領域はストライプ状に
低欠陥領域となるため、レーザーダイオードに用いるこ
とができる。また、円形や多角形の開口部を形成すれば
第３の窒化物半導体はこれらの開口部の中央部一点で接
合するため基板全体にかかる応力を均等にでき、窒化物
半導体基板の反りを抑制する。さらに円形や多角形のパ
ターンは配列を六回対称や三回対称とすれば平坦化しや
すくなる。

【００１９】保護膜３の開口部の幅は、第１の窒化物半
導体２の凹部抜き取り幅に等しい。保護膜のストライプ
幅及び、格子幅としては、特に限定されないが、ストラ
イプで形成した場合、保護膜のストライプ幅は好ましく
は１〜５０μｍ、より好ましくは５〜２０μｍとする。
また保護膜３の開口部の大きさとしては、例えばストラ
イプ形状である場合、１〜１００μｍであり、形状を円
形とした場合、保護膜の抜き取り型の直径幅は１〜１０
０μｍである。保護膜３が形成されていない開口部は、
ストライプ幅よりも狭くすれば第３の窒化物半導体の成
長時に隣接する第１の窒化物半導体の凸部上面から成長
により薄膜で接合させ平坦化することができる。保護膜
を格子状に形成した場合の格子幅は好ましくは５〜５０
μｍ、より好ましくは１０〜２０μｍである。保護膜の
膜厚としては、熱処理工程において、保護膜下にある第
１の窒化物半導体に荒れ等を生じなければよく、特に限
定する必要はないが０．２〜５μｍの範囲で形成するこ
とができる。

【００２０】また、保護膜３をストライプ状に形成する
場合に、基板１を成長面がＣ面、オリフラ面をＡ面とす
るサファイアとすれば、このオリフラ面の垂直軸に対し
てなす角をθとし、このθ＝０°〜５°の範囲でストラ
イプをずらして形成することで、より成長面が平坦で良
好な結晶が得られる。

【００２１】この保護膜３の成膜方法としては、例え
ば、ＣＶＤ、スパッタリング及び、蒸着法等を用い成膜
させることにより、保護膜３を形成し、その後、レジス
トを塗布して、フォトリソグラフィにより保護膜を所定
の形状であるストライプ状又は格子状等にエッチングす
る。

【００２２】第１の窒化物半導体２上に開口部を有する
保護膜３を形成した後、図２に示すように 第１の窒化
物半導体に段差を形成させるため、保護膜の開口部より
エッチングを行うことにより凹部を形成する。

【００２３】ここで、凹部の深さは、０．１以上であ
り、凹部底面は第１の窒化物半導体とするが、基板を露
出させてもよい。ここで、凹部は、後の工程で第３の窒
化物半導体を成長させた後に凹部内に空洞を有するもの
は、第１の窒化物半導体のエッチング深さを０．２μｍ
以上とする。

【００２４】また、窒化物半導体に凹凸を形成する場合
のエッチング方法としては、ウェットエッチング、ドラ
イエッチング等の方法があるが、好ましくは異方性エッ
チングであり、ドライエッチングを用いる。ドライエッ
チングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電
子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、ＩＣＰプラズ
マエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガス
を適宜選択することで窒化物半導体をエッチングする。

【００２５】次に図３に示すように、第１の窒化物半導
体の露出部である凹部底面及び端面に第２の窒化物半導
体を成長させる。この第２の窒化物半導体は第１の窒化
物半導体や第３の窒化物半導体とは組成比やドーピング
量が異なるものとする。第２の窒化物半導体にはＩｎを
含有するのが好ましい。Ｉｎを含有することで、この表
面からは窒化物半導体の再成長がおこりにくい。そのた
め、第３の窒化物半導体を選択的に第１の窒化物半導体
凸部上面から成長させることができる。なお、第１の窒
化物半導体にＩｎを含有する場合は、より第２の窒化物
半導体のＩｎ含有比を高くすればよい。第２の窒化物半
導体は、第１の窒化物半導体の凹部底面及び側面にのみ
形成されているため、後に成長させる第３の窒化物半導
体は第２の窒化物半導体に接触せずに成長させることも
できる。そのため、ＥＬＯ法のような保護膜上に窒化物
半導体を成長させる場合では、保護膜と窒化物半導体と
の間に応力が発生し、窒化物半導体同士の接合部に段差
が生じ平坦化できない等の課題があったが本発明ではこ
のような問題はなくなる。さらに、保護膜がＳｉＯ _２等
であれば、窒化物半導体の成長時に分解すれば窒化物半
導体の結晶性を低下させる汚染源となるが、本発明では
窒化物半導体と異なる材質を保護膜として用いない。本
発明では窒化物半導体の四元混晶から二元混晶とする第
２の窒化物半導体に保護膜と同様の作用を持たせるのみ
である。窒化物半導体基板を形成後にも、窒化物半導体
内に保護膜は存在せず、そのため結晶性はよく、この上
に形成される発光素子や受光素子の寿命特性の向上が期
待できる。

【００２６】ここで、第２の窒化物半導体４としては、
一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０
≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示すことができる。好ま
しくはＩｎを含有するものであり、一般式Ｉｎ_ａＧａ
_１−ａＮ（０＜ａ≦１）で示すことができる。成長温度
は６００℃以上９００℃以下の低温であり、成長雰囲気
は窒素雰囲気が好ましい。また、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ
等のｎ型不純物やＭｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物をドープし
た窒化物半導体、さらにはｎ型不純物とｐ型不純物を同
時ドープさせた窒化物半導体を用いることができる。こ
の場合、第２の窒化物半導体は第１の窒化物半導体より
もドープ量を多くすることで、第３の窒化物半導体の成
長に選択性を持たせることができる。

【００２７】また、第２の窒化物半導体を成長させる前
に第１の窒化物半導体の凹部底面及び側面に熱処理や電
磁波照射、又はイオン注入をすることが好ましい。熱処
理をすれば保護膜下の第１の窒化物半導体凸部以外の露
出部は表面分解がおこる。表面に荒れが生じ、表面が平
坦ではなくなる。そのため、この上に第２の窒化物半導
体を成長すれば、第２の窒化物半導体は多結晶化がおこ
り、第３の窒化物半導体の成長にさらに選択性をもたせ
ることができる。イオン注入でも同様の効果がある。熱
処理とは窒化物半導体基板を昇温させることで、第１の
窒化物半導体の露出部表面に分解面を形成させるもので
ある。この分解面を形成することで、第３の窒化物半導
体の成長速度に選択性を持たせることができる。つま
り、保護膜下にある第１の窒化物半導体の凸部上面から
の成長を選択的に行うことができる。熱処理では温度を
４００℃以上とし好ましくは６００℃以上１０５０℃以
下とする。熱処理の時間は特に限定しないが１〜６０分
とする。

【００２８】次に、図４に示すように保護膜３を除去し
た後、図５に示すように第３の窒化物半導体５を成長さ
せる。保護膜を除去する方法には、ドライエッチングや
ウェットエッチングを用いることができ、どちらの方法
も窒化物半導体の結晶性を低下させることなく保護膜を
除去することができる。この保護膜を除去させることに
より、ＳｉＯ_２等の保護膜が保護膜上に成長する窒化物
半導体の成長時に分解拡散することによる窒化物半導体
の異常成長や結晶性の低下等の問題を抑制することがで
きる。

【００２９】第３の窒化物半導体同士が接合し平坦な鏡
面を有する窒化物半導体基板を形成することができる。
また、窒化物半導体基板に空洞を有するため応力を抑制
した低欠陥である窒化物半導体基板が得られる。ここ
で、第１の窒化物半導体の凸部上面から選択的に第３の
窒化物半導体を成長させるため、第３の窒化物半導体を
横方向、縦方向に成長後には、結晶欠陥を低減させ、さ
らに空間を形成することができる。

【００３０】第３の窒化物半導体５としては、一般式Ｉ
ｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ
≦１）によって表され、アンドープの窒化物半導体、お
よびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープした
窒化物半導体、またはＭｇ、Ｚｎ等のｐ型不純物をドー
プした窒化物半導体、さらにはｎ型不純物とｐ型不純物
を同時ドープさせた窒化物半導体を用いることができ
る。第３の窒化物半導体５の成長温度は、９００〜１１
００℃である。また、この第３の窒化物半導体５の膜厚
は、５μｍ以上あれば表面を平坦に埋めることができ
る。

【００３１】本発明における窒化物半導体基板の成長方
法は、前記成長工程を繰り返し行うことにより更に結晶
欠陥を低減させることもできる。さらに、第１の窒化物
半導体を多角形や円形の凹部抜き取り形状として形成し
た窒化物半導体基板とすることもできる。このような多
角形や円形の凹部抜き取り形状であれば、第３の窒化物
半導体は第１の窒化物半導体の凸部上面を核として成長
し、第３の窒化物半導体同士の接合部を一点とすること
ができる。

【００３２】本発明の窒化物半導体の成長方法におい
て、窒化物半導体を成長させる方法としては、特に限定
されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶ
ＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキ
シー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等の
方法を適用できる。

【００３３】以上により得られた窒化物半導体基板はＣ
Ｌ測定により単位面積あたりの結晶欠陥を１×１０^７個
／ｃｍ^２以下とし、発光素子、その他の電子デバイスに
用いることができる。

【００３４】

【実施例】以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれ
に限定されない。 ［実施例１］Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とする
サファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ装置を用い、温度
を５００℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニ
アとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイ
ア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オング
ストロームの膜厚で成長させた。

【００３５】次に、基板をＭＯＣＶＤ装置において、常
圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ
（トリメチルガリウム）を１６２μｍｏｌ／ｍｉｎ（Ｖ
／III比＝２２００）、アンモニアを０．３６ｍｏｌ／
ｍｉｎを用い、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物
半導体２を５μｍの膜厚で成長させた。第１の窒化物半
導体の表面写真を図７に示す。この表面は荒れがない。

【００３６】その第１の窒化物半導体２の上にＣＶＤ法
によりＳｉＯ_２よりなる保護膜を０．３μｍの膜厚で成
膜した。次にストライプ状のフォトマスクを形成し、エ
ッチングにより保護膜のストライプ幅１０μｍ、開口部
の幅を１０μｍとした。なお、この保護膜３のストライ
プ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とし、その
後、露出部である第１の窒化物半導体２を４μｍエッチ
ングすることにより第１の窒化物半導体に凹凸を形成し
た。

【００３７】第１の窒化物半導体２の凸部上面に保護膜
３を残した状態で、熱処理を９００℃で２０分間、アン
モニア及び水素雰囲気で行った。その後、第２の窒化物
半導体４をＮＨ_３、ＴＥＧ、ＴＭＩを原料として用い、
成長温度７００℃、窒素雰囲気でＩｎ_０．６Ｇａ_０．４
Ｎを１０００Åで成長させた。

【００３８】その後、第１の窒化物半導体の凸部上面に
残ったＳｉＯ_２保護膜をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）
で完全に取り除いた。保護膜を除去後の表面写真を図８
に示す。図８は、保護膜下にあった第１の窒化物半導体
２と第２の窒化物半導体４とがストライプ状にある表面
写真である。保護膜下にあった第１の窒化物半導体２は
表面に荒れ等はなく、図７に等しい。しかし、熱処理
後、第２の窒化物半導体Ｉｎ_０．６Ｇａ_０．４Ｎを成長
させた領域では荒れが生じている。また、多結晶化して
いる部分もある。

【００３９】その後、再びＭＯＣＶＤ装置において、第
３の窒化物半導体５を第１の窒化物半導体２の凸部上面
より選択的に成長させた。第３の窒化物半導体５は第１
の窒化物半導体２の凸部上面を核として縦方向及び横方
向に成長することで、お互いに接合し平坦化する。成長
条件としては、原料ガスにＴＭＧ２３０μｍｏｌ／ｍｉ
ｎ（Ｖ／III比＝８９０）、アンモニアを０．２ｍｏｌ
／ｍｉｎを用い、アンドープＧａＮを常圧で、温度を１
０５０℃で、膜厚を１０μｍの膜厚で成長させた。

【００４０】以上より得られた第３の窒化物半導体５を
ＣＬ（カソード・ルミネッセンス）で測定すると、図９
に示すように単位面積あたりの欠陥数は８×１０^６個／
ｃｍ ^２以下となった。また、図１０は断面ＳＥＭ写真で
あり凹部に空洞を有し、かつ第３の窒化物半導体を成長
後、平坦化した窒化物半導体基板を示す。

【００４１】［実施例２］実施例１において、第２の窒
化物半導体にＧａＮを用いた以外は同様の条件で窒化物
半導体を成長させた。

【００４２】本実施例では、第２の窒化物半導体はＴＭ
Ｇ、ＮＨ_３を原料とし、成長温度６００℃、膜厚１００
０Åで成長させた。得られた窒化物半導体基板はＣＬ
（カソード・ルミネッセンス）で測定すると、単位面積
あたりの欠陥数は１×１０^７個／ｃｍ^２以下となった。
図１１は断面ＳＥＭ写真であり凹部に空洞を有し平坦化
した窒化物半導体基板を示す。

【００４３】［実施例３］実施例１において、保護膜の
開口部である第１の窒化物半導体２をサファイア基板が
露出するまでエッチングする他は同様にして窒化物半導
体を成長させる。その結果、実施例１と同様に良好な結
果を得ることができる。

【００４４】［実施例４］実施例１において、保護膜の
幅を６μｍとし、開口部の幅を１４μｍとする他は同様
にして窒化物半導体を成長させる。その結果、実施例１
と同様に良好な結果を得ることができる。

【００４５】［実施例５］次に、前記実施例１で得られ
た窒化物半導体基板上に以下の順で窒化物半導体素子
（図６に示す）を形成する。

【００４６】［アンドープｎ型コンタクト層（図示され
ていない）］前記窒化物半導体基板をＭＯＣＶＤ装置の
反応容器内にセットし、１０５０℃で窒化物半導体に、
ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルア
ルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_０．０５Ｇａ
_０．９５Ｎよりなるアンドープｎ型コンタクト層を１μ
ｍの膜厚で成長させる。この層は、窒化物半導体基板と
ｎ型コンタクト層をはじめとする半導体素子との間で、
緩衝層としての機能を有する。

【００４７】［ｎ型コンタクト層１０３］次にアンドー
プｎ型コンタクト層上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、
不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉ
ドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_{０． ９５}Ｎよりなるｎ型コ
ンタクト層１０３を４μｍの膜厚で成長させる。

【００４８】［クラック防止層（図示されていない）］
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アン
モニアを用い、温度を９００℃にしてＩｎ_０．０７Ｇａ
_０．９３Ｎよりなるクラック防止層を０．１５μｍの膜
厚で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能
である。

【００４９】［ｎ型クラッド層１０４］次に、温度を１
０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモ
ニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎ
よりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭ
Ａを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを
５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を
２５Åの膜厚で成長させる。この操作を２００回繰り返
しＡ層とＢ層との積層構造とし、総膜厚１μｍの多層膜
（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。

【００５０】［ｎ型光ガイド層１０５］次に、シランガ
スを止め、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモ
ニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド
層１０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型
光ガイド層１０５は、ｎ型不純物をドープしてもよい。

【００５１】［活性層１０６］次に、温度を９００℃に
し、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭ
Ｇ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガス
を用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ
_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜
厚で成長させ、シランガスを止め、アンドープのＩｎ
_０．１３Ｇａ_{０．８ ７}Ｎよりなる井戸層を２５Åの膜厚
で成長させることにより、障壁層／井戸層／障壁層／井
戸層の順に積層し、最後に障壁層として、ＴＭＩ、ＴＭ
Ｇ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ_０．０５Ｇ
ａ_０．９５Ｎを成長させる。活性層１０６は、総膜厚５
００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。

【００５２】［ｐ型キャップ層（図示されていない）］
次に、活性層と同じ温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ
及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ
（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを
１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７
Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層を１００Åの膜厚で成長
させる。

【００５３】［ｐ型光ガイド層１０７］次に、Ｃｐ_２Ｍ
ｇ、ＴＭＡを止め、温度を１０５０℃にして、原料ガス
にＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよ
りなるｐ型光ガイド層１０７を０．１５μｍの膜厚で成
長させる。

【００５４】［ｐ型クラッド層１０８］次に、１０５０
℃でアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＡ
層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃ
ｐ_２Ｍｇを用いて、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープ
したＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、そ
れを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よ
りなるｐ型クラッド層８を成長させる。ｐ型クラッド層
は、ＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とす
る。ｐ型クラッド層１０８を超格子構造とすることによ
って、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができ
るので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらに
バンドギャップエネルギーが大きくなるので、しきい値
を低下させる上で非常に有効である。

【００５５】［ｐ型コンタクト層１０９］最後に、１０
５０℃で、ｐ型クラッド層１０９の上に、ＴＭＧ、アン
モニア、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ
^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１０
９を１５０Åの膜厚で成長させる。以上、窒化物半導体
素子とする。

【００５６】［実施例６］上記に示す実施例５におい
て、窒化物半導体素子を積層させた後、窒化物半導体基
板を反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層
の表面にＳｉＯ_２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ
（反応性イオンエッチング）法でエッチングを行い、ｎ
電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０３の表面を露出
させる。

【００５７】次に、レジストをマスクとして形成し、Ｒ
ＩＥを用いてエッチングすることにより、ストライプ状
の導波路領域としてリッジをストライプ幅を１．８μｍ
で形成する。このエッチング深さはｐ型クラッド層まで
エッチングすることで、ストライプ状の光導波路領域と
する。その後、スパッタ装置を用いて第１の絶縁膜であ
るＴｉＯ_２を膜厚５００Åで形成する。その後、リッジ
側壁部とレジスト上部の第１の絶縁膜を除去し、第２の
絶縁膜であるＺｒＯ_２を膜厚５５０Åで形成する。その
後、剥離液によりリッジ上部を露出させる。

【００５８】次に前記リッジ最上面の露出したｐ型コン
タクト層上にｐ側電極をＮｉ／Ａｕで形成し、エッチン
グにより露出したｎ型コンタクト層上にはＴｉ／Ａｌよ
りなるｎ型電極を形成する。このｐ側電極は、リッジ上
にストライプ形成されており、同じくストライプ形成さ
れているｎ側電極とは平行な方向で形成する。次に、光
反射端面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜を
設けた後、ｐ側電極、及びｎ側電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａ
ｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパ
ット電極をそれぞれ形成する。

【００５９】次に窒化物半導体素子をチップ化してヒー
トシンクに設置し、それぞれのパッド電極にワイヤーボ
ンディングをすることで窒化物半導体レーザダイオード
とする。以上より、この窒化物半導体レーザダイオード
を用いて、室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ^２、
５〜３０ｍＷの出力においてリップルが発生せず、３０
００時間以上の寿命特性を有する発振波長４０５ｎｍの
連続発振の窒化物半導体レーザダイオードとすることが
できる。

【００６０】［実施例７］上記に示す実施例５におい
て、窒化物半導体素子を積層させた基板よりレーザアレ
イを形成する。本実施例のレーザアレイは５つのストラ
イプ構造に対して２つのｎ電極を有するものである。５
つのストライプのリッジ幅は２０μｍであり、ストライ
プ間隔は４μｍとする。絶縁膜ＺｒＯ_２を膜厚０．２μ
ｍで窒化物半導体素子の上面に形成する。その後、スト
ライプのリッジ上のみ絶縁膜を取り除き、ｐ型コンタク
ト層と接触するようにｐ電極Ｎｉ／Ａｕをリッジ上にス
トライプ形状で形成する。さらに、５つのストライプに
対して両側に露出しているｎ型コンタクト層上にｎ電極
Ｔｉ／Ａｌをｐ電極と同様にストライプ形状に形成す
る。

【００６１】次に、光反射端面にＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よ
りなる誘電体多層膜を設け、各電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａ
ｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパ
ッド電極を形成する。この窒化物半導体素子をチップ化
し、ヒートシンクに設置し、それぞれのパッド電極にワ
イヤーボンディングをすることで窒化物半導体レーザア
レイとする。これにより３００ｍＷ以上の高出力が可能
となる。

【００６２】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体基板の成長方法に
よれば、応力を有することなく、第１の窒化物半導体上
面より第３の窒化物半導体を縦方向及び横方向に成長さ
せることで表面を平坦化した低欠陥の窒化物半導体基板
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において得られる窒化物半導体基板の一
工程を示す模式的断面図である。

【図２】本発明において得られる窒化物半導体基板の一
工程を示す模式的断面図である。

【図３】本発明において得られる窒化物半導体基板の一
工程を示す模式的断面図である。

【図４】本発明において得られる窒化物半導体基板の一
工程を示す模式的断面図である。

【図５】本発明において得られる窒化物半導体基板の一
工程を示す模式的断面図である。

【図６】本発明において得られる窒化物半導体素子の構
造を示す模式的断面図である。

【図７】本発明における実施例１において得られた窒化
物半導体基板の表面写真である。

【図８】本発明における実施例１において得られた窒化
物半導体基板の表面写真である。

【図９】本発明における実施例１において得られた窒化
物半導体基板の表面ＣＬ写真である。

【図１０】本発明における実施例１において得られた窒
化物半導体基板の断面ＳＥＭ写真である。

【図１１】本発明における実施例２において得られた窒
化物半導体基板の断面ＳＥＭ写真である。

【符号の説明】

１・・・基板 ２・・・第１の窒化物半導体 ３・・・保護膜 ４・・・第２の窒化物半導体 ５・・・第３の窒化物半導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 AA04 BB05 BB14 CC01 DD08 DD15 DD16 FF13 GG02 GG04 5F041 CA05 CA40 CA65 CA71 CA74 5F049 MB07 PA04 PA10 PA14 5F073 AA13 AA45 AA74 AA77 CA07 DA05 DA14 DA25

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、凹凸の段差を有した第１の窒
   化物半導体と、該第１の窒化物半導体の凹部端面及び底
   面に第１の窒化物半導体と組成の異なる第２の窒化物半
   導体と、前記第１の窒化物半導体の凸部上面から成長し
   第２の窒化物半導体を覆う第３の窒化物半導体とを有す
   る窒化物半導体基板。
2. 【請求項２】 前記第２の窒化物半導体と第３の窒化物
   半導体との間には空洞を有することを特徴とする請求項
   １に記載の窒化物半導体基板。
3. 【請求項３】 前記第２の窒化物半導体はＩｎ_ａＧａ
   _１−ａＮ（０＜ａ≦１）から成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基板。
4. 【請求項４】 基板上に第１の窒化物半導体を成長さ
   せ、該第１の窒化物半導体に開口部を有する保護膜を形
   成する工程と、前記保護膜の開口部に凹部を形成し第１
   の窒化物半導体に凹凸の段差形状を形成する工程と、前
   記第１の窒化物半導体の凹部端面及び底面に第２の窒化
   物半導体を成長する工程と、前記第２の窒化物半導体を
   成長した後、保護膜を取り除き、第１の窒化物半導体の
   凸部を核として第３の窒化物半導体を成長させ第２の窒
   化物半導体を覆う工程とを有することを特徴とする窒化
   物半導体基板の成長方法。
5. 【請求項５】 前記第２の窒化物半導体はＩｎ_ａＧａ
   _１−ａＮ（０＜ａ≦１）から成ることを特徴とする請求
   項４に記載の窒化物半導体基板の成長方法。
6. 【請求項６】 前記第１の窒化物半導体に凹凸の段差を
   形成する工程後、第１の窒化物半導体の露出部である凹
   部側面及び底面に熱処理、又は電磁波照射をする工程を
   含むことを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体基
   板の成長方法。
7. 【請求項７】 前記第１の窒化物半導体に凹凸の段差を
   形成する工程後、第１の窒化物半導体の露出部である凹
   部側面及び底面にイオン注入する工程を含むことを特徴
   とする請求項４に記載の窒化物半導体基板の成長方法。