JP2007281140A - 化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な表面モホロジーを有する化合物半導体基板、その製造方法及び半導体発光デバイスを提供する。
【解決手段】 六方晶のＣ軸に対して傾斜した基準軸Ｃ’に垂直な平面で切断されてなる階段状の露出表面を有する下地基板１１０と、下地基板１１０の露出表面上に成長し複数の溝ＧＲを有する六方晶の第１のＧａＮ系半導体層１と、第１のＧａＮ系半導体層１の溝ＧＲ内に成長した第２のＧａＮ系半導体層２とを備えている。階段状の露出表面は複数のテラスＴＲが段差ＳＴＰを介して連続してなり、このテラスＴＲの長手方向と、第１のＧａＮ系半導体層１の溝の長手方向Ｇとは交差している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ＧａＮ系半導体層を備えた化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイスに関する。

ＧａＮの結晶構造は、六方晶のウルツ鉱構造と閃亜鉛鉱構造の２種類が知られているが、前者がエネルギー的に安定であるため、一般に用いられる。ウルツ鉱構造のＧａＮの格子定数は、Ａ軸が０．３１８nm、Ｃ軸が０．５１７ｎｍである。ＧａＮのエネルギーバンドギャップは室温において約３．４ｅＶであり、波長では約３６５ nmに相当し、紫外領域の光源となる。ＧａＮにＩｎを混入したＩｎＧａＮは、紫色〜青色の光源として用いることができる。したがって、ＧａＮ系半導体層は、発光ダイオードなどの材料として用いられている。ＧａＮ層を成長させるための下地基板として、サファイア基板が用いられている。

六方晶の単結晶サファイアの格子定数は、Ａ軸が０．４８ｎｍ、Ｃ軸が１．３０ｎｍであり、ＧａＮよりも結晶格子の寸法が大きいが、ＧａＮ結晶はサファイア基板上に成長可能である。

ＧａＮ系半導体層の結晶性を向上させる試みが行われている。

特許文献１に記載の低転位化技術では、ＧａＮ系半導体層にストライプ状の絶縁層を形成した後、この上に、別のＧａＮ系半導体層を更に成長させている。なお、特許文献１に記載のサファイア基板のオフ角は０．１°〜０．５°であり、オフ角をつけると露出表面は微細な階段を構成する。この階段状の露出表面は、段差を介して連続する複数のテラスから構成されている。

また、特許文献２に記載の技術では、ストライプ状の絶縁層に代えて第１のＧａＮ系半導体層に溝加工を施している。サファイア基板のオフ角に起因する階段表面におけるテラスの長手方向（段差を乗り超える方向に垂直な長手方向）は、サファイアのＡ面に対して垂直に形成されており、オリエンテーションフラットをＡ面とし、凹凸のストライプをＡ面に対して垂直方向に形成している。溝加工した第１のＧａＮ系半導体層上に、更に第２のＧａＮ系半導体層の成長を行う場合においては、溝の左右の斜面から横方向に成長が進むことにより、この溝が埋め込まれることになる。
特許第３５２５７７３号公報 特開２０００−２４４０６１号公報

しかしながら、従来の化合物半導体基板の結晶性、特に表面モホロジーは十分ではなく、更なる改良が望まれている。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、良好な表面モホロジーを有する化合物半導体基板、その製造方法及び半導体デバイスを提供することを目的とする。

本願発明者らは、上述の第２のＧａＮ系半導体層の埋め込み成長を鋭意検討した結果、第１のＧａＮ系半導体層の溝の左右の斜面から横方向に成長した半導体結晶が出会う瞬間の高さの違いに起因して、大きな段差が発生し（ステップバンチング）、表面モホロジーが低下することを発見した。このステップバンチングを有する基板に半導体レーザを形成した場合、その量子井戸活性層の発光効率が低下し、発光波長にばらつきが発生する。したがって、段差のズレを抑制するためには、基板のオフ角の溝の長手方向に直交する成分をできるかぎり小さくすることが望ましい。

かかる知見に基づき、本発明に係る化合物半導体基板は、化合物半導体基板において、六方晶のＣ軸に対して傾斜した基準軸に垂直な平面で切断されてなる階段状の露出表面を有する下地基板と、下地基板の露出表面上に成長し複数の溝を有する六方晶の第１のＧａＮ系半導体層と、第１のＧａＮ系半導体層の溝内に成長した第２のＧａＮ系半導体層とを備え、階段状の露出表面は複数のテラスが段差を介して連続してなり、このテラスの長手方向と、第１のＧａＮ系半導体層の溝の長手方向とは交差していることを特徴とする。

この化合物半導体基板によれば、第１及び第２のＧａＮ系の半導体層を備えているので、この上にＧａＮ系半導体のエネルギーバンドギャップに対応した紫外から青色の発光素子を形成することができる。下地基板は六方晶であり、この上に成長する第１のＧａＮ系半導体層も六方晶なので、これらの結晶相互の不整合は緩和されている。また、第１のＧａＮ系半導体層は、複数の溝を備えているので、この上に第２のＧａＮ系半導体層を成長させる場合、溝上で第２のＧａＮ半導体層は、横方向へ成長するが、この横方向の埋め込み成長の過程においては、転位等の欠陥が横方向に曲げられるため、第２のＧａＮ半導体層内の欠陥密度を低減している。

ここで、オフ角を有する下地基板の原子レベルの階段、すなわち、複数のテラスそれぞれの長手方向が問題となる。テラスの長手方向は、オフ角を与える基準軸がＣ軸に対して傾斜する方向に直交している。ここで、溝の長手方向とテラスの長手方向とは交差しており、下地基板のオフ角の溝の長手方向に直交する成分は小さくなる。これにより、第２のＧａＮ系半導体層の表面モホロジーは改善される。

また、本発明に係る化合物半導体基板の製造方法は、階段状の露出表面を有する六方晶の下地基板を用意する工程と、この露出表面上に六方晶の第１のＧａＮ系半導体層を成長させる工程と、第1のＧａＮ系半導体層をエッチングして複数の溝を形成する工程と、第１のＧａＮ系半導体層の溝内に第２のＧａＮ系半導体層を成長させる工程とを備え、階段状の露出表面は、Ｃ軸に対して傾斜した基準軸に垂直な平面で切断されてなり、複数のテラスが段差を介して連続してなり、このテラスの長手方向と、第１のＧａＮ系半導体層の溝の長手方向とは、これらが交差するように設定することを特徴とする。

この化合物半導体基板の製造方法によれば、第２のＧａＮ系半導体層を、第１のＧａＮ系半導体層の溝内に成長させる場合、上述のように横方向成長となるため、欠陥密度を低減させることができる。また、第２のＧａＮ系半導体が成長する際に、溝の長手方向とテラスの長手方向は交差しているので、下地基板のオフ角の溝の長手方向に直交する成分は小さくなり、溝の両側面から成長した結晶が互いに突き当たった場合に発生するステップバンチングが抑制される。これにより、第２のＧａＮ系半導体層の表面モホロジーは改善されることとなる。

また、上記基準軸は、Ｃ軸に対してＭ軸方向に傾斜していることが好ましい。この場合、テラス長手方向はＭ軸に直交する方向、すなわちＡ軸方向を向くため、Ａ軸方向に沿って段差が整列し易くなり、第２のＧａＮ系半導体層の結晶性が改善する。

また、このときの上記交差の角度は、５度以上９３度以下であることが好ましい。この場合、第２のＧａＮ系半導体層の表面におけるマクロステップの発生、すなわち、ステップバンチングが抑制された。この角度は９０度以下であればよいが、３度は誤差として９３度以下とした。

また、上記基準軸は、Ｃ軸に対してＡ軸方向に傾斜していることが好ましい。この場合、テラス長手方向はＡ軸に直交する方向、すなわちＭ軸方向を向くため、Ｍ軸方向に沿って段差が整列し易くなり、第２のＧａＮ系半導体層の結晶性が改善する。

また、このときの上記交差の角度は、９０度±３度であることが好ましい。この場合、第２のＧａＮ系半導体層の表面におけるマクロステップの発生、すなわち、ステップバンチングが抑制されるばかりでなく、ＰＬ（フォトルミネッセンス）強度も極めて高くなり、結晶性が著しく改善された。なお、±３度は誤差を示す。

第１のＧａＮ系半導体層の溝の繰り返し周期Ｔ、基準軸のＣ軸からの傾斜角（オフ角）θの溝の長手方向に垂直な成分θ_Ｐは、不等式：６×１０^−８／Ｔ≧ｔａｎθ_Ｐを満たすことが好ましい。すなわち、溝の両側面から成長した結晶は、溝の上方位置において突き当たるが、この突き当たり時に形成されるステップの高さｄは、Ｔ×ｔａｎθ_Ｐで与えられるが、これは６×１０^−８ｍ以下であることが好ましいからである。このときの溝の幅Ｗは周期Ｔの１／２である。

また、溝が繰り返し構造を持たない場合、上記溝の幅Ｗ、基準軸のＣ軸からの傾斜角θの溝の長手方向に垂直な成分θ_Ｐは、不等式：３×１０^−８／Ｗ≧ｔａｎθ_Ｐを満たすことが好ましい。すなわち、ステップの高さｄは、２Ｗ×ｔａｎθ_Ｐ＝６×１０^−８ｍで与えられるからである。

下地基板はサファイア基板であることが好ましい。サファイアは六方晶の結晶構造を有し、その上にＧａＮ系半導体層を成長させることができるため、下地基板の材料として好適である。

また、本発明に係る半導体デバイスは、上述の化合物半導体基板と、溝上の領域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。表面モホロジーの優れた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電気伝導特性に優れることとなる。半導体機能素子が発光素子の活性層である場合には、その発光効率が向上し、発光波長のばらつきが低減する。

本発明の化合物半導体基板は良好な表面モホロジーを有し、その製造方法によれば良好な表面モホロジーを有する化合物半導体基板を製造することができ、このような化合物半導体基板からできる半導体デバイスは、特性が向上し、発光素子である場合には、発振波長のばらつき及び発振閾値を低下させ、発振強度を増加させることが可能となる。

以下、実施の形態に係る化合物半導体基板、製造方法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、六方晶の結晶構造の斜視図である。

六方晶の結晶構造を有するものにサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮなどが知られている。六方晶の窒化化合物半導体はサファイア基板との格子不整合が比較的大きいにも拘らず、サファイア基板への成長が可能であることが知られている。

なお、六方晶における六角形の中心から頂点に向かう軸をＡ軸＜１１−２０＞、これに垂直な軸をＭ軸＜１−１００＞とし、Ａ面（１１−２０）及びＭ面（１−１００）は、それぞれＡ軸及びＭ軸に垂直であり、Ａ軸及びＭ軸の双方に垂直な軸をＣ軸、Ｃ軸＜０００１＞に垂直な面をＣ面（０００１）とする。なお、六方晶のＭ軸（Ａ軸）は１２０度ごとに３方向に存在する。

図２は、サファイアからなるウェハの平面図である。

ウェハＷＦの一端はオリエンテーションフラットＯＦを構成しており、オリエンテーションフラットＯＦに平行な直線はサファイアのＭ軸に垂直である。ウェハＷＦはオフ角を有しており、その露出表面は複数のテラスＴＲを有する階段表面を構成している。これらのテラスＴＲの法線はＣ軸に平行であるが、基板表面の法線Ｃ’は、Ｃ軸に対してM軸方向にθだけずれている。本例のオフ角θは０．１５度とする。各テラスＴＲの長手方向はサファイア基板のＡ軸に一致する。第１のＧａＮ系半導体層はサファイア基板上に成長し、所定の方向に延びるエッチング溝を有するが、このエッチング溝はテラスＴＲの長手方向に対して交差する。

図３は、第１のＧａＮ系半導体層のエッチング溝の底面Ｓを説明するための図である。

バルクの結晶ＢＬＫをＣ軸からＭ軸方向へ角度θだけ傾斜した軸Ｃ’に垂直な平面Ｐで切断すると、この平面Ｐは基板表面を規定するが、エッチング溝の底面Ｓは基板表面よりも僅かに内側に存在するため、この平面Ｐに平行な平面が底面Ｓとなる。

図４は、図３に示したエッチング溝の底面Ｓを含む領域Ｑの拡大図である。

底面Ｓの法線はＣ’軸に一致しており、Ｃ’軸とＭ軸とを含む平面内において、基板の露出表面は階段を構成している。階段のテラスの法線はＣ軸に一致する。

図５は、下地基板１１０上にエッチング溝を有する第１のＧａＮ系半導体層１を備えたウェハＷＦの斜視図である。なお、溝やテラスの寸法は実際よりも誇張して記載してある。

この化合物半導体基板は、六方晶のＣ軸に対して傾斜した基準軸Ｃ’に垂直な平面で切断されてなる階段状の露出表面を有する下地基板１１０と、下地基板１１０の露出表面上に成長し複数の溝ＧＲを有する六方晶の第１のＧａＮ系半導体層１とを備えている。第１のＧａＮ系半導体層１の露出表面は、下地基板１１０の表面形状を複製したものであり、複数のテラスＴＲが段差ＳＴＰを介して連続してなる。すなわち、下地基板１１０の露出表面も、第１のＧａＮ系半導体層１の露出表面も、共に、複数のテラスＴＲが段差ＳＴＰを介して連続してなる。

テラスＴＲの長手方向（下地基板１１０のＡ軸）と、第１のＧａＮ系半導体層１の溝ＧＲの長手方向Ｇとは、角度γ（≠０）で交差している。

図６及び図７は、第１のＧａＮ系半導体層１の表面の拡大図である。

サファイアからなる下地基板１１０の結晶軸は大文字（Ｍ軸、Ａ軸）で示し、ＧａＮからなる第１のＧａＮ系半導体層１の結晶軸は小文字（ｍ軸、ａ軸）で示す。サファイア及びＧａＮは、共に六方晶であるが、ＧａＮの結晶軸（ｍ軸、ａ軸）は、サファイアのＣ軸を中心に対応する結晶軸（Ｍ軸、Ａ軸）を９０度回転させたものと等価である。すなわち、Ｍ軸方向とＡ軸方向は、それぞれ、ａ軸方向とｍ軸方向に一致する。

第１のＧａＮ系半導体層１の一方の結晶軸（ｍ軸）は、テラスＴＲの長手方向に一致している。換言すれば、ｍ軸と溝ＧＲの長手方向Ｇとの成す角度はγ（≠０）である。第１のＧａＮ系半導体層１の他方の結晶軸（ａ軸）は、下地基板１１０のＭ軸に一致している。また、テラスＴＲの表面はＭ軸に沿った方向、すなわち矢印ＳＬの方向に傾斜している。

なお、下地基板１１０は六方晶のサファイアからなり、その上に六方晶のＧａＮ系半導体層を成長させることができるため、サファイアは下地基板の材料として好適である。

ＧａＮ系の結晶は、結晶のｍ軸（サファイアＡ軸）に垂直な面で劈開が生じやすい。また、ＧａＮ系結晶の横方向成長は、ａ軸方向（サファイアＭ軸方向）に進みやすい。そのため、横方向成長の基点となる溝加工は、その長手方向Ｇを結晶のｍ軸に垂直（サファイアＡ軸に垂直）に作製することが好ましい。この場合、溝側面から横方向に成長した低欠陥な結晶部分が溝ストライプ上に作製される。これによれば、ｍ軸に垂直に劈開することで良好な反射面を形成することができ、また、ｍ軸に沿って溝ＧＲ内に結晶成長するため結晶が欠陥密度が低くなる。また、この低欠陥領域上に作製された発光領域を併せ持つ半導体レーザの作成が可能となる。

但し、レーザの反射面はドライエッチングにより作製することも可能であり、この場合、長手方向ＧをＧａＮ系結晶のｍ軸に対して垂直とすることに、必ずしもこだわる必要はない。よって、ＧａＮ系結晶のｍ軸方向に傾いたＧａＮ系結晶上にｍ軸方向の溝加工ストライプを作製して埋め込み成長を行っても構わない。

また、テラス長手方向と溝ＧＲの長手方向Ｇのなす角度γは、必要とする平坦な領域の幅ｗにより異なる。幅ｗを必要とする場合、基板の端からｔａｎγ≧ｗ／Ｌとなる長さＬの領域にマクロステップが発生することになる。幅Ｗが１００μｍであっても、５度の場合で、成長される基板の端から長さ１２００μｍの部分にマクロステップが発生することとなるが、これは、たとえばウエハサイズ２インチに対して、大きな問題となる数字ではない。実際の実験では、溝ストライプ方向と原子層テラス長手方向とのなす角が１５度からマクロステップ抑制の効果を確認している。０度と１５度の間に試した角度はない。平行でなければよいと考えられる。幅が広くなった場合でも４５度以上あればよいと考えられる。

図８は、図７に示した化合物半導体基板の縦断面図である。

下地基板１１０の表面Ｓ１の形状は、この上に成長したＧａＮ系半導体層１の結晶成長面に複製される。すなわち、ＧａＮ系半導体層１の内部の結晶面Ｓ２及びＧａＮ系半導体層１の露出表面Ｓ３は、共に表面Ｓ１を複製したものである。下地基板１１０上に第１のＧａＮ系半導体層１を成長させた後に、第２のＧａＮ系半導体層の成長を行う。

図９は、第２のＧａＮ系半導体層２を備えた化合物半導体基板の縦断面図である。

下地基板１１０の表面Ｓ１の形状は、この上に成長した第１のＧａＮ系半導体層１の結晶成長面Ｓ３に複製され、更に、第２のＧａＮ系半導体層２の結晶成長面Ｓ４に複製される。第１のＧａＮ系半導体層１内に形成された溝ＧＲ内には、第２のＧａＮ半導体層２が横方向成長し、溝ＧＲの幅方向中央部周辺で溝ＧＲの両側面から成長した結晶が突き当たる。このとき、突き当たった左右の結晶の高さは大きくは違わないため、ステップバンチングは抑制される。

詳説すれば、薄膜結晶成長が進行する場合、供給された薄膜結晶材料原子は原子層のテラス上にトラップされやすい。そのため、この原子層ステップは見かけ上移動していくこととなる。原子層ステップにおけるテラスの長手方向が、溝ストライプ方向に一致する場合、移動した原子層ステップが溝側面に達した時点で溝側面に吸収される。もともとあった原子層ステップが全て溝側面に吸収された場合、新たな原子層ステップは生成されないため、オフ角に依存して、溝側面の高さは左右において異なることとなる。

これに対し、原子層テラス長手方向と溝ストライプ方向が平行でない場合、溝の両側に位置する凸部の頂面における原子層テラスは、溝の底面の向きに対しては傾斜しているが、薄膜結晶成長とともに移動するが溝側面に集約されることなく複製されて成長する。このため、オフ角に依存した溝側面の高さの違いが発生しにくくなり、ステップバンチングの発生が抑制される。

以上のように、この化合物半導体基板によれば、下地基板１１０は六方晶であり、この上に成長する第１のＧａＮ系半導体層１も六方晶なので、これらの結晶相互の不整合は緩和されている。また、第１のＧａＮ系半導体層１は、複数の溝ＧＲを備えているので、この上に第２のＧａＮ系半導体層２を成長させる場合、溝ＧＲ上で第２のＧａＮ半導体層２は、横方向へ成長するが、この横方向の埋め込み成長の過程においては、転位等の欠陥が横方向に曲げられるため、第２のＧａＮ半導体層２内の欠陥密度を低減している。

ここで、オフ角θを有する下地基板の原子レベルの階段、すなわち、複数のテラスＴＲそれぞれの長手方向が問題となるが、テラスの長手方向は、オフ角θを与える基準軸Ｃ’がＣ軸に対して傾斜する方向（本例ではＭ軸）に直交している。ここで、溝ＧＲの長手方向とテラスＴＲの長手方向とは交差しており、溝ＧＲの長手方向に直交する下地基板１１０のオフ角θの成分は小さくなる。これにより、第２のＧａＮ系半導体層２の表面モホロジーは改善される。すなわち、大きな段差を生じることなく平坦な結晶表面を実現することができる。

また、この製造方法によれば、第２のＧａＮ系半導体層２を、第１のＧａＮ系半導体層1の溝ＧＲ内に成長させる場合、上述のように横方向成長となるため、欠陥密度を低減させることができる。また、第２のＧａＮ系半導体２が成長する際に、溝ＧＲの長手方向とテラスＴＲの長手方向は交差しているので、下地基板１１０のオフ角θの溝ＧＲの長手方向に直交する成分は小さくなり、溝ＧＲの両側面から成長した結晶が互いに突き当たった場合に発生するステップバンチングが抑制される。これにより、第２のＧａＮ系半導体層２の表面モホロジーは改善されることとなる。

図１０は、溝ＧＲの長手方向とテラスＴＲの長手方向との関係を示す図である。なお、サファイアの結晶軸（Ｍ軸、Ａ軸）及びＧａＮの結晶軸（ａ軸、ｍ軸）を同図の左下に示す。本例のオフ角θは０．１５度とする。

図１０（ａ）に示すように、基板の基準軸Ｃ’はＣ軸からサファイアのＭ軸方向にθ度傾斜しており、サファイアＡ軸方向に沿ってテラスＴＲが延びている。溝ＧＲはテラスＴＲの長手方向（Ａ軸）と角度γで交差するが、本例ではγ＝１５度である。なお、サファイアのＭ軸及びＡ軸は、ＧａＮ結晶のａ軸及びｍ軸にそれぞれ読み替えることができる。

図１０（ｂ）に示すように、基板の基準軸Ｃ’はＣ軸からサファイアのＭ軸方向にθ度傾斜しており、サファイアＡ軸方向に沿ってテラスＴＲが延びている。溝ＧＲはテラスＴＲの長手方向（Ａ軸）と角度γで交差するが、本例ではγ＝３０度である。なお、サファイアのＭ軸及びＡ軸は、ＧａＮのａ軸及びｍ軸にそれぞれ読み替えることができる。

図１０（ｃ）に示すように、基板の基準軸Ｃ’はＣ軸からサファイアのＭ軸方向にθ度傾斜しており、サファイアＡ軸方向に沿ってテラスＴＲが延びている。溝ＧＲはテラスＴＲの長手方向（Ａ軸）と角度γで交差するが、本例ではγ＝６０度である。

図１０（ｄ）に示すように、基板の基準軸Ｃ’はＣ軸からサファイアのＭ軸方向にθ度傾斜しており、サファイアＡ軸方向に沿ってテラスＴＲが延びている。溝ＧＲはテラスＴＲの長手方向（Ａ軸）と角度γで交差するが、本例ではγ＝９０度である。

図１０（ｅ）に示すように、基板の基準軸Ｃ’はＣ軸からサファイアのＡ軸方向にθ度傾斜しており、サファイアＭ軸方向に沿ってテラスＴＲが延びている。溝ＧＲはテラスＴＲの長手方向（Ｍ軸）と角度γで交差するが、本例ではγ＝７５度である。

図１０（ｆ）に示すように、基板の基準軸Ｃ’はＣ軸からサファイアのＡ軸方向にθ度傾斜しており、サファイアＭ軸方向に沿ってテラスＴＲが延びている。溝ＧＲはテラスＴＲの長手方向（Ｍ軸）と角度γで交差するが、本例ではγ＝３０度である。

図１０（ｇ）に示すように、基板の基準軸Ｃ’はＣ軸からサファイアのＡ軸方向にθ度傾斜しており、サファイアＭ軸方向に沿ってテラスＴＲが延びている。溝ＧＲはテラスＴＲの長手方向（Ｍ軸）と角度γで交差するが、本例ではγ＝９０度である。

図１１は、様々な角度γ及び基板オフ方向毎のマクロステップ抑制効果とＰＬ（フォトルミネッセンス）強度増加効果の関係を示す表である。サンプル番号１は従来例を示し、サンプル番号２，３，４，５，６は、図１０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｇ）に対応する。

従来例（サンプル番号１）のように、角度γ＝０とし、Ｍ軸方向に基準軸Ｃ’を傾斜した場合、マクロステップ（ステップバンチング）が発生し、ＰＬ強度は劣化したままである。一方、サンプル番号１〜５のように、角度γを１５度以上９０度以下に設定し、Ｍ軸方向に基準軸Ｃ’を傾斜した場合、マクロステップ（ステップバンチング）は抑制され、ＰＬ強度増加することが判明した。なお、γは５度以上あれば効果を奏する。また、角度γを９０度に設定し、Ａ軸方向に基準軸Ｃ’を傾斜した場合においても、マクロステップ（ステップバンチング）は抑制され、ＰＬ強度増加することが判明した。なお、９０度±３度は効果を奏する誤差である。

上述の基準軸Ｃ’（図５参照）が、Ｃ軸に対してＭ軸方向に傾斜している場合、テラス長手方向はＭ軸に直交する方向、すなわちＡ軸方向を向くため、Ａ軸方向に沿って段差が整列し易くなり、第２のＧａＮ系半導体層２の結晶性が改善する。このときの交差の角度γは、５度以上９３度以下であることが好ましい。上述の例では、γは１５度以上を示したが５度から効果が現れた。この範囲の場合、第２のＧａＮ系半導体層２の表面におけるマクロステップの発生、すなわち、ステップバンチングが抑制された。角度γは９０度以下であればよいが、３度は誤差として９３度以下とした。

また、基準軸Ｃ’は、Ｃ軸に対してＡ軸方向に傾斜させることもできる。この場合、テラス長手方向はＡ軸に直交する方向、すなわちＭ軸方向を向くため、Ｍ軸方向に沿って段差が整列し易くなり、第２のＧａＮ系半導体層２の結晶性が改善する。

図１２は、溝ＧＲの幅方向の位置（μｍ）と、第２のＧａＮ系半導体２の高さ偏差（ｎｍ）との関係を示すグラフである。このデータはＡＦＭ（原子間力顕微鏡）を用いて測定した。γ＝０度の場合を従来例とする。本実施例は、サンプル番号４（図１１参照）の試料を用いた。実施例に係る化合物半導体基板の表面粗さは、従来例に比べて著しく低減されていることが判明する。

図１３は、波長（ｎｍ）とＰＬ強度（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフである。このデータはＰＬ装置を用いて測定した。γ＝０度の場合を従来例とする。本実施例は、サンプル番号６（図１１参照）の試料を用いた。

交差の角度γは９０度±３度である。この場合、第２のＧａＮ系半導体層２の表面におけるマクロステップの発生、すなわち、ステップバンチングが抑制されるばかりでなく、ＰＬ強度も極めて高くなり、結晶性が著しく改善された。なお、角度γにおける±３度は誤差を示す。

ここで、従来例として説明されるステップバンチングの発生について説明しておく。

図１４は、γ＝０度の場合の第１のＧａＮ系半導体層１の平面図である。

第１のＧａＮ系半導体層１の一方の結晶軸（ｍ軸）、すなわち、サファイアの下地基板１１０のＡ軸は、テラスＴＲの長手方向に一致している。ｍ軸又はＡ軸と溝ＧＲの長手方向Ｇとの成す角度は０度、すなわち平行である。第１のＧａＮ系半導体層１の他方の結晶軸（ａ軸）、下地基板１１０のＭ軸に一致している。また、テラスＴＲの表面はＭ軸に沿った方向、すなわち矢印ＳＬの方向に傾斜している。

図１５は、図１４に示した化合物半導体基板の縦断面図である。

下地基板１１０の表面Ｓ１の形状は、この上に成長したＧａＮ系半導体層１の結晶成長面に複製される。すなわち、ＧａＮ系半導体層１の露出表面Ｓ３は、表面Ｓ１を複製したものである。下地基板１１０上に第１のＧａＮ系半導体層１を成長させた後に、第２のＧａＮ系半導体層の成長を行う。

図１６は、第２のＧａＮ系半導体層２を備えた化合物半導体基板の縦断面図である。

下地基板１１０の表面Ｓ１の形状は、この上に成長した第１のＧａＮ系半導体層１の結晶成長面Ｓ３に複製され、更に、第２のＧａＮ系半導体層２の結晶成長面Ｓ４に複製される。第１のＧａＮ系半導体層１内に形成された溝ＧＲ内には、第２のＧａＮ半導体層２が横方向成長し、溝ＧＲの幅方向中央部周辺で溝ＧＲの両側面から成長した結晶が突き当たる。このとき、突き当たった左右の結晶の高さは異なり、ステップバンチングが発生する。

なお、溝ＧＲの幅をＷ、頂面ＴＳの幅をＳ、溝ＧＲの繰り返し周期をＴ（＝Ｗ＋Ｓ）、第2のＧａＮ系半導体層２の露出表面のステップの高さをｄとする。

本例は従来例の説明であるが、各寸法の設定法については実施形態のものにも適用する。実施形態の化合物半導体基板においては、第２のＧａＮ系半導体層２のステップの高さｄ、以下の条件を満たすことが好ましい。

すなわち、第１のＧａＮ系半導体層１の溝ＧＲの繰り返し周期Ｔ、基準軸Ｃ’のＣ軸からの傾斜角（オフ角）θの溝ＧＲの長手方向Ｇに垂直な成分θ_Ｐ（角度θを長手方向Ｇに垂直な平面に投影した場合の角度）は、不等式：６×１０^−８／Ｔ≧ｔａｎθ_Ｐを満たす。すなわち、溝ＧＲの両側面から成長した結晶は、溝ＧＲの上方位置において突き当たる。この突き当たり時に形成されるステップの高さｄは、Ｔ×ｔａｎθ_Ｐで与えられるが、これが６×１０^−８ｍ以下である場合には、成長によりステップの平坦化が進み、量子井戸の成長時に影響を与えない程度に段差が小さくなるという効果がある。このときの溝ＧＲの幅Ｗは周期Ｔの１／２である。

溝ＧＲが繰り返し構造を持たない場合、溝ＧＲの幅Ｗ、基準軸Ｃ’のＣ軸からの傾斜角θの溝ＧＲの長手方向Ｇに垂直な成分θ_Ｐは、不等式：３×１０^−８／Ｗ≧ｔａｎθ_Ｐを満たすことが好ましい。ステップの高さｄは、２Ｗ×ｔａｎθ_Ｐ＝６×１０^−８ｍで与えられるからである。すなわち、上述のように、ステップの高さｄが６×１０^−８ｍ以下である場合には、成長によりステップの平坦化が進み、量子井戸の成長時に影響を与えない程度に段差が小さくなるという効果があるからである。

なお、θ＝０．１５度を基準軸周りに６０度回転すると、θ_Ｐは約０．０７５度となる。本例では周期２８μｍの溝ＧＲを作製しており、高さｄ＝２８×１０^−６×ｔａｎ（０．０７５）＝３．６×１０^−８（ｍ）となる。ちなみに、θ_Ｐの代わりにθを代入した場合、２８×１０^−６×ｔａｎ（０．１５）＝７．５×１０^−８（ｍ）である。この構成において、溝構造が周期構造でない場合、溝幅Ｗ（ｍ）のとき、３×１０^−８／Ｗ≧ｔａｎθ_Ｐとなるようにすることが好ましい。

θ＝０．１５度を６０度回転すると、ストライプに直交する傾きは約０．０７５度となる。本例では幅Ｗを１４μｍとしており、１４×１０^−６×ｔａｎ（０．０７５）＝１．８×１０^−８（ｍ）となる。ちなみに、θ_Ｐの代わりにθを代入した場合、１４×１０^−６×ｔａｎ（０．１５）＝３．７×１０^−８（ｍ）である。

次に、半導体デバイスについて説明する。

図１７は、上記実施に形態に係る化合物半導体基板を用いた半導体デバイス（半導体発光デバイス）の縦断面図である。

化合物半導体基板１００は、下地基板１１０、第1のＧａＮ系半導体層１、第２のＧａＮ系半導体層２を備えている。なお、下地基板１１０と第1のＧａＮ系半導体層１との間にはＧａＮからなるバッファ層１１１が介在しており、第２のＧａＮ系半導体層２は、第１のＧａＮ系半導体層１の凹凸表面上に順次積層された中間層２ａ、クラック防止層２ｂ及び結晶層２ｃからなる。なお、各層の材料と厚みは以下の通りである。
・下地基板１１０：サファイア／ ５０〜１０００μｍ
・バッファ層１１１：ＧａＮ／ ５〜１００ｎｍ
・第１のＧａＮ系半導体層１：ＧａＮ／０．１〜２０μｍ
・第２のＧａＮ系半導体層２：
・・中間層２ａ：ＡｌＮ／ ５〜１００ｎｍ
・・クラック防止層２ｂ：ＡｌＧａＮ／５〜１０００ｎｍ
・・結晶層２ｃ：ＡｌＧａＮ／ ０．１〜２０μｍ
なお、ＧａＮ系半導体層は、一部にＧａＮを含んでいればよい。

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、下部ガイド層６、活性層７、キャリアブロック層８、上部ガイド層９、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は、Ｙ方向に沿って延びた凸部を有しており、この凸部上に上部コンタクト層１１が形成されている。上部クラッド層１０上は、凸部の頂面上に位置する上部コンタクト層１１を除いて絶縁層１２で被覆されており、上部コンタクト層１１の上部表面にはＹ方向に延びた上部電極１３が接触している。上部電極１３はＹ方向に沿って上部コンタクト層１１に接触しつつ絶縁層１２上に位置する。下部コンタクト層４は、Ｚ方向に垂直な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。

各要素の材料／厚みの好適範囲／導電型／キャリア濃度の好適範囲は以下の通りである。
下部コンタクト層4:AlGaN/1〜5μm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
下部クラッド層5:AlGaN/ 0.2〜1.5μm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
下部ガイド層6:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
活性層7:GaN井戸層/1〜5nm/I型
活性層7:AlGaN障壁層/1〜15nm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
キャリアブロック層8:AlGaN/5〜300nm/P(I)型/3×10¹⁶〜6×10¹⁷cm^-3
上部ガイド層9:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
上部クラッド層10:AlGaN/0.2〜1.5μm/P型/3×10¹⁶〜3×10¹⁸cm^-3
上部コンタクト層11:AlGaN/5〜50nm/P型/5×10¹⁶〜5×10¹⁸cm^-3

この半導体発光デバイスは、凹凸表面を有する第１のＧａＮ系導体層１と、この凹凸表面上に形成された第２のＧａＮ系半導体層２と、凹部上に成長した電流通過領域ＡＣＴを有する第３化合物半導体層（活性層７）とを備えている。なお、半導体デバイスが、他の化合物半導体デバイス、例えば、ＭＥＳＦＥＴの場合には、ゲート電極直下のチャネル領域が電流通過領域となり、電流通過領域ＡＣＴ（半導体機能素子の部分）の電気伝導特性に優れる。また、素子によっては高欠陥領域を電流が通過する場合もある。

この発光素子は、電流通過領域ＡＣＴの厚み方向（Ｚ方向；基準軸Ｃ’方向）の上下に設けられた２つのクラッド層５，１０と、凹部Ｄの長手方向（Ｙ方向）に沿って延びており電流通過領域ＡＣＴに電流を注入するための上部電極１３とを備えている。上部電極１３と下部電極１４との間に駆動電圧を印加すると、上部電極１３直下のコンタクト層１１、上部クラッド層１０、上部ガイド層９、キャリアブロック層８、活性層７、下部ガイド層６、下部クラッド層５を介してコンタクト層４に電流が流れ、コンタクト層４を介して下部電極１４に流れる。

上部電極１３と下部電極１４とはＸ方向に沿って離隔している。また、凹部Ｄ上の低欠陥領域ＬＲ凹部の中心線ＣＬを含む領域には欠陥が集まるため、電流通過領域とならないように、活性層７内の電流通過領域ＡＣＴは中心線ＣＬのＸ方向位置よりも上部電極１３側にシフトさせる。活性層７内の電流通過領域ＡＣＴは、活性領域を構成しており、凹部Ｄ上の低欠陥領域ＬＲ内に位置する。上部電極１３から電流通過領域ＡＣＴに注入された電流に応じて、電流通過領域ＡＣＴは発光し、上下方向の発光と注入されたキャリアは上下の２つのクラッド層５，１０間に閉じ込められる。この化合物半導体デバイスは発光素子として機能する。電流通過領域ＡＣＴは凹部Ｄ上の低欠陥領域ＬＲ内に位置するため、結晶性が高く、したがって、発光素子の発光効率は改善する。

上述のように、化合物半導体デバイスは、電流通過領域ＡＣＴを含んでおり、この領域の結晶性が改善されることで、当該領域内を効率的に電流が通過することとなる。化合物半導体デバイスの種類は様々であるが、発光素子の場合には、電流通過領域ＡＣＴは、電流注入用の上部電極１３から導入される活性領域（発光領域）となる。受光素子の場合には、光電変換領域が電流通過領域となる。他の化合物半導体デバイス、例えば、ＭＥＳＦＥＴの場合には、ゲート電極直下のチャネル領域が電流通過領域となる。また、素子によっては高欠陥領域を電流が通過する場合もある。

この半導体発光デバイスは、化合物半導体基板上に形成され、活性層７を有する。化合物半導体基板１００上に成長する半導体層は、化合物半導体基板１００の表面を複製しながら成長するが、ステップバンチングが抑制され、表面モホロジーの優れた化合物半導体基板１００を用いた場合、この上に形成された半導体発光デバイスは、活性層７における発光効率が向上し、発光波長のばらつきが低減する。

従来の化合物半導体には大きなステップバンチングが存在しており、これにより発光スペクトルおよび発光強度のばらつきが観測された。一方、本実施例の化合物半導体基板によれば、ステップバンチングの発生が抑制されており、その結果、化合物半導体基板上に成長した量子井戸構造の活性層からのフォトルミネッセンス発光スペクトルの半地幅は狭窄化し、発光強度が向上し、出力が安定化した。そして、化合物半導体基板上に成長した半導体レーザにおいては、発振波長のばらつきが減少し、発振閾値の低下と発振強度の向上が観察された。

また、サファイア上にＧａＮ結晶を成長するとき、サファイアＣ面からわずかにずれた面を使用しているが、先のステップの高さの違いは、このズレを元にしていると考えられる。従来例では、オフ角の傾く方向に対して垂直に溝ストライプ方向を設定していたものを、本実施形態では６０度方向および平行な方向に変更することにより、ステップバンチングの大幅な抑制、さらに発光効率および発光波長のばらつきの低減を確認した。なお、基板オフ角θのストライプ方向に垂直な成分は、０．１５度から０．０７５度および約０度に変更したことになり、オフ角θの最適値は０．１５度〜０．０７５度の間にあるものと思われる。

次に、化合物半導体基板の製造方法について説明する。この化合物半導体基板は、（１）１回目成長、（２）凹凸加工、（３）２回目成長を順次実行して製造する。
（実施例１）
（１）１回目成長

結晶成長には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いた。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ_３）、アルミニウム（Ａｌ）原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。キャリアガスとして、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を用いた。

下地基板１１０にはサファイアＣ面（０００１）、０．１５度Ｍ軸［１−１００］方向オフ基板を用いた。基板をＭＯＣＶＤ成長装置に導入後、水素雰囲気中で、１０５０℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。

その後、基板温度を４７５℃に降温し、ＧａＮバッファ層１１１を２５ｎｍ堆積する。なお、成長圧力は常圧（１．０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａ供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。ＧａＮバッファ層１１１を堆積後、１０７５℃まで昇温し、第１のＧａＮ系半導体（ＧａＮ）１を約４μｍ成長する。なお、成長圧力は常圧（１．０１３×１０^５Ｐａ）で、ＴＭＧａ供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は８ＳＬＭとした。

なお、本例では、結晶成長に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、分子線成長法（ＭＢＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いることもできる。
（２）凹凸加工
（２−１）ＳｉＯ_２膜堆積

下地基板１１０のサファイアＣ面（０００１）上に第１のＧａＮ系半導体層１を成長した基板を成長装置から取り出し、プラズマＣＶＤ装置に導入して、その表面上にＳｉＯ_２膜を３００ｎｍ堆積する。成膜条件は、温度４００℃、圧力９３Ｐａ、シラン（ＳｉＨ_４）流量１０ＳＣＣＭ、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）供給量３５０ＳＣＣＭ、アルゴン（Ａｒ）流量１８０ＳＣＣＭとした。

本例では、ＳｉＯ_２膜の堆積にプラズマＣＶＤを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子線（ＥＢ）蒸着法やスパッタ法などを用いることもできる。
（２−２）フォトリソグラフィー

ＳｉＯ_２膜堆積後、フォトリソグラフィーにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクを形成する。ストライプ方向は基板のオフ方向であるサファイア基板のＭ軸［１−１００］方向（ＧａＮ結晶のａ軸［１１−２０］方向）から７５度をなす方向である（図１０（ａ）参照）。言い換えると、ストライプ方向は、結晶表面の原子層テラス長手方向と１５度をなす（γ＝１５度）。ストライプの幅（＝溝幅）Ｗは１４μｍ、周期Ｔは２８μｍである。
（２−３）ＳｉＯ_２パターニング

周期ストライプにパターニングしたフォトレジストをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、ＳｉＯ_２膜をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー１５０Ｗ、圧力５．３Ｐａ、ＣＦ_４流量４５ＳＣＣＭ、酸素（Ｏ_２）流量５ＳＣＣＭとして、第１のＧａＮ系半導体層１の表面まで到達するまでエッチングする。その後、マスクとして用いたレジストを有機溶剤および酸素プラズマ処理をすることで除去して、ＳｉＯ_２の周期ストライプパターンを形成した。

本例では、ＳｉＯ_２のエッチングに反応性イオンエッチングを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、バッファード弗酸（ＢＨＦ）などの弗酸系溶液などを用いることもできる。
（２−４）ＧａＮ平滑エッチング

形成したＳｉＯ_２の周期ストライプパターンをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて第１のＧａＮ系半導体層１をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー２８０Ｗ、圧力４．０Ｐａ、塩素（Ｃｌ_２）流量２．５ＳＣＣＭ、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）流量２０ＳＣＣＭとして、第１のＧａＮ系半導体層１を表面から約２μｍ、平滑エッチングする。エッチング後、バッファード弗酸（ＢＨＦ）溶液中で、マスクとして用いたＳｉＯ_２をエッチングする。

本例では、ＧａＮのエッチングに反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）やＩＣＰドライエッチングなどを用いることもできる。
（３）２回目成長

凹凸加工を施した基板をＭＯＣＶＤ成長装置に再び導入し、水素およびアンモニア雰囲気中で１０７５℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。基板表面の清浄化を行った後、基板温度を５５０℃に降温し、低温ＡｌＮ中間層２ａを１０ｎｍ成長する。成長圧力は常圧（１．０１３×１０^５Ｐａ）で、ＴＭＡｌ供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。

低温ＡｌＮ中間層２ａの成長後、基板温度を１１２５℃に昇温し、ＡｌＧａＮクラック防止層（Ａｌ組成比約６０％）２ｂを１２０ｎｍ成長した。成長圧力は１．０×１０^４Ｐａで、ＴＭＡｌ＋ＴＭＧａ供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。その後、基板温度１１２５℃でＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％）層２ｃを８．４μｍ（平坦基板上の成長膜厚に換算）成長して、表面の平坦化を行った。成長圧力は１．０×１０^４Ｐａで、ＴＭＡｌ＋ＴＭＧａ供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は３ＳＬＭとした。

本方法による成長では、ステップバンチングが抑制され、その上に成長した量子井戸構造からのフォトルミネッセンス発光は、従来例に比べ高強度であった。
（実施例２）

実施例１とフォトリソグラフィーの工程のみが異なり、他は同一である。
（２−２）フォトリソグラフィー

ＳｉＯ_２膜堆積後、フォトリソグラフィーにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクを形成する。ストライプ方向はサファイア基板のＭ軸［１−１００］方向（ＧａＮ結晶のＡ軸［１１−２０］方向）のうち、基板のオフ方向である［１−１００］と６０度をなす［１−１００］方向（ＧａＮ結晶の［１１−２０］方向）である（図１０（ｂ）参照）。言い換えると、ストライプ方向は、結晶表面の原子層テラスＴＲの長手方向と３０度をなす（γ＝３０度）。ストライプの幅（＝溝幅）Ｗは１４μｍ、周期Ｔは２８μｍである。

本方法による成長でも、ステップバンチングが抑制され、その上に成長した量子井戸構造からのフォトルミネッセンス発光は、従来例に比べ高強度であった。
（実施例３）

実施例１とフォトリソグラフィーの工程のみが異なり、他は同一である。
（２−２）フォトリソグラフィー

ＳｉＯ_２膜堆積後、フォトリソグラフィーにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクをＳｉＯ_２膜に形成する。ストライプ方向はサファイア基板のＡ軸［１１−２０］方向（ＧａＮ結晶のｍ軸［１−１００］方向）のうち、基板のオフ方向である［１−１００］と直交する［１１−２０］ではない別の［１１−２０］方向（ＧａＮ結晶の［１−１００］方向）のＡ軸方向に沿った方向である（図１０（ｃ）参照）。これは基板のオフ方向である［１−１００］と３０度をなす方向となり、言い換えると、ストライプ方向は、結晶表面の原子層テラスＴＲの長手方向と６０度をなす（γ＝６０度）。このストライプ（＝溝幅）の幅Ｗは１４μｍ、周期Ｔは２８μｍである。

本方法による成長でも、ステップバンチングが抑制され、その上に成長した量子井戸構造からのフォトルミネッセンス発光は、従来例に比べ高強度であった。
（実施例４）

実施例１とフォトリソグラフィーの工程のみが異なり、他は同一である。
（２−２）フォトリソグラフィー

ＳｉＯ_２膜堆積後、フォトリソグラフィーにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクを形成する。ストライプ方向は、基板のオフ方向であるサファイア基板のＭ軸［１−１００］方向（ＧａＮ結晶のａ軸［１１−２０］方向）である（図１０（ｄ）参照）。言い換えると、ストライプ方向が、結晶表面の原子層テラスＴＲの長手方向と垂直となる（γ＝９０度）。ストライプの幅Ｗ（＝溝幅）は１４μｍ、周期Ｔは２８μｍである。

本方法による成長でも、ステップバンチングが抑制され、その上に成長した量子井戸構造からのフォトルミネッセンス発光は、従来例に比べ高強度であった。
（実施例５）

実施例１と比較して、１回目成長における下地基板及びフォトリソグラフィーの工程のみが異なり、他は同一である。
（１）１回目成長

結晶成長には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いた。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ_３）、アルミニウム（Ａｌ）原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いた。キャリアガスとして、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を用いた。

下地基板１１０にはサファイアＣ面（０００１）、０．１５度Ａ軸［１１−２０］方向オフ基板を用いた。基板をＭＯＣＶＤ成長装置に導入後、水素雰囲気中で、１０５０℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。その後、基板温度を４７５℃に降温し、ＧａＮバッファ層１１１を２５ｎｍ堆積する。なお、成長圧力は常圧（１．０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａ供給量は４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。ＧａＮバッファ層１１１を堆積後、１０７５℃まで昇温し、第１のＧａＮ系半導体（ＧａＮ）１を約４μｍ成長する。なお、成長圧力は常圧（１．０１３×１０^５Ｐａ）で、ＴＭＧａ供給量は９２μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は８ＳＬＭとした。

なお、本例では、結晶成長に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、分子線成長法（ＭＢＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いることもできる。
（２−２）フォトリソグラフィー

ＳｉＯ_２膜堆積後、フォトリソグラフィーにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクを形成する。ストライプ方向は、サファイア基板のＡ軸［１１−２０］方向（ＧａＮ結晶のｍ軸［１−１００］方向）のうち、基板のオフ方向と６０度をなす［１１−２０］方向（ＧａＮ結晶のｍ軸［１−１００］方向）である（図１０（ｅ）参照）。言い換えると、ストライプ方向と結晶表面の原子層テラス長手方向とは３０度をなす（γ＝３０度）。である。ストライプの幅（＝溝幅）Ｗは１４μｍ、周期Ｔは２８μｍである。

本方法による成長でも、ステップバンチングが抑制され、その上に成長した量子井戸構造からのフォトルミネッセンス発光は、実施例１と同様に、高強度であった。
（実施例６）

実施例５とフォトリソグラフィーの工程のみが異なり、他は同一である。
（２−２）フォトリソグラフィー

ＳｉＯ_２膜堆積後、フォトリソグラフィーにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクを形成する。ストライプ方向はサファイア基板のＭ軸［１−１００］方向（ＧａＮ結晶のＡ軸［１１−２０］方向）のうち、基板のオフ方向である［１１−２０］と３０度をなす［１−１００］方向（ＧａＮ結晶の［１１−２０］方向）である（図１０（ｆ）参照）。言い換えると、ストライプ方向と結晶表面の原子層テラス長手方向とが６０度をなす（γ＝６０度）。ストライプの幅（＝溝幅）Ｗは１４μｍ、周期Ｔは２８μｍである。

本方法による成長でも、ステップバンチングが抑制され、その上に成長した量子井戸構造からのフォトルミネッセンス発光は、実施例１と同様に、高強度であった。
（実施例７）

実施例５とフォトリソグラフィーの工程のみが異なり、他は同一である。
（２−２）フォトリソグラフィー

ＳｉＯ_２膜堆積後、フォトリソグラフィーにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクを形成する。ストライプ方向は、基板のオフ方向であるサファイア基板のＡ軸［１１−２０］方向（ＧａＮ結晶のｍ軸［１−１００］方向）に沿った方向である（図１０（ｇ）参照）。言い換えると、ストライプの方向は、結晶表面の原子層のテラスＴＲの長手方向と垂直となる方向である（γ＝９０度）。ストライプの幅（＝溝幅）Ｗは１４μｍ、周期Ｔは２８μｍである。

本方法による成長でも、ステップバンチングが抑制され、その上に成長した量子井戸構造からのフォトルミネッセンス発光は、実施例１と同様に、高強度であった。

なお、いずれの実施例もオフ角θが０．１５度の基板を用いたが、本発明は、この角度に限定されるものではない。オフ角θは、０．０１度から１５度まで、マクロステップの抑制が見出せるものと考えられる。また、実施例ではオフ方向としてサファイアＡ軸方向オフとＭ軸方向オフを示したが、オフ方向のとり方はこれに限るものでなく任意である。ストライプ方向についても同様にＡ軸方向、Ｍ軸方向に限られるものではない。また、溝の形状としては、有限長のストライプ構造、矩形溝も可能であり、格子状の溝なども可能である。格子状の穴も個々の小さいストライプの集まりであり、ストライプの溝は、この形状を含むものである。

なお、本発明とは異なる製造方法として、溝ＧＲの長手方向とテラスＴＲの長手方向Ｇとを平行にして、且つ、第２のＧａＮ系半導体層２の表面に形成されるステップの高さｄが６×１０^−８ｍ（６０ｎｍ）以下とする製造方法も考えられる。本方法による成長では、ステップバンチングの高さが６０ｎｍ以下に抑制され、その上に成長した量子井戸構造からはフォトルミネッセンス発光特性は従来例に比べ高強度となる結果を得た。ステップバンチングの発生を抑制するストライプ幅を、基板オフ角から求められることがわかる。この製造方法では、例えば、溝ＧＲの幅Ｗは１０μｍ、周期Ｔは２０μｍとすればよく、いずれも上述の例よりも小さい値のため、ステップの高さｄは小さくなる。

また、本発明とは異なる製造方法として、下地基板１１０としてサファイアＣ面（０００１）ジャスト基板を用いる製造方法も考えられるが、これらの製造方法は上述の方法において下地基板を変更すればよい。本方法による成長では、ステップバンチングの発生が抑制され、その上に成長した量子井戸構造からはフォトルミネッセンス発光特性は従来例よりも高い強度となった。

なお、上記では下地基板としてサファイアを用いたが、これは自立したＧａＮ系基板とすることも考えられる。従来から、ＡｌＧａＮと（Ｉｎ）ＧａＮのダブルへテロ構造のＩｎＧａＮ系のレーザダイオードが期待されているが、ＧａＮ上のＡｌＧａＮ系薄膜の成長においては格子定数差によりクラックが発生する傾向にある。また、サファイア基板などの異種基板上に高品質なＡｌＧａＮエピタキシャル層を成長させる技術は改良の余地がある。上述の方法は、ＧａＮ基板上にＡｌＧａＮエピ層を成長させることにも有用であり、ＧａＮ基板を元にＡｌ（Ｇａ）Ｎ基板を作製する上でも重要な方法となりうる。

六方晶の結晶構造の斜視図である。 サファイアからなるウェハの平面図である。 第１のＧａＮ系半導体層のエッチング溝の底面Ｓを説明するための図である。 図３に示したエッチング溝の底面Ｓを含む領域Ｑの拡大図である。 下地基板１１０上にエッチング溝を有する第１のＧａＮ系半導体層１を備えたウェハＷＦの斜視図である。 第１のＧａＮ系半導体層１の表面の拡大図である。 第１のＧａＮ系半導体層１の表面の拡大図である。 図７に示した化合物半導体基板の縦断面図である。 第２のＧａＮ系半導体層２を備えた化合物半導体基板の縦断面図である。 溝ＧＲの長手方向とテラスＴＲの長手方向との関係を示す図である。 様々な角度γ及び基板オフ方向毎のマクロステップ抑制効果とＰＬ（フォトルミネッセンス）強度増加効果の関係を示す表である。 溝ＧＲの幅方向の位置（μｍ）と、第２のＧａＮ系半導体２の高さ偏差（ｎｍ）との関係を示すグラフである。 波長（ｎｍ）とＰＬ強度（ａ．ｕ．）の関係を示すグラフである。 γ＝０度の場合の第１のＧａＮ系半導体層１の平面図である。 図１４に示した化合物半導体基板の縦断面図である。 第２のＧａＮ系半導体層２を備えた化合物半導体基板の縦断面図である。 実施に形態に係る化合物半導体基板を用いた半導体発光デバイスの縦断面図である。

符号の説明

１，２・・・ＧａＮ系半導体層、２ａ・・・・・中間層、２ｂ・・・クラック防止層、２ｃ・・・・結晶層、４・・・コンタクト層、５・・・下部クラッド層、６・・・下部ガイド層、７・・・活性層、８・・・キャリアブロック層、９・・・上部ガイド層、１０・・・上部クラッド層、１１・・・上部コンタクト層、１２・・・絶縁層、１３・・・上部電極、１４・・・下部電極、１００・・・化合物半導体基板、１１０・・・・下地基板、１１１・・・・バッファ層、Ｇ・・・長手方向、ＧＲ・・・溝、ＬＲ・・・低欠陥領域、ＯＦ・・・オリエンテーションフラット、ＴＲ・・・テラス、ＴＴＳ・・・頂面、Ｗ・・・溝幅、ＷＦ・・・ウェハ。

Claims (14)

1. 化合物半導体基板において、
   六方晶のＣ軸に対して傾斜した基準軸に垂直な平面で切断されてなる階段状の露出表面を有する下地基板と、
   前記下地基板の前記露出表面上に成長し複数の溝を有する六方晶の第１のＧａＮ系半導体層と、
   前記第１のＧａＮ系半導体層の前記溝内に成長した第２のＧａＮ系半導体層と、
   を備え、
   前記階段状の露出表面は複数のテラスが段差を介して連続してなり、このテラスの長手方向と、前記第１のＧａＮ系半導体層の前記溝の長手方向とは交差していることを特徴とする化合物半導体基板。
2. 前記基準軸は、Ｃ軸に対してＭ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
3. 前記交差の角度は、５度以上９３度以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化合物半導体基板。
4. 前記基準軸は、Ｃ軸に対してＡ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
5. 前記交差の角度は、９０度±３度であることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の化合物半導体基板。
6. 前記溝の繰り返し周期Ｔ、前記基準軸のＣ軸からの傾斜角θの前記溝の長手方向に垂直な成分θ_Ｐは、不等式：６×１０^−８／Ｔ≧ｔａｎθ_Ｐを満たすことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
7. 前記溝の幅Ｗ、前記基準軸のＣ軸からの傾斜角θの前記溝の長手方向に垂直な成分θ_Ｐは、不等式：３×１０^−８／Ｗ≧ｔａｎθ_Ｐを満たすことを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
8. 前記下地基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の化合物半導体基板と、
   前記溝上の領域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。
10. 化合物半導体基板の製造方法において、
    階段状の露出表面を有する六方晶の下地基板を用意する工程と、
    前記露出表面上に六方晶の第１のＧａＮ系半導体層を成長させる工程と、
    前記第1のＧａＮ系半導体層をエッチングして複数の溝を形成する工程と、
    前記第１のＧａＮ系半導体層の前記溝内に第２のＧａＮ系半導体層を成長させる工程と、
    を備え、
    階段状の前記露出表面は、Ｃ軸に対して傾斜した基準軸に垂直な平面で切断されてなり、複数のテラスが段差を介して連続してなり、このテラスの長手方向と、前記第１のＧａＮ系半導体層の前記溝の長手方向とは、これらが交差するように設定することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
11. 前記基準軸は、Ｃ軸に対してＭ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１０に記載の化合物半導体基板の製造方法。
12. 前記交差の角度は、５度以上９３度以下であることを特徴とする請求項１１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
13. 前記基準軸は、Ｃ軸に対してＡ軸方向に傾斜していることを特徴とする請求項１０に記載の化合物半導体基板の製造方法。
14. 前記交差の角度は、９０度±３度であることを特徴とする請求項１３に記載の化合物半導体基板の製造方法。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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