JP2015032730A - 窒化物半導体構造およびそれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な手法により、（２０−２１）面を含む（ｎ０−ｎ１）面（ここでｎは整数）を主面とする窒化物半導体構造およびそれを製造する方法を提供する。
【解決手段】窒化物半導体構造は、ｍ軸からａ軸方向に傾斜したオフ角θおよびｃ軸に垂直な法線を有する主面を含むサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面上に位置しており、半極性面を主面とする窒化物半導体層を含む窒化物半導体層構造とを備え、前記窒化物半導体層の前記主面は、前記窒化物半導体層のａ軸に垂直な法線およびｍ軸からｃ軸方向に傾斜したオフ角Φを有し、前記サファイア基板の前記オフ角θおよび前記窒化物半導体層のオフ角Φとが、下記式（１）の関係を満たしており、
Φ＝０．７８ｘθ ・・・（１）
前記サファイア基板の前記オフ角度θが、５度以上２５度以下である。
【選択図】図１

Description

本願は、窒化物半導体構造およびそれを製造する方法に関する。

近年、窒化物半導体の（２０−２１）面を利用した半導体デバイスが研究されている。特許文献１は、（２０−２１）面を有するＧａＮ基板上に作製された半導体レーザー構造とその作製方法を開示する。特許文献１によれば、（２０−２１）面上の半導体レーザー構造において、歩留まりが改善し、面内のｍ軸と垂直方向に共振器構造を形成することで、良好なレーザー特性が得られることを開示している。なお、本願明細書において、ミラー指数の数字上のバーを、数字の前に「−」符号をつけて表す。

非特許文献１は、凹凸に加工した（２２−４３）面を主面とするサファイア基板を用い、傾斜したサファイアのｃ面ファセットを起点として窒化物半導体成長を行なうことで、主面が（２０−２１）面となる窒化物半導体を成長させることができると開示している。

また、窒化物半導体の結晶成長に関して、非特許文献２は、ｍ面サファイア基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを開示している。成長された窒化物半導体層は、エピタキシャル成長の条件に依存して、（１０−１０）面、（１１−２２）面、および（１０−１−３）面からなる群から選択される１つの主面を有すると開示している。

特許文献２は、ａ軸方向にオフ角を有するｍ面サファイア基板上のｍ面窒化物半導体膜の結晶性について開示している。ａ軸方向のオフ角度を２度付近で制御することで、ｍ面窒化物半導体の結晶性が改善するとしている。しかし、ｍ面サファイアが有するオフ角度と、その基板上の成膜する窒化物半導体のオフ角度の関係については、説明がなく、（２０−２１）面を主面とする半極性面窒化物半導体成長については、開示されていない。

特許第５１５２３９２号公報 ＷＯ２００８／０４７９０７号

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９９、２４２１０３ （２０１１） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １０８， １１３５２１ （２０１０）

従来技術では、より簡単な手法によって（２０−２１）面を有する窒化物半導体を得ることが求められていた。本願は、より簡易な手法により、（２０−２１）面を含む（ｎ０−ｎ１）面（ここでｎは整数）を主面とする窒化物半導体構造およびそれを製造する方法を提供する。

本願に開示された窒化物半導体構造は、ｍ軸からａ軸方向に傾斜したオフ角θおよびｃ軸に垂直な法線を有する主面を含むサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面上に位置しており、半極性面を主面とする窒化物半導体層を含む窒化物半導体層構造とを備え、前記窒化物半導体層の前記主面は、前記窒化物半導体層のａ軸に垂直な法線およびｍ軸からｃ軸方向に傾斜したオフ角Φを有し、前記サファイア基板の前記オフ角θおよび前記窒化物半導体層のオフ角Φとが、下記式（１）の関係を満たしており、
Φ＝０．７８ｘθ ・・・（１）
前記サファイア基板の前記オフ角度θが、５度以上２５度以下である。

本開示によれば、サファイア基板のオフ角度を調整することにより、半極性面である（２０−２１）面を含む（ｎ０−ｎ１）面を主面とする窒化物半導体構造を得ることができる。

本発明の窒化物半導体構造の実施形態を示す模式的な断面図である。 （ａ）は六方晶系の結晶軸と結晶面との関係を示し、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれａ面およびｍ面とｃ軸との関係を示す図である。 （ａ）はｍ面サファイア基板上に形成される窒化物半導体層における、サファイア面および窒化物半導体層の主面の面方位を示し、（ｂ）は、第1の実施形態の窒化物半導体構造におけるサファイア面および窒化物半導体層の主面のオフ角を示している。 ｍ面サファイア基板の主面と（１１−２２）面窒化物半導体層の主面の面方位を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は第１の実施形態の窒化物半導体構造の変形例に用いられるサファイア基板の平面図および断面図を示す。 （ａ）および（ｂ）は第１の実施形態の窒化物半導体構造の他の変形例に用いられるサファイア基板の平面図および断面図を示す。 実施例２の窒化物半導体構造を示す模式的な断面図である。 （ａ）から（ｄ）は、実施例１の窒化物半導体層の表面の光学顕微鏡像を示す。 図８（ａ）から（ｄ）に示す実施例１の窒化物半導体層の表面の表面ｒｍｓ粗さを示す。 （ａ）から（ｄ）は、実施例２における表面モフォロジーのサファイア基板オフ角度依存性を示す。 図８（ｂ）に示す窒化物半導体層の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ）を示す。 実施例２によるＧａＮの窒化物半導体層のＸ線逆格子マッピング測定結果である。 実施例２によるＧａＮの窒化物半導体層のＸ線逆格子マッピング測定結果である。 実施例２によるＧａＮの窒化物半導体層のＸ線逆格子マッピング測定結果である。 実施例２によるＧａＮの窒化物半導体層のＸ線逆格子マッピング測定結果である。 （ａ）は、実施例２におけるサファイア基板のオフ角と、窒化物半導体層の主面の法線とｍ軸との差の関係を示し、（ｂ）は、実施例２における窒化物半導体層のオフ角と結晶性との関係を示す。す。 実施例１および実施例２の窒化物半導体層のＸＲＣ測定結果を示す 比較例１におけるサファイア基板のオフ角度と、窒化物半導体層の主面の法線と［１１−２２］軸とのずれの関係を示す。 （ａ）および（ｂ）は、ａ面およびｍ面を有する窒化物半導体層におけるエピタキシャル関係を示す。 （ａ）は、ｍ軸からａ軸方向に１９度オフしたｍ面サファイア基板のＡｌ原子配列の模式図であり、（ｂ）は、（２０−２１）面を有するＧａＮのＧａ原子配列の模式図である。 本発明の発光素子の実施形態を示す模式的な断面図である。 本発明の光源の実施形態を示す模式的な断面図である。

本発明の一実施形態に係る窒化物半導体構造及びその製造方法の概要は以下の通りである。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明による窒化物半導体構造の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態による窒化物半導体構造の断面図を示す。図１に示されるように、本実施形態による窒化物半導体構造１１は、サファイア基板１００と窒化物半導体層構造１２０を備える。本実施形態では、窒化物半導体層構造１２０は、バッファ層１１０および窒化物半導体層３００を含む。以下、各構成要素を詳細に説明する。

（サファイア基板１００）
サファイア基板１００は、ａ面サファイア基板またはｍ面サファイア基板のオフ基板である。図２を参照しながら、本実施形態のオフ角を有するサファイア基板１００の傾斜方向を詳細に説明する。サファイア結晶はコランダム構造を有しており、六方晶系に属する。図２（ａ）は六方晶系の結晶軸と結晶面との関係を示している。４指数表記では、ａ₁、ａ₂、ａ₃及びｃで表される基本ベクトルを用いて結晶面及びその面方位が表される。［０００１］方向に延びる軸は「ｃ軸」と呼ばれる。

本明細書において用いられる「ａ面」とは、（１−２１０）面およびそれと等価な面を意味する。（１−２１０）面と等価な面は、（−１−１２０）、（２−１−１０）、（−１２−１０）、（−２１１０）、および（１１−２０）を含む。また、「ｍ面」とは、（１０−１０）面およびそれと等価な面を意味する。（１０−１０）面と等価な面は、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面、（１−１００）面、および（−１０１０）面を含む。これらの面は、ｃ軸と平行である。このため、図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、以降、これらの面をｃ軸方向から結晶系を見た正六角形で示す。図２（ｂ）に示すように、ａ面は、正六角形の隣接する２辺を等辺とする二等辺三角形の底面（破線で示す）で表される。また、図２（ｃ）に示すように、ｍ面は正六角形の１つの辺で示される。これらの面に垂直な軸をそれぞれａ軸およびｍ軸と呼ぶ。ａ軸ｍ軸およびｃ軸は互いに直交している。

オフ基板とは、基板の主面の法線方向が、主な結晶軸から傾斜している基板である。本明細書では、ｍ軸からの傾斜をオフ角と呼ぶ。図１に示すように、サファイア基板１００の主面１００ａは、ｃ軸に垂直な法線を有し、ｃ軸を回転軸として、ｃ軸方向に垂直方向、つまり、ａ軸方向にオフ角θで傾いている。以下において、詳細に説明するように、サファイア基板１００のオフ角θは、５度以上２５度以下であり、１０度以上２０度以下が好ましい。

図２（ｂ）および（ｃ）から分かるように、ａ面とｍ面は、それぞれ３０度の傾斜角の違いを有する。つまり、ｃ軸を回転軸とし、ａ面から３０度回転すると、ｍ面となる。サファイア基板１００のオフ角はｃ軸を回転軸とする。よって、例えば、ａ面サファイア基板を１５度オフさせた基板は、ｍ面サファイアを１５度オフさせた基板と等価である。

本実施形態のサファイア基板１００は、サファイアのｃ軸方向にはオフを設けず、０度付近に制御すればよい。ただし、厳密に０度に制御することは困難であり、０度±１．０度であってもよい。

（窒化物半導体層構造１２０）
窒化物半導体層構造１２０は、サファイア基板１００の主面１００ａ上に位置しており、少なくとも窒化物半導体層３００を含む。本実施形態では、窒化物半導体層構造１２０は、バッファ層１１０をさらに含んでいる。バッファ層１１０は、サファイア基板１００と接し、窒化物半導体層３００とサファイア基板１００との間に位置している。

（バッファ層１１０）
バッファ層１１０は、ｃ軸を回転軸としたオフ角を有するａ面もしくはｍ面サファイア基板１００上に半極性面である（ｎ０−ｎ１）面を主面とする結晶性の高い窒化物半導体層３００を成長するために、基板１００の主面１００ａ上に設けられる。ここでｎは１以上の整数である。以下において説明するように、バッファ層１１０の主面１１０ａの結晶方位は、窒化物半導体層３００の主面の結晶方位と一致する。

バッファ層１１０は、窒化物半導体層によって構成される。本明細書において用いられる用語「窒化物半導体」は、組成式Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される半導体を意味する。また、この窒化物半導体は、半導体に導電性を付与するための不純物元素を含んでいてもよい。たとえばｎ型伝導制御を目的としてＳｉやＧｅを、ｐ型伝導制御を目的としてＭｇを含んでいてもよい。また格子定数を制御するためにＢを含んでいてもよい。

バッファ層１１０の窒化物半導体の組成は、（ｎ０−ｎ１）面を主面とする窒化物半導体層３００を成長できる範囲で、適宜選ぶことができる。たとえば、Ａｌを含む窒化物半導体によってバッファ層１１０は構成されていてもよい。具体的には、ＡｌＮから構成されていてもよい。

また、窒化物半導体層構造１２０は、Ａｌ金属層を含んでいてもよい。この場合、Ａｌ金属層は、バッファ層１１０を形成する前に、基板１００の表面に形成される。バッファ層１１０やＡｌ金属層の形成は、ｍ面サファイア基板上にｍ面窒化物半導体層を形成する際に設けられるバッファ層の条件に基づいて決定される。詳細については、以下で述べる。

（窒化物半導体層３００）
窒化物半導体層３００は、バッファ層１１０の主面１１０ａ上に形成される。窒化物半導体層３００は、主面３００ａを有している。主面３００ａは半極性面である。窒化物半導体層３００も窒化物半導体で構成されている。窒化物半導体は六方晶系に属するウルツ鉱構造を有しており、図２に示す結晶構造を備える。ここで、ｃ面は極性面であり、ｍ面およびａ面は非極性面である。半極性面とは、ｃ面に非垂直であり、かつ、ｍ面およびａ面に非平行な面をいう。

図１に示すように、窒化物半導体層３００の主面３００ａは、ａ軸に垂直な法線を有し、ｍ軸からｃ軸方向にオフ角Φで傾斜している。オフ角Φは５度以上１５度以下である。

窒化物半導体層３００の主面３００ａの面方位は、バッファ層１１０と同等であり、サファイア基板１００のオフ角θを変えることによって制御できる。窒化物半導体層３００の主面３００ａは、具体的には、（ｎ０−ｎ１）面である。本願発明者の検討によれば、（ｎ０−ｎ１）面を主面とする窒化物半導体層３００の成長は、オフ角θを有するａ面もしくはｍ面を主面とするサファイア基板１００を用いることで実現可能である。

（ｎ０−ｎ１）面は、例えば（２０−２１）面である。本明細書において、（２０−２１）面とは、他の等価な面である（２−２０１）面、（−２２０１）面、（０２−２１）面、（０−２２１）面、（−２０２１）面を含む。主面３００ａが（２０−２１）面である場合、オフ角Φは１５度である。ｎは３であってもよいし、６であってもよい。ｎ＝３である場合、主面３００ａは、（３０−３１）面である。この場合、オフ角Φは１０度である。ｎ＝６である場合、主面３００ａは、（６０−６１）面であり、オフ角Φは５度である。これらの面方位にも同様に、半極性の等価な面が存在する。ｎは２、３および６以外の正の整数であってもよい。

本実施形態の窒化物半導体層３００における、（ｎ０−ｎ１）面には、厳密には（ｎ０−ｎ＋１）面と（ｎ０−ｎ−１）面が存在する。この４番目の指数の±は、極性を意味する。これは、窒化物半導体の結晶構造（ウルツ鉱構造）がｃ軸方向に反転対称性がないことに起因している。つまり、ｃ軸方向に＋ｃ面と−ｃ面が存在する。

窒化物半導体層３００における（ｎ０−ｎ１）面の極性は、現時点では明らかではない。よって、表記としては、本来「（ｎ０−ｎ±１）面」とすべきであるが、便宜上「（ｎ０−ｎ１）面」と記す。

上述したサファイア基板１００のオフ角θと窒化物半導体層３００のオフ角Φとの間には、以下の式（１）の関係が成立する。
Φ＝０．７８ｘθ ・・・（１）

ここで、式（１）は、±０．５〜１．０度程度の誤差を許容する。窒化物半導体層３００の主面３００ａのオフ角度Φは、上述したように、ｍ面を基準とした場合の値であり、窒化物半導体層の主面法線とｍ軸との間の角度で定義される。

例えば（２０−２１）面であれば、その傾斜角度Φは１５度となる。ｃ面を基準とした場合は、（２０−２１）面のオフ角度は９０−Φとなり、７５度となる。

一方、サファイア基板のオフ角度θも、ｍ面を基準とした場合の値であり、サファイア基板の主面法線とｍ軸との間の角度で定義される。例えば、θ＝１５度とは、主面の法線がサファイアのｍ軸からａ軸方向に１５度オフしていることを意味する。ちなみに、これはサファイアのｃ軸を回転軸として、ｍ軸からａ軸方向に１５度回転したのと同等である。

また、図２に示したように、この場合の１５度オフしたｍ面サファイア基板とは、１５度オフしたａ面サファイア基板と同等である。

式（１）より、（２０−２１）面を主面とする窒化物半導体層３００を得るには、オフ角度θが１９度のサファイア基板１００を用いればよい。同様に、（ｎ０−ｎ１）面を主面とする半極性面窒化物半導体層の成長も、サファイア基板のオフ角度θを適宜選ぶことで実現可能である。例えば、（３０−３１）面を主面とする窒化物半導体層３００を得るためには、オフ角度θが１３度のサファイア基板１００を用いればよい。また、（６０−６１）面を主面とする半極性面窒化物半導体層の成長であれば、オフ角度θが６．５度のサファイア基板１００を用いればよい。

本実施形態の窒化物半導体構造は、上述した所定の面方位の主面１００ａを有するサファイア基板１００を用意し、主面１００ａ上に窒化物半導体層構造１２０をエピタキシャル成長させることによって製造することができる。窒化物半導体層構造１２０のエピタキシャル成長には、ＭＢＥ、ＭＯＣＶＤ等の公知のエピタキシャル成長技術を用いることができる。サファイア基板１００の主面１００ａの面方位、つまり、オフ角θは上記式（１）を用いて、窒化物半導体層３００の主面のオフ角Φが所望の値となるように決定すればよい。

一般に、半導体層をエピタキシャル成長させる場合、所定のオフ角を有する基板を用いれば、エピタキシャル成長する半導体層のオフ角も同じ値となる。しかし、以下において詳細に説明するように、本願発明者の詳細な検討によれば、サファイア基板のｍ面上に窒化物半導体層構造を形成する場合、このような従来の関係は満たさないことがわかった。

以下、本実施形態において、半極性面である（ｎ０−ｎ１）面を主面とする（ｎは整数）窒化物半導体層３００の面方位の制御を詳細に説明する。

図３（ａ）は、ｍ面のサファイア基板１００’上にｍ面の窒化物半導体層３００’をバッファ層１１０’を介して成長させた場合における、それぞれの層および基板の結晶方位の関係を示す。

ｍ面のサファイア基板１００’の主面１００ａ’とｍ面の窒化物半導体層３００’の主面３００ａ’の方位は同一であるが、面内の結晶方位は９０度ずれている。具体的には、ｍ面のサファイア基板１００’におけるａ軸と、ｍ面の窒化物半導体層３００’におけるｃ軸とは互いに平行となる。

図３（ｂ）に示すように、本実施形態の半極性面である（ｎ０−ｎ１）面を主面とする窒化物半導体層３００は、主面３００ａをｃ軸方向に傾斜させることで実現できる。よって、図３（ｂ）の関係に着目すると、ｍ面のサファイア基板１００をａ軸方向にオフさせることで、本実施形態の（ｎ０−ｎ１）面の窒化物半導体層３００が形成できると考えることができる。しかし、ｍ面のサファイア基板１００上にｍ面の窒化物半導体層３００を成長させるには、成長初期過程の精密な制御が重要であり、特にバッファ層１１０の成長制御が重要となる。

この点は、比較的容易に成長が可能な（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層の成長に比べると困難性が高いといえる。例えば、後述する比較例１で示すように、ｍ面のサファイア基板上に（１１−２２）面窒化物半導体層を成長する場合、バッファ層は必須ではない。つまり、バッファ層１１０が無くても、（１１−２２）面の窒化物半導体層の成長が可能である。

一方、本発明者らの検討によれば、ｍ面のサファイア基板上にｍ面の窒化物半導体層を成長させる場合、バッファ層１１０の形成は必須であり、バッファ層１１０の成長条件が最適条件から逸脱すると、ｍ面を主面とする窒化物半導体層単結晶構造は得られず、（１１−２２）面や（１０−１−３）面が混在するような多結晶ライクな膜が成長してしまい、それらの結晶膜の品質も非常に悪いものとなりやすい。

このように、ｍ面のサファイア基板１００上のｍ面の窒化物半導体層の成長制御は、基板表面状態や成長初期条件に強く依存する。

このようなｍ面のサファイアとｍ面の窒化物半導体層のエピタキシー関係に起因し、ａ軸方向にオフ角を有するｍ面のサファイア基板を用いて、（ｎ０−ｎ１）面を主面とする半極性面窒化物半導体層を得ようとする場合、前述した式（１）の関係式を用いてサファイア基板１００および窒化物半導体層３００の面方位制御が必要である。

例えば、前述した図３（ａ）に示す関係を拡張し、単にａ軸方向に１５度オフしたｍ面のサファイア基板を用いて、バッファ層および窒化物半導体層を積層しても、ｍ面から１５度傾斜した（２０−２１）面を主面とする半極性面の窒化物半導体層は得られない。つまり、サファイア基板１００のオフ角θと窒化物半導体層３００のオフ角Φとの間にはθ＝Φの関係は成立せず、式（１）の関係が成立している。

また、その有効なサファイア基板のオフ角θの範囲は、５度以上２５度以下である。

図２を参照して説明したように、θ＝３０度は、ａ面サファイアと同等である。この場合、式（１）の関係を満たす半極性面の窒化物半導体層は成長せず、多結晶に近い品質の悪い窒化物半導体層が成長する。もしくは、成長条件によっては、ｃ面を主面とする窒化物半導体層が成長する。

一方、サファイア基板のオフ角θの範囲が５度以上２５度以下の範囲であれば、式（１）の関係を充足した（ｎ０−ｎ１）面窒化物半導体成長制御が可能であり、更に、オフ角θ＝０度の場合のｍ面窒化物半導体に比べて結晶性改善効果も得られる。

以下で説明する実施例２において示されるように、同条件で成膜したｍ面の窒化物半導体層の結晶性（Ｘ線ロッキングカーブ半値幅による評価）に対して、オフ角θが５度以上になると、改善が見られ、１０度および１５度とさらに大きくすると、更なる結晶性の改善が得られる。

よって、結晶性の観点から、より好ましいサファイア基板のオフ角θの範囲は１０度以上２５度以下である。

本実施形態における、式（１）を用いた半極性面窒化物半導体層の面方位制御は、ａ軸方向にオフ角を有するｍ面サファイア基板上の（ｎ０−ｎ１）面の半極性面を有する窒化物半導体層を成長させる場合において適用可能である。

例えば、同じｍ面サファイア基板上に成長可能な（１１−２ｎ）面を有する半極性面の窒化物半導体層の成長には、このような制御は必要ない。

図４に、ｍ面のサファイア基板１０１と（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層３３０との面方位の関係を示す。

ｍ面のサファイア基板１０１におけるｃ軸と、（１１−２２）面を有する窒化物半導体層の＜−１−１２３＞軸とは互いに平行であり、ｍ面のサファイア基板１０１のａ軸と窒化物半導体層３３０のｍ軸とは互いに平行となる。

よって、ｍ軸からｃ軸方向に傾斜させたｍ面のサファイア基板１０１を用いれば、（１１−２ｎ）面を主面とする窒化物半導体層３３０の成長が可能である。

例えば、（１１−２２）面を有する窒化物半導体層を主軸からｃ軸方向に１０度オフさせれば、（１１−２３）面を主面とする窒化物半導体の成長が可能である。

比較例１において実証されているように、ｃ軸方向にオフ角を有するｍ面のサファイア基板を用いて、（１１−２ｎ）面を主面とする窒化物半導体層３３０を成長させた場合、成長した窒化物半導体層の主面のオフ角は、ほぼｍ面のサファイア基板のオフ角に１対１で対応している。

つまり、本実施形態の、ｍ軸からａ軸方向にオフ角を有するｍ面のサファイア基板１００上に（ｎ０−ｎ１）面を主面とする窒化物半導体層３００を形成する場合における、式（１）の関係を用いた面方位制御は、このヘテロ成長に特化した特異な関係であり、新規な構造制御方法といえる。

本実施形態によれば、非特許文献１のように、サファイア基板を加工し、その側面を成長起点とした特殊な成長手法を用いることなく、そのオフ角のみを適宜制御し、式（１）の関係を利用することによって、所望の（ｎ０−ｎ１）面を主面とする窒化物半導体層を成長することができる。

本実施形態の窒化物半導体構造は、種々の用途に用いられる窒化物半導体層を形成するための窒化物半導体バルク基板の種結晶として、好適に用いられる。また、このようにして得られた窒化物半導体層が設けられた窒化物半導体構造は、ＬＥＤ、レーザーダイオード等の発光素子、トランジスタなどのスイッチング素子等の電子素子に好適に用いられる。なお、前述した本実施形態の窒化物半導体構造を用いたバルク基板や、各光電子素子において、これらの構造の形成後に、本実施形態の窒化物半導体構造は除去されていてもよい。

（第１の実施形態の変形例）
本実施形態では、サファイア基板１００の主面１００ａは平坦であった。これは、非特許文献１のように、面方位を制御するためにサファイア基板の主面１００ａに凹凸加工を施す必要がないからである。しかし、窒化物半導体層３００あるいは窒化物半導体層構造１２０における積層欠陥や転位を減少させるために、主面１００ａに凹凸を設けてもよい。

たとえば図５（ａ）および（ｂ）に示すように、サファイア基板１００の主面１００ａに複数の凸部１００ｓを設けてもよい。各凸部１００ｓはｃ軸方向に平行なストライプ形状を有しており、主面１００ａ上において、ライン＆スペース（Ｌ＆Ｓ）状の凹凸を構成しているこの場合、凸部１００ｓの主面１００ａに平行な幅Ｗ_Lおよび隣接する凸部１００ｓ刊の幅Ｗ_sは、それぞれ１〜３０μｍの範囲内で制御してもよい。

このような形状を有する主面１００ａは、一般的にはドライエッチングにより形成することができ、エッチング深さＤは、例えば１μｍ以上３μｍ以下である。

また図６（ａ）および（ｂ）に示すように、サファイア基板１００の主面１００ａに複数の凸部１００ｔを設けてもよい。各凸部１００ｔは互いに独立した柱形状を有している。たとえば、円柱形状を有している。三角柱等の多角形の柱であってもよい。この場合にも、柱の伸びる方向に垂直な断面形状が外接する円の直径Ｗ_Dおよび凸部１００ｔ間の最大距離Ｗ_Iはそれぞれ１〜５μｍの範囲内で制御してもよい。このような形状を有する主面１００ａも、一般的にはドライエッチングにより形成することができ、エッチング深さＤは、例えば１μｍ以上３μｍ以下である。

このような凸部１００ｓや凸部１００ｔが設けられた主面１００ａにおいて、凸部１００ｓや凸部１００ｔの上面は、主面１００ａと概ね平行であるため、凸部１００ｔや凸部１００ｓの上面はサファイア基板１００の主面１００ａと同じ面方位を有している。このため、主面１００ａが平坦である場合と同様、このような加工を施したサファイア基板１００上に、バッファ層１１０および窒化物半導体層３００を含む窒化物半導体層構造１２０を形成することで、貫通転位および積層欠陥密度を低減した半極性面窒化物半導体層を得ることができる。

凹凸を有する主面１００ａのサファイア基板１００に窒化物半導体層構造１２０を成長させる技術と、非特許文献１に開示された技術との違いは、バッファ層１１０や窒化物半導体層３００は、主に加工したサファイア基板１００の凸部１００ｔ、１００ｓ表面から成長している点である。非特許文献１の技術では、加工した凸部の側面がｃ面であり、ｃ面を起点とした成長であることが特徴である。非特許文献１の場合、ドライエッチングによりｃ面からなる側面を形成するため、エッチング条件によっては、側面の形状が変化したり、成長基点となるｃ面がエッチングによりダメージを受たりするなどの理由により、所望の面方位を有し、結晶品位の高い窒化物半導体層を形成することが容易ではない場合があると考えられる。

これに対して、本実施形態において、主面１００ａに凹凸加工を施す場合、成長起点となる表面は、元の基板の主面１００ａである。凸部１００ｔ、１００ｓの上面は一般的に加工の際、マスクで覆われており、エッチングのダメージも受けにくい。このため、比較的容易に、凹凸加工およびそれによる選択成長が可能となる。

なお、本実施形態における半極性面の窒化物半導体層は、ａ軸方向にオフ角を有するｍ面サファイア基板と（ｎ０−ｎ１）面窒化物半導体のエピタキシー関係に起因しており、成長手法には限定されない。よって、以下に示す成長手法を適宜用いることができる。例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ハイドライド気相成長法、分子線エピタキシー法、パルスレーザ堆積法、パルススパッタリング法、液相成長法などである。

また、本実施形態のおける半極性面窒化物半導体層には、伝導性制御を行なうための不純物ドーピングを施してもよい。例えばｎ型伝導性制御を行なう場合、バッファ層もしくは窒化物半導体層にＺｎやＳｉなどをドーピングしてもよい。

また、ｐ型伝導性制御を行なう場合は、ＭｇやＢｅをドーピングしてもよい。

また、実施例２において説明するように、窒化物半導体層は、同一の構造のみから形成される必要はなく、成長条件や窒化物半導体の各組成（ＡｌｘＩｎｙＧａｚＮ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１））が異なる層が複数存在する積層構造であってもよい。

また、本実施形態の窒化物半導体層構造において、窒化物半導体層の主面のオフ角Φは、サファイア基板の主面１００ａのオフ角θを式（１）に従って変化させることによって、５度以上１５度以下の所望の範囲に調整できる。これは、成長する窒化物半導体層の組成には直接は依存しない。サファイア基板のｍ面上に、ｍ面を主面とする窒化物半導体層がエピタキシャル成長するのは、格子定数が一致しているからではないからである。以下の表１にＡｌＮ、ＧａＮおよびサファイアの格子定数を示す。表１から分かるように、ＡｌＮおよびＧａＮの格子定数は、サファイアの格子定数と大きく異なるが、サファイア基板のｍ面上に種々の組成の窒化物半導体層を形成することができることが知られている。したがって、本実施形態の窒化物半導体層構造も、種々の組成で実施することが可能である。

以下、本実施の形態の実施例を説明する。

（実施例１）
本実施例において用いたサファイア基板１００は、ｍ軸からａ軸方向に傾斜した面を主面１００ａとした。つまり、オフ角θはｃ軸を回転軸とし、その角度範囲は、０度以上３０度であった。

このとき、オフ角度が０度とは、ｍ面を主面とするサファイア基板であり、オフ角度が３０度とは、ａ面を主面とするサファイア基板である。ａ軸方向にオフ角θを有するｍ面のサファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。

このｍ面サファイア基板１００は、およそ２インチの直径および０．４３ミリメートルの厚みを有していた。

（ｍ面サファイア基板の洗浄）
ｍ面サファイア基板１００は、摂氏１００度に加熱された洗浄液を用いて１０分間、洗浄された。洗浄液は、１：１の体積比を有する硫酸およびリン酸から構成されていた。続いて、ｍ面サファイア基板１００は、水を用いて洗浄された。

（サファイア基板１００のサーマルクリーニング）
ａ軸方向にオフ角を有するｍ面サファイア基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされた。ＭＯＣＶＤ装置内では、水素および窒素がキャリアガスとして用いられた。

ｍ面サファイア基板１００は、３ｒｐｍの回転速度で回転された。

ｍ面サファイア基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内で加熱された。加熱温度は摂氏１０００〜１１００℃であり、時間は１０分とした。

（バッファ層１１０の成長）
加熱処理後、基板温度を摂氏６５０度まで降温し、バッファ層１１０を成長した。

表１は、バッファ層１１０の成長条件を示す。

本実施例１では、バッファ層１１０として、ＡｌＮを用いた。ＡｌＮは、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」という）およびアンモニアが供給され、サファイア基板１００の表面に成長した。

このとき、バッファ層１１０の主面１１０ａの法線とｍ軸間のオフ角度Φは、ｍ軸からａ軸方向にオフしたｍ面サファイア基板１００のオフ角度θとの間で、式（１）を充足する関係を有していた。

ＡｌＮのバッファ層の厚さは、およそ３００ｎｍであった。また、ＡｌＮのバッファ層成長前にＴＭＡのみを、サファイア基板１００の表面に１０秒間照射した。

表２は、本実施例１のバッファ層１１０の成長条件を示す。

バッファ層１１０を堆積後、アンモニアガスを供給しつつ、およそ摂氏９７０℃まで昇温し、１分の時間放置した。

その後、トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」という）およびアンモニアを供給し、バッファ層１１０の表面に、窒化物半導体層３００を含む窒化物半導体層構造１２０を得た。

表３は、窒化物半導体層３００の成長条件を示す。

バッファ層１１０の表面に成長した窒化物半導体層３００の面方位は、バッファ層１１０の面方位と同等であり、窒化物半導体層３００の主面３００ａの法線とｍ軸間のオフ角度Φは、ｍ軸からａ軸方向にオフしたｍ面サファイア基板１００のオフ角度θと、式（１）を充足する関係を有していた。

窒化物半導体層３００は、２μｍ程度の膜厚を有していた。

（実施例２）
窒化物半導体層３１０および窒化物半導体層３２０を含む窒化物半導体層構造１２０’を実施例１と同様に作製した。

図７に、作製した窒化物半導体構造の模式図を示す。

実施例１同様にバッファ層１１０を堆積後、アンモニアガス供給量を４リットル／分に、成長圧力を６７ｋＰａに変更し、基板温度の昇温を開始した。

およそ摂氏１０２０℃まで昇温し、１分の時間保持した。

その後、ＴＭＧおよびアンモニアを供給し、バッファ層１１０の表面に、第１段階目のＧａＮから構成される窒化物半導体層３１０を形成した。

表４は、第１段階目の窒化物半導体層３１０の成長条件を示す。

第１段階目の窒化物半導体層３１０の成長後、ＴＭＧ流量、アンモニアガス流量、成長圧力を表５の条件に変更し、基板温度の降温を開始した。

およそ摂氏９８０℃まで降温し、第１段階目の成長終了後、３分の時間放置した。

その後、ＴＭＧおよびアンモニアを供給し、第１段階目のＧａＮ層から形成される窒化物半導体層３１０の表面上に、２段階目のＧａＮ層から構成される窒化物半導体層３２０を形成した。２段階目のＧａＮ層の成長は、表３の条件下で行なった。

（比較例１）
比較例１では、オフ角を有するｍ面サファイア上に（１１−２ｎ）面を主面とする半極性面窒化物半導体膜を形成した。

用いたサファイア基板とその準備工程、加熱処理は、そのオフ角の方向が９０度変化していること以外は、実施例１と同様にした。つまり、基板のｍ軸がｃ軸方向にオフしている面を主面とするサファイア基板１０１上に、窒化物半導体層３０１を成長した。

本比較例では、サファイア基板の加熱処理後、一度降温し、サファイア基板１０１の温度が摂氏５００℃になったときに、アンモニアガスが供給され始めた。このアンモニアガスは、サファイア基板１０１の表面を窒化したと考えられた。

次に、アンモニアガスの供給開始とともに、昇温を開始した。サファイア基板１０１の温度が、摂氏９２０度に到達した後、１分の時間保持した。

その後、ＴＭＧおよびアンモニアがＭＯＣＶＤ装置に供給され、窒化物半導体層３３０をサファイア基板１０１の表面に成長した。このようにして、ＧａＮから形成される窒化物半導体構造を得た。表５は、窒化物半導体層３３０の成長条件を示す。

本比較例では、低温バッファ層は形成されなかった。低温バッファ層は、一般的な方法によって基板上に窒化物半導体層が形成される際に、基板と窒化物半導体層との間に形成され得る。

本比較例の成長方法を用いることで、オフ角を有するサファイア基板１０１のｍ軸と、窒化物半導体層の＜１１−２２＞軸がほぼ平行な窒化物半導体層３３０が得られた。例えば、オフ角が０のサファイア基板１０１は、ｍ面を主面とするサファイア基板に等しく、この基板上に前述の工程により窒化物半導体層３３０を形成すれば、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜を得ることができた。

また、本比較例のｍ軸からｃ軸方向にオフ角を有するサファイア基板１０１を用いれば、（１１−２２）面から窒化物半導体のｃ軸方向にオフ角を有する半極性面窒化物半導体層を得ることができた。

（結果および評価）
（表面モフォロジーの評価）
図８に、実施例１の窒化物半導体層３００表面の光学顕微鏡像を示す。

図８において（ａ）から（ｄ）は、サファイア基板１００のオフ角度（ｍ軸からａ軸方向）が０度、１０度、１５度、３０度の場合の結果を示す。

サファイア基板のオフ角度が０度のサンプルでは、窒化物半導体層の表面は比較的平坦であったが、オフ角度に増加に伴い、表面粗さが若干増加することがわかった。

図９に、レーザー顕微鏡により測定した図８と同スケール条件下における表面ｒｍｓ（root mean square）粗さを示した。

オフ角度の増大にともない、表面ｒｍｓ粗さは増大している。しかし、１５度までは（図８（ｃ））表面モフォロジー自体には大きな変化はなく、後に示すＸ線回折測定においても単峰性のピークが観測された。

つまり、ａ軸方向にオフ角度を有するｍ面のサファイア基板上において、（ｎ０−ｎ１）面を主面とする半極性面窒化物半導体の成長制御が可能であることを確認できた。

一方、サファイア基板のオフ角度が３０度の場合は、表面モフォロジーが大きく変化し、極めて粗い表面となった。

図８（ｄ）からわかるように、多結晶ライクな結晶粒が多数観測され、Ｘ線回折測定においても、単峰性の回折ピークは観測されなかった。

つまり、実施例１の表１および２で示した成長条件制御を用いても、オフ角度が３０度の場合、それ以下のオフ角度範囲で得られたような、（ｎ０−ｎ１）面を主面とする半極性面の窒化物半導体層の成長制御が困難であることがわかった。

以上の結果から、本実施形態のｍ軸からａ軸方向にオフ角度を有するｍ面サファイア基板を用いた（ｎ０−ｎ１）面半極性面窒化物半導体成長において、有効なオフ角度θの範囲は、０度以上２５度以下であった。

図１０（ａ）から（ｄ）に、実施例２における表面モフォロジーのサファイア基板オフ角度依存性を示す。図８の実施例１と比べて、表面にピットが観測され、表面粗さが増大した。これは、成長条件の違いによる。実施例１の比較的低圧力、低Ｖ／ＩＩＩ比条件下では、比較的平坦な膜が得られやすく、一方、表３に示した比較的高圧力、高Ｖ／ＩＩＩ比条件下では、表面は粗いが結晶性が高い膜が得られやすいことがわかった。結晶性の違いについては後ほど示す。

（断面ＳＥＭ像）
図８（ｂ）において示したオフ角度が１０度のサファイア基板上に成膜した窒化物半導体層３００の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ）を図１１に示す。図に示されるように、下からａ軸方向にオフ角度（θ＝１０度）を有するサファイア基板１００と、バッファ層１１０、および窒化物半導体層３００が順に形成されていることがわかる。

オフ角が１０度の基板を用いた場合であっても、窒化物半導体層３００の表面は比較的平坦であった。オフ角度が０度以上３０度未満の範囲では、同様な結果が得られた。

ＡｌＮのバッファ層１１０の厚さはおよそ３６０ｎｍであり、ＧａＮの窒化物半導体層３００の厚さはおよそ２．３μｍであった。

（Ｘ線回折装置による逆格子マッピング評価）
図１２Ａから図１２Ｄは、実施例２によるＧａＮの窒化物半導体層３００のＸ線逆格子マッピング測定結果である。測定面は、サファイア基板の（３０−３０）面と、ＧａＮ層の（２０−２０）面とし、この２つの面を同時に測定した。この２つの回折点を選んだのは、それぞれの回折角度が近く、比較が容易であるためである。各回折角度は以下の通りである。
サファイア（３０−３０）面：
２θ＝６８．２９５度、θ＝３４．１４７度、面間隔ｄ＝０．１３７ｎｍ
ＧａＮ（２０−２０）面：
２θ＝６７．８６６度、θ＝３３．９３３度、面間隔ｄ＝０．１３８ｎｍ

例えば、図１２Ａのオフ角度が０度の場合の逆格子マッピングデータについて説明する。逆格子マッピングの図の横軸は、Ｑｘ（１／Å）であり、縦軸はＱｙ（１／Å）を示し、それぞれ格子定数の逆数となっている。

Ｑｙの値はｍ軸方向の面間隔に対応し、図１２Ａの例では、サファイアのＱｙの値は、約０．７２７５であり、その逆数はおよそ前述した（３０−３０）面の面間隔に対応する。

逆格子マッピングの測定は、サファイア基板の（３０−３０）面を基準とし、軸合わせ（軸立て）を行なった。ｘ線は、サファイア基板のａ軸方向に平行、ｃ軸に垂直になるように入射した。

サファイアの（３０−３０）面の回折点を基準とし、ＧａＮ層の（２０−２０）面回折点を評価する際、違いを明確にするため、サファイア（３０−３０）面を原点として、逆格子マッピングデータを作図した。

図１１で見られたように、ＧａＮ層の膜厚は２μｍ以上と厚いので、ＧａＮ層中の歪はほぼ完全に緩和していると考えられる。よって、この場合、サファイアのｍ面とＧａＮ層のｍ面とが平行であれば、二つの回折点のＱｘ値は０であり、Ｑｙ軸上に並ぶはずである。

図１２Ａは、オフ角度が０であるｍ面サファイア上のｍ面、（１０−１０）面を主面とするＧａＮ層の逆格子マッピング測定結果である。

この場合、サファイア基板のｍ面とＧａＮ層のｍ面は平行であるため、前述の二つの面の回折ピークは、横軸であるＱｘ軸上でのずれは無く、縦軸上に並んだ形で観測された。ここで、縦軸のずれは、成長方向の結晶格子の格子定数の違いを反映している。サファイアのｍ軸方向の格子定数とＧａＮのｍ軸方向の格子定数は異なるため、縦軸方向のずれが観測された。

一方、図１２Ｂから図１２Ｄに示したように、オフ角が増大すると、この横軸方向（Ｑｘ値）のずれが急激に大きくなることがわかった。

ＧａＮ層のｍ軸とサファイア基板のｍ軸との差は、ＧａＮ層の回折ピークのＱｘ値とＱｙ値から求めることができる。

つまり、図１２の各図において
ＧａＮ層のｍ軸とサファイア基板のｍ軸との角度差＝ｔａｎ^-1(Ｑｘ/Ｑｙ)
から、求めればよい。

図１２において、ＧａＮ層のＱｙ値はほぼ一定であり、０．７２２〜０．７２３（１／Å）付近の値であった。一方、Ｑｘ値は、サファイア基板のオフ角増加に伴い、０、−０．００１、−０．０２６、−０．０４２（１／Å）と増加した。

例えば、オフ角度θ＝１５度の場合、ＧａＮ層のｍ軸とサファイア基板のｍ軸との差は、約３度と極めて大きいことがわかった。

このようなオフ角に関する報告は、非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体において報告があった。例えばＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ １００、２０２１０３ （２０１２）や Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ３、０１１００４ （２０１０）では、下地基板である半極性面を主面とするＧａＮ基板に対して、ＩｎＧａＮ層やＡｌＧａＮ層を形成すると、主面法線の結晶軸がある方向に傾斜（オフ）すると報告している。

しかし、この文献において報告されている基板と成長層の結晶軸角度の差は、いずれも１度未満であり、本実施例で得られたオフ角度の差がいかに大きい値であるかを、これらの文献との比較から確認することができた。

また、通常、基板のオフ角度の誤差は±０．５〜１．０度程度であり、オフ角度を有するｍ面サファイア基板を用いて、（２０−２１）面半極性面窒化物半導体層を成長するには、サファイア基板のオフ角を、式（１）に従って正確に制御すればよいことが確認された。

（サファイア基板のオフ角と半極性面ＧａＮの面方位の関係）
図１３（ａ）は、実施例２のサンプルにおける、サファイア基板のオフ角と、ＧａＮ層の主面法線のｍ軸との差の関係を示す。図中、点線はサファイアとＧａＮのそれぞれのオフ角が一対一で対応する線である。

オフ角を有するサファイア基板上に成膜したＧａＮ層の主面法線の結晶軸は、明らかに１対１のラインから逸脱していることが確認された。この角度のずれは、サファイアのオフ角度増加に伴いほぼ線形に大きくなり、その増加率は、式１で示したように約０．７８倍であった。例えば（２０−２１）面を主面とする半極性面窒化物半導体層を成長制御しようとする場合には、サファイアのオフ角度を約１９度に設計すればよいことがわかった。

図１３（ｂ）は、ＧａＮ層のオフ角と結晶性の関係を示す。図の右側縦軸は、図１３（ａ）の縦軸の値をサファイアのオフ角度から引いたものであり、ＧａＮ層の表面法線成分のサファイア基板オフ角からのずれを表している。

一方、左側縦軸は、ＧａＮ層の（１０−１０）面のｘ線ωロッキングカーブ（ＸＲＣ）半値幅を示す。ωロッキングカーブ半値幅は結晶性を評価する指標の一つであり、狭いほど良い結晶性を示す。

図をみると、サファイア基板のオフ角増加に伴い、ＧａＮ層の主面法線軸とのずれも大きくなり、サファイア基板のオフ角が１５度の場合は、３度以上の大きな値となった。また、ＸＲＣ半値幅のサファイア基板のオフ角度依存性を見ると、サファイア基板のオフ角度が５度以上になると、半値幅が急激に減少し、更に１０度以上ではさらに結晶性が改善することがわかった。

このように、（６０−６１）面（ｍ軸からのオフ角度〜５度）、（３０−３１）面（ｍ軸からのオフ角度〜１０度）、（２０−２１）面（ｍ軸からのオフ角度〜１５度）などの（ｎ０−ｎ１）面半極性面窒化物半導体の成長制御が、ｍ面サファイア基板のオフ角度を式１に基づいて正確に制御することで実現でき、さらに５度以上の大きなオフ角を有するサファイア基板を用いれば、半極性面制御と同時に結晶性向上効果も得られることがわかった。

（オフ角度を有するｍ面サファイア基板１００上に成膜した（２０−２１）面の窒化物半導体層の測定結果）
図１４に、本実施例１および実施例２で得られたオフ角を持つｍ面サファイア基板上（２０−２１）面のＧａＮからなる窒化物半導体層のＸＲＣ測定結果を示す。

測定は対称面反射で行い、ｘ線はサファイア基板のｃ軸に平行に入射した。（２０−２１）面のＧａＮの回折条件は以下のようになっている。
２θ＝７０．５４５度、θ＝３５．２７２５度、ｄ＝０．１３３４ｎｍ

図１４は、実施例１および２のサンプルにおいて単峰性のピークが得られ、そのピーク位置がおよそ（２０−２１）面のピークとも近いことが確認できた。つまり、本実施形態の手法により、（２０−２１）面を主面とする半極性面窒化物半導体膜の成長が可能であることが改めて確認できた。ＸＲＣ半値幅は、実施例１のサンプルはおよそ０．６２度、実施例２のサンプルはおよそ０．４３度であった。実施例２の条件下では、表面粗さは増大したが、結晶性が改善する傾向にあることがわかった。

図１４において、実施例１および２の回折ピーク位置に若干ずれが生じているのは、軸立て（軸合わせ）の際に発生する誤差であると考えられる。つまり、図１４からも明らかなように回折ピーク位置の誤差としてはおよそ１．０度以下と考えられる。

以上のように図８、１０〜１３および図１４の結果から、ｍ面のサファイア基板のオフ角度θを調整することにより、（６０−６１）面や（３０−３１）面、（２０−２１）面などの半極性面窒化物半導体層のヘテロ成長が実現可能であることがわかった。

（比較例１のｃ軸方向にオフ角度を持つｍ面サファイア基板上の（１１−２ｎ）面のＧａＮ成長）
図１２および１３に見られた、主面の法線とサファイア基板のオフ角の関係は、ｍ軸からａ軸方向にオフ角を有するｍ面サファイア基板上の（ｎ０−ｎ１）面を主面とする半極性面窒化物半導体へテロ成長時のみに見られる特徴であった。

図１５に、比較例１のｍ軸からｃ軸方向にオフ角を有するｍ面サファイア基板のオフ角度と、その表面に成長した（１１−２ｎ）面ＧａＮにおける主面の法線と［１１−２２］軸とのずれの関係を示した。比較のため、図１３（ｂ）に示した実施例２の結果を同時に示した。

比較例１の条件下では、ｍ面サファイア上に（１１−２２）面を有するＧａＮ層を成長させることができる。よって、オフ角を有するｍ面サファイア基板を用いれば、主面が（１１−２２）面から傾斜した半極性面の窒化物半導体層を形成することができる。

図４に示した、比較例１におけるｍ面サファイア基板上の（１１−２２）面ＧａＮのエピタキシー関係を考慮すると、サファイア面内のａ軸と、ＧａＮ層のｍ軸が平行であり、サファイア面内のｃ軸と、ＧａＮの［１１−２−３］軸が平行になる。よって、ｍ軸からｃ軸方向に１０度オフさせたｍ面サファイア基板上に成長すれば、（１１−２３）面ＧａＮが、ｍ軸からｃ軸方向の１９度オフさせれば、（１１−２４）面ＧａＮと予想される。

図１５の結果を見ると、ｍ軸からｃ軸方向にオフさせたｍ面サファイア基板上の（１１−２ｎ）面ＧａＮ成長においては、主面法線と［１１−２２］軸のずれは、サファイアのオフ角度と同等の値を示した。つまり、実施形態１で見られたような、サファイアのオフ角度に対し０．７８倍の線形的なずれは見られなかった。

つまり、実施例２で観測された、式１で示された、オフ角を有するｍ面サファイア基板上（ｎ０−ｎ１）面窒化物半導体成長膜の主面法線結晶軸のずれは、この系に見られる特有の結果であることが確認された。

なお、図１５において、オフ角を有するｍ面サファイア基板上（１１−２ｎ）面ＧａＮ成長膜の主面法線と［１１−２２］軸とのずれは、最大±０．７度程度のばらつきをもっていた。

比較例１において、このような大きなばらつきが生じる原因の一つは、ｍ面サファイア基板と（１１−２２）面窒化物半導体層のエピタキシャル関係にある。

ｍ面サファイア上に（１１−２２）面窒化物半導体が成長するメカニズムは、ｒ面（（１０−１２）面）サファイア上にａ面（（１１−２０）面）を主面とする窒化物半導体層が成長するメカニズムと同等と考えられている。

図１６（ａ）および（ｂ）にそのエピタキシャル関係を示す。（ａ）はｍ面サファイアをａ軸方向からみた場合のファセット構造図であり、（ｂ）は（１１−２２）面ＧａＮをｍ軸方向からみたファセット構造図である。ｍ面サファイア表面に存在する微小なｒ面マイクロファセットが成長の起点となり、ｒ面ファセット上にａ面窒化物半導体層が成長した結果、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層が形成されると考えられる。この際、サファイア基板のｒ面ファセットは、ｍ面表面から約３２．３度ずれている。一方、窒化物半導体層のａ面ファセットは、（１１−２２）表面から約３１．６度ずれている。よって、ｒ面ファセットを起点として成長した（１１−２２）面ＧａＮ層の表面は、その成長メカニズムから０．７度程度ずれが生じる可能性がある。このようなことが一因となり、図１５のオフ角のばらつきが生じたものと考えられる。

以上の結果から、ｍ軸からａ軸方向にオフ角度を有するｍ面サファイア基板を用いて（ｎ０−ｎ１）面を主面とする半極性面窒化物半導体層を得ようとする場合、それぞれの層におけるｍ軸方向のずれが、オフ角度増加に伴い増加することがわかった。

つまり、（ｎ０−ｎ１）面である半極性面の窒化物半導体構造を実現するには、式（１）に基づいたオフ角を有するｍ面サファイア基板を用いることが重要であることがわかった。

よって、（２０−２１）面を主面とする窒化物半導体層を得るには、オフ角度が１９度のｍ面サファイア基板を、（３０−３１）面を主面とする窒化物半導体層を得るには、オフ角度が１２度のｍ面サファイア基板を用いるなど、式１を充足するような基板オフ角の制御が必要であることがわかった。

（オフ角のずれと結晶性改善効果について）
図１３において説明したように、本実施形態の構造を用いることで、オフ角度を有するｍ面サファイア基板上に半極性面である（ｎ０−ｎ１）面窒化物半導体のヘテロ成長が可能であった。また、ｍ面サファイア基板のオフ角度が増加するに従い、サファイア基板のｍ軸と、窒化物半導体層のｍ軸間のずれが大きくなり、更に結晶性が改善することが見出された。

本発明者らは、このようなサファイア基板と窒化物半導体層の結晶軸のずれ、および、結晶性改善効果が得られる原因について、以下のように考察した。

ｍ軸からａ軸方向に１９度オフしたｍ面サファイア基板の主面には、そもそも（２０−２１）面窒化物半導体が成長しやすいと考えた。この要因は、二つの表面のＩＩＩ族原子配列の類似性に起因している。

図１７（ａ）は、ｍ軸からａ軸方向に１９度オフしたｍ面サファイア基板のＡｌ原子配列の模式図である。成長主面法線方向から観察した図である。それに対し、図１７（ｂ）は、（２０−２１）面ＧａＮのＧａ原子配列の模式図である。同様に、成長主面法線［２０−２１］方向から観察した図である。前述したように、本実施形態の（２０−２１）面窒化物半導体へテロ成長においては、成長表面内のサファイアのｃ軸と、ＧａＮ層のａ軸が平行になるエピタキシャル成長が起こる。

図１７（ａ）および（ｂ）を比較すると、図中点線で示したように、１９度オフしたサファイア表面のＡｌ原子と、（２０−２１）面のＧａ原子の配列が類似していることがわかる。このような表面原子配列の類似性が、式（１）の関係を充足する、サファイア基板とのエピタキシャル関係を維持した（ｎ０−ｎ１）面窒化物半導体成長が起こる一つの可能性として考えられる。

この仮定が正しければ、ｍ面サファイア上のｍ面窒化物半導体成長のエピタキシャル成長メカニズムと、本実施形態の１９度オフしたｍ面サファイア上の（２０−２１）面窒化物半導体成長のエピタキシャル成長メカニズムは似て非なるものと考えることができる。つまり、ｍ軸からａ軸方向に１９度オフしたｍ面サファイア基板は、（２０−２１）面窒化物半導体成長に適した基板であるといえる。

よって、図１３の結果は、ｍ面サファイア上のｍ面窒化物半導体層の成長モードから、１９度オフした（２０−２１）面窒化物半導体層成長モードで移行する過程とみることができる。一方、比較例１で示したｍ面サファイア上の（１１−２２）面窒化物半導体層の成長においては、サファイア表面のｒ面ファセットを成長起点としており、ｍ面サファイア基板をｍ軸からｃ軸方向に傾斜させても、窒化物半導体層の結晶軸は、ｒ面ファセットで主に決定されるため、実施例１で見られた結晶軸のずれは見られない。つまり、（１１−２２）面窒化物半導体のヘテロ成長の場合は、ｒ面サファイア表面上のａ面窒化物半導体成長モードのみがベースとなっていると考えられる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態にかかる窒化物半導体構造は、発光素子の窒化物半導体バルク基板として使用してもよい。

図１８は、本実施形態の発光素子１２を模式的に示している。図１８に示す発光素子１２には、第１の実施形態の窒化物半導体構造１１を用いることができる。

発光素子１２は、窒化物半導体構造１１と窒化物半導体構造１１上に位置している窒化物半導構造３０とを備える。窒化物半導構造３０は、ｎ型窒化物半導体層３２と、ｐ型窒化物半導体層３５と、ｎ型窒化物半導体層３２およびｐ型窒化物半導体層３５に挟まれた活性層３４とを含む。ｐ型窒化物半導体層３５の活性層３４側にアンドープの窒化物半導体層３６が設けられていてもよい。

窒化物半導構造３０にはｎ型窒化物半導体層の一部を露出する凹部５２が設けられ、凹部５２の底部に、ｎ型窒化物半導体層３２に接し、かつ、電気的に接続されたｎ側電極５０が設けられている。また、ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｐ側電極３７が設けられている。

窒化物半導構造３０はＡｌ_xＧａ_yＩｎ_zＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）によって構成される。ｎ型ドーパントにはＳｉを用い、ｐ型ドーパントにはＭｇを用いることができる。また、窒化物半導構造３０は、窒化物半導体構造１１と同様に種々のエピタキシャル成長技術を用いて形成することができる。

窒化物半導構造３０の各半導体層の主面は、窒化物半導体構造１１の窒化物半導体層と同じ面方位の主面を有する。したがって、本実施形態によれば、結晶性が良好であり、（ｎ０−ｎ１）面を主面とする活性層を備えた発光素子を実現することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態に係る発光素子１２は、そのまま光源として用いることができる。しかし、第３の実施形態に係る発光素子は、波長変換のための蛍光物質を備える樹脂などと組み合わせれば、波長帯域の拡大した光源として好適に使用され得る。

図１９は、光源１３の一例を示す模式図である。図１９の光源は、第２の実施形態の発光素子１２と、この発光素子１２から放射された光の波長を、他の波長帯域の光に変換する蛍光体が分散された樹脂層２０００とを備えている。発光素子１２は、表面に配線パターンが形成された支持部材２２００上に搭載されており、支持部材２２００上には発光素子１２を取り囲むように反射部材２４００が配置されている。樹脂層２０００は、発光素子１２を覆うように形成されている。

本願に開示された窒化物半導体構造は、窒化物半導体発光素子および窒化物半導体レーザー、窒化物半導体電子素子、バルク基板の種結晶に用いられ得る。

１１ 窒化物半導体構造
１２ 発光素子
１３ 光源
３０ 窒化物半導構造
３２ ｎ型窒化物半導体層
３４ 活性層
３５ ｐ型窒化物半導体層
３６ 窒化物半導体層
３７ ｐ側電極
５０ ｎ側電極
５２ 凹部
１００、１０１ サファイア基板
１００ａ、１１０ａ、３００ａ 主面
１１０ バッファ層
１２０ 窒化物半導体層構造
３００ 窒化物半導体層
３１０ １段階目の窒化物半導体層
３２０ ２段階目の窒化物半導体層
３３０ （１１−２ｎ）面を主面とする窒化物半導体層
２０００ 樹脂層
２２００ 支持部材
２４００ 反射部材

Claims (14)

1. ｍ軸からａ軸方向に傾斜したオフ角θおよびｃ軸に垂直な法線を有する主面を含むサファイア基板と、
   前記サファイア基板の前記主面上に位置しており、半極性面を主面とする窒化物半導体層を含む窒化物半導体層構造と
   を備え、
   前記窒化物半導体層の前記主面は、前記窒化物半導体層のａ軸に垂直な法線およびｍ軸からｃ軸方向に傾斜したオフ角Φを有し、
   前記サファイア基板の前記オフ角θおよび前記窒化物半導体層のオフ角Φとが、下記式（１）の関係を満たしており、
   Φ＝０．７８ｘθ ・・・（１）
   前記サファイア基板の前記オフ角度θが、５度以上２５度以下である、窒化物半導体構造。
2. 前記サファイア基板の前記オフ角度θは、１０度以上２０度以下である請求項１に記載の窒化物半導体構造。
3. 前記窒化物半導体層のオフ角度Φは５度以上１５度以下である請求項１または２に記載の窒化物半導体構造。
4. 前記サファイア基板の前記主面は、平坦である請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体構造。
5. 前記サファイア基板の前記主面は複数の凸部を有している請求項１から３のいずれかに記載の窒化物半導体構造。
6. 前記複数の凸部のそれぞれは、ｃ軸方向に平行なストライプ形状を有する請求項５に記載の窒化物半導体構造。
7. 前記複数の凸部のそれぞれは、円柱形状を有する請求項５に記載の窒化物半導体構造。
8. 前記窒化物半導体層構造は、前記サファイア基板と接し、前記窒化物半導体層と前記サファイア基板との間に位置するバッファ層をさらに含む請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体構造。
9. 請求項１から８のいずれかに規定される窒化物半導体構造を備えた電子素子。
10. 請求項１から８のいずれかに規定される窒化物半導体構造を備えた窒化物半導体バルク基板。
11. 請求項１から８のいずれかに規定される窒化物半導体構造と、
    前記窒化物半導体構造上に位置している他の窒化物半導体構造であって、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層とを含む、他の窒化物半導体構造と、
    前記ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｎ側電極と、
    前記ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｐ側電極と、
    を備えた発光素子。
12. ｍ軸からａ軸方向に傾斜したオフ角θおよびｃ軸に垂直な法線を有する主面を含むサファイア基板を用意し、
    前記サファイア基板の前記主面上に、半極性面を主面とする窒化物半導体層を含む窒化物半導体層構造を形成する、
    窒化物半導体構造の製造方法であって、
    前記窒化物半導体層の前記主面は、前記窒化物半導体層のａ軸に垂直な法線およびｍ軸からｃ軸方向に傾斜したオフ角Φを有し、
    前記サファイア基板の前記オフ角θおよび前記窒化物半導体層のオフ角Φとが、下記式（１）の関係を満たしており、
    Φ＝０．７８ｘθ ・・・（１）
    前記サファイア基板の前記オフ角度θが、５度以上２５度以下である、
    窒化物半導体構造の製造方法。
13. 前記サファイア基板の前記オフ角度θは、１０度以上２０度以下である請求項１２に記載の窒化物半導体構造の製造方法。
14. 前記窒化物半導体層のオフ角度Φは５度以上１５度以下である請求項１２または１３に記載の窒化物半導体構造の製造方法。

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