JP2015097261A - 窒化物半導体積層構造、半導体発光素子および窒化物半導体積層構造を製造する方法 - Google Patents

窒化物半導体積層構造、半導体発光素子および窒化物半導体積層構造を製造する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低い転位密度を有する窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法を提供する。【解決手段】オフ角φを備えたｍ面を主面とするサファイア基板１００と、サファイア基板のｃ軸と平行な方向において、複数の露出領域のそれぞれを挟む第１および第２の側面部を有するマスク層１２１と、を備え、サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、マスク層の第１および第２の側面部とサファイア基板の主面とが接する点がそれぞれ点Ａ、点Ｂと定義され、点Ｂを通り、主面から角度５８?−φをなす直線と第１の側面部が交わる点が点Ｃと定義され、点Ｃを通り主面に垂直な直線と点Ｂを通り主面に垂直な直線との間隔がＷと定義され、第１の側面部の高さがＨと定義され、Ｈ≧Ｗ・ｔａｎ（５８?−φ）の関係を満たしている、窒化物半導体積層構造。【選択図】図１

Description

本開示は、窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法に関する。
典型的に、ＩＩＩ族窒化物半導体はシリコン半導体に比べて高品位な半導体層を形成することが容易ではない。このため、高品位な半導体層を形成する種々の方法が提案されている。
特許文献１は、高アスペクト比のストライプマスクを基板上に形成することによって、転位の成長を停止させ、欠陥の少ないＩＩＩ族窒化物半導体層を形成し得る方法を開示している。
特許文献２は、ｃ面から傾斜したいわゆる半極性面を主面とする基板上に誘電体マスクを設け、基板上に窒化物半導体層を成長させることによって、窒化物半導体層中に生成する欠陥を抑制する方法を開示している。
非特許文献１は、ｍ面サファイア基板上に非極性面および半極性面を有する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。
米国特許第６８０９３５１号明細書（特開２００２−２７０５１６号公報） 米国特許第８３３０１４４号明細書
本開示の限定的ではない、例示的なある実施形態は、低い転位密度を有する窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法を提供する。
本開示の一実施形態による窒化物半導体積層構造は、ｃ軸に対して０°以上１０°以下のオフ角φを備えたｍ面を主面として有するサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面に複数の露出領域を設けるパターンを有するマスク層であって、前記サファイア基板のｃ軸と平行な方向において、複数の露出領域のそれぞれを挟む第１の側面部および第２の側面部を有するマスク層と、前記主面の前記複数の露出領域上および前記マスク層上に設けられた、窒化物半導体からなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられた窒化物半導体層とを備え、前記サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、前記マスク層の前記第１の側面部および第２の側面部と前記サファイア基板の前記主面とが接する点がそれぞれ点Ａ、点Ｂと定義され、前記点Ｂを通り、前記主面から角度５８°−φをなす直線と前記第１の側面部が交わる点が点Ｃと定義され、前記点Ｃを通り前記主面に垂直な直線と前記点Ｂを通り前記主面に垂直な直線との間隔がＷと定義され、前記第１の側面部の高さがＨと定義され、Ｈ≧Ｗ・ｔａｎ（５８°−φ）の関係を満たしている。
本開示の一実施形態によれば、低い転位密度を有する窒化物半導体積層構造を得ることが可能となる。
図１は、第１の実施形態による窒化物半導体積層構造の断面図である。 図２Ａは、第１の実施形態による窒化物半導体積層構造のマスク層の平面図である。 図２Ｂは、第１の実施形態による窒化物半導体積層構造のマスク層の断面図である。 図３は、マスク層の他の形態例を示す平面図である。 図４は、第１の実施形態における窒化物半導体層を形成する途中の窒化物半導体積層構造の断面図である。 図５は、第１の実施形態における窒化物半導体層を形成する途中の窒化物半導体積層構造の他の断面図である。 図６は、第２の実施形態による発光素子の断面図である。 図７は、第３の実施形態による発光装置の断面図である。 図８Ａは、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法の、一工程における平面図である。 図８Ｂは、図８ＡのＬ８-Ｌ８’断面図である。 図９Ａは、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法の、他の一工程における平面図である。 図９Ｂは、図９ＡのＬ９-Ｌ９’断面図である。 図１０Ａは、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法の、他の一工程における平面図である。 図１０Ｂは、図１０ＡのＬ１０-Ｌ１０’断面図である。 図１１Ａは、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法の、他の一工程における平面図である。 図１１Ｂは、図１１ＡのＬ１１-Ｌ１１’断面図である。 図１２は、実施例１による、マスク層を備えた基板の断面写真を示す図である。 図１３は、比較例１による窒化物半導体積層構造のＸ線回折プロファイルを示す図である。 図１４Ａは、比較例１による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図である。 図１４Ｂは、実施例１による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図である。 図１４Ｃは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す図である。 図１５は、１０Ｋの低温下における比較例１および実施例１による窒化物半導体層３００の発光スペクトルを示す図である。 図１６Ａは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造の断面透過型電子顕微鏡像（以下、「ＴＥＭ像」という）を示す図である。 図１６Ｂは、図１６Ａに描かれた破線によって囲まれた領域の拡大像を示す図である。 図１６Ｃは、図１６Ｂに描かれた破線によって囲まれた領域の拡大像を示す図である。 図１７Ａは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造のサンプル面内の所定箇所における表面モフォロジーを示す図である。 図１７Ｂは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造のサンプル面内の異なる箇所における表面モフォロジーを示す図である。 図１７Ｃは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造のサンプル面内のさらに異なる箇所における表面モフォロジーを示す図である。 図１８Ａは、実施例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す図である。 図１８Ｂは、実施例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーの拡大図を示す図である。 図１９Ａは、実施例１による窒化物半導体積層構造の断面ＴＥＭ像を示す図である。 図１９Ｂは、図１９Ａの中心付近の拡大像を示す図である。 図１９Ｃにおいて、（ａ）は図１９Ｂの縮小像を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の実線によって囲まれた領域の拡大像を示す図である。 図２０Ａは、比較例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す図である。 図２０Ｂは、参考例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す図である。 図２０Ｃは、参考例２による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す図である。
（本開示に至った経緯）
本発明者は、特許文献２に開示された欠陥を抑制する方法を詳細に検討した。特許文献２に開示された方法によれば、下地層として窒化物半導体層を用いる。そのため、特許文献２に開示された方法は、サファイア基板上に半極性面の窒化物半導体層を形成し、その上に誘電体層を形成し、その上に半極性面の窒化物半導体層を成長させる。つまり、窒化物半導体層の結晶成長工程が二度必要であるため、製造コストが増大し、製造に要する時間が長くなる。
本開示発明者はこのような課題に鑑み、新規な窒化物半導体積層構造を想到した。本開示の一実施形態にかかる窒化物半導体積層構造は、特許文献２とは異なり、サファイア基板上に直接誘電体マスクパターンを形成し、その上に半極性面の窒化物半導体層を成長する構造および方法を用いる。これにより、サファイア基板に誘電体マスクパターニングを施した後、結晶成長を行うことができるため、結晶成長工程が一度で済み、製造コストを大幅に低減することができる。また、サファイア基板と窒化物半導体層との界面で発生した斜め方向に伝搬する欠陥を、誘電体マスク側面においてブロックし得るため、半極性面の窒化物半導体層の表面における欠陥密度を低減し、結晶品質を向上させることができる。具体的には、一実施形態による窒化物半導体積層構造は以下のとおりである。
（実施形態の概要）
本開示の一実施形態による窒化物半導体積層構造は、ｃ軸に対して０°以上１０°以下のオフ角φを備えたｍ面を主面として有するサファイア基板と、前記サファイア基板の前記主面に複数の露出領域を設けるパターンを有するマスク層であって、前記サファイア基板のｃ軸と平行な方向において、前記複数の露出複数の領域のそれぞれを挟む第１の側面部および第２の側面部を有するマスク層と、前記主面の前記複数の露出領域上および前記マスク層上に設けられた、窒化物半導体からなるバッファ層と、前記バッファ層上に設けられた窒化物半導体層とを備え、前記サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、前記マスク層の前記第１の側面部および第２の側面部と前記サファイア基板の前記主面とが接する点がそれぞれ点Ａ、点Ｂと定義され、前記点Ｂを通り、前記主面から角度５８°−φをなす直線と前記第１の側面部が交わる点が点Ｃと定義され、前記点Ｃを通り前記主面に垂直な直線と前記点Ｂを通り前記主面に垂直な直線との間隔がＷと定義され、前記第１の側面部の高さがＨと定義され、Ｈ≧Ｗ・ｔａｎ（５８°−φ）の関係を満たしている。
前記サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、前記主面と、前記第１の側面部と、前記点Ｂおよび前記点Ｃを結ぶ直線とによって囲まれる領域が第１の領域と定義され、前記第２の側面部と、前記点Ｂおよび前記点Ｃを結ぶ直線と、前記点Ｃを通り、前記主面に平行な直線とによって囲まれる領域が第２の領域と定義され、前記点Ｃを通り、前記主面に平行な直線より上方の領域が第３の領域と定義され、前記窒化物半導体層は、例えば、前記第１の領域において、前記第２の領域よりも高い転位密度を有していてもよい。
前記窒化物半導体層は、例えば、前記第２の領域および前記第３の領域において、同じ転位密度を有していてもよい。
前記窒化物半導体層は、例えば、前記第３の領域において１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有していてもよい。
前記窒化物半導体層は、例えば、前記第１の領域において１０10ｃｍ-2以上の転位密度を有していてもよい。
前記窒化物半導体層は、例えば、前記第２の領域において、１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有し
ていてもよい。
前記バッファ層は、例えば、前記主面の前記複数の露出領域上と前記マスク層上とで異なる結晶構造を有していてもよい。
前記バッファ層は、例えば、前記主面の前記複数の露出領域上において、前記窒化物半導体層と同じ面方位を有していてもよい。
前記バッファ層は、例えば、アルミニウムを含む窒化物半導体によって構成されていてもよい。
前記マスク層は、例えば、前記サファイア基板のａ軸方向に伸びるストライプ構造を有し、前記第１の側面部および第２の側面部は前記ストライプ構造の隣接する一対のストライプの対向する側面であってもよい。
前記マスク層は、例えば、独立した複数の開口を有し、前記複数の開口の底部に、前記主面の複数の前記露出領域が位置していてもよい。
前記複数の開口のそれぞれは、例えば、円形状を有していてもよい。
前記複数の開口のそれぞれは、例えば、ストライプ形状を有していてもよい。
本開示の一実施形態による電子素子は、上記いずれかに規定される窒化物半導体積層構造を備える。
本開示の一実施形態による窒化物半導体バルク基板は、上記いずれかに規定される窒化物半導体積層構造を備える。
本開示の一実施形態による発光素子は、上記いずれかに規定される窒化物半導体積層構造と、前記窒化物半導体積層構造上に位置している他の窒化物半導体積層構造であって、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、他の窒化物半導体積層構造と、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側電極とを備える。
本開示の一実施形態による窒化物半導体積層構造の製造方法は、ｃ軸に対して０°以上１０°以下のオフ角φを備えたｍ面を主面として有する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に複数の露出領域を設けるパターンを有するマスク層であって、前記サファイア基板のｃ軸と平行な方向において、前記複数の露出領域のそれぞれを挟む第１の側面部および第２の側面部を有するマスク層を前記サファイア基板の前記主面上に形成し、前記主面の前記複数の露出領域上および前記マスク層上に窒化物半導体によって構成されるバッファ層を形成し、前記バッファ層上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる窒化物半導体積層構造の製造方法であって、前記サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、前記マスク層の前記第１の側面部および第２の側面部と前記サファイア基板の前記主面とが接する点がそれぞれ点Ａ、点Ｂと定義され、前記点Ｂを通り、前記主面から角度５８°−φをなす直線と前記第１の側面部が交わる点が点Ｃと定義され、前記点Ｃを通り前記主面に垂直な直線と前記点Ｂを通り前記主面に垂直な直線との間隔がＷと定義され、前記第１の側面部の高さがＨと定義され、Ｈ≧Ｗ・ｔａｎ（５８°−φ）の関係を満たしている。
(第１の実施形態)
以下、図面を参照しながら本開示の実施形態の一例を説明する。
図１は、本実施形態による窒化物半導体積層構造の断面図を示す。図１に示すように、窒化物半導体積層構造５１は、基板１００、バッファ層１１０、マスク層１２１（図２Ａ）および窒化物半導体層３００を備えている。以下、各構成要素の具体例を詳細に説明する。
［基板１００］
基板１００は、ｍ面を主面１００ａとするサファイア基板である。本開示において「ｍ面」とは、（１−１００）面およびそれと等価な面、ならびに、それらの面に対して１０°以下のオフ角を備えた面を意味する。（１−１００）面と等価な面は、（−１１００）面、（０１-１０）面、（０−１１０）面、（１０−１０）面、および（−１０１０）面を含む。図１では、基板１００は、主面１００ａの法線がｍ軸と一致しており、ｃ軸に対して主面のオフ角が０°である。つまり、図１において、Ｙ軸は、サファイア基板のｃ軸であり、Ｚ軸はｍ軸であり、Ｘ軸はａ軸である。サファイア基板は、ｃ軸に対してオフ角を有するｍ面基板であってもよい。具体的には、ｍ軸が主面１００ａの法線方向からｃ軸方向に０°以上１０°以下の角度で傾斜している主面を有するサファイア基板であってもよい。本開示において、このようなオフ角を有する主面も「ｍ面」と呼ぶことがある。
また、基板１００は、窒化物半導体基板であってもよい。この場合、基板１００の＜１−１００＞方向がＸ軸と一致し、＜１１−２−３＞方向がＹ軸と一致し、＜１１−２２＞方向がＺ軸と一致する。Ｚ軸は、窒化物半導体積層構造５１の積層方向に平行であり、Ｘ軸およびＹ軸は、積層方向に直交する。
なお、窒化物半導体からなる基板１００は、０°以上１０°以下の角度で傾斜している主面を有していてもよい。その場合、主面の法線が、＜１１−２２＞軸から+ｃ軸方向に、０度以上１０度以下の範囲で傾斜している。ちなみに、主面の法線が、＜１１−２２＞軸から+ｃ軸方向に、１０度傾斜している場合、その主面は（１１−２３）面とほぼ等価である。
［マスク層１２１］
マスク層１２１は、基板１００の主面１００ａ上に設けられる。図２Ａは基板１００の主面１００ａ上に設けられたマスク層１２１の平面図である。図２Ｂは、図２ＡにおけるＬ２−Ｌ２’断面図である。図１、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、マスク層１２１は、主面１００ａの複数の領域１００ｂを露出するパターンを有している。本実施形態では、マスク層１２１は、ストライプ構造を備えている。具体的には、ストライプ構造は、Ｘ方向に伸びる棒状の単位パターンがＹ方向に所定の間隔を隔てて配置されたパターンを有する。マスク層１２１は、図１に示すように、各露出した領域１００ｂを挟む第１の側面部１２２ａおよび第２の側面部１２３ｂを含む。図１に示される例では、隣接する単位パターン１２１ａおよび単位パターン１２１ｂにおいて、単位パターン１２１ａの側面のうち単位パターン１２１ｂに対向する側面が、第１の側面部１２２ａであり、単位パターン１２１ｂの側面のうち単位パターン１２１ａに対向する側面が、第２の側面部１２３ｂである。隣接する単位パターン１２１ａおよび単位パターン１２１ｂによって形成される開口１２１ｗにおいて、基板１００の主面１００ａの領域１００ｂが露出している。本開示では、この領域１００ｂを「露出領域」と呼ぶことがある。
マスク層１２１のパターンはストライプ構造に限られない。図３は、他のパターンを有するマスク層１２１の例の平面図を示す。図３に示すように、マスク層は、独立した複数の開口１２１ｗを有していてもよい。独立したとは、開口１２１ｗ同志が接続されていないことをいう。図３では、開口１２１ｗは円形である。しかし、開口１２１ｗの形状は、正方形、長方形、多角形、または楕円であってもよい。開口１２１ｗの底部において主面１００ａの領域１００ｂが露出する。複数の開口１２１ｗの配置に特に制限はなく、２次元に配列されておればよい。
図３に示すように、開口１２１ｗを規定するマスクのうち、Ｙ方向に面する部分が、第１の側面部１２２ａおよび第２の側面部１２３ｂである。図３におけるＬ３−Ｌ３’断面は図１と同様の構造を有する。
マスク層１２１の材料に特に制限はない。マスク層１２１が形成された後に、マスク層１２１を覆ってバッファ層１１０および窒化物半導体層３００が形成される。そのため、マスク層１２１は、バッファ層１１０および窒化物半導体層３００を形成するための温度や雰囲気によって、形状変化や組成変化が生じない材料によって構成することができる。たとえば、マスク層１２１は、酸化ケイ素、または窒化ケイ素などの誘電体無機材料によって構成してもよい。マスク層１２１は、たとえば、酸化ケイ素によって構成してもよい。
図１に示すように、本実施形態では、単位パターン１２１ａおよび単位パターン１２１ｂはＹ軸およびＺ軸を含む平面において、台形形状を有する。単位パターン１２１ａは、上面１２５ａ、底面１２４ａ、第２の側面部１２３ｂおよび第１の側面部１２２ａを有する。同様に、単位パターン１２１ｂは、上面１２５ｂ、底面１２４ｂ、第２の側面部１２３ｂおよび第１の側面部１２２ａを有する。
第１の側面部１２２ａと主面１００ａとがなす角度αは、６０°以上９０°以下であってもよい。同様に、第２の側面部１２３ｂと主面１００ａとがなす角度αも、６０°以上９０°以下であってもよい。ここで、角度αは、台形形状の内角として規定する。角度αが６０°未満である場合、マスク層１２１の単位パターンの幅が広くなり、マスク層１２１が主面１００ａを覆う面積が広くなってしまう。一方、９０°を超える角度αを有するマスク層１２１を形成することは困難な場合がある。
図１に示すように、Ｙ軸およびＺ軸に平行な断面において、マスク層１２１の第１の側面部１２２ａと基板１００の主面１００ａとが接する点を点Ａと定義する。マスク層１２１の第２の側面部１２３ｂと基板１００の主面１００ａとが接する点を点Ｂと定義する。また、点Ｂを通り主面１００ａから角度θをなす直線Ｌ１と、第１の側面部１２２ａとが交わる点を点Ｃと定義する。
点Ｃを通り主面１００ａに垂直な直線Ｌ４と点Ｂを通り主面１００ａに垂直な直線Ｌ３との間隔をＷと定義する。点Ｃを通り主面１００ａと平行な直線Ｌ２と第２の側面部１２３ｂとが交わる点を点Ｄと定義する。第１の側面部１２２ａの高さをＨと定義する。
高さＨと間隔Ｗと角度θとは以下の関係式（１）、（２）を満たしている。つまり、マスク層１２１は、式（１）、（２）を満たす形状を備えている。
Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθ・・・・（１）
４８°≦θ≦５８°・・・・・（２）
なお、後述するように、基板１００の主面が角度φのオフ角を備える場合において、θは５８°−φの関係を満たす。
［バッファ層１１０］
バッファ層１１０は、主面１００ａの露出した領域１００ｂおよびマスク層１２１上に設けられる。バッファ層１１０は、窒化物半導体から形成される。本開示において「窒化物半導体」は、組成式ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示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。例えば、ｎ型伝導制御のためにＳｉやＧｅを含んでいてもよく、ｐ型伝導制御のために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において、主面１００ａの露出領域１００ｂ上に位置する部分と、マスク層１２１（図１では、単位パターン１２１ａ、１２１ｂ）上に位置する部分とは、互いに異なる結晶構造を有する。具体的には、バッファ層１１０のうち、主面１００ａの露出領域１００ｂ上に位置する部分は単結晶構造を有し、マスク層１２１（単位パターン１２１ａ、１２１ｂ）上に位置する部分は、多結晶構造、または、アモルファス構造を有する。特に、本実施形態では、主面１００ａの露出領域１００ｂ上に位置する部分は、（１１−２２）面を主面とする結晶構造を有する。これは、本実施形態における結晶成長プロセスが、後述する比較例１と同様の結晶成長プロセスであることからも確認できる。バッファ層１１０のうち、主面１００ａの露出領域１００ｂ上の部分は、基板１００の結晶構造を反映したエピタキシャル成長によって形成される。一方、バッファ層１１０のうち、マスク層１２１上の部分はアモルファス構造あるいは、エピタキシャル成長せずに形成された結晶構造を備える。このため、上述した結晶構造の差異が生じる。
バッファ層１１０は、マスク層１２１上および主面１００ａの領域１００ｂ上に一様に、つまり、概ね均一な厚さおよびモフォロジーで形成されてもよい。例えば、比較的低温でバッファ層１１０を成長させてもよい。温度は、例えば、４００℃以上８００℃以下としてもよく、さらに、４００℃以上６５０℃以下としてもよい。低温で成長させることりより、成長中の原料のマイグレーションを抑制し、下地を反映し、場所によって結晶構造が異なるバッファ層１１０を形成することができる。
バッファ層１１０を構成する窒化物半導体層は、Ａｌ（アルミニウム）を含んでもよい。バッファ層１１０を構成する窒化物半導体層は、Ａｌを含むことにより、例えばＡｌＮまたはＡｌＧａＮ三元混晶のように、ＧａＮに比べてマイグレーションしにくい材料となりうる。
なお、本実施形態において、バッファ層１１０は、基板１００の表面、つまり領域１００ｂ上にのみ形成されていてもよい。マスク層１２１表面に形成されるバッファ層１１０は、除去されてもよいし、意図的に領域１００ｂのみにバッファ層１１０を形成してもよい。例えば、バッファ層１１０を形成後、成長炉内で昇温して、熱処理によりマスク層１２１上に形成された多結晶ライクなバッファ層を除去することも可能である。もしくは、マストランスポート法などにより、領域１００ｂにのみバッファ層１１０を形成してもよい。
バッファ層１１０は、領域１００ｂ上において、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有してもよい。領域１００ｂ上に位置する単結晶構造のバッファ層１１０は、サファイア基板１００の表面に比べて、窒化物半導体結晶の核形成を生じやすくし、窒化物半導体の選択成長を促進する。よって、バッファ層１１０の厚さは、選択成長時に核形成が起きやすくすることができる範囲内で、可能なかぎり小さくてもよい。しかし、バッファ層１１０の厚さは、窒化物半導体層３００の結晶性にも影響するため、適宜選択することができ、例えば、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってもよい。
［窒化物半導体層３００］
窒化物半導体層３００は、バッファ層１１０上に位置し、窒化物半導体によって構成される。図１に示すように、窒化物半導体層３００は、マスク層１２１の第１の側面部１２２ａおよび第２の側面部１２３ｂ、ならびに、それらの間に形成されたバッファ層１１０に接している。
図１に示すように、Ｙ軸およびＺ軸を含む断面において、第１の領域Ｇ１、第２の領域Ｇ２および第３の領域Ｇ３を定義する。第１の領域Ｇ１は、主面１００ａと、第１の側面部１２２ａと、点Ｂおよび点Ｃを結ぶ直線Ｌ１とによって囲まれる。第２の領域Ｇ２は、第２の側面部１２３ｂと、直線Ｌ１と、点Ｃを通り、主面１００ａに平行な直線Ｌ２とによって囲まれる。第３の領域Ｇ３は、直線Ｌ２より上方の領域である。
窒化物半導体層３００は、以下において詳細に説明するように、バッファ層１１０のうち領域１００ｂ上の部分の結晶性を反映したエピタキシャル成長層である。より具体的には、窒化物半導体層３００は、（１１−２２）面を主面に有する単結晶構造を備え、＜１１−２２＞方向に配向している。窒化物半導体層３００の上面の法線方向はＺ軸に平行であるので、窒化物半導体層３００の＜１１−２２＞方向がＺ軸に平行である。窒化物半導体層３００のｍ軸、すなわち、＜１−１００＞方向がＸ軸に平行であり、窒化物半導体層３００の＜−１−１２３＞方向がＹ軸に平行である。
なお、基板１００が、角度φのオフ角を備えるｍ面サファイア基板である場合、窒化物半導体層３００の＜１１−２２＞方向は、Ｚ軸から−ｃ軸方向に角度φだけ傾斜しており、＜１−１００＞方向はＸ軸にほぼ平行であり、＜−１−１２３＞方向は、Ｙ軸から−ｃ軸方向に角度φだけ傾斜している。
図１に示す断面において、窒化物半導体層３００のｃ軸は直線Ｌ１に垂直であり、ａ軸は直線Ｌ１に平行である。窒化物半導体は、ｃ軸方向に対して反転対称性を有さない。図１に示されるｃ軸方向は、＋ｃ軸方向を指し示す。
なお、基板１００が、角度φのオフ角を備えるｍ面サファイア基板である場合においても、窒化物半導体層３００のｃ軸は直線Ｌ１に垂直であり、ａ軸は直線Ｌ１に平行である。別の言い方をすれば、ｍ面サファイア基板のオフ角がφであるとき、主面１００ａから角度θ＝５８°−φをなす直線を直線Ｌ１と定義することにより、直線Ｌ１は窒化物半導体層３００のｃ軸に垂直かつ、ａ軸は直線Ｌ１に平行となる。
マスク層１２１の形状が、Ｙ軸およびＺ軸を含む任意の断面において、上述した式（１）、（２）の関係を満たす場合、窒化物半導体層３００は、第１の領域Ｇ１、第２の領域Ｇ２および第３の領域Ｇ３において、異なる転位密度を有する。具体的には、窒化物半導体層３００は、第１の領域Ｇ１において、第２の領域Ｇ２よりも高い転位密度を有する。第２の領域Ｇ２および第３の領域Ｇ３における窒化物半導体層３００の転位密度はほぼ等しい。例えば、窒化物半導体層３００は、第１の領域Ｇ１において１０10ｃｍ-2以上の転位密度を有し、第２の領域Ｇ２および第３の領域Ｇ３において、１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有する。これは、窒化物半導体層３００の形成初期に生成する転位がマスク層１２１によって遮断あるいは抑制されるからである。以下、窒化物半導体層３００の形成と転位密度との関係を詳細に説明する。
図４に示すようにバッファ層１１０上に窒化物半導体層３００をエピタキシャル成長させる場合、バッファ層１１０のうち領域１００ｂ上の部分において、原料が優先的に分解し、核が形成される。一方、バッファ層１１０のうちマスク層１２１上の部分においては、核が形成されにくい。これは、上述したバッファ層１１０の結晶構造の違いによる。
また、窒化物半導体層３００は、基板１００の主面１００ａ、つまりｍ面を主面とするサファイア基板上に、バッファ層１１０を介して、エピタキシャル成長していく。このエピタキシャル成長層は＋ｃ軸方向に成長するが、成長後において主面が（１１−２２）面となる窒化物半導体層３００が成長する。
基板１００がｍ面サファイア基板である場合、ｍ面サファイア基板とバッファ層１１０との間の格子不整合、および、バッファ層１１０と窒化物半導体層３００との間の格子不整合のため、第１の領域Ｇ１において形成された窒化物半導体層３００は、多くの転位２００を含む。言い換えれば、基板１００は、第１の領域Ｇ１に含まれる転位２００を引き起こす。転位２００は、図４において、破線で示されている。この破線は、転位線とも呼ばれる。転位２００の密度は、１０10ｃｍ-2以上である。
これらの転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ軸に直交する傾向を有する。言い換えれば、これらの転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ面に平行であり、ｃ面内に形成される傾向がある。この場合、ｃ面は、すべり面である。本開示における「転位」は、積層欠陥を含み得る。ただし、積層欠陥は面欠陥の１種であり、積層欠陥はｃ面に形成され得る。これに対し、転位は線欠陥の１種である。特許文献１に開示されているように、転位は、成長方向およびファセット面に応じて、屈曲し得る。一方、積層欠陥は屈曲しない。本開示における「転位」は、成長方向またはファセット面に応じて屈曲した転位を含む。
窒化物半導体層３００が成長し続けると、図５に示すように、直線Ｌ１を超えて、窒化物半導体層３００が成長する。窒化物半導体層３００の直線Ｌ１を超えた部分は、第２の領域Ｇ２に位置する。第２の領域Ｇ２に位置する窒化物半導体層３００は、以下３つの理由のため、低い転位密度を有すると考えられる。
《理由Ａ》 第２の領域Ｇ２は、転位２００を引き起こす基板１００に接しない。
《理由Ｂ》 第１の領域Ｇ１に含まれる転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ軸に直交する。そのため、第１の領域Ｇ１に含まれる転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ軸に平行な方向に沿ってエピタキシャル成長する第２の領域Ｇ２に現れない。言い換えれば、第１の領域Ｇ１に含まれる転位２００は、第２の領域Ｇ２に引き継がれない。
《理由Ｃ》 マスク層１２１上に形成されたバッファ層１１０は転位をほとんど引き起こさない。
このようにして、低い転位密度を有する窒化物半導体層３００が第２の領域Ｇ２において成長する。より具体的には、上述したように、窒化物半導体層３００は、例えば、第２の領域Ｇ２において１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有する。
窒化物半導体層３００はさらに第３の領域Ｇ３においてエピタキシャル成長する。この際、マスク層１２１が式（１）、（２）の関係を満たしていることにより、Ｙ軸およびＺ軸を含む任意の断面において、第１の領域Ｇ１は、第１の側面部１２２ａによって区切られ、第３の領域Ｇ３とは実質的に接触しない。言い換えれば、Ｙ軸およびＺ軸を含む任意の断面において、第１の領域Ｇ１および第２の領域Ｇ２は、マスク層１２１の開口内に位置する。これは、窒化物半導体層３００の第１の領域Ｇ１にある転位２００が、第３の領域Ｇ３から空間的に隔てられており、第３の領域Ｇ３において成長する窒化物半導体層３００には転位２００が伝播しないことを意味する。ただし、厳密にはＹ軸およびＺ軸を含む任意の断面を見た場合、第１の領域Ｇ１は第３の領域Ｇ３と点Ｃを通りＸ軸に平行な直線で接する。この直線は、数学的な意味での直線であるため、上述した転位２００の伝播を生じさせるような実質的な面積を有しない。したがって、第１の領域Ｇ１に含まれる転位２００は、第３の領域Ｇ３には引き継がれない。
Ｗの値は、例えば１００ｎｍ以上５μｍ以下である。また、領域１００ｂのｙ方向の幅は、例えば１００ｎｍ以上５μｍ以下である。
このように、窒化物半導体層３００は、第２の領域Ｇ２において形成された後、第３の領域Ｇ３において形成される。そのため、第３の領域Ｇ３は、第２の領域Ｇ２と同様、低い転位密度を有する。
また、第１の領域Ｇ１における窒化物半導体層３００の成長面の法線は、＋ｃ軸方向に平行である。このため、第２の領域Ｇ２においては、−ｃ軸方向のエピタキシャル成長は起きない。同様に、第３の領域Ｇ３においてもまた、−ｃ軸方向のエピタキシャル成長は起きない。＋ｃ軸方向に沿ってエピタキシャル成長された層は、−ｃ軸方向に沿ってエピタキシャル成長された層よりも、高い表面平坦性および高い結晶性を有する。
このように、マスク層１２１が、窒化物半導体層３００の第１の領域Ｇ１に含まれる転位２００が、第２の領域Ｇ２および第３の領域Ｇ３に引き継がれることを抑止する。従って、窒化物半導体層３００は、第２の領域Ｇ２および第３の領域Ｇ３において、例えば１０8ｃｍ-2以下という低い転位密度を有する。このため、窒化物半導体層３００の上にさらに他の窒化物半導体層を形成し、半導体素子を作製した場合でも、他の窒化物半導体層における転位密度を低減することができる。すなわち窒化物半導体層３００の上に他の窒化物半導体層を形成した半導体素子は、優れた特性を有することが可能となる。
なお、後述する参考例１に示すように、ｃ軸に対して５°のオフ角を有するｍ面サファイア基板を基板１００として用いた場合、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００は、５３°（＝５８°−５°）の角度θを有する。参考例２に示すように、ｃ軸に対して１０°のオフ角を有するｍ面サファイア基板を基板１００として用いた場合、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００は、４８°（＝５８°−１０°）の角度θを有する。θ＝４８°とは、（１１−２３）面を主面とする窒化物半導体層３００でもある。従って、角度θは、４８°以上５８°以下の範囲に収まる。
すなわち、ｃ軸に対して角度φのオフ角を有するｍ面サファイア基板を基板１００として用いた場合、角度θは５８°−φとなる。そして、角度φが０°以上１０°以下の範囲であるため、角度θは４８°以上５８°以下の範囲に収まる。したがって、上記式（１）および式（２）は、次の式（３）および式（４）と同じ範囲を示す。
Ｈ≧Ｗ・ｔａｎ（５８°−φ）・・・・（３）
０°≦φ≦１０°・・・・・（４）
また、ｃ軸に対して角度φのオフ角を有するｍ面サファイア基板を基板１００として用いた場合、実際には、窒化物半導体層の主面は（１１−２２）面から角度φだけ傾斜している。具体的には、窒化物半導体層の＜１１−２２＞方向が、主面の法線方向に対してｃ軸方向に角度φだけ傾斜している。本開示では、簡便のため、そのようなオフ角を有する窒化物半導体層に対しても、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層と呼ぶことがある。
角度θは、図１に示したように、窒化物半導体の主面とｃ面との角度差で定義される。式（１）において明らかなように、本実施形態の効果を得るのに必要なマスク層１２１の高さＨは、このθに依存する。例えば、マスクの開口１２１ｗ（つまり式（１）におけるＷ）が２μｍであって、かつ、ｃ面との角度差θ＝５８°である（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層の場合、必要なＨは３．２μｍ以上となる。つまり、１．６以上の比較的高いアスペクト比を持つマスク層１２１を形成して、窒化物半導体層の選択成長を実現する必要がある。
なお、本開示において、マスク層のアスペクト比は、マスク層の開口の幅Ｗに対する、マスク層の高さＨを意味する。
典型的に、アスペクト比が高いマスク構造を用いた選択成長では、原料が基板表面まで届きにくくなるため、選択成長が起き難くなったり、面内において不均一性が発生したりする場合がある。よって、選択成長を実施するという観点から、上記式（１）および式（２）を満たす範囲内で、アスペクト比が低くしてもよい。
もし、角θが小さい半極性面の窒化物半導体層３００を用いることができれば、マスク高さＨも低くすることができる。
例えば、θ＝４８°の場合、必要なＨは２．２μｍとなり、アスペクト比を約１まで低減できる。
後ほど、実施例１、ならびに、参考例Ａおよび参考例Ｂにおいて、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層構造を検討した結果を説明する。また、参考例１および参考例２において、（１１−２２）面を基準に角度θを１０°までオフした窒化物半導体積層構造を検討した結果を説明する。上述した説明および後述する実験結果の説明から、半極性面の窒化物半導体層構造に対して本実施形態の構造や方法を適用した場合に、上述した効果と同様の効果が得られることがわかる。なお、半極性面の窒化物半導体層構造は、典型的に、ｃ面が窒化物半導体層内に傾斜して存在し、且つ、結晶内に存在する転位や欠陥が主にｃ面内に形成されやすい。例えば、θ＝３９°付近の（１１−２４）面を主面とする窒化物半導体積層構造や、ｃ面がｍ軸方向に傾斜した（３０−３１）面や（２０−２１）面を主面とする窒化物半導体積層構造に上述のマスク層を適用してもよい。
ただし、（２０−２１）面を主面とする窒化物半導体層に本実施形態のマスク構造を適用した場合、θ＝７５°となるため、本実施形態の効果と同様の効果を得るためのマスク構造の高さＨは７．５μｍ以上（Ｗ＝２μｍの場合）となる。すなわち、３．７という非常に高いアスペクト比のマスク構造が必要になる。
［製造方法］
本実施形態による窒化物半導体積層構造は、基板上に、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる典型的な方法によって製造され得る。ｍ面サファイア基板上に、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法については、例えば非特許文献１を参照することができる。本実施形態の窒化物半導体積層構造の製造方法の一例は、以下の実施例において、詳細に説明する。
（第２の実施形態）
第１の実施形態にかかる窒化物半導体積層構造は、発光素子の窒化物半導体バルク基板に使用されてもよい。
図６は、第２の実施形態の発光素子５２を模式的に示している。図６に示す発光素子５２には、第１の実施形態の窒化物半導体積層構造５１が適用されうる。
発光素子５２は、窒化物半導体積層構造５１と窒化物半導体積層構造５１上に位置している窒化物半導体積層構造３０とを備える。図６において、窒化物半導体積層構造５１のマスク層１２１およびバッファ層１１０は省略されている。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４２が設けられ、凹部４２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４０が設けられている。また、ｐ型窒化物半導体層３５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ＡｌxＧａyＩｎzＮ（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、窒化物半導体積層構造５１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、窒化物半導体積層構造５１の窒化物半導体層３００と同じ面方位の主面を有し、転位密度が低い。したがって、本実施形態によれば、結晶性が良好な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２の実施形態に係る発光素子５２は、そのまま光源として用いることができる。しかし、第２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使用され得る。
図７は、光源５３の一例を示す模式図である。図７の光源５３は、第２の実施形態の発光素子５２と、この発光素子５２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５２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５２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５２を覆うように形成されている。
（第１の実施形態に関する実験結果）
以下、第１の実施形態の窒化物半導体積層構造を作成し、特性を測定した結果を説明する。
（実施例１）
図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、まず、基板１００が準備された。基板１００は、ｍ面サファイア基板であり、京セラ株式会社より入手した。図８Ａは、基板１００の平面図を示す。図８Ｂは、図８Ａに含まれる線Ｌ８−Ｌ８’の線に沿った基板１００の断面図を示す。
この基板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。基板１００は、０．１°以下のオフ角を有していた。オフ角の傾斜方向は、基板１００のｃ軸方向であった。
［ｍ面サファイア基板の洗浄］
基板１００は、１００℃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、基板１００は、水を用いて洗浄された。
［マスク層の形成］
次に、図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、およそ３．５μｍの厚みを有するＳｉＯ2膜１４０が、プラズマＣＶＤ法により、基板１００上に形成された。
次に、図１０Ａおよび図１０Ｂに示されるように、複数の帯状のフォトレジスト層１４１が、ＳｉＯ2膜１４０上に形成された。これらの帯状のフォトレジスト層１４１は互いに平行であった。帯状の各フォトレジスト層１４１の長手方向は、基板１００のａ軸に平行であった。言い換えれば、各フォトレジスト層１４１の長手方向は、Ｘ軸に平行であった。帯状の各フォトレジスト層１４１の幅Ｗ１は、２μｍであった。隣接する２つのフォトレジスト層１４１の間隔は、２μｍであった。
図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、フォトレジスト層１４１に被覆されていない部分のＳｉＯ2膜１４０がドライエッチングされた。その後、フォトレジスト層１４１が除去された。このようにして、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、基板１００上に、ＳｉＯ2からなるマスク層１２１が、複数の帯状のパターンで形成された。
図２Ａおよび図２Ｂから明らかなように、複数の帯状のマスク層１２１は、基板１００のａ軸に平行であった。言い換えれば、複数の帯状のマスク層１２１は、Ｘ軸に平行であった。帯状の各マスク層１２１の幅Ｗ１は、２μｍであった。隣接する２つのマスク層１２１の間隔は、２μｍであった。各マスク層１２１の高さＨは、おおよそ３．５μｍであった。角度αは、おおよそ７５°であった。
図１２は、実施例１による、複数の帯状のマスク層１２１を表面に具備する基板１００の断面写真を示す図である。
基板１００上に窒化物半導体層３００がエピタキシャル成長される場合、窒化物半導体層３００は（１１−２２）面の主面を有する。言い換えれば、窒化物半導体層３００の主面の法線方向は、＜１１−２２＞方向である。図１に示されるように、基板１００上には、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００がエピタキシャル成長される。この場合、図１に示されるように、角度θは５８°である。
隣接する２つのマスク層１２１の間隔は、２μｍであるため、式（１）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθに基づき、マスク層１２１の高さＨは、およそ３．２（＝２×およそ１．６）μｍ以上であることが必要とされる。上記のように、実施例１では、マスク層１２１の高さＨは、およそ３．５μｍであった。
［バッファ層の成長］
マスク層１２１を具備する基板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。また成長中、基板１００は、３ｒｐｍの回転速度で回転された。
基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内で加熱された。基板１００の温度が１１２０℃になったときに、１０分間熱処理を行った。
サファイア基板１００の熱処理後降温を開始した。基板温度が５５０℃に到達した後、５分の時間が経過した。
その後、トリメチルアルミニウム（以下、「ＴＭＡ」という）のみをまず、ｍ面サファイア基板表面に１０秒間照射し、続けてアンモニアガスを供給した。このようにして、ＡｌＮから形成される窒化物半導体のバッファ層１１０を得た。
本実施例に用いたバッファ層１１０の成長条件を表１に示す。
Figure 2015097261
バッファ層１１０の厚みは、約２００ｎｍに設定された。バッファ層１１０の成長後、基板温度が１０２０℃に到達した後、１分の時間が経過した。
その後、トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」という）およびアンモニアがＭＯＣＶＤ装置に供給され、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００を基板１００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積層構造を得た。表２は、窒化物半導体層３００の成長条件を示す。
Figure 2015097261
窒化物半導体層３００の膜厚は、およそ４〜５μｍであった。
（参考例Ａ）
表１に示されるバッファ層１１０を用いないこと、以下に示す昇温プロセス以外は、実施例１とほぼ同様の実験が行われた。
基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内で加熱された。基板１００の温度が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、基板１００の表面を窒化したと考えられた。
基板１００の温度が、９２０℃に到達した後、１分の時間が経過した。
その後、ＴＭＧおよびアンモニアがＭＯＣＶＤ装置に供給され、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００を基板１００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積層構造を得た。成長は、実施例１の表２と同じ条件下で行なった。
（参考例Ｂ）
表２に示される成長条件に代えて、表３に示される成長条件が採用されたこと以外は、参考例Ａと同様の実験が行われた。
Figure 2015097261
（比較例１）
マスク層１２１が形成されなかったこと以外は、参考例Ａと同様の実験が行われた。言い換えれば、基板１００が洗浄された後、マスク層１２１を形成することなく窒化物半導体層３００が形成された。窒化物半導体層３００は、３．３μｍの厚みを有していた。
（結果および評価）
［Ｘ線回折プロファイル］
図１３は、比較例１による窒化物半導体積層構造のＸ線回折プロファイルを示す。図１３に示されるように、（３０−３０）面の回折ピークおよび（１１−２２）面の回折ピークが観測された。（３０-３０）面の回折ピークは、基板１００のｍ面サファイア基板の主面からの回折に由来した。（１１−２２）面の回折ピークは、窒化物半導体層３００に由来した。他の回折ピークが観測されていないため、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００のみが成長されたことが見出された。言い換えれば、窒化物半導体層３００の主面の法線は、窒化物半導体の＜１１−２２＞結晶軸と平行であった。
このことは、本実施例による窒化物半導体層３００の成長方法によって、基板１００の表面に、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００をエピタキシャル成長させることができることを意味する。
［ＳＥＭ像］
図１４Ａは、比較例１による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す。図１４Ａに示されるように、基板１００上に、（１１−２２）面の主面を有する一様な窒化物半導体層３００が形成されていた。窒化物半導体層３００の表面は平坦であった。しかし、比較例１による窒化物半導体層３００は、１０10ｃｍ-2以上という高い転位密度を有していた。
図１４Ｂは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す。図１４Ｂに示されるように、基板１００上に、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００が形成されていた。窒化物半導体層３００の表面は、Ａ面ファセットおよびＣ面ファセットを有していた。
図１４Ｃは、参考例Ｂによる窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す。図１４Ｃに示されるように、基板１００上に、（１１−２２）面の主面を有する一様な窒化物半導体層３００が形成されていた。窒化物半導体層３００の表面は平坦であった。
［低温フォトルミネセンス測定］
図１５は、１０Ｋの低温下における比較例１および参考例Ａによる窒化物半導体層３００の発光スペクトルを示す。およそ３．４７ｅＶの付近に観察されたピークは、バンド端付近の発光（ドナー束縛励起子発光強度）に対応する。およそ３．４２ｅＶの付近に観察されたピークは、積層欠陥に由来する発光（以下、「積層欠陥由来発光(stacking-fault-originated light emission)」という）に対応する。およそ３．３ｅＶの付近に観察されたピークは、他の欠陥または転位に由来する発光に対応する。
図１５から明らかなように、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造は、比較例１による窒化物半導体積層構造よりも、バンド端付近の発光強度が大きかった。さらに、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造は、比較例１による窒化物半導体積層構造よりも、積層欠陥由来の発光強度が小さかった。
非特許文献２によれば、バンド端付近発光のピークは、３．４７ｅＶ付近（１０Ｋでの測定時）に観測される。
図１５に示されるように、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造のバンド端付近のドナー束縛励起子発光のピークは、３．４７１ｅＶ付近に観測された。一方、比較例１のそれは、３．４８０ｅＶに観測された。
非特許文献２によるバンド端付近発光のピーク（３．４７ｅＶ）と、比較例１によるバンド端付近発光のピーク（３．４８０ｅＶ）との間の差は、およそ０．０１ｅＶという比較的大きい値であった。これは、窒化物半導体層３００が残留歪みを含んだからである。
一方、非特許文献２によるバンド端付近発光のピーク（３．４７ｅＶ）と、参考例Ａによるバンド端付近発光のピーク（３．４７１ｅＶ）との間の差は、およそ０．００１ｅＶという小さい値であった。これは、窒化物半導体層３００に含まれる歪みが緩和されたからである。このことは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造は、本実施形態と同様の選択成長手法により、転位や積層欠陥密度の低減化がなされ、積極的に歪みが緩和されたことを意味する。また、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造は、比較例１による窒化物半導体積層構造よりも高い結晶性を有することを意味する。
参考例Ａにおける、積層欠陥由来発光強度に対するドナー束縛励起子発光強度の比（およそ１．７９）は、比較例１の比（０．０４）と比較して、大きい。このことは、実施例１による窒化物半導体積層構造に含まれる積層欠陥の密度が、比較例１による窒化物半導体積層構造に含まれる積層欠陥の密度よりも低いことを意味する。
［ＴＥＭ像］
図１６Ａは、参考例Ａによる窒化物半導体積層構造の断面透過型電子顕微鏡像（以下、「ＴＥＭ像」という）を示す。図１６Ｂは、図１６Ａにおいて点線によって囲まれた領域の拡大像を示す。図１６Ｃは、図１６Ｂにおいて点線によって囲まれた領域の拡大像を示す。
ＴＥＭ像を得るために、窒化物半導体積層構造は、１００ナノメートルの厚みを有するようにスライスされた。転位密度は、スライスされた窒化物半導体積層構造の厚み（１００ナノメートル）、領域Ｇ１、Ｇ２、および領域Ｇ３の幅（およそ１μｍ〜２μｍ）、および転位の数から見積もられた。
図１６Ａ、図１６Ｂ、および図１６Ｃから明らかなように、第１の領域Ｇ１では、窒化物半導体層は、数多くの転位および数多くの積層欠陥を有する。一方、第２の領域Ｇ２では、窒化物半導体層は、少ない転位および少ない積層欠陥を有する。これらの転位および積層欠陥は、ｃ軸に直交する方向に形成されている。言い換えれば、これらの転位および積層欠陥は、ｃ面に平行に形成されている。
より具体的には、第１の領域Ｇ１では、窒化物半導体層は１０10ｃｍ-2以上の転位密度を有していた。一方、第２の領域Ｇ２では、窒化物半導体層は、１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有していた。
図１４Ｃに示されるとおり、参考例Ｂによる第３の領域Ｇ３は、第２の領域Ｇ２上にエピタキシャル成長された窒化物半導体層によって構成される。参考例Ａによる第３の領域Ｇ３も同様に、第２の領域Ｇ２の上にエピタキシャル成長させることによって形成されるため、窒化物半導体層は、１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有していたと考えられた。
（バッファ層１１０を備えた実施例１とバッファ層１１０のない参考例Ａの比較）
前述したように参考例Ａおよび参考例Ｂの構造では、サファイア基板１００の表面にマスク層１２１を形成し、窒化物半導体層３００を直接成長することで、転位密度が低い、高品質な窒化物半導体層３００を実現することができた。
つまり、参考例Ａおよび参考例Ｂの構造や方法を用いても、本実施形態と同様に、転位密度を低減することは可能である。しかし、本発明者の検討によると、参考例Ａおよび参考例Ｂは、基板１００の面内において、均一に同様な構造を実現する上で問題があることが明らかになった。
図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃに、参考例Ａの表面光学顕微鏡像を示す。図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃは、それぞれ倍率は一定（５０倍）とし、サンプル面内の異なる箇所で測定した結果を示している。
図１４Ｂの断面ＳＥＭ像、および図１６Ａ〜図１６Ｃの断面ＴＥＭ像は、比較的良好な表面モフォロジーを有する領域を選択し、評価した結果を示している。
つまり、サンプル面内において、本実施形態と同様の構造が得られている箇所も存在するが、そうでない箇所も多々存在し、面内均一性が極めて悪いことが、参考例Ａおよび参考例Ｂの構造・方法において明らかになった。
例えば、図１７Ａに示す領域においては、窒化物半導体層３００がまったく形成されていない領域も確認された。
実施例１では、この面内不均一の問題を解決できることが明らかになった。図１８Ａおよび図１８Ｂに、実施例１の表面光学顕微鏡像を示す。
図１８Ａおよび図１８Ｂを、図１７Ａ、図１７Ｂおよび図１７Ｃと比較すると、実施例１は、面内均一性が大幅に向上したことが分かる。参考例Ａおよび参考例Ｂでは、場所によっては、窒化物半導体層３００がまったく成長していない領域も見られた。一方、実施例１では、ほぼサンプル全面において良好な表面モフォロジーが得られ、かつ、本実施形態の構造が、サンプル面内において一様に得られることがわかった。
（実施例１のＴＥＭ像）
図１９Ａは、実施例１による窒化物半導体積層構造の断面ＴＥＭ像を示す。図１９Ｂは、図１９Ａの中心付近の拡大像を示す。図１９Ｃ（ｂ）は、図１９Ｃ（ａ）の実線によって囲まれた領域の拡大像を示す。図１９Ａ、図１９Ｂ、および図１９Ｃは、図１６Ａ、図１６Ｂ、および図１６Ｃに示した参考例ＡのＴＥＭ像と同様の手法により評価された。ただし、図１９Ａ、図１９Ｂ、および図１９Ｃは、図１６Ａ、図１６Ｂ、および図１６Ｃと比較すると、a軸とｃ軸の方向が逆になっている点に注意が必要である。これはＴＥＭ測定用にサンプリングしたサンプルの表裏が逆になったためである。
図１６Ａ、図１６Ｂおよび図１６Ｃに示される参考例Ａと比較すると明らかなように、図１９Ａ、図１９Ｂおよび図１９Ｃに示される実施例１は、バッファ層１１０が、サファイア基板１００およびマスク層１２１の表面に一様に形成された。このように、サファイア基板１００の表面に形成されたバッファ層１１０が、図１７Ａ〜図１７Ｃに示した面内均一性を大幅に向上させた要因の一つであった。
図１９Ａ、図１９Ｂ、および図１９Ｃから明らかなように、第１の領域Ｇ１では、窒化物半導体層は、高密度の転位および積層欠陥を有する。一方、第２の領域Ｇ２は、比較的少ない密度の転位および積層欠陥を有する。これらの転位および積層欠陥は、ｃ軸に直交する方向に形成されている。言い換えれば、これらの転位および積層欠陥は、ｃ面に平行に形成されている。
つまり、バッファ層１１０を用いた実施例１の場合においても、参考例Ａと同様に転位密度を低減する効果が得られ、且つ、面内均一性を大幅に向上させることができることが確認された。
実施例１の構造においては、バッファ層１１０の結晶構造は、サファイア基板１００の表面に形成された部分と、マスク層１２１の表面に形成された部分とで異なることがわかった。
サファイア基板１００の表面に形成されたバッファ層１１０は、転位および積層欠陥がおよそ界面から５８°傾斜した方向に形成されていることから、参考例Ａと同様に、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層であることがわかった。
一方、マスク層１２１表面に形成されたバッファ層１１０の構造は、図１９Ｂに示されるように、柱状多結晶構造となっていた。これは、マスク層１２１に用いているＳｉＯ2膜がアモルファスライクであり、マスク層１２１表面ではバッファ層１１０がエピタキシャル成長し難いことが原因である。
よって、実施例１では、サファイア基板１００の表面に形成されたバッファ層１１０の結晶構造と、マスク層１２１表面に形成されたバッファ層１１０の結晶構造とが異なる。実施例１では、サファイア基板１００の表面に形成された単結晶の（１１−２２）面を主面とするＡｌＮバッファ層１１０上にのみ、原料が付着し、選択的に成長が起こったと考えられる。
実施例１の窒化物半導体層３００の面内均一性が、参考例Ａに比べて、飛躍的に向上した原因も同様に考えることができる。つまり、本実施形態の選択成長を実施する場合、領域１００ｂ上におけるバッファ層１１０の表面、すなわち単結晶(１１−２２)面の窒化物半導体の表面は、サファイア基板１００の表面、ＳｉＯ2マスク層１２１の表面、および、そのマスク層１２１上に形成された多結晶ライクな窒化物半導体の表面に比べて、その表面上での核形成が起こりやすく、選択成長が起きやすいと考えられる。
本実施形態に用いたマスク層１２１は、アスペクト比が高いため、成長中に原料がサファイア基板１００の表面まで到達しにくくなることが予想された。しかも、参考例Ａの場合、選択成長は、サファイア基板１００の表面が起点となる。サファイア基板１００の表面は、窒化物表面に比べて、核形成が起こりにくい。よって、参考例Ａでは、図１７Ａに示したように、窒化物半導体層３００の形成において面内にムラが発生したと考えられる。
実施例１では、低温ＡｌＮ層をバッファ層１１０として形成する。すなわち、実施例１において、成長起点はサファイア基板１００の表面ではなく、バッファ層１１０を構成する窒化物半導体表面（ＡｌＮ表面）である。このような構造を用いることで、実施例１は、飛来した原料が核形成しやすく、選択成長が飛躍的に起こりやすくなり、面内の均一性向上につながったと考えられる。
よって、本実施形態は、高アスペクト比マスクを用いた構造であるため、選択成長の起点となる領域を、選択成長が起こりやすい材料とする。具体的には、選択成長の起点となる領域を、サファイア基板１００の表面ではなく、窒化物半導体からなるバッファ層１１０の表面にする。
この点、基板１００として、窒化物半導体層を表面に有する基板を用いれば、バッファ層を用いなくても、選択成長の基点となる領域が窒化物半導体層の表面となることがわかる。しかし、例えば特許文献２に開示される方法を用いる場合、前述したように、結晶成長プロセスを２度行なう必要があり、プロセスコストの増大につながる。
よって、本実施例１のように、サファイア基板１００の表面に直接マスク層１２１を形成し、バッファ層１１０を低温で形成し、窒化物半導体層３００を形成すれば、結晶成長プロセスは１度で、転位・欠陥密度の大幅な低減を実現できる。
（参考例１）
ｃ軸に対して５°のオフ角を有するｍ面サファイア基板によって構成される基板１００が用いられたこと以外は、比較例１と同様の実験が行われた。この基板１００は、京セラ株式会社より入手可能であった。
基板１００が５°のオフ角を有するので、参考例１では、角度θは５３°（＝５８°−５°）であった。
（参考例２）
ｃ軸に対して１０°のオフ角を有する基板１００が用いられたこと以外は、比較例１と同様の実験が行われた。この基板１００は、京セラ株式会社より入手可能であった。
基板１００が１０°のオフ角を有するので、参考例２では、θは４８°（＝５８°−１０°）であった。
図２０Ａは、比較例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す。図２０Ｂは、参考例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す。図２０Ｃは、参考例２による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す。これらの表面モフォロジーは、レーザー顕微鏡を用いて観察された。
図２０Ａ、図２０Ｂ、および図２０Ｃは、互いに類似する表面モフォロジーを示す。これらの図２０Ａ〜図２０Ｃから明らかなように、角度θが４８°以上５８°以下である場合、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体積層構造がエピタキシャル成長されることが理解される。
本開示に開示された窒化物半導体積層構造は、窒化物半導体発光素子および窒化物半導体レーザー用いられ得る。
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
４０ ｎ側電極
４２ 凹部
５１ 窒化物半導体積層構造
５２ 発光素子
５３ 光源
１００ 基板（サファイア基板）
１００ａ 主面
１００ｂ 領域（露出領域）
１１０ バッファ層
１２１ マスク層
１２１ａ 単位パターン
１２１ｂ 単位パターン
１２１ｗ 開口
１２２ａ 第１の側面部
１２３ｂ 第２の側面部
１２４ａ 底面
１２４ｂ 底面
１２５ａ 上面
１２５ｂ 上面
２００ 転位
３００ 窒化物半導体層
Ｇ１ 第１の領域
Ｇ２ 第２の領域
Ｇ３ 第３の領域

Claims (17)

  1. ｃ軸に対して０°以上１０°以下のオフ角φを備えたｍ面を主面として有するサファイア基板と、
    前記サファイア基板の前記主面に複数の露出領域を設けるパターンを有するマスク層であって、前記サファイア基板のｃ軸と平行な方向において、前記複数の露出領域のそれぞれを挟む第１の側面部および第２の側面部を有するマスク層と、
    前記主面の前記複数の露出領域上および前記マスク層上に設けられた、窒化物半導体からなるバッファ層と、
    前記バッファ層上に設けられた窒化物半導体層と、
    を備え、
    前記サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、
    前記マスク層の前記第１の側面部および第２の側面部と前記サファイア基板の前記主面とが接する点がそれぞれ点Ａ、点Ｂと定義され、
    前記点Ｂを通り、前記主面から角度５８°−φをなす直線と前記第１の側面部が交わる点が点Ｃと定義され、
    前記点Ｃを通り前記主面に垂直な直線と前記点Ｂを通り前記主面に垂直な直線との間隔がＷと定義され、前記第１の側面部の高さがＨと定義され、
    Ｈ≧Ｗ・ｔａｎ（５８°−φ）
    の関係を満たしている、窒化物半導体積層構造。
  2. 前記サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、
    前記主面と、前記第１の側面部と、前記点Ｂおよび前記点Ｃを結ぶ直線とによって囲まれる領域が第１の領域と定義され、
    前記第２の側面部と、前記点Ｂおよび前記点Ｃを結ぶ直線と、前記点Ｃを通り、前記主面に平行な直線とによって囲まれる領域が第２の領域と定義され、
    前記点Ｃを通り、前記主面に平行な直線より上方の領域が第３の領域と定義され、
    前記窒化物半導体層は、前記第１の領域において、前記第２の領域よりも高い転位密度を有する、
    請求項１に記載の窒化物半導体積層構造。
  3. 前記窒化物半導体層は、前記第２の領域および前記第３の領域において、同じ転位密度を有する、
    請求項２に記載の窒化物半導体積層構造。
  4. 前記窒化物半導体層は、前記第３の領域において１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有する、
    請求項２又は３に記載の窒化物半導体積層構造。
  5. 前記窒化物半導体層は、前記第１の領域において１０10ｃｍ-2以上の転位密度を有する、
    請求項２から４のいずれかに記載の窒化物半導体積層構造。
  6. 前記窒化物半導体層は、前記第２の領域において、１０8ｃｍ-2以下の転位密度を有する、
    請求項２から５のいずれかに記載の窒化物半導体積層構造。
  7. 前記バッファ層は、前記主面の前記複数の露出領域上と前記マスク層上とで異なる結晶構造を有する、
    請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体積層構造。
  8. 前記バッファ層は、前記主面の前記複数の露出領域上において、前記窒化物半導体層と同じ面方位を有する、
    請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体積層構造。
  9. 前記バッファ層は、アルミニウムを含む窒化物半導体によって構成されている、
    請求項１から８のいずれかに記載の窒化物半導体積層構造。
  10. 前記マスク層は、前記サファイア基板のａ軸方向に伸びるストライプ構造を有し、前記第１の側面部および第２の側面部は、前記ストライプ構造の隣接する一対のストライプの対向する側面である、
    請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体積層構造。
  11. 前記マスク層は、独立した複数の開口を有し、前記複数の開口の底部に、前記主面の複数の前記露出領域が位置している、
    請求項１から９のいずれかに記載の窒化物半導体積層構造。
  12. 前記複数の開口のそれぞれは円形状を有する、
    請求項１１に記載の窒化物半導体積層構造。
  13. 前記複数の開口のそれぞれはストライプ形状を有する、
    請求項１１に記載の窒化物半導体積層構造。
  14. 請求項１から１３のいずれかに規定される窒化物半導体積層構造を備えた電子素子。
  15. 請求項１から１３のいずれかに規定される窒化物半導体積層構造を備えた窒化物半導体バルク基板。
  16. 請求項１から１３のいずれかに規定される窒化物半導体積層構造と、
    前記窒化物半導体積層構造上に位置している他の窒化物半導体積層構造であって、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、他の窒化物半導体積層構造と、
    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。
  17. ｃ軸に対して０°以上１０°以下のオフ角φを備えたｍ面を主面として有する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に複数の露出領域を設けるパターンを有するマスク層であって、前記サファイア基板のｃ軸と平行な方向において、前記複数の露出領域のそれぞれを挟む第１の側面部および第２の側面部を有するマスク層を前記サファイア基板の前記主面上に形成し、
    前記主面の前記複数の露出領域上および前記マスク層上に窒化物半導体によって構成されるバッファ層を形成し、
    前記バッファ層上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる窒化物半導体積層構造の製造方法であって、
    前記サファイア基板のｍ軸およびｃ軸に平行な断面において、
    前記マスク層の前記第１の側面部および第２の側面部と前記サファイア基板の前記主面とが接する点がそれぞれ点Ａ、点Ｂと定義され、
    前記点Ｂを通り、前記主面から角度５８°−φをなす直線と前記第１の側面部が交わる点が点Ｃと定義され、
    前記点Ｃを通り前記主面に垂直な直線と前記点Ｂを通り前記主面に垂直な直線との間隔がＷと定義され、前記第１の側面部の高さがＨと定義され、
    Ｈ≧Ｗ・ｔａｎ（５８°−φ）
    の関係を満たしている、窒化物半導体積層構造の製造方法。
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