JP3555657B2 - 低欠陥窒化物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる窒化物半導体素子の成長方法に関し、特に基板上に低欠陥の窒化物半導体を成長させる成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体素子を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）の研究が活発に行われており、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）や室温連続発振可能な半導体レーザー（ＬＤ）が実現されている。
このような窒化物半導体素子を形成する一般的な方法は、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を用い、その上にバッファ層を介して窒化物半導体が成長しないかあるいは成長しにくい材料からなるＳｉＯ２等の保護膜を成長させストライプ形状とし、この上に窒化物半導体を選択成長させる方法が知られている。
また、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を用い、その上に下地層となる窒化物半導体を成長させ、該窒化物半導体を部分的にストライプ形状とし、形成された下地層の側面に窒化物半導体の横方向の成長を利用しながら該下地層上に窒化物半導体を選択成長させる方法が知られている。
これらは、異種基板上に窒化物半導体素子を成長させる場合に、格子定数の違いから発生する転位を低減できる窒化物半導体の横方向の成長方法であり、エピタキシャルラテラルオーバーグロウス（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒ ｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯＧ）と呼ばれている。
このような成長方法により得られた窒化物半導体基板は、従来の窒化物半導体の成長方法に比べ、低欠陥である窒化物半導体基板が期待できる。
【０００３】
例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９８８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２には、サファイア基板上に成長させた窒化ガリウム上にＳｉＯ２等の保護膜を部分的に形成して、この上に新たな窒化ガリウムを成長させることが開示されている。ＳｉＯ２上には窒化ガリウムが直接成長しないため、保護膜の窓部に露出した窒化ガリウムが成長核となり、保護膜の上の領域において窒化ガリウムが横方向に成長する。したがって、ＳｉＯ２保護膜上に低転位密度の窒化ガリウムを成長させることができる。
【０００４】
また、特開平１１−１４５５１６号公報には、ＳｉＯ２保護膜を形成する代わりに、シリコン基板上に成長したＡｌＧａＮ層をストライプ状にエッチングしてシリコン基板を部分的に露出させ、この上に窒化ガリウムを成長させる方法が開示されている。窒化ガリウムはシリコン基板上にはエピタキシャル成長しないため、ストライプ状のＡｌＧａＮ層を成長核として、窒化ガリウムが横方向にエピタキシャル成長する。したがって、シリコン基板の露出部分の上に低転位密度の窒化ガリウムを成長させることができる。
【０００５】
これらのＥＬＯＧ成長法によれば、従来のバッファ層を用いて成長させた窒化物半導体層に比べて、結晶欠陥密度を２桁以上減少させることができる。したがって、これらのＥＬＯＧ成長法によって製造された窒化物半導体基板に、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子、受光素子などの種々の窒化物半導体素子を形成することにより、窒化物半導体素子の寿命特性を飛躍的に向上させることができる。例えば、ＥＬＯＧ成長させた窒化ガリウム基板を用いて製造された窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、１万時間以上の連続発振を達成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述にある前記の成長方法では、基板上に窒化物半導体を形成すると、保護膜上の窒化物半導体層に発生する結晶欠陥は減少するものの、その上に成長させる窒化物半導体が保護膜の分解等により結晶性を低下させる問題があった。
【０００７】
また、この成長方法において、酸化ケイ素等の保護膜上に窒化物半導体を成長させる場合、酸化ケイ素が分解する場合があり、酸化ケイ素が分解すると、酸化ケイ素上から窒化物半導体が異常成長したり、窒化物半導体の結晶性の低下を招くことがある。一方、酸化ケイ素の分解を抑えるために低い温度で窒化物半導体を成長させると、窒化物半導体の単結晶が得られにくく、窒化物半導体層の結晶性が低下する。
【０００８】
上述にある後記の成長方法については、窒化物半導体の成長時に酸化ケイ素等の保護膜を有しないために、保護膜の分解による結晶性の低下をなくすことができる。さらに、ＡｌＧａＮ層をエッチングすることによりストライプ状の核を形成し、この核から窒化ガリウムを横方向に成長させることにより、低欠陥の窒化物半導体層を得ることができる。しかしながら、エッチングにより形成した核となるストライプ状ＡｌＧａＮの端面は、形状が良くないため、窒化ガリウムの横方向成長時にできる接合部が拡大する可能性がある。この窒化ガリウム同士の接合部とは欠陥が集中する部分であるため、欠陥が多い接合部が拡大することにより窒化物半導体の結晶性が低下する問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記に示すＥＬＯＧ成長により製造された窒化物半導体基板よりも、結晶性がよく、量産性を向上させた、優れた発光素子及び受光素子を形成することのできる窒化物半導体基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、第１の保護膜を所望のパターン形状に形成する第１の工程と、前記第１の保護膜の窓部に窒化物半導体から成る第１のシード結晶を成長させ、前記第１の保護膜を取り除くことにより、核となる第１のシード結晶をストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成する第２の工程と、第１の窒化物半導体層を前記第１のシード結晶を覆うように成長させる第３の工程と、前記第１の窒化物半導体層上であって、第１のシード結晶上部、及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部に、第２の保護膜を所望のパターン形状に形成する第４の工程と、前記第２の保護膜の窓部に窒化物半導体から成る第２のシード結晶を成長させ、前記第２の保護膜を取り除くことにより、核となる第２のシード結晶をストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成する第５の工程と、第２の窒化物半導体層を前記第２のシード結晶を覆うように成長させる第６の工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
前記第１の窒化物半導体層、及び／又は第２の窒化物半導体層は基板全面に成長させることを特徴とする。前記第１のシード結晶、及び／又は第２のシード結晶は、周期的に形成される。
【００１２】
また、本発明において第１及び第２の保護膜としては、融点１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、及びこれらの多層膜等を用いることができる。
【００１３】
また、本発明において異種基板には、サファイア、スピネル又は炭化ケイ素を用いることができる。
【００１４】
本発明において、第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比Ｗｗ／Ｗｓが、１〜２０である。
【００１５】
本発明において、第２のシード結晶の厚さが、５μｍ以上である。
【００１６】
本発明において、第２の窒化物半導体層は、第１のシード結晶上部及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部に空洞を有する。
【００１７】
本件の発明に係る窒化物半導体基板は、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、ストライプ状、格子状又は島状、多角形を有する柱状をした窒化物半導体から成る第１のシード結晶と、前記第１のシード結晶を覆って成る第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上であって、第１のシード結晶上部、及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部を避けた位置にストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状をした窒化物半導体から成る第２のシード結晶と、前記第２のシード結晶を覆って成る第２の窒化物半導体層と、前記第２のシード結晶どうしの間には空洞とを有する窒化物半導体基板である。
【００１８】
前記第１の窒化物半導体層、及び／又は第２の窒化物半導体層は基板全面に有することを特徴とする。また前記第１のシード結晶は、等間隔で形成された窒化物半導体から成る。前記第２のシード結晶は、周期的なストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成された窒化物半導体から成る。
【００１９】
本発明において、第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比Ｗｗ／Ｗｓが、１〜２０であり、第２のシード結晶の厚さが、５μｍ以上である。
【００２０】
上記製造方法により得られた窒化物半導体基板は、窒化物半導体から成るシード結晶をエッチングにより形成するのではなく、窓部を有する保護膜を形成し、この保護膜の窓部にシード結晶を成長させ、その後、保護膜のみを除去することにより、核となるシード結晶を形成する。これにより、窒化物半導体から成るシード結晶の端面を劣化させることなく、シード結晶より窒化物半導体層を成長させることができる。そのため、窒化物半導体層を成長させるのに核となるシード結晶をエッチングで形成した場合よりも、端面形状がよく、横方向に成長した窒化物半導体同士の接合部にできる結晶欠陥の数及び幅を減少することができる。さらに、第２のシード結晶を形成し、第２の窒化物半導体層を成長させるため、より低欠陥の窒化物半導体基板を得ることができる。これは、第２のシード結晶を第１の窒化物半導体層の結晶性のよい範囲の窒化物半導体上に形成するためである。
第１の窒化物半導体層において、第１のシード結晶上部及び第１の窒化物半導体同士の接合部には、結晶欠陥が集中するため、この範囲を避け、第２のシード結晶を形成する。
また、第２の窒化物半導体層を成長させる時に、ストライプ状の第２のシード結晶の窓部には空洞を有するため、第２の窒化物半導体層には結晶欠陥の転位が延びず、結晶性の良い窒化物半導体基板を得ることができる。
【００２１】
第２のシード結晶の厚さが、５μｍ以上であると、第２の窒化物半導体層の成長後に、第２のシード結晶の窓部に空洞を有することができる。このため、第２の窒化物半導体層は、結晶欠陥の多い第２のシード結晶の窓部からの転位の伝播を防ぐことができる。さらに、空洞を有することで基板の反りを緩和することもできる。
【００２２】
また、保護膜に融点が１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、又はこれらの多層膜を用いる。これらの保護膜材料は、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有する。そのため、保護膜上に、窒化物半導体を成長させることなく、保護膜の窓部に窒化物半導体を成長させることができる。
【００２３】
第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比Ｗｗ／Ｗｓが、１〜２０となるように調整することにより、結晶欠陥の転位を減らすことができる。これは、第１のシード結晶に結晶欠陥が集中するためであり、第１のシード結晶の窓部の幅を広くすることにより、第１のシード結晶から横方向に成長する第１の窒化物半導体を結晶性よく得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図６は、本発明の成長方法により得られる、異種基板上に成長された窒化物半導体を模式的に示す断面図である。
異種基板１上に第１の保護膜２を成膜し、その後、シード結晶を成長させるための窓部をパターン形状に形成し、さらに、第１の保護膜２の窓部よりバッファ層（図示されていない）、第１のシード結晶３を成長させ、その後、第１の保護膜２のみ取り除き、第１のシード結晶３を核として第１の窒化物半導体層４を横方向に成長させる。
さらに、第１の窒化物半導体層４上に第１の保護膜２と同様に、第２の保護膜５をパターン形成し、第２の保護膜５の窓部より第２のシード結晶６を成長させ、その後、第２の保護膜５のみ取り除き、第２のシード結晶６を核として第２の窒化物半導体層７を横方向に成長させることにより窒化物半導体基板を得る
【００２６】
ここで、第１のシード結晶３、第１の窒化物半導体層４、第２のシード結晶６、第２の窒化物半導体層７は、いずれも一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）によって表されることができ、これらは互いに異なる組成であってもよい。
【００２７】
さらに、前記第１のシード結晶３、第１の窒化物半導体層４、第２のシード結晶６、第２の窒化物半導体層７には、アンドープ（不純物をドープしない状態、ｕｎｄｏｐｅ）、Ｓｉ等のｎ型不純物又は、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体を用いることができる。
【００２８】
また、上記第１の保護膜２及び第２の保護膜５には、表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有するものを用いる。
【００２９】
また、第２のシード結晶６は、第１のシード結晶上及び第１の窒化物半導体層４同士の接合部上を避けて形成されることにより、第２のシード結晶は結晶欠陥の少ない核となる。
【００３０】
また、異種基板１上に第１のシード結晶３を成長する前に、バッファ層を成長させることにより、異種基板と窒化物半導体との格子定数不整を緩和し、結晶欠陥を低減することができ、さらに、表面モフォロジーが良好な窒化物半導体を得ることができる。
【００３１】
図１〜図６は、実施の１形態として、窒化物半導体の成長方法を示す工程断面図である。
以下に、本発明における実施の１形態の窒化物半導体の成長方法及び好適な材料について説明する。
【００３２】
まず、図１に示すように、異種基板１上に、第１の保護膜２をＣＶＤ、スパッタまたは、蒸着等の方法により成膜する。
本発明において、異種基板１には、具体例として、（０００１）面［Ｃ面］、（１１−０２）面［Ｒ面］、及び（１１２−０）面［Ａ面］のいずれかを主面とするサファイア、並びに（１１１）面を主面とするスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、その他ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ及び窒化物半導体と格子接合する酸化物基板等、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。
ここで基板１が、（０００１）面［Ｃ面］を主面とするサファイアであるとき、前記第１の保護膜２がそのサファイアの（１１２−０）面［Ａ面］に対して垂直なストライプ形状を有していること［窒化物半導体の（１０１−０）［Ｍ面］に垂直方向にストライプを形成すること］が好ましく、また（１１２−０）面［Ａ面］を主面とするサファイアであるとき、前記第１の保護膜２はそのサファイアの（１１−０２）面［Ｒ面］に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましく、また（１１１）面を主面とするスピネルであるとき、前記第１の保護膜２はそのスピネルの（１１０）面に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましい。
また本発明の成長方法において、異種基板１となる材料の主面をオフアングルさせた基板、さらにステップ状にオフアングルさせた基板を用いることもできる。
【００３３】
次に前記第１の保護膜２としては、窒化物半導体が成長しないか又は、成長しにくい材料からなるものが好ましく、具体例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、又はこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。
さらに第１の保護膜２の膜厚としては特に限定されないが、２μｍ〜５μｍであれば、窓部より窒化物半導体が成長しやすくなるため好ましい。
【００３４】
また、前記第１の保護膜をストライプ状に形成する場合において、第１の保護膜のストライプ幅としては、特に限定されないが、シード結晶を成長させるための第１の保護膜の窓部幅が好ましくは２μｍ〜１０μｍ、より好ましくは３μｍ〜５μｍとし、第１の保護膜の幅としては、１０μｍ〜１８μｍ、好ましくは１５μｍ〜１７μｍである。
【００３５】
前記第１の保護膜をエッチングによりパターン形成後、エッチングにより荒れた保護膜の端面をウェットエッチングをすることにより保護膜の端面の荒れをなくすことができる。これにより、第１の保護膜の窓部から成長させる第１のシード結晶の結晶特性、特に端面形状をよくすることができる。
【００３６】
次に、図２に示すように第１の保護膜２の窓部上にＭＯＣＶＤ等の方法によりバッファ層（図示されていない）及び第１のシード結晶３を成長させ、その後、第１の保護膜のみを除去する。
まず、異種基板１上に第１の保護層２を形成させた後、バッファ層を成長させる。バッファ層としては、第１のシード結晶３よりも低温で成長させるものが好ましく、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられ、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚０．５μｍ〜１０オングストロームで成長される。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で形成すると、異種基板１と第１のシード結晶３との格子定数不整を緩和し、第１のシード結晶３の結晶欠陥が少なくなるため好ましい。
【００３７】
次に、保護膜の窓部上に成長させたバッファ層上に、第１のシード結晶３を成長させる。この第１のシード結晶３としては、アンドープののＧａＮ、ｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。また第１のシード結晶３は、バッファ層よりも高温で成長させるのが好ましく、具体的には９００〜１１００℃、より好ましくは１０５０℃で成長され、また膜厚は、特に限定されず、好ましくは１〜５μｍ、より好ましくは２〜３μｍである。
この範囲の膜厚で第１のシード結晶を成長させることにより、基板の反り及び異常成長を抑制することができるため好ましい。
さらに、第１のシード結晶３を成長後、第１の保護膜２のみ除去し、図２に示す核を形成する。
【００３８】
次に、図３に示すように、第１の窒化物半導体層４を、第１のシード結晶と同様の成長条件で前記第１のシード結晶３を核として成長させる。
第１の窒化物半導体層４としては、アンドープのＧａＮ、ｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができ、前記第１のシード結晶３を核として横方向に成長させる。
第１の窒化物半導体層４の好ましい膜厚としては、５〜２０μｍであり、さらに好ましくは７〜１５μｍである。
この範囲より薄い膜厚であると、第１の窒化物半導体４の最上面が成長しきれないために空隙ができ、鏡面を得ることができない。
また、この範囲より厚い膜厚で成長させると、基板に反りが生じ、結晶欠陥が拡散する問題が生じる。
【００３９】
第１の窒化物半導体４を成長後、図４に示すように、第２の保護膜５を第１の保護膜２と同様の成膜条件で成膜し、エッチングにより窓部を有するためのパターン形状を形成する。第２の保護膜５の成膜条件としては、特に限定しないが、第１の保護膜の成膜条件と
同様でよく、第２の保護膜５の膜厚としては、５〜１０μｍ、さらに好ましくは６〜８μｍである。ここで、第２の保護膜５は第１のシード結晶上部及び、第１の窒化物半導体の接合部を覆うようにパターン形成され、後に第２のシード結晶が成長する第２の保護膜の窓部幅が等間隔で形成されるのが好ましい。
第２の保護膜５も第１の保護膜と同様に、窓部をＲＩＥ等のエッチングにより形成後、ウェットエッチングにより第２の保護膜５の端面形状をよくする。
【００４０】
次に、第２の保護膜５の窓部より、第２のシード結晶６を第１のシード結晶と同様の条件で成長させる。ここで、第２のシード結晶６の膜厚としては、後の工程で第２の窒化物半導体層を成長させたときに、第２のシード結晶６の窓部に空洞を有する形状とする膜厚であれば特に限定されず、好ましくは５〜１０μｍ、より好ましくは５〜７μｍとする。その後、図５に示すように第２の保護膜のみを除去するが、第２の保護膜は、完全に除去する必要はなく、１μｍ以下の膜厚であれば残してもよい。
【００４１】
次に、図６に示すように、第２のシード結晶６を核として第２の窒化物半導体層７を成長させる。成長条件としては、特に限定されないが、第１の窒化物半導体層４と同様の条件で成長させることにより、低欠陥かつ欠陥均一であり、最上面が鏡面である窒化物半導体基板を得ることができる。
ここで、第２の窒化物半導体層７の膜厚としては、好ましくは５〜３０μｍ、より好ましくは７〜１５μｍである。
【００４２】
本発明の窒化物半導体の成長方法において、第１のシード結晶３、及び第１の窒化物半導体層４、第２のシード結晶６、第２の窒化物半導体等の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）、ＨＶＰＥ（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、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が１００ｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。ＭＯＶＰＥ法は、結晶をきれいに成長させることができ好ましい。しかし、ＭＯＶＰＥ法は時間がかかるため、厚膜を成長させる場合にはＨＶＰＥ法が好ましい。
【００４３】
更に本発明の窒化物半導体基板は、上記に示す製造方法により得られる低欠陥及び欠陥均一であり、結晶欠陥の伝播が抑制される窒化物半導体基板であるため、この窒化物半導体基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する素子構造を有する窒化物半導体素子を製造すると、良好な寿命特性が得られると共に、歩留まりを向上させることができ好ましい。
【００４４】
【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］
実施例１における各工程を図１〜図６を用いて示す。また実施例１はＭＯＣＶＤ法について示すものであるが、本発明の方法は、ＭＯＣＶＤ法に限るものではなく、例えばＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法、その他、窒化物半導体を成長させる方法を適用できる。
【００４５】
基板１には、２インチφ、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を用い、このサファイア基板上に、ＣＶＤ装置を用い、第１の保護膜２としてＳｉＯ２を膜厚４μｍで成膜し、その後、図１に示すようにドライエッチングにより第１の保護膜をストライプ幅１７μｍ、窓部３μｍのストライプ状にし、さらに、端面をウェットエッチングにより荒れをなくす。
【００４６】
次に、図２に示すように、温度を５１０℃にして、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、保護膜の窓部上にＧａＮよりなるバッファ層（図示されていない。）を２００オングストロームの膜厚で成長させ、バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる第１のシード結晶３をバッファ層上に３μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
次に第１のシード結晶３を成長後、ウェットエッチング法により、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用い第１の保護膜２のみを除去させる。第１の保護膜２を除去することにより、核となるストライプ形状の第１のシード結晶３を形成することができる。
【００４８】
その後、図３に示すように１０５０℃の温度で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層４を１０μｍの膜厚で成長させる。
【００４９】
次に、図４に示すように第２の保護膜５を第１の窒化物半導体層４上にＣＶＤ装置を用い、膜厚７μｍで成膜後、保護膜の幅５μｍ、保護膜の窓部の幅５μｍでストライプ形成する。
【００５０】
次に、第２の保護膜５の窓部に第２のシード結晶６をＭＯＣＶＤ装置で第１のシード結晶と同じ条件で５μｍ成膜し、その後、第２の保護膜５のみを第１の窒化物半導体層４が露出するように除去する。
【００５１】
次に、図６に示すように、第２のシード結晶を核として第２の窒化物半導体層７を１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５２】
以上のようにして得られる窒化物半導体基板は非常に結晶欠陥が低減されたものであり、高出力ＬＤ等の基板に用いることができる。
【００５３】
［実施例２］
前記実施例１において、第２のシード結晶を成長後、第２の保護膜を除去する際に、第２の保護膜を膜厚０．５μｍ残した状態で、第２の窒化物半導体層を成長させる他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。
以上の方法により得られる窒化物半導体は、実施例１と同様に低欠陥かつ欠陥均一である窒化物半導体を得ることができる。
【００５４】
［実施例３］
前記実施例１及び実施例２において、第２の窒化物半導体を成長させる際に、成長と同時にｎ型不純物であるＳｉを５×１０１７／ｃｍ３ドープして１５μｍの膜厚で成長させる他は同様にして窒化物半導体を成長させる。
得られた窒化物半導体は、実施例１と同様に低欠陥かつ欠陥均一の窒化物半導体を得ることができる。
【００５５】
［実施例４］
前記実施例１及び実施例２において、第２の窒化物半導体を成長させる際に、成長と同時にｐ型不純物であるＭｇを５×１０１７／ｃｍ３ドープして１５μｍの膜厚で成長させる他は同様にして窒化物半導体を成長させる。
得られた窒化物半導体は、実施例１と同様に低欠陥かつ欠陥均一の窒化物半導体を得ることができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、上記の如く、基板上に成長させる窒化物半導体の核となるシード結晶の端面形状をよくすること及び２段階で横方向成長を行うことにより結晶欠陥を減少させ結晶性が良好であり、欠陥均一な窒化物半導体を得ることができる。また更に、本発明により得られた窒化物半導体を基板として素子構造を成長させると、寿命特性等の素子性能が良好な窒化物半導体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・第１の保護膜
３・・・第１のシード結晶
４・・・第１の窒化物半導体層
５・・・第２の保護膜
６・・・第２のシード結晶
７・・・第２の窒化物半導体層
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）よりなる窒化物半導体素子の成長方法に関し、特に基板上に低欠陥の窒化物半導体を成長させる成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体素子を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザー（ＬＤ）の研究が活発に行われており、高輝度の発光ダイオード（ＬＥＤ）や室温連続発振可能な半導体レーザー（ＬＤ）が実現されている。
このような窒化物半導体素子を形成する一般的な方法は、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を用い、その上にバッファ層を介して窒化物半導体が成長しないかあるいは成長しにくい材料からなるＳｉＯ２等の保護膜を成長させストライプ形状とし、この上に窒化物半導体を選択成長させる方法が知られている。
また、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を用い、その上に下地層となる窒化物半導体を成長させ、該窒化物半導体を部分的にストライプ形状とし、形成された下地層の側面に窒化物半導体の横方向の成長を利用しながら該下地層上に窒化物半導体を選択成長させる方法が知られている。
これらは、異種基板上に窒化物半導体素子を成長させる場合に、格子定数の違いから発生する転位を低減できる窒化物半導体の横方向の成長方法であり、エピタキシャルラテラルオーバーグロウス（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒ ｇｒｏｗｔｈ：ＥＬＯＧ）と呼ばれている。
このような成長方法により得られた窒化物半導体基板は、従来の窒化物半導体の成長方法に比べ、低欠陥である窒化物半導体基板が期待できる。
【０００３】
例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９８８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２には、サファイア基板上に成長させた窒化ガリウム上にＳｉＯ２等の保護膜を部分的に形成して、この上に新たな窒化ガリウムを成長させることが開示されている。ＳｉＯ２上には窒化ガリウムが直接成長しないため、保護膜の窓部に露出した窒化ガリウムが成長核となり、保護膜の上の領域において窒化ガリウムが横方向に成長する。したがって、ＳｉＯ２保護膜上に低転位密度の窒化ガリウムを成長させることができる。
【０００４】
また、特開平１１−１４５５１６号公報には、ＳｉＯ２保護膜を形成する代わりに、シリコン基板上に成長したＡｌＧａＮ層をストライプ状にエッチングしてシリコン基板を部分的に露出させ、この上に窒化ガリウムを成長させる方法が開示されている。窒化ガリウムはシリコン基板上にはエピタキシャル成長しないため、ストライプ状のＡｌＧａＮ層を成長核として、窒化ガリウムが横方向にエピタキシャル成長する。したがって、シリコン基板の露出部分の上に低転位密度の窒化ガリウムを成長させることができる。
【０００５】
これらのＥＬＯＧ成長法によれば、従来のバッファ層を用いて成長させた窒化物半導体層に比べて、結晶欠陥密度を２桁以上減少させることができる。したがって、これらのＥＬＯＧ成長法によって製造された窒化物半導体基板に、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子、受光素子などの種々の窒化物半導体素子を形成することにより、窒化物半導体素子の寿命特性を飛躍的に向上させることができる。例えば、ＥＬＯＧ成長させた窒化ガリウム基板を用いて製造された窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、１万時間以上の連続発振を達成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述にある前記の成長方法では、基板上に窒化物半導体を形成すると、保護膜上の窒化物半導体層に発生する結晶欠陥は減少するものの、その上に成長させる窒化物半導体が保護膜の分解等により結晶性を低下させる問題があった。
【０００７】
また、この成長方法において、酸化ケイ素等の保護膜上に窒化物半導体を成長させる場合、酸化ケイ素が分解する場合があり、酸化ケイ素が分解すると、酸化ケイ素上から窒化物半導体が異常成長したり、窒化物半導体の結晶性の低下を招くことがある。一方、酸化ケイ素の分解を抑えるために低い温度で窒化物半導体を成長させると、窒化物半導体の単結晶が得られにくく、窒化物半導体層の結晶性が低下する。
【０００８】
上述にある後記の成長方法については、窒化物半導体の成長時に酸化ケイ素等の保護膜を有しないために、保護膜の分解による結晶性の低下をなくすことができる。さらに、ＡｌＧａＮ層をエッチングすることによりストライプ状の核を形成し、この核から窒化ガリウムを横方向に成長させることにより、低欠陥の窒化物半導体層を得ることができる。しかしながら、エッチングにより形成した核となるストライプ状ＡｌＧａＮの端面は、形状が良くないため、窒化ガリウムの横方向成長時にできる接合部が拡大する可能性がある。この窒化ガリウム同士の接合部とは欠陥が集中する部分であるため、欠陥が多い接合部が拡大することにより窒化物半導体の結晶性が低下する問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記に示すＥＬＯＧ成長により製造された窒化物半導体基板よりも、結晶性がよく、量産性を向上させた、優れた発光素子及び受光素子を形成することのできる窒化物半導体基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法は、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、第１の保護膜を所望のパターン形状に形成する第１の工程と、前記第１の保護膜の窓部に窒化物半導体から成る第１のシード結晶を成長させ、前記第１の保護膜を取り除くことにより、核となる第１のシード結晶をストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成する第２の工程と、第１の窒化物半導体層を前記第１のシード結晶を覆うように成長させる第３の工程と、前記第１の窒化物半導体層上であって、第１のシード結晶上部、及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部に、第２の保護膜を所望のパターン形状に形成する第４の工程と、前記第２の保護膜の窓部に窒化物半導体から成る第２のシード結晶を成長させ、前記第２の保護膜を取り除くことにより、核となる第２のシード結晶をストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成する第５の工程と、第２の窒化物半導体層を前記第２のシード結晶を覆うように成長させる第６の工程とを備えることを特徴とする。
【００１１】
前記第１の窒化物半導体層、及び／又は第２の窒化物半導体層は基板全面に成長させることを特徴とする。前記第１のシード結晶、及び／又は第２のシード結晶は、周期的に形成される。
【００１２】
また、本発明において第１及び第２の保護膜としては、融点１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、及びこれらの多層膜等を用いることができる。
【００１３】
また、本発明において異種基板には、サファイア、スピネル又は炭化ケイ素を用いることができる。
【００１４】
本発明において、第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比Ｗｗ／Ｗｓが、１〜２０である。
【００１５】
本発明において、第２のシード結晶の厚さが、５μｍ以上である。
【００１６】
本発明において、第２の窒化物半導体層は、第１のシード結晶上部及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部に空洞を有する。
【００１７】
本件の発明に係る窒化物半導体基板は、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、ストライプ状、格子状又は島状、多角形を有する柱状をした窒化物半導体から成る第１のシード結晶と、前記第１のシード結晶を覆って成る第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上であって、第１のシード結晶上部、及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部を避けた位置にストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状をした窒化物半導体から成る第２のシード結晶と、前記第２のシード結晶を覆って成る第２の窒化物半導体層と、前記第２のシード結晶どうしの間には空洞とを有する窒化物半導体基板である。
【００１８】
前記第１の窒化物半導体層、及び／又は第２の窒化物半導体層は基板全面に有することを特徴とする。また前記第１のシード結晶は、等間隔で形成された窒化物半導体から成る。前記第２のシード結晶は、周期的なストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成された窒化物半導体から成る。
【００１９】
本発明において、第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比Ｗｗ／Ｗｓが、１〜２０であり、第２のシード結晶の厚さが、５μｍ以上である。
【００２０】
上記製造方法により得られた窒化物半導体基板は、窒化物半導体から成るシード結晶をエッチングにより形成するのではなく、窓部を有する保護膜を形成し、この保護膜の窓部にシード結晶を成長させ、その後、保護膜のみを除去することにより、核となるシード結晶を形成する。これにより、窒化物半導体から成るシード結晶の端面を劣化させることなく、シード結晶より窒化物半導体層を成長させることができる。そのため、窒化物半導体層を成長させるのに核となるシード結晶をエッチングで形成した場合よりも、端面形状がよく、横方向に成長した窒化物半導体同士の接合部にできる結晶欠陥の数及び幅を減少することができる。さらに、第２のシード結晶を形成し、第２の窒化物半導体層を成長させるため、より低欠陥の窒化物半導体基板を得ることができる。これは、第２のシード結晶を第１の窒化物半導体層の結晶性のよい範囲の窒化物半導体上に形成するためである。
第１の窒化物半導体層において、第１のシード結晶上部及び第１の窒化物半導体同士の接合部には、結晶欠陥が集中するため、この範囲を避け、第２のシード結晶を形成する。
また、第２の窒化物半導体層を成長させる時に、ストライプ状の第２のシード結晶の窓部には空洞を有するため、第２の窒化物半導体層には結晶欠陥の転位が延びず、結晶性の良い窒化物半導体基板を得ることができる。
【００２１】
第２のシード結晶の厚さが、５μｍ以上であると、第２の窒化物半導体層の成長後に、第２のシード結晶の窓部に空洞を有することができる。このため、第２の窒化物半導体層は、結晶欠陥の多い第２のシード結晶の窓部からの転位の伝播を防ぐことができる。さらに、空洞を有することで基板の反りを緩和することもできる。
【００２２】
また、保護膜に融点が１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、又はこれらの多層膜を用いる。これらの保護膜材料は、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有する。そのため、保護膜上に、窒化物半導体を成長させることなく、保護膜の窓部に窒化物半導体を成長させることができる。
【００２３】
第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比Ｗｗ／Ｗｓが、１〜２０となるように調整することにより、結晶欠陥の転位を減らすことができる。これは、第１のシード結晶に結晶欠陥が集中するためであり、第１のシード結晶の窓部の幅を広くすることにより、第１のシード結晶から横方向に成長する第１の窒化物半導体を結晶性よく得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図６は、本発明の成長方法により得られる、異種基板上に成長された窒化物半導体を模式的に示す断面図である。
異種基板１上に第１の保護膜２を成膜し、その後、シード結晶を成長させるための窓部をパターン形状に形成し、さらに、第１の保護膜２の窓部よりバッファ層（図示されていない）、第１のシード結晶３を成長させ、その後、第１の保護膜２のみ取り除き、第１のシード結晶３を核として第１の窒化物半導体層４を横方向に成長させる。
さらに、第１の窒化物半導体層４上に第１の保護膜２と同様に、第２の保護膜５をパターン形成し、第２の保護膜５の窓部より第２のシード結晶６を成長させ、その後、第２の保護膜５のみ取り除き、第２のシード結晶６を核として第２の窒化物半導体層７を横方向に成長させることにより窒化物半導体基板を得る
【００２６】
ここで、第１のシード結晶３、第１の窒化物半導体層４、第２のシード結晶６、第２の窒化物半導体層７は、いずれも一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）によって表されることができ、これらは互いに異なる組成であってもよい。
【００２７】
さらに、前記第１のシード結晶３、第１の窒化物半導体層４、第２のシード結晶６、第２の窒化物半導体層７には、アンドープ（不純物をドープしない状態、ｕｎｄｏｐｅ）、Ｓｉ等のｎ型不純物又は、Ｍｇ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体を用いることができる。
【００２８】
また、上記第１の保護膜２及び第２の保護膜５には、表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有するものを用いる。
【００２９】
また、第２のシード結晶６は、第１のシード結晶上及び第１の窒化物半導体層４同士の接合部上を避けて形成されることにより、第２のシード結晶は結晶欠陥の少ない核となる。
【００３０】
また、異種基板１上に第１のシード結晶３を成長する前に、バッファ層を成長させることにより、異種基板と窒化物半導体との格子定数不整を緩和し、結晶欠陥を低減することができ、さらに、表面モフォロジーが良好な窒化物半導体を得ることができる。
【００３１】
図１〜図６は、実施の１形態として、窒化物半導体の成長方法を示す工程断面図である。
以下に、本発明における実施の１形態の窒化物半導体の成長方法及び好適な材料について説明する。
【００３２】
まず、図１に示すように、異種基板１上に、第１の保護膜２をＣＶＤ、スパッタまたは、蒸着等の方法により成膜する。
本発明において、異種基板１には、具体例として、（０００１）面［Ｃ面］、（１１−０２）面［Ｒ面］、及び（１１２−０）面［Ａ面］のいずれかを主面とするサファイア、並びに（１１１）面を主面とするスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、その他ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ及び窒化物半導体と格子接合する酸化物基板等、窒化物半導体と異なる基板材料を用いることができる。
ここで基板１が、（０００１）面［Ｃ面］を主面とするサファイアであるとき、前記第１の保護膜２がそのサファイアの（１１２−０）面［Ａ面］に対して垂直なストライプ形状を有していること［窒化物半導体の（１０１−０）［Ｍ面］に垂直方向にストライプを形成すること］が好ましく、また（１１２−０）面［Ａ面］を主面とするサファイアであるとき、前記第１の保護膜２はそのサファイアの（１１−０２）面［Ｒ面］に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましく、また（１１１）面を主面とするスピネルであるとき、前記第１の保護膜２はそのスピネルの（１１０）面に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましい。
また本発明の成長方法において、異種基板１となる材料の主面をオフアングルさせた基板、さらにステップ状にオフアングルさせた基板を用いることもできる。
【００３３】
次に前記第１の保護膜２としては、窒化物半導体が成長しないか又は、成長しにくい材料からなるものが好ましく、具体例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、又はこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。
さらに第１の保護膜２の膜厚としては特に限定されないが、２μｍ〜５μｍであれば、窓部より窒化物半導体が成長しやすくなるため好ましい。
【００３４】
また、前記第１の保護膜をストライプ状に形成する場合において、第１の保護膜のストライプ幅としては、特に限定されないが、シード結晶を成長させるための第１の保護膜の窓部幅が好ましくは２μｍ〜１０μｍ、より好ましくは３μｍ〜５μｍとし、第１の保護膜の幅としては、１０μｍ〜１８μｍ、好ましくは１５μｍ〜１７μｍである。
【００３５】
前記第１の保護膜をエッチングによりパターン形成後、エッチングにより荒れた保護膜の端面をウェットエッチングをすることにより保護膜の端面の荒れをなくすことができる。これにより、第１の保護膜の窓部から成長させる第１のシード結晶の結晶特性、特に端面形状をよくすることができる。
【００３６】
次に、図２に示すように第１の保護膜２の窓部上にＭＯＣＶＤ等の方法によりバッファ層（図示されていない）及び第１のシード結晶３を成長させ、その後、第１の保護膜のみを除去する。
まず、異種基板１上に第１の保護層２を形成させた後、バッファ層を成長させる。バッファ層としては、第１のシード結晶３よりも低温で成長させるものが好ましく、例えばＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられ、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚０．５μｍ〜１０オングストロームで成長される。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で形成すると、異種基板１と第１のシード結晶３との格子定数不整を緩和し、第１のシード結晶３の結晶欠陥が少なくなるため好ましい。
【００３７】
次に、保護膜の窓部上に成長させたバッファ層上に、第１のシード結晶３を成長させる。この第１のシード結晶３としては、アンドープののＧａＮ、ｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。また第１のシード結晶３は、バッファ層よりも高温で成長させるのが好ましく、具体的には９００〜１１００℃、より好ましくは１０５０℃で成長され、また膜厚は、特に限定されず、好ましくは１〜５μｍ、より好ましくは２〜３μｍである。
この範囲の膜厚で第１のシード結晶を成長させることにより、基板の反り及び異常成長を抑制することができるため好ましい。
さらに、第１のシード結晶３を成長後、第１の保護膜２のみ除去し、図２に示す核を形成する。
【００３８】
次に、図３に示すように、第１の窒化物半導体層４を、第１のシード結晶と同様の成長条件で前記第１のシード結晶３を核として成長させる。
第１の窒化物半導体層４としては、アンドープのＧａＮ、ｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができ、前記第１のシード結晶３を核として横方向に成長させる。
第１の窒化物半導体層４の好ましい膜厚としては、５〜２０μｍであり、さらに好ましくは７〜１５μｍである。
この範囲より薄い膜厚であると、第１の窒化物半導体４の最上面が成長しきれないために空隙ができ、鏡面を得ることができない。
また、この範囲より厚い膜厚で成長させると、基板に反りが生じ、結晶欠陥が拡散する問題が生じる。
【００３９】
第１の窒化物半導体４を成長後、図４に示すように、第２の保護膜５を第１の保護膜２と同様の成膜条件で成膜し、エッチングにより窓部を有するためのパターン形状を形成する。第２の保護膜５の成膜条件としては、特に限定しないが、第１の保護膜の成膜条件と
同様でよく、第２の保護膜５の膜厚としては、５〜１０μｍ、さらに好ましくは６〜８μｍである。ここで、第２の保護膜５は第１のシード結晶上部及び、第１の窒化物半導体の接合部を覆うようにパターン形成され、後に第２のシード結晶が成長する第２の保護膜の窓部幅が等間隔で形成されるのが好ましい。
第２の保護膜５も第１の保護膜と同様に、窓部をＲＩＥ等のエッチングにより形成後、ウェットエッチングにより第２の保護膜５の端面形状をよくする。
【００４０】
次に、第２の保護膜５の窓部より、第２のシード結晶６を第１のシード結晶と同様の条件で成長させる。ここで、第２のシード結晶６の膜厚としては、後の工程で第２の窒化物半導体層を成長させたときに、第２のシード結晶６の窓部に空洞を有する形状とする膜厚であれば特に限定されず、好ましくは５〜１０μｍ、より好ましくは５〜７μｍとする。その後、図５に示すように第２の保護膜のみを除去するが、第２の保護膜は、完全に除去する必要はなく、１μｍ以下の膜厚であれば残してもよい。
【００４１】
次に、図６に示すように、第２のシード結晶６を核として第２の窒化物半導体層７を成長させる。成長条件としては、特に限定されないが、第１の窒化物半導体層４と同様の条件で成長させることにより、低欠陥かつ欠陥均一であり、最上面が鏡面である窒化物半導体基板を得ることができる。
ここで、第２の窒化物半導体層７の膜厚としては、好ましくは５〜３０μｍ、より好ましくは７〜１５μｍである。
【００４２】
本発明の窒化物半導体の成長方法において、第１のシード結晶３、及び第１の窒化物半導体層４、第２のシード結晶６、第２の窒化物半導体等の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）、ＨＶＰＥ（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、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が１００ｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。ＭＯＶＰＥ法は、結晶をきれいに成長させることができ好ましい。しかし、ＭＯＶＰＥ法は時間がかかるため、厚膜を成長させる場合にはＨＶＰＥ法が好ましい。
【００４３】
更に本発明の窒化物半導体基板は、上記に示す製造方法により得られる低欠陥及び欠陥均一であり、結晶欠陥の伝播が抑制される窒化物半導体基板であるため、この窒化物半導体基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する素子構造を有する窒化物半導体素子を製造すると、良好な寿命特性が得られると共に、歩留まりを向上させることができ好ましい。
【００４４】
【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］
実施例１における各工程を図１〜図６を用いて示す。また実施例１はＭＯＣＶＤ法について示すものであるが、本発明の方法は、ＭＯＣＶＤ法に限るものではなく、例えばＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法、その他、窒化物半導体を成長させる方法を適用できる。
【００４５】
基板１には、２インチφ、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を用い、このサファイア基板上に、ＣＶＤ装置を用い、第１の保護膜２としてＳｉＯ２を膜厚４μｍで成膜し、その後、図１に示すようにドライエッチングにより第１の保護膜をストライプ幅１７μｍ、窓部３μｍのストライプ状にし、さらに、端面をウェットエッチングにより荒れをなくす。
【００４６】
次に、図２に示すように、温度を５１０℃にして、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、保護膜の窓部上にＧａＮよりなるバッファ層（図示されていない。）を２００オングストロームの膜厚で成長させ、バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる第１のシード結晶３をバッファ層上に３μｍの膜厚で成長させる。
【００４７】
次に第１のシード結晶３を成長後、ウェットエッチング法により、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）を用い第１の保護膜２のみを除去させる。第１の保護膜２を除去することにより、核となるストライプ形状の第１のシード結晶３を形成することができる。
【００４８】
その後、図３に示すように１０５０℃の温度で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層４を１０μｍの膜厚で成長させる。
【００４９】
次に、図４に示すように第２の保護膜５を第１の窒化物半導体層４上にＣＶＤ装置を用い、膜厚７μｍで成膜後、保護膜の幅５μｍ、保護膜の窓部の幅５μｍでストライプ形成する。
【００５０】
次に、第２の保護膜５の窓部に第２のシード結晶６をＭＯＣＶＤ装置で第１のシード結晶と同じ条件で５μｍ成膜し、その後、第２の保護膜５のみを第１の窒化物半導体層４が露出するように除去する。
【００５１】
次に、図６に示すように、第２のシード結晶を核として第２の窒化物半導体層７を１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５２】
以上のようにして得られる窒化物半導体基板は非常に結晶欠陥が低減されたものであり、高出力ＬＤ等の基板に用いることができる。
【００５３】
［実施例２］
前記実施例１において、第２のシード結晶を成長後、第２の保護膜を除去する際に、第２の保護膜を膜厚０．５μｍ残した状態で、第２の窒化物半導体層を成長させる他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。
以上の方法により得られる窒化物半導体は、実施例１と同様に低欠陥かつ欠陥均一である窒化物半導体を得ることができる。
【００５４】
［実施例３］
前記実施例１及び実施例２において、第２の窒化物半導体を成長させる際に、成長と同時にｎ型不純物であるＳｉを５×１０１７／ｃｍ３ドープして１５μｍの膜厚で成長させる他は同様にして窒化物半導体を成長させる。
得られた窒化物半導体は、実施例１と同様に低欠陥かつ欠陥均一の窒化物半導体を得ることができる。
【００５５】
［実施例４］
前記実施例１及び実施例２において、第２の窒化物半導体を成長させる際に、成長と同時にｐ型不純物であるＭｇを５×１０１７／ｃｍ３ドープして１５μｍの膜厚で成長させる他は同様にして窒化物半導体を成長させる。
得られた窒化物半導体は、実施例１と同様に低欠陥かつ欠陥均一の窒化物半導体を得ることができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、上記の如く、基板上に成長させる窒化物半導体の核となるシード結晶の端面形状をよくすること及び２段階で横方向成長を行うことにより結晶欠陥を減少させ結晶性が良好であり、欠陥均一な窒化物半導体を得ることができる。また更に、本発明により得られた窒化物半導体を基板として素子構造を成長させると、寿命特性等の素子性能が良好な窒化物半導体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の製造の一工程において得られる窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・第１の保護膜
３・・・第１のシード結晶
４・・・第１の窒化物半導体層
５・・・第２の保護膜
６・・・第２のシード結晶
７・・・第２の窒化物半導体層
Claims (12)
- 窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、第１の保護膜を所望のパターン形状に形成する第１の工程と、
前記第１の保護膜の窓部に窒化物半導体から成る第１のシード結晶を成長させ、前記第１の保護膜を取り除くことにより、核となる第１のシード結晶をストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成する第２の工程と、
第１の窒化物半導体層を前記第１のシード結晶を覆うように成長させる第３の工程と、
前記第１の窒化物半導体層上であって、第１のシード結晶上部、及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部に、第２の保護膜を所望のパターン形状に形成する第４の工程と、
前記第２の保護膜の窓部に窒化物半導体から成る第２のシード結晶を成長させ、前記第２の保護膜を取り除くことにより、核となる第２のシード結晶をストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状に形成する第５の工程と、
第２の窒化物半導体層を前記第２のシード結晶を覆うように成長させる第６の工程とを備えた窒化物半導体基板の製造方法。 - 前記保護膜が、融点１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、及びこれらの多層膜から成る群から選択された１種から成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の製造方法。
- 前記異種基板は、サファイア、スピネル、又は炭化ケイ素であ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の製造方法。
- 前記第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比Ｗｗ／Ｗｓが、１〜２０であ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の製造方法。
- 前記第２のシード結晶の膜厚が、５μｍ以上であ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の製造方法。
- 前記第２の窒化物半導体層は、第１のシード結晶上部及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部に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の製造方法。
- 前記第１の窒化物半導体層、及び／又は第２の窒化物半導体層は基板全面に成長させ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の製造方法。
- 窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状をした窒化物半導体から成る第１のシード結晶と、
前記第１のシード結晶を覆って成る第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上であって、第１のシード結晶上部、及び第１の窒化物半導体同士の接合部上部を避けた位置にストライプ状、格子状、又は島状、多角形を有する柱状をした窒化物半導体から成る第２のシード結晶と、
前記第２のシード結晶を覆って成る第２の窒化物半導体層と、前記第２のシード結晶どうしの間には空洞とを有する窒化物半導体基板。 - 前記異種基板は、サファイア、スピネル、又は炭化ケイ素であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第１のシード結晶の幅（Ｗｓ）と第１のシード結晶の窓部の幅（Ｗｗ）との比がＷｗ／Ｗｓが、１〜２０であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第２のシード結晶の膜厚が、５μｍ以上であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第１の窒化物半導体層、及び／又は第２の窒化物半導体層は基板全面に有することを特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板。
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