JP3589200B2 - 窒化物半導体基板及びその製造方法、並びにその窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）の成長方法に係り、特に窒化物半導体基板となり得る窒化物半導体の成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、サファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子定数の異なる異種基板上に、窒化物半導体を成長させる研究が種々検討されている。
【０００３】
例えば、ＪＰＮ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２にはＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ ＧａＮ）の成長方法として、サファイアのＣ面上に成長させた窒化物半導体上にＳｉＯ２等の保護膜を部分的に形成し、この上に、１００Ｔｏｒｒの減圧で、窒化物半導体を成長させることにより、転位の少ない窒化物半導体を得ることを開示している。
このようなＥＬＯＧ成長は、保護膜を形成し意図的に窒化物半導体を横方向に成長させることにより、転位が窒化物半導体の成長と共に進行すると、転位は保護膜を有しない部分上にのみ発生するため、保護膜上には転位欠陥の少ない窒化物半導体を形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す保護膜を形成し窒化物半導体を横方向に成長させることにより得られる窒化物半導体は、保護膜上部には転位欠陥が少ない窒化物半導体が得られるが、ＳｉＯ２等の保護膜はストライプ幅を広く形成する場合、保護膜上において窒化物半導体の横方向成長が進まず、異常成長を引き起こすことがあった。
【０００５】
また、保護膜両側に露出した窒化物半導体を成長起点として横方向に成長した窒化物半導体は、保護膜中央部で互いに接合するが、窒化物半導体を気相成長法によって横方向成長させた場合には、接合部に局所的に転位が集中する。これは、１つにはＳｉＯ２等の保護膜上を横方向に成長する窒化物半導体の成長面がチルトすることに起因している。このような窒化物半導体基板上にエピタキシャル成長によって素子層を形成していく場合、素子層成長のための基板昇温過程において、転位が集中している接合部に窒素脱離による微細なピットが発生し易く、さらにエピタキシャル成長を続けることによりピットが大きく成長してしまう。
【０００６】
このため、気相成長法を用いた保護膜上の横方向成長により連続した１枚の窒化物半導体基板を形成しても、一般的な単結晶基板と同様に扱うことはできず、半導体レーザの活性層等は接合部周辺を大きく避けて形成する必要があるために素子形成のための十分な領域を確保することが困難であり、素子寿命も十分ではなかった。しかも、接合して１枚の基板となった窒化物半導体基板は外見上一様であるため、基板上面から接合部を認識して、その後の素子パターン形成を精度良く行うことは容易ではなかった。
【０００７】
さらに、サファイア等の上に保護膜を用いて窒化物半導体を横方向成長させて連続した１枚の窒化物半導体基板を作製した場合、熱膨張係数の互いに異なるサファイア、保護膜、窒化物半導体層が積層した構造となるため、作製した窒化物半導体基板に反りが発生しやすかった。
【０００８】
またさらに、サファイア基板等の異種基板を最終的に除去して窒化物半導体基板を作製する場合もあり、その場合の異種基板の除去手法として、異種基板を研磨する手法や、異種基板と窒化物半導体の界面にエキシマレーザを照射して界面の化学結合を切断する手法が用いられる。しかしながら、研磨やエキシマレーザによる除去には処理時間がかかる等の問題があり、サファイア等の異種基板の除去が容易ではなかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、保護膜を用いた横方向成長によって作製された窒化物半導体基板において、保護膜上を横方向成長した窒化物半導体層が接合することにより素子に与える悪影響を抑制することのできる、新たな基板構造を提供することにある。また、窒化物半導体基板における反りを抑制し、窒化物半導体基板からの異種基板の除去を容易にすることも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、第１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異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板と、前記支持基板表面の周期的なストライプ状、格子状、又は島状の部分を成長起点として横方向成長し、互いに接合する前に横方向成長を停止することにより周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上面、又は上面及び横方向成長した側面を核として成長し、支持基板全面を覆う第２の窒化物半導体層とを備え、前記第２の窒化物半導体層が互いに接合する部分の下に空間が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構造を有する窒化物半導体基板は、例えば、支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させることにより製造することができる。ここで、前記支持基板は、サファイア等の異種基板であっても、異種基板の全面に窒化物半導体層を成長させたものであっても良い。支持基板としてサファイア等の異種基板を直接用いる場合は、第１の窒化物半導体を成長する前に低温成長バッファ層を異種基板上に成長することが好ましい。また、第２の窒化物半導体層が、第１の窒化物半導体層の上面から成長する場合、保護膜を除去しなくても第２の窒化物半導体層は空間上で接合することとなるため、保護膜の除去工程を省略することもできる。
【００１２】
上記の如く、保護膜上の横方向成長を、第１の窒化物半導体が互いに接合する前に止め、その後、第２の窒化物半導体を空間上で成長させて互いに接合させることにより、保護膜を広く形成しても、結晶表面に空隙を形成しない窒化物半導体を成長させることができる。また、第２の窒化物半導体は空間上を進行するため、第２の窒化物半導体を第１の窒化物半導体側面から成長させる時に発生する応力を抑制することができる。さらに保護膜上を進行する場合のような結晶成長面のチルト現象がないため、接合部における転位の集中が緩和される。
【００１３】
また、第２の窒化物半導体層の接合部下方に窒化物半導体と光屈折率の大きく異なる空間が存在するため、基板全面を覆う第２の窒化物半導体層の上面からでも接合部の位置を認識することが容易である。そして、この空間が歪を緩和する役割を果たすため、異種基板と窒化物半導体層の間の熱膨張係数差による反りが緩和される。
【００１４】
さらに、支持基板上において窒化物半導体層が不連続な柱状構造によって支持される構造となるため、窒化物半導体層と支持基板との間の接合強度が低下する。したがって、従来のエキシマレーザや研磨による支持基板（異種基板）の除去手法に加えて、振動や熱衝撃による機械的な剥離手法によって支持基板を除去することも可能となる。例えば、本発明に係る窒化物半導体基板を支持基板の裏面から研磨すると、研磨時の機械的振動によって支持基板の全体が剥離する。こうした機械的な剥離手法によれば短時間での支持基板の除去が可能となる。尚、機械的手法では剥離する界面が多少ばらつく場合があるが、剥離後に基板裏面の研磨を行うことによって均一な窒化物半導体基板を得ることができる。
【００１５】
前記支持基板として、サファイア等の異種基板の全面に窒化物半導体層を成長させたものを用いる場合、成長させる窒化物半導体層として、（ａ）次に成長される窒化物半導体層よりも低温で成長された窒化物半導体バッファ層（以下、低温成長バッファ層）、（ｂ）低温成長バッファ層を介して成長した窒化ガリウム層、（ｃ）低温成長バッファ層を介して成長した窒化ガリウム層に窒化アルミニウムガリウム層を積層したもの、又は（ｄ）低温成長バッファ層を介して成長した窒化ガリウム層に窒化インジウムガリウム層を積層したもの、等を用いることができる。
【００１６】
中でも、（ｃ）低温成長バッファ層を介して窒化ガリウム層を積層し、さらに窒化アルミニウムガリウム層を積層したものを用いると、その後の工程における支持基板表面の窒化物半導体層の分解を抑制して、支持基板表面に発生するＶ字状溝の発生を防止することができる。また、窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層との間の熱膨張係数差により生ずる応力を積極的に利用して、支持基板の剥離を容易とすることができる。一方、（ｄ）低温成長バッファ層を介して窒化ガリウム層を積層し、さらに窒化インジウムガリウム層を積層したものを用いることにより、窒化インジウムガリウムの膜強度が窒化ガリウム層等に比べて弱いことを利用して、支持基板の剥離を容易にすることができる。
【００１７】
また、支持基板上に保護膜を介して第１の窒化物半導体層を成長させる場合、保護膜にストライプ状、格子状又は島状の窓部を形成するが、中でも、格子状又は島状の窓部を形成することが好ましい。窓部を格子状又は島状とすることにより、第１の窒化物半導体層の成長方向が多方向となり、支持基板の剥離が容易となる。また、さらに言えば、格子状の窓部を形成して窓部に囲まれた保護膜の形状を多角形又は円形とすることが好ましい。保護膜の形状を多角形又は円形とすることにより、多角形又は円形の保護膜周囲から中心に向かって第２の窒化物半導体層が成長するため、第２の窒化物半導体層の接合部が保護膜の中心の一点となり、転位の集中する接合部の面積を最小限に抑制することができる。
【００１８】
保護膜は第１の窒化物半導体層の成長後に除去するが、少なくとも第２の窒化物半導体層の接合部下方に空間を形成するように保護膜を除去すれば良く、必ずしも完全に保護膜を除去する必要はない。例えば、保護膜全体の膜厚を減少させても、接合部下方のみ保護膜を除去して良い。
【００１９】
保護膜を除去する方法には、ドライエッチング又はウェットエッチングを用いることができ、どちらの方法も窒化物半導体の結晶性を低下させることなく保護膜を除去することができる。さらに、ドライエッチングは、保護膜を除去する深さを簡単に制御することができる。
【００２０】
また、保護膜を支持基板表面が露出するまで除去し、第１の窒化物半導体の横方向成長部分である上面及び側面より第２の窒化物半導体を成長させることにより、ＳｉＯ２等の保護膜が保護膜上に成長する窒化物半導体の成長時に分解することによる問題、即ち、窒化物半導体の異常成長や結晶性の低下等の問題を抑制することができる。
【００２１】
保護膜に酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は１２００℃以上の融点を持つ高融点金属膜を用いる。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ため、保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させるのに好ましい。
【００２２】
また、本件第２の発明に係る窒化物半導体基板は、支持基板上に、前記基板表面の周期的なストライプ状又は格子状の部分を成長起点として横方向に成長させた窒化物半導体層を有する窒化物半導体基板において、各成長起点から横方向に成長した窒化物半導体層同士が、互いに接合せずに、隙間を有して配列していることを特徴とする。
【００２３】
即ち、本発明に係る窒化物半導体基板は、従来のいわゆる「横方向成長基板」の常識に反して、横方向成長した窒化物半導体層が互いに接合せず、隙間を有して配列していることを特徴とする。本件発明者等は、このように横成長層同士の間に隙間を有する窒化物半導体基板の上においても、気相エピタキシャル法によってレーザやＬＥＤなどの素子用の結晶を平坦にエピタキシャル成長することが可能であり、しかも、転位の集中する接合部のない状態でエピタキシャル成長を開始するため、従来問題となっていた基板昇温時における窒素脱離によるピットの発生がなく、むしろ従来よりも平坦で結晶性に優れた素子層の成長が可能であることを見出した。
【００２４】
上記構造を有する窒化物半導体基板は、例えば、支持基板上に、部分的にストライプ状又は格子状の保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止めることにより製造することができる。ここで、前記支持基板は、サファイア等の異種基板であっても、異種基板の全面に窒化物半導体を形成してなるものであっても良い。
【００２５】
前記窒化物半導体の成長後、前記保護膜を除去することにより、横方向成長した窒化物半導体の下部に空間を形成することが好ましい。空間を形成することにより、その後の素子形成工程における隙間部の認識を容易にし、また、熱膨張係数の異なる異種基板と窒化物半導体の間に発生する歪を緩和して、窒化物半導体基板の反りを抑制することができる。尚、支持基板の構造及び組成、保護膜の材質、形状及び除去方法の好ましい態様は、上記第１の発明と同様である。
【００２６】
また、本件第１発明又は第２発明により得られた低転位密度の窒化物半導体層の上に、ハライド気相成長法（以下、「ＨＶＰＥ法」）により厚膜の窒化物半導体層を成長して転位を分散させ、さらに、本件第１発明又は第２発明と同様の方法により窒化物半導体層を成長させても良い。本件第１発明又は第２発明により得られた窒化物半導体層は、保護膜の窓部上方に転位が残存している。この転位を厚膜のＨＶＰＥ成長窒化物半導体層によって分散させることにより、全体に低転位密度な窒化物半導体層が得られる。この窒化物半導体層をベースとして、本件第１発明又は第２発明に基づく成長を行うことにより、一層転位密度の低い窒化物半導体基板を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明を更に詳細に説明する。
実施の形態１．
本実施の形態においては、本件第１の発明に係る窒化物半導体基板について説明する。図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を段階的に示した模式図である。
【００２８】
図１（ａ）は異種基板１上に、窒化物半導体を成長させ、さらに保護膜のストライプを形成させる工程を行った模式的断面図である。
この異種基板１としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。
【００２９】
また、異種基板１上に窒化物半導体２を成長させる前に、異種基板１上にバッファ層（図示されていない）を形成してもよい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、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。これは異種基板１と窒化物半導体２との格子定数不整を緩和するためであり、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。
【００３０】
さらに、異種基板１上に形成される窒化物半導体２としては、アンドープのＧａＮ、及びＳｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＳ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができ、窒化物半導体２は、９００℃〜１１００℃で異種基板上に成長され、窒化物半導体２の膜厚は、１．５μｍ以上であると結晶表面にピットの少ない、鏡面を形成できる点で好ましい。また、窒化物半導体２として、ＧａＮとＡｌｘＧａ１ − ｘＮ（０＜ｘ＜１、好ましくは０＜ｘ≦０．５）との積層、又はＧａＮとＩｎｙＧａ１− ｙＮ（０＜ｙ≦１）との積層を用いても良い。これらを用いることにより、ＧａＮ層とＡｌｘＧａ１ − ｘＮ層との間の熱膨張係数差により生ずる応力や、ＩｎｙＧａ１− ｙＮの低い膜強度を利用して、異種基板１の除去を容易にすることができる。この場合のＧａＮ、ＡｌｘＧａ１ − ｘＮ又はＩｎｙＧａ１− ｙＮは、アンドープであっても、ｎ型不純物をドープしたものであっても良い。
【００３１】
次に、窒化物半導体２の表面上に部分的に形成される保護膜３としては、保護膜表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を選択する。好ましくは、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜を用いることができる。
また、上記以外にも１２００℃以上の融点を有する金属、例えばタングステンやモリブデンなどの材料も用いることができる。
【００３２】
この保護膜３の形成方法としては、ＣＶＤ、スパッタリング、及び蒸着法を用い、保護膜３を形成し、さらに、レジストを塗布して、フォトリソグラフィにより保護膜を所定の形状であるストライプ状又は格子状等にエッチングする。保護膜をストライプ状又は格子状にエッチングすることにより、保護膜にストライプ状又は島状の窓部が形成される。また逆に、保護膜３を島状に残して保護膜３に格子状の窓部を形成しても良い。所定形状を有する保護膜のストライプ幅及び、格子幅としては、特に限定されないが、ストライプで形成した場合、ストライプ幅は５〜２０μｍであるのが好ましい。また、保護膜３が形成されていない窓部は、ストライプ幅よりも狭くすることが望ましい。保護膜を格子状に形成する場合の格子幅は１０〜２０μｍであるのが好ましい。保護膜３を島状に残して格子状の窓部を形成する場合、島状の保護膜の幅は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下とし、格子状の窓部の幅を１０〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍとするのが望ましい。
【００３３】
次に、保護膜の膜厚としては、第１の窒化物半導体を保護膜上に完全に覆うように成長させる必要がないため、特に限定する必要がなく、０．０５〜１０μｍの範囲で形成することができる。
【００３４】
エッチング後の基板の上面図を、図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）に示す。図２（ａ）は、窒化物半導体２上に形成される保護膜３をストライプ状にエッチングした場合を示す。図２（ｂ）及び（ｃ）は、保護膜３を格子状に残してエッチングして、島状の窓部を形成した場合を示す。島状の窓部は、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すような多角形（三角形、四角形、六角形等）であっても、円形であっても良い。
【００３５】
一方、図３（ａ）〜（ｃ）は、保護膜３を島状に残して、格子状の窓部を形成した場合を示す。保護膜３の形状は、図３（ａ）及び（ｃ）に示すような多角形（三角形、四角形、六角形等）であっても、図３（ｂ）に示すような円形であっても良い。保護膜３同士は、できるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。例えば、図３（ａ）では、六角形の保護膜３が蜂の巣状に配列されており（各六角形が隣り合う六角形と辺同士が対向するよう配置され、１つの六角形が６つの六角形によって囲まれた配列）、図３（ｃ）では、１つの三角形が隣り合う三角形と辺同士が対向するよう配置され、６つの三角形で１つの６角形を構成し、該６角形が蜂の巣状に配列されている。これらの配列によれば、保護膜３同士の間隔（＝窓部の幅）を一定にでき、また、保護膜３の密度を高めることができる。尚、保護膜３は、窒化物半導体２が周期的に現れていればよく、図２及び３に示す形状には限定されない。
【００３６】
保護膜３に形成する窓部を、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すような島状、又は図３（ａ）〜（ｃ）に示すような格子状にすることには、次に成長させる第１の窒化物半導体４の成長方向（図中、矢印）が多方向となるため、第１の窒化物半導体層４から下の支持基板の剥離が容易となる利点がある。
【００３７】
また、図３に示すように保護膜を島状に残して、格子状の窓部を形成することには、後で成長する第２の窒化物半導体層５の接合部が保護膜３の中心１点だけとなるため、比較的転位が集中し易い接合部の面積を最小限に抑制することができる利点がある。
【００３８】
また、保護膜をストライプ状に形成する場合に、ストライプを図４に示すように、オリフラ面をサファイアのＡ面とし、このオリフラ面の垂直軸に対して左右どちらかに、θ＝０．１〜１°ずらして形成すると、成長面がより平坦で良好な結晶が得られる。
【００３９】
次に、図１（ｂ）に示すように、保護膜の窓部より窒化物半導体２を核として、第１の窒化物半導体４を成長させ、第１の窒化物半導体４が保護膜３上に横方向の成長をする時、完全に保護膜３を覆う前に成長を止める。このようにして成長された第１の窒化物半導体４の断面形状は、図１（ｂ）に示すように、周期配列されたＴ字状となる。ここで、保護膜３を形成された窒化物半導体２の上に成長させる第１の窒化物半導体４としては、特に限定されないが、ＧａＮよりなる窒化物半導体が挙げられる。この第１の窒化物半導体４としては、ノンドープまたは、ｐ型不純物、ｎ型不純物をドープしてもよい。
また、第１の窒化物半導体４の好ましい膜厚は、保護膜３の膜厚、大きさによっても異なる。保護膜の表面を横方向に成長させた結晶性のいい部分を有する必要があるため、第１の窒化物半導体４は、保護膜の膜厚に対して少なくとも１．５倍以上であり、１．５〜２μｍの膜厚で成長させるのが好ましい。
【００４０】
次に、図１（ｃ）に示すように、第１の窒化物半導体４を保護膜３上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜を除去する。この保護膜３の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられる。等方性ドライエッチングであれば、エッチングの制御を容易に行うことができる。
【００４１】
ここで、保護膜を除去することにより第１の窒化物半導体４の横方向に成長した結晶欠陥の少ない部分の下部に空間を形成することができる。このため、第１の窒化物半導体４上に成長させる窒化物半導体において、第１の窒化物半導体の横方向成長により形成された側面からの成長時に保護膜との間に発生する応力を抑制させることができる。
【００４２】
次に、図１（ｄ）に示すように、保護膜３を除去した第１の窒化物半導体４上に、第１の窒化物半導体４の上面及び側面より第２の窒化物半導体５を成長させる。
【００４３】
第２の窒化物半導体５としては、アンドープのＧａＮ、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはＭｇ等のｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができ、第２の窒化物半導体５は、９００〜１１００℃で成長される。中でも、Ｍｇをドープして第２の窒化物半導体５を成長させると、第２の窒化物半導体層５が横方向に伸び易くなり、第１の窒化物半導体４の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると電気的特性が安定する。また、第２の窒化物半導体５は空間上を成長するため、保護膜上の成長では選択性が低いために用いることのできなかったＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を用いることもできる。
また、第２の窒化物半導体５の膜厚としては、ＧａＮの場合は３〜２０μｍ、好ましくは５〜２０μｍであるのが望ましく、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの場合は２〜１５μｍが好ましい。
【００４４】
さらに、第２の窒化物半導体５として適当な多層膜を用いてもよい。多層膜の層数及び膜厚は特に限定されず、バルクを２ペア積層したものであっても、多数の薄膜を積層した超格子であっても良い。各層の膜厚は、１０Å〜２μｍが好ましい。第２の窒化物半導体５を多層膜とすることにより、多様な機能の層、例えば、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層等と兼用することができる。その結果、窒化物半島体基板の総厚を薄くすることができ、基板の反りを緩和することができる。また、第２の窒化物半導体５を多層膜とすることにより、転位の縦方向の進行を抑制することができる。例えば、ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）多層膜を用いると、ＡｌｘＧａ１−ｘＮは横方向成長を促進する条件で成長させることができるため、転位の貫通を抑制することができ有利である。例えば、ＧａＮとＡｌｘＧａ１−ｘＮのペアを各々２００Åの膜厚で５０サイクル繰り返して超格子として成長し、第２の窒化物半導体５とする。
【００４５】
ここで第２の窒化物半導体５は、横方向の成長により得られた結晶性のよい第１の窒化物半導体の上面及び側面より成長させるため、保護膜が形成されていた部分上に成長する第２の窒化物半導体は結晶欠陥がなくなり、保護膜３の窓部上部に成長した窒化物半導体にのみ結晶欠陥が残る。尚、図１（ｄ）では、第２の窒化物半導体層５が、第１の窒化物半導体層４の上面及び横方向成長した側面を核として成長する例を示したが、第２の窒化物半導体層５を、第１の窒化物半導体層４の上面のみから成長させても良い。また、第２の窒化物半導体層５が、第１の窒化物半導体層４の上面から成長する場合、保護膜３を除去しなくても第２の窒化物半導体層５は空間上で接合することとなるため、保護膜３の除去工程を省略することもできる。
【００４６】
また、図５に示すように、保護膜３を窒化物半導体２が露出するまで完全に除去することにより、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散して保護膜上の窒化物半導体に入ることを防止することができる。したがって、分解したＳｉＯ２が窒化物半導体に入って結晶性を低下させたり、異常成長を引き起こすといった問題点を解決することができる。
さらに、第２の窒化物半導体を、保護膜を完全に除去した状態で第１の窒化物半導体の上面及び側面から成長させる場合でも、第２の窒化物半導体上には、空間が残り結晶欠陥の多い窒化物半導体２からの結晶欠陥の伝播を抑えることができる。
【００４７】
また、図６に示すように、保護膜３を窒化物半導体２が露出するまで除去して、第１の窒化物半導体４の横方向に成長した部分の下方に保護膜３を一部残していても良い。この場合でも、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散することにより保護膜上の窒化物半導体に入り結晶性を低下させ異常成長等を引き起こす問題点を解決することができる。
【００４８】
尚、図５及び図６に示す態様では、保護膜３から露出した窒化物半導体層２の表面が工程中に分解し、窒化物半導体層２にＶ字状の溝が形成され易い。図１３に、図６の態様により形成された窒化物半導体基板の接合部の詳細を示す。図１３に示すように、第２の窒化物半導体層５の接合部５ａ下方において、保護膜３が除去されて露出した窒化物半導体２が分解し、その表面に浅いＶ字状の溝２ａが形成される。この窒化物半導体２の分解によるＶ字状溝の形成は、第１及び第２の窒化物半導体層４及び５の汚染の原因となり得る。しかし一方、Ｖ字状溝２ａの形成は、支持基板の剥離容易性の向上に寄与しており、また、第２の窒化物半導体５の接合部５ａでの転位発生の抑制にも寄与していると思われる。Ｖ字状溝２ａを積極的に形成するには、窒化物半導体層２の表面が窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムであることが好ましい。Ｖ字状溝２ａの形成を抑制するには、窒化物半導体層２の表面が窒化アルミニウムガリウムであることが好ましい。
【００４９】
また、図７に示すように、異種基板１上に窒化物半導体２を成長させず、保護膜３を成長させることにより窒化物半導体基板を得ることもできる。
【００５０】
本実施の形態における窒化物半導体基板によれば、窒化物半導体の接合部における転位の集中が緩和されており、接合部の認識が容易で、反りも抑制されているので、半導体レーザなどの窒化物半導体素子の製造が容易となる。半導体レーザ素子を製造する場合、半導体レーザ素子の横モード制御のためのストライプ構造は、電流及び／又は光が閉じ込められる活性領域が第１の窒化物半導体層４の成長起点となった領域と、第２の窒化物半導体層５の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成することが好ましい（これらの間における欠陥密度は、１×１０７個／ｃｍ２以下とできる）。なぜなら、横方向成長した第１の窒化物半導体４の成長起点となった領域、即ち保護膜３の窓部の領域は転位密度が高く、また、第２の窒化物半導体５同士が接合する部分も従来よりも転位が大巾に抑制されているとは言え、その他の領域に比べて転位密度が高いためである。例えば、リッジ導波路型半導体レーザの場合にはリッジ部を、埋め込みヘテロ型半導体レーザの場合には埋めこまれたストライプ部を、第１の窒化物半導体層４の成長起点となった領域と第２の窒化物半導体層５の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成する。尚、第２の窒化物半導体５同士の接合部における転位の集中が従来よりも大巾に緩和されているため、半導体レーザ素子のストライプ構造をより接合部に近い位置に形成することが可能であり、また、レーザ素子の寿命も向上する。
【００５１】
実施の形態２．
本実施の形態においては、本件第２の発明に係る窒化物半導体基板について説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、第２の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を示す。図８（ａ）〜（ｃ）の工程は、実施の形態１における図１（ａ）〜（ｃ）と同様であり、図１（ａ）〜（ｃ）について説明した製造条件を同様に適用することができる。図８（ａ）は、異種基板１上に、窒化物半導体を成長させ、さらに保護膜のストライプを形成させる工程を行った模式的断面図である。異種基板１上に窒化物半導体２を成長させる前に、異種基板１上にバッファ層（図示されていない）を形成してもよい。
【００５２】
次に、図８（ｂ）に示すように、保護膜の窓部より窒化物半導体２を核として、第１の窒化物半導体４を成長させ、第１の窒化物半導体４が保護膜３上に横方向の成長をする時、隣接する窓部から成長した第１の窒化物半導体層４同士が互いに接合して完全に保護膜３を覆う前に成長を止める。
【００５３】
図８（ｂ）の状態でも窒化物半導体基板として使用することは可能であるが、さらに、図８（ｃ）に示すように、第１の窒化物半導体４を保護膜３上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜３を完全に除去することが好ましい。保護膜３を窒化物半導体２が露出するまで完全に除去することにより、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散することにより保護膜上の窒化物半導体に入ることを防止できる。したがって、分解したＳｉＯ２が窒化物半導体に入って結晶性を低下させたり、窒化物半導体の異常成長を引き起こすといった問題点を解決することができる。また、保護膜３を除去することにより、素子形成後に第１の窒化物半導体層４の下方に空間が形成されることになるため、隙間部分４ａを認識しながら素子パターンの形成を行うことができる。さらに、異種基板１と窒化物半導体層４の間の歪を緩和して窒化物半導体基板の反りを抑制することができる。
【００５４】
こうして形成された窒化物半導体基板は、横方向成長された窒化物半導体層４が互いに接合しておらず、Ｔ字状の断面を有する窒化物半導体層４が周期的に配列した構造となる。即ち、基板の最上層にある窒化物半導体層４同士の間には隙間４ａが存在するが、このように連続した板になっていない窒化物半導体層の上であっても、素子形成用の窒化物半導体層を平坦にエピタキシャル成長させることが可能である。
【００５５】
図９（ａ）〜（ｂ）は、図８の方法によって得られた窒化物半導体基板の上に素子形成層をエピタキシャル成長させて窒化物半導体素子を製造する工程を示す模式図である。まず、図９（ａ）に示すように、図８の方法によって得られた窒化物半導体基板を気相エピタキシャル成長装置に導入し、基板温度を窒化物半導体の成長に適した９００〜１２００℃程度に昇温する。この昇温過程において、従来の横方向成長基板では、窒化物半導体の成長温度に達する前に転位の集中する横成長接合部において窒素脱離が進行し、窒化物半導体基板表面にピットが発生していたが、本実施の形態における窒化物半導体基板では、横成長した窒化物半導体層４が互いに接合していないためピットの発生がない。
【００５６】
次に、図９（ｂ）に示すように、窒化物半導体基板の上に、直接、ｎ型コンタクト層６を形成し、さらにｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層などを含む窒化物半導体層７及び８を、連続的にエピタキシャル成長させる。ｎ型コンタクト層６及びその上の窒化物半導体層７は、レーザやＬＥＤ等の窒化物半導体素子を構成する。ｎ型コンタクト層６は、厚膜に成長することにより、窒化物半導体層４の表面にある隙間を埋めて平坦に成長することができる。ｎ型コンタクト層６には、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜０．５）を用いることができ、ｎ型コンタクト層６の膜厚は、３〜１０μｍ好ましくは５〜１０μｍとすることが望ましい。また、ｎ型コンタクト層６を含めて全ての素子形成層の成長は、窒化物半導体の成長温度である９００〜１２００℃を保ったまま連続的に行うことが好ましい。尚、窒化物半導体基板の上に直接ｎ型コンタクト層６を形成する代りに、窒化物半導体基板の上にＧａＮ等の窒化物半導体から成るバッファ層を９００〜１２００℃で成長させた後に、ｎ型コンタクト層６を形成しても良い。また、直接ｎ型コンタクト層６を形成する代りに、Ｍｇをドープした窒化物半導体層（好ましくは、ＧａＮ層）を最初に形成した後にｎ型コンタクト層６を形成しても良い。Ｍｇをドープした窒化物半導体層は横方向に成長し易いため、窒化物半導体基板の隙間部４ａを効率良く埋めることができる。
【００５７】
また、ｎ型コンタクト層６と窒化物半導体層７及び８によって半導体レーザ素子を構成する場合、半導体レーザ素子の横モード制御のためのストライプ構造は、電流及び／又は光が閉じ込められる活性領域が窒化物半導体層４の成長起点となった領域と窒化物半導体層４の隙間４ａの中心とを避けて、これらの間に位置するように形成することが好ましい（これらの間における欠陥密度は、１×１０７個／ｃｍ２以下とできる）。なぜなら、横方向成長した窒化物半導体４の成長起点となった領域、即ち保護膜３の窓部の領域は転位密度が高く、窒化物半導体４同士の隙間４ａの中心も、他の領域に比べればやや転位密度が高いためである。例えば、リッジ導波路型半導体レーザの場合にはリッジ部を、埋め込みヘテロ型半導体レーザの場合には埋めこまれたストライプ部を、窒化物半導体層４の成長起点となった領域と窒化物半導体層４の隙間４ａの中心とを避けて、これらの間に位置するように形成する。
【００５８】
尚、図８（ｃ）に示したように、ＳｉＯ２などの保護膜３は、窒化物半導体２が露出するまで完全に除去することが好ましいが、図１０に示すように、第１の窒化物半導体４の横方向に成長した部分の下方に保護膜３が一部残っていても良い。この場合でも、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散することにより保護膜３上の窒化物半導体６及び７に入り結晶性を低下させ異常成長等を引き起こす問題点を解決することができる。
【００５９】
また、図１１に示すように、異種基板１上に窒化物半導体２を成長させず、直接第１の窒化物半導体層４を横方向成長させ、異種基板全面を覆う前に止めることにより窒化物半導体基板を製造することもできる。
【００６０】
尚、窒化物半導体層２の組成、保護膜３の材質、形状及び除去方法の好ましい態様は、実施の形態１と同様である。
【００６１】
実施の形態３．
図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。本実施の形態では、実施の形態１又は２の方法により得られた低転位密度の窒化物半導体層（以下、「第１の横方向成長」）の上に、ＨＶＰＥ法により厚膜の窒化物半導体層８を成長して転位を分散させ、さらに、実施の形態１又は２と同様の方法により窒化物半導体層を成長させて（以下、「第２の横方向成長」）窒化物半導体基板を構成する。
【００６２】
第１及び第２の横方向成長は、実施の形態１又は実施の形態２で示した成長方法のいずれでも良い。また、その組み合わせも任意であり、全部で４通りの組み合わせが可能である。以下、そのうちの２通りについて図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照しながら説明する。
【００６３】
図１２（ａ）は、第１の横方向成長を実施の形態１と同様の方法により行い、第２の横方向成長を実施の形態２と同様の方法により行った例を示す。サファイア等の異種基板１の上に、窒化物半導体層２、第１の窒化物半導体層４及び第２の窒化物半導体層５を形成するまでは実施の形態１と同様である。そして、第２の窒化物半導体層５の上に、厚膜に成長させたＨＶＰＥ層８を形成する。第２の窒化物半導体層５のうち保護膜３の窓部上方にあたる領域５ｂには転位が特に集中して存在するが、ＨＶＰＥ層８を厚膜に形成することにより、転位がＨＶＰＥ層８の全体に均一に分散する。そして、ＨＶＰＥ層８の上に、実施の形態２と同様の方法によってＴ字状断面を有する窒化物半導体層４’を形成し、さらに素子形成層６及び７を形成する。
【００６４】
図１２（ｂ）は、第１の横方向成長を実施の形態２と同様の方法により行い、第２の横方向成長を実施の形態１と同様の方法により行った例を示す。サファイア等の異種基板１の上に、窒化物半導体層２、Ｔ字状断面を有する窒化物半導体層４を形成するまでは実施の形態２と同様である。そして、Ｔ字状断面を有する窒化物半導体層４の上に、厚膜に成長させたＨＶＰＥ層８を形成する。窒化物半導体層４のうち保護膜３の窓部上方にあたる領域４ｂには転位が特に集中して存在するが、ＨＶＰＥ層８を厚膜に形成することにより、転位がＨＶＰＥ層８の全体に均一に分散する。そして、ＨＶＰＥ層８の上に、実施の形態１と同様の方法によって第１の窒化物半導体層４’及び第２の窒化物半導体層５’を形成し、さらに素子形成層６及び７を形成する。
【００６５】
本実施の形態によれば、第１の横方向成長により得られた窒化物半導体層に残存した転位を厚膜のＨＶＰＥ成長窒化物半導体層８によって均一に分散させ、この窒化物半導体層８をベースとして第２の横方向成長を行うことにより、一層転位密度の低い窒化物半導体基板を得ることができる。尚、ＨＶＰＥ層８は、欠陥をより均一に分散させる観点からは、厚い方が有利であり、少なくとも１０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上、さらに好ましくは２００μｍ以上、最も好ましくは４００μｍ以上であることが望ましい。
【００６６】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、窒化物半導体２、第１の窒化物半導体４、及び第２の窒化物半導体５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）等の方法を適用できる。
【００６７】
保護膜の窓部を形成、または保護膜を除去する場合のエッチング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、保護膜の窓部を形成する場合には異方性エッチングが好ましく、保護膜を除去する場合には等方性エッチングを用いることが好ましい。
【００６８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれに限定されない。
［実施例１］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６９】
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、シランガスを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体２を２．５μｍの膜厚で成長させる。
その窒化物半導体２の上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成膜し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜３を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００７０】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体４を２μｍの膜厚で成長させる。この時、第１の窒化物半導体４は、ＳｉＯ２保護膜の窓部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ２保護膜を覆う前に成長を止める。隣接する第１の窒化物半導体層同士の隙間は、約２μｍとする。
【００７１】
次に、ドライエッチングである等方性エッチングにより、温度１２０℃で、エッチングガスに酸素、ＣＦ４を用い、ＳｉＯ２保護膜３を０．３μｍ取り除く。
【００７２】
さらに、横方向成長させた第１の窒化物半導体の側面および上面より、常圧でＭＯＣＶＤ法により、温度を１０５０℃にし、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる。尚、常圧でなく、減圧で第２の窒化物半導体５を成長しても良い。
【００７３】
得られた第２の窒化物半導体５の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測すると、保護膜の窓部上部には結晶欠陥が見られたが、保護膜が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体５の表面には結晶欠陥が殆ど見られず良好な結晶性を有している。結晶欠陥の数は、約６×１０６ｃｍ−２であった。
【００７４】
［実施例２］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７５】
バッファ層成長後、その上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成長させ、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００７６】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体４を２μｍの膜厚で成長させる。この時、第１の窒化物半導体４は、ＳｉＯ２保護膜の窓部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ２保護膜を覆う前に成長を止める。隣接する第１の窒化物半導体層同士の隙間は、約２μｍとする。
【００７７】
次に、等方性エッチングにより、温度１２０℃で、エッチングガスに酸素、ＣＦ４を用いてＳｉＯ２保護膜３を０．３μｍ取り除く。
【００７８】
さらに、ＭＯＣＶＤ法により、第１の窒化物半導体の側面および上面より、常圧条件で温度１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体を１５μｍの膜厚で成長させる。
【００７９】
得られた第２の窒化物半導体５の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測すると、実施例１と同様の結果が得られた。
【００８０】
［実施例３］
実施例１において、保護膜を第１の窒化物半導体が露出するまでエッチングする他は同様にして第２の窒化物半導体を成長させる。
その結果、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８１】
［実施例４］
実施例２において、保護膜を異種基板であるサファイアが露出するまでエッチングする他は同様にして第２の窒化物半導体を成長させる。
その結果、実施例２とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８２】
［実施例５］
実施例２において、サファイアに直接保護膜を形成した後、バッファ層を成長する他は、実施例２と同様にして第２の窒化物半導体を成長させる。即ち、Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、その上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成長させ、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００８３】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体４を１５μｍの膜厚で成長させる。
【００８４】
この場合、バッファ層は、サファイア上だけでなく、ＳｉＯ２保護膜上にも若干成長するが、ＳｉＯ２上のバッファ層は膜質が悪いため、第１の窒化物半導体４は、バッファ層のうちサファイア上に成長した部分（ＳｉＯ２の窓部）のみから成長を開始して、実施例２と同様に横方向に成長する。この結果、実施例２と同様に良好な結果が得られる。
【００８５】
［実施例６］
実施例１において、図６に示すように、保護膜３のエッチングを窒化物半導体２が露出するまで行いながら、第１の窒化物半導体４の横方向に成長した傘状部分の下方に保護膜３を柱状に残す他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第１の窒化物半導体４の両脇に残る保護膜３の幅は片側約３．５μｍとする。保護膜３のエッチングは、異方性エッチングにより、温度２００℃でエッチングガスにＣＨＦ３を用いて行う。得られた第２の窒化物半導体５の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測した結果を図１４（ａ）に示す。保護膜３の窓部上部には結晶欠陥が見られたが、保護膜が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体５の表面には、接合部を除いて殆ど結晶欠陥が見られず良好な結晶性を有しており（結晶欠陥の数は、約６×１０６ｃｍ−２）、接合部における結晶欠陥もごく僅かで従来よりも飛躍的に減少している。
【００８６】
［実施例７］
実施例６において、保護膜３のパターンを図３（ａ）に示すような蜂の巣状とする他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。保護膜３は、図３（ａ）に示す六角形の辺がサファイア基板のオリエンテーションフラット面（Ａ面）に平行になるように配列し、六角形の直径ａを２０μｍ、六角形同士の間隔ｂを５μｍとする。この結果、保護膜３が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体層の表面には保護膜３の六角形中心にわずかな結晶欠陥が見られた他は全く結晶欠陥が見られず、良好な結晶性を有している。
【００８７】
［実施例８］
実施例６において、第１及び第２の窒化物半導体層４及び５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第１の窒化物半導体層４は、不純物をドーピングせずに成長させ、第２の窒化物半導体層５は、ＳｉＨ４を原料ガスに加えて成長させてＳｉをドーピングした。
その結果、実施例６とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８８】
［実施例９］
実施例８において、第２の窒化物半導体層５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第２の窒化物半導体層５は、ＣＰ２Ｍｇを原料ガスに加えて成長させてＭｇをドーピングした。
その結果、実施例８とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８９】
［実施例１０］
実施例８において、第２の窒化物半導体層５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第２の窒化物半導体層５は、ＳｉＨ４及びＣＰ２Ｍｇを原料ガスに加えて成長させてＳｉとＭｇをドーピングした。
その結果、実施例８とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００９０】
［実施例１１］
実施例８において、第２の窒化物半導体層５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第２の窒化物半導体層５は、不純物をドーピングせずに成長させた。
その結果、実施例８とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００９１】
［比較例１］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００９２】
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、シランガスを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体２を２．５μｍの膜厚で成長させる。
その窒化物半導体２の上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成膜し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜３を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００９３】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる窒化物半導体を１５μｍの膜厚で成長させる。この時、窒化物半導体は、ＳｉＯ２保護膜の窓部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ２保護膜を覆うように成長させる。
【００９４】
得られた窒化物半導体の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測した結果を図１４（ｂ）に示す。保護膜の窓部上部のみならず、保護膜が形成されていた上部中央の窒化物半導体接合部にも結晶欠陥の集中が見られた。
【００９５】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板によれば、横方向成長した窒化物半導体層の接合部への転位の集中によるピットの発生を抑制し、また、素子形成工程における接合部の認識を容易にし、さらに、窒化物半導体基板に発生する反りを抑制することができる。また、窒化物半導体基板からの異種基板の除去が容易となる。また、保護膜のストライプ幅や格子幅を限定することなく、窒化物半導体を成長させることができるため、結晶欠陥が少ない範囲を広い範囲で形成でき、結晶性のいい部分を広範囲に有する窒化物半導体を効率よく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜（ｄ）は、本件第１発明における窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、保護膜のパターンを示す模式図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、保護膜のパターンを示す模式図である。
【図４】図４は、保護膜がストライプ形状の場合のストライプ方向がオリフラ面からわずかにはずれた状態で形成することを説明するための基板主面側の平面図である。
【図５】図５は、本件第１発明における窒化物半導体基板の別の態様を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本件第１発明における窒化物半導体基板のさらに別の態様模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本件第１発明における窒化物半導体基板のまたさらに別の態様を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、本件第２発明における窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、図８に示す窒化物半導体基板の上の素子形成を行う製造工程を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本件第２発明における別の態様の窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体素子を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１は、本件第２発明におけるさらに別の態様の窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体素子を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２は、本件第３発明における窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図１３】図１３は、図６に示す窒化物半導体基板の接合部近傍の詳細を示す模式断面図である。
【図１４】図１４（ａ）及び（ｂ）は、実施例６（図１４（ａ））及び比較例１（図１４（ｂ））における窒化物半導体基板表面のＣＬ観察写真である。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・窒化物半導体
３・・・保護膜
４・・・第１の窒化物半導体
５・・・第２の窒化物半導体
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）の成長方法に係り、特に窒化物半導体基板となり得る窒化物半導体の成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、サファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子定数の異なる異種基板上に、窒化物半導体を成長させる研究が種々検討されている。
【０００３】
例えば、ＪＰＮ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３７（１９９８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２にはＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ ｌａｔｅｒａｌ ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ ＧａＮ）の成長方法として、サファイアのＣ面上に成長させた窒化物半導体上にＳｉＯ２等の保護膜を部分的に形成し、この上に、１００Ｔｏｒｒの減圧で、窒化物半導体を成長させることにより、転位の少ない窒化物半導体を得ることを開示している。
このようなＥＬＯＧ成長は、保護膜を形成し意図的に窒化物半導体を横方向に成長させることにより、転位が窒化物半導体の成長と共に進行すると、転位は保護膜を有しない部分上にのみ発生するため、保護膜上には転位欠陥の少ない窒化物半導体を形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す保護膜を形成し窒化物半導体を横方向に成長させることにより得られる窒化物半導体は、保護膜上部には転位欠陥が少ない窒化物半導体が得られるが、ＳｉＯ２等の保護膜はストライプ幅を広く形成する場合、保護膜上において窒化物半導体の横方向成長が進まず、異常成長を引き起こすことがあった。
【０００５】
また、保護膜両側に露出した窒化物半導体を成長起点として横方向に成長した窒化物半導体は、保護膜中央部で互いに接合するが、窒化物半導体を気相成長法によって横方向成長させた場合には、接合部に局所的に転位が集中する。これは、１つにはＳｉＯ２等の保護膜上を横方向に成長する窒化物半導体の成長面がチルトすることに起因している。このような窒化物半導体基板上にエピタキシャル成長によって素子層を形成していく場合、素子層成長のための基板昇温過程において、転位が集中している接合部に窒素脱離による微細なピットが発生し易く、さらにエピタキシャル成長を続けることによりピットが大きく成長してしまう。
【０００６】
このため、気相成長法を用いた保護膜上の横方向成長により連続した１枚の窒化物半導体基板を形成しても、一般的な単結晶基板と同様に扱うことはできず、半導体レーザの活性層等は接合部周辺を大きく避けて形成する必要があるために素子形成のための十分な領域を確保することが困難であり、素子寿命も十分ではなかった。しかも、接合して１枚の基板となった窒化物半導体基板は外見上一様であるため、基板上面から接合部を認識して、その後の素子パターン形成を精度良く行うことは容易ではなかった。
【０００７】
さらに、サファイア等の上に保護膜を用いて窒化物半導体を横方向成長させて連続した１枚の窒化物半導体基板を作製した場合、熱膨張係数の互いに異なるサファイア、保護膜、窒化物半導体層が積層した構造となるため、作製した窒化物半導体基板に反りが発生しやすかった。
【０００８】
またさらに、サファイア基板等の異種基板を最終的に除去して窒化物半導体基板を作製する場合もあり、その場合の異種基板の除去手法として、異種基板を研磨する手法や、異種基板と窒化物半導体の界面にエキシマレーザを照射して界面の化学結合を切断する手法が用いられる。しかしながら、研磨やエキシマレーザによる除去には処理時間がかかる等の問題があり、サファイア等の異種基板の除去が容易ではなかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、保護膜を用いた横方向成長によって作製された窒化物半導体基板において、保護膜上を横方向成長した窒化物半導体層が接合することにより素子に与える悪影響を抑制することのできる、新たな基板構造を提供することにある。また、窒化物半導体基板における反りを抑制し、窒化物半導体基板からの異種基板の除去を容易にすることも目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、第１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異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板と、前記支持基板表面の周期的なストライプ状、格子状、又は島状の部分を成長起点として横方向成長し、互いに接合する前に横方向成長を停止することにより周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上面、又は上面及び横方向成長した側面を核として成長し、支持基板全面を覆う第２の窒化物半導体層とを備え、前記第２の窒化物半導体層が互いに接合する部分の下に空間が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構造を有する窒化物半導体基板は、例えば、支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の下部に空間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させることにより製造することができる。ここで、前記支持基板は、サファイア等の異種基板であっても、異種基板の全面に窒化物半導体層を成長させたものであっても良い。支持基板としてサファイア等の異種基板を直接用いる場合は、第１の窒化物半導体を成長する前に低温成長バッファ層を異種基板上に成長することが好ましい。また、第２の窒化物半導体層が、第１の窒化物半導体層の上面から成長する場合、保護膜を除去しなくても第２の窒化物半導体層は空間上で接合することとなるため、保護膜の除去工程を省略することもできる。
【００１２】
上記の如く、保護膜上の横方向成長を、第１の窒化物半導体が互いに接合する前に止め、その後、第２の窒化物半導体を空間上で成長させて互いに接合させることにより、保護膜を広く形成しても、結晶表面に空隙を形成しない窒化物半導体を成長させることができる。また、第２の窒化物半導体は空間上を進行するため、第２の窒化物半導体を第１の窒化物半導体側面から成長させる時に発生する応力を抑制することができる。さらに保護膜上を進行する場合のような結晶成長面のチルト現象がないため、接合部における転位の集中が緩和される。
【００１３】
また、第２の窒化物半導体層の接合部下方に窒化物半導体と光屈折率の大きく異なる空間が存在するため、基板全面を覆う第２の窒化物半導体層の上面からでも接合部の位置を認識することが容易である。そして、この空間が歪を緩和する役割を果たすため、異種基板と窒化物半導体層の間の熱膨張係数差による反りが緩和される。
【００１４】
さらに、支持基板上において窒化物半導体層が不連続な柱状構造によって支持される構造となるため、窒化物半導体層と支持基板との間の接合強度が低下する。したがって、従来のエキシマレーザや研磨による支持基板（異種基板）の除去手法に加えて、振動や熱衝撃による機械的な剥離手法によって支持基板を除去することも可能となる。例えば、本発明に係る窒化物半導体基板を支持基板の裏面から研磨すると、研磨時の機械的振動によって支持基板の全体が剥離する。こうした機械的な剥離手法によれば短時間での支持基板の除去が可能となる。尚、機械的手法では剥離する界面が多少ばらつく場合があるが、剥離後に基板裏面の研磨を行うことによって均一な窒化物半導体基板を得ることができる。
【００１５】
前記支持基板として、サファイア等の異種基板の全面に窒化物半導体層を成長させたものを用いる場合、成長させる窒化物半導体層として、（ａ）次に成長される窒化物半導体層よりも低温で成長された窒化物半導体バッファ層（以下、低温成長バッファ層）、（ｂ）低温成長バッファ層を介して成長した窒化ガリウム層、（ｃ）低温成長バッファ層を介して成長した窒化ガリウム層に窒化アルミニウムガリウム層を積層したもの、又は（ｄ）低温成長バッファ層を介して成長した窒化ガリウム層に窒化インジウムガリウム層を積層したもの、等を用いることができる。
【００１６】
中でも、（ｃ）低温成長バッファ層を介して窒化ガリウム層を積層し、さらに窒化アルミニウムガリウム層を積層したものを用いると、その後の工程における支持基板表面の窒化物半導体層の分解を抑制して、支持基板表面に発生するＶ字状溝の発生を防止することができる。また、窒化ガリウム層と窒化アルミニウムガリウム層との間の熱膨張係数差により生ずる応力を積極的に利用して、支持基板の剥離を容易とすることができる。一方、（ｄ）低温成長バッファ層を介して窒化ガリウム層を積層し、さらに窒化インジウムガリウム層を積層したものを用いることにより、窒化インジウムガリウムの膜強度が窒化ガリウム層等に比べて弱いことを利用して、支持基板の剥離を容易にすることができる。
【００１７】
また、支持基板上に保護膜を介して第１の窒化物半導体層を成長させる場合、保護膜にストライプ状、格子状又は島状の窓部を形成するが、中でも、格子状又は島状の窓部を形成することが好ましい。窓部を格子状又は島状とすることにより、第１の窒化物半導体層の成長方向が多方向となり、支持基板の剥離が容易となる。また、さらに言えば、格子状の窓部を形成して窓部に囲まれた保護膜の形状を多角形又は円形とすることが好ましい。保護膜の形状を多角形又は円形とすることにより、多角形又は円形の保護膜周囲から中心に向かって第２の窒化物半導体層が成長するため、第２の窒化物半導体層の接合部が保護膜の中心の一点となり、転位の集中する接合部の面積を最小限に抑制することができる。
【００１８】
保護膜は第１の窒化物半導体層の成長後に除去するが、少なくとも第２の窒化物半導体層の接合部下方に空間を形成するように保護膜を除去すれば良く、必ずしも完全に保護膜を除去する必要はない。例えば、保護膜全体の膜厚を減少させても、接合部下方のみ保護膜を除去して良い。
【００１９】
保護膜を除去する方法には、ドライエッチング又はウェットエッチングを用いることができ、どちらの方法も窒化物半導体の結晶性を低下させることなく保護膜を除去することができる。さらに、ドライエッチングは、保護膜を除去する深さを簡単に制御することができる。
【００２０】
また、保護膜を支持基板表面が露出するまで除去し、第１の窒化物半導体の横方向成長部分である上面及び側面より第２の窒化物半導体を成長させることにより、ＳｉＯ２等の保護膜が保護膜上に成長する窒化物半導体の成長時に分解することによる問題、即ち、窒化物半導体の異常成長や結晶性の低下等の問題を抑制することができる。
【００２１】
保護膜に酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、これらの多層膜、又は１２００℃以上の融点を持つ高融点金属膜を用いる。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ため、保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させるのに好ましい。
【００２２】
また、本件第２の発明に係る窒化物半導体基板は、支持基板上に、前記基板表面の周期的なストライプ状又は格子状の部分を成長起点として横方向に成長させた窒化物半導体層を有する窒化物半導体基板において、各成長起点から横方向に成長した窒化物半導体層同士が、互いに接合せずに、隙間を有して配列していることを特徴とする。
【００２３】
即ち、本発明に係る窒化物半導体基板は、従来のいわゆる「横方向成長基板」の常識に反して、横方向成長した窒化物半導体層が互いに接合せず、隙間を有して配列していることを特徴とする。本件発明者等は、このように横成長層同士の間に隙間を有する窒化物半導体基板の上においても、気相エピタキシャル法によってレーザやＬＥＤなどの素子用の結晶を平坦にエピタキシャル成長することが可能であり、しかも、転位の集中する接合部のない状態でエピタキシャル成長を開始するため、従来問題となっていた基板昇温時における窒素脱離によるピットの発生がなく、むしろ従来よりも平坦で結晶性に優れた素子層の成長が可能であることを見出した。
【００２４】
上記構造を有する窒化物半導体基板は、例えば、支持基板上に、部分的にストライプ状又は格子状の保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を覆わない状態で止めることにより製造することができる。ここで、前記支持基板は、サファイア等の異種基板であっても、異種基板の全面に窒化物半導体を形成してなるものであっても良い。
【００２５】
前記窒化物半導体の成長後、前記保護膜を除去することにより、横方向成長した窒化物半導体の下部に空間を形成することが好ましい。空間を形成することにより、その後の素子形成工程における隙間部の認識を容易にし、また、熱膨張係数の異なる異種基板と窒化物半導体の間に発生する歪を緩和して、窒化物半導体基板の反りを抑制することができる。尚、支持基板の構造及び組成、保護膜の材質、形状及び除去方法の好ましい態様は、上記第１の発明と同様である。
【００２６】
また、本件第１発明又は第２発明により得られた低転位密度の窒化物半導体層の上に、ハライド気相成長法（以下、「ＨＶＰＥ法」）により厚膜の窒化物半導体層を成長して転位を分散させ、さらに、本件第１発明又は第２発明と同様の方法により窒化物半導体層を成長させても良い。本件第１発明又は第２発明により得られた窒化物半導体層は、保護膜の窓部上方に転位が残存している。この転位を厚膜のＨＶＰＥ成長窒化物半導体層によって分散させることにより、全体に低転位密度な窒化物半導体層が得られる。この窒化物半導体層をベースとして、本件第１発明又は第２発明に基づく成長を行うことにより、一層転位密度の低い窒化物半導体基板を得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図を用いて本発明を更に詳細に説明する。
実施の形態１．
本実施の形態においては、本件第１の発明に係る窒化物半導体基板について説明する。図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を段階的に示した模式図である。
【００２８】
図１（ａ）は異種基板１上に、窒化物半導体を成長させ、さらに保護膜のストライプを形成させる工程を行った模式的断面図である。
この異種基板１としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。
【００２９】
また、異種基板１上に窒化物半導体２を成長させる前に、異種基板１上にバッファ層（図示されていない）を形成してもよい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、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。これは異種基板１と窒化物半導体２との格子定数不整を緩和するためであり、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。
【００３０】
さらに、異種基板１上に形成される窒化物半導体２としては、アンドープのＧａＮ、及びＳｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＳ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができ、窒化物半導体２は、９００℃〜１１００℃で異種基板上に成長され、窒化物半導体２の膜厚は、１．５μｍ以上であると結晶表面にピットの少ない、鏡面を形成できる点で好ましい。また、窒化物半導体２として、ＧａＮとＡｌｘＧａ１ − ｘＮ（０＜ｘ＜１、好ましくは０＜ｘ≦０．５）との積層、又はＧａＮとＩｎｙＧａ１− ｙＮ（０＜ｙ≦１）との積層を用いても良い。これらを用いることにより、ＧａＮ層とＡｌｘＧａ１ − ｘＮ層との間の熱膨張係数差により生ずる応力や、ＩｎｙＧａ１− ｙＮの低い膜強度を利用して、異種基板１の除去を容易にすることができる。この場合のＧａＮ、ＡｌｘＧａ１ − ｘＮ又はＩｎｙＧａ１− ｙＮは、アンドープであっても、ｎ型不純物をドープしたものであっても良い。
【００３１】
次に、窒化物半導体２の表面上に部分的に形成される保護膜３としては、保護膜表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を選択する。好ましくは、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜を用いることができる。
また、上記以外にも１２００℃以上の融点を有する金属、例えばタングステンやモリブデンなどの材料も用いることができる。
【００３２】
この保護膜３の形成方法としては、ＣＶＤ、スパッタリング、及び蒸着法を用い、保護膜３を形成し、さらに、レジストを塗布して、フォトリソグラフィにより保護膜を所定の形状であるストライプ状又は格子状等にエッチングする。保護膜をストライプ状又は格子状にエッチングすることにより、保護膜にストライプ状又は島状の窓部が形成される。また逆に、保護膜３を島状に残して保護膜３に格子状の窓部を形成しても良い。所定形状を有する保護膜のストライプ幅及び、格子幅としては、特に限定されないが、ストライプで形成した場合、ストライプ幅は５〜２０μｍであるのが好ましい。また、保護膜３が形成されていない窓部は、ストライプ幅よりも狭くすることが望ましい。保護膜を格子状に形成する場合の格子幅は１０〜２０μｍであるのが好ましい。保護膜３を島状に残して格子状の窓部を形成する場合、島状の保護膜の幅は１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下とし、格子状の窓部の幅を１０〜３０μｍ、好ましくは１０〜２０μｍとするのが望ましい。
【００３３】
次に、保護膜の膜厚としては、第１の窒化物半導体を保護膜上に完全に覆うように成長させる必要がないため、特に限定する必要がなく、０．０５〜１０μｍの範囲で形成することができる。
【００３４】
エッチング後の基板の上面図を、図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）に示す。図２（ａ）は、窒化物半導体２上に形成される保護膜３をストライプ状にエッチングした場合を示す。図２（ｂ）及び（ｃ）は、保護膜３を格子状に残してエッチングして、島状の窓部を形成した場合を示す。島状の窓部は、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示すような多角形（三角形、四角形、六角形等）であっても、円形であっても良い。
【００３５】
一方、図３（ａ）〜（ｃ）は、保護膜３を島状に残して、格子状の窓部を形成した場合を示す。保護膜３の形状は、図３（ａ）及び（ｃ）に示すような多角形（三角形、四角形、六角形等）であっても、図３（ｂ）に示すような円形であっても良い。保護膜３同士は、できるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。例えば、図３（ａ）では、六角形の保護膜３が蜂の巣状に配列されており（各六角形が隣り合う六角形と辺同士が対向するよう配置され、１つの六角形が６つの六角形によって囲まれた配列）、図３（ｃ）では、１つの三角形が隣り合う三角形と辺同士が対向するよう配置され、６つの三角形で１つの６角形を構成し、該６角形が蜂の巣状に配列されている。これらの配列によれば、保護膜３同士の間隔（＝窓部の幅）を一定にでき、また、保護膜３の密度を高めることができる。尚、保護膜３は、窒化物半導体２が周期的に現れていればよく、図２及び３に示す形状には限定されない。
【００３６】
保護膜３に形成する窓部を、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すような島状、又は図３（ａ）〜（ｃ）に示すような格子状にすることには、次に成長させる第１の窒化物半導体４の成長方向（図中、矢印）が多方向となるため、第１の窒化物半導体層４から下の支持基板の剥離が容易となる利点がある。
【００３７】
また、図３に示すように保護膜を島状に残して、格子状の窓部を形成することには、後で成長する第２の窒化物半導体層５の接合部が保護膜３の中心１点だけとなるため、比較的転位が集中し易い接合部の面積を最小限に抑制することができる利点がある。
【００３８】
また、保護膜をストライプ状に形成する場合に、ストライプを図４に示すように、オリフラ面をサファイアのＡ面とし、このオリフラ面の垂直軸に対して左右どちらかに、θ＝０．１〜１°ずらして形成すると、成長面がより平坦で良好な結晶が得られる。
【００３９】
次に、図１（ｂ）に示すように、保護膜の窓部より窒化物半導体２を核として、第１の窒化物半導体４を成長させ、第１の窒化物半導体４が保護膜３上に横方向の成長をする時、完全に保護膜３を覆う前に成長を止める。このようにして成長された第１の窒化物半導体４の断面形状は、図１（ｂ）に示すように、周期配列されたＴ字状となる。ここで、保護膜３を形成された窒化物半導体２の上に成長させる第１の窒化物半導体４としては、特に限定されないが、ＧａＮよりなる窒化物半導体が挙げられる。この第１の窒化物半導体４としては、ノンドープまたは、ｐ型不純物、ｎ型不純物をドープしてもよい。
また、第１の窒化物半導体４の好ましい膜厚は、保護膜３の膜厚、大きさによっても異なる。保護膜の表面を横方向に成長させた結晶性のいい部分を有する必要があるため、第１の窒化物半導体４は、保護膜の膜厚に対して少なくとも１．５倍以上であり、１．５〜２μｍの膜厚で成長させるのが好ましい。
【００４０】
次に、図１（ｃ）に示すように、第１の窒化物半導体４を保護膜３上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜を除去する。この保護膜３の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられる。等方性ドライエッチングであれば、エッチングの制御を容易に行うことができる。
【００４１】
ここで、保護膜を除去することにより第１の窒化物半導体４の横方向に成長した結晶欠陥の少ない部分の下部に空間を形成することができる。このため、第１の窒化物半導体４上に成長させる窒化物半導体において、第１の窒化物半導体の横方向成長により形成された側面からの成長時に保護膜との間に発生する応力を抑制させることができる。
【００４２】
次に、図１（ｄ）に示すように、保護膜３を除去した第１の窒化物半導体４上に、第１の窒化物半導体４の上面及び側面より第２の窒化物半導体５を成長させる。
【００４３】
第２の窒化物半導体５としては、アンドープのＧａＮ、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはＭｇ等のｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができ、第２の窒化物半導体５は、９００〜１１００℃で成長される。中でも、Ｍｇをドープして第２の窒化物半導体５を成長させると、第２の窒化物半導体層５が横方向に伸び易くなり、第１の窒化物半導体４の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると電気的特性が安定する。また、第２の窒化物半導体５は空間上を成長するため、保護膜上の成長では選択性が低いために用いることのできなかったＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を用いることもできる。
また、第２の窒化物半導体５の膜厚としては、ＧａＮの場合は３〜２０μｍ、好ましくは５〜２０μｍであるのが望ましく、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの場合は２〜１５μｍが好ましい。
【００４４】
さらに、第２の窒化物半導体５として適当な多層膜を用いてもよい。多層膜の層数及び膜厚は特に限定されず、バルクを２ペア積層したものであっても、多数の薄膜を積層した超格子であっても良い。各層の膜厚は、１０Å〜２μｍが好ましい。第２の窒化物半導体５を多層膜とすることにより、多様な機能の層、例えば、ｎ型コンタクト層、ｎ型クラッド層等と兼用することができる。その結果、窒化物半島体基板の総厚を薄くすることができ、基板の反りを緩和することができる。また、第２の窒化物半導体５を多層膜とすることにより、転位の縦方向の進行を抑制することができる。例えば、ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）多層膜を用いると、ＡｌｘＧａ１−ｘＮは横方向成長を促進する条件で成長させることができるため、転位の貫通を抑制することができ有利である。例えば、ＧａＮとＡｌｘＧａ１−ｘＮのペアを各々２００Åの膜厚で５０サイクル繰り返して超格子として成長し、第２の窒化物半導体５とする。
【００４５】
ここで第２の窒化物半導体５は、横方向の成長により得られた結晶性のよい第１の窒化物半導体の上面及び側面より成長させるため、保護膜が形成されていた部分上に成長する第２の窒化物半導体は結晶欠陥がなくなり、保護膜３の窓部上部に成長した窒化物半導体にのみ結晶欠陥が残る。尚、図１（ｄ）では、第２の窒化物半導体層５が、第１の窒化物半導体層４の上面及び横方向成長した側面を核として成長する例を示したが、第２の窒化物半導体層５を、第１の窒化物半導体層４の上面のみから成長させても良い。また、第２の窒化物半導体層５が、第１の窒化物半導体層４の上面から成長する場合、保護膜３を除去しなくても第２の窒化物半導体層５は空間上で接合することとなるため、保護膜３の除去工程を省略することもできる。
【００４６】
また、図５に示すように、保護膜３を窒化物半導体２が露出するまで完全に除去することにより、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散して保護膜上の窒化物半導体に入ることを防止することができる。したがって、分解したＳｉＯ２が窒化物半導体に入って結晶性を低下させたり、異常成長を引き起こすといった問題点を解決することができる。
さらに、第２の窒化物半導体を、保護膜を完全に除去した状態で第１の窒化物半導体の上面及び側面から成長させる場合でも、第２の窒化物半導体上には、空間が残り結晶欠陥の多い窒化物半導体２からの結晶欠陥の伝播を抑えることができる。
【００４７】
また、図６に示すように、保護膜３を窒化物半導体２が露出するまで除去して、第１の窒化物半導体４の横方向に成長した部分の下方に保護膜３を一部残していても良い。この場合でも、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散することにより保護膜上の窒化物半導体に入り結晶性を低下させ異常成長等を引き起こす問題点を解決することができる。
【００４８】
尚、図５及び図６に示す態様では、保護膜３から露出した窒化物半導体層２の表面が工程中に分解し、窒化物半導体層２にＶ字状の溝が形成され易い。図１３に、図６の態様により形成された窒化物半導体基板の接合部の詳細を示す。図１３に示すように、第２の窒化物半導体層５の接合部５ａ下方において、保護膜３が除去されて露出した窒化物半導体２が分解し、その表面に浅いＶ字状の溝２ａが形成される。この窒化物半導体２の分解によるＶ字状溝の形成は、第１及び第２の窒化物半導体層４及び５の汚染の原因となり得る。しかし一方、Ｖ字状溝２ａの形成は、支持基板の剥離容易性の向上に寄与しており、また、第２の窒化物半導体５の接合部５ａでの転位発生の抑制にも寄与していると思われる。Ｖ字状溝２ａを積極的に形成するには、窒化物半導体層２の表面が窒化ガリウム又は窒化インジウムガリウムであることが好ましい。Ｖ字状溝２ａの形成を抑制するには、窒化物半導体層２の表面が窒化アルミニウムガリウムであることが好ましい。
【００４９】
また、図７に示すように、異種基板１上に窒化物半導体２を成長させず、保護膜３を成長させることにより窒化物半導体基板を得ることもできる。
【００５０】
本実施の形態における窒化物半導体基板によれば、窒化物半導体の接合部における転位の集中が緩和されており、接合部の認識が容易で、反りも抑制されているので、半導体レーザなどの窒化物半導体素子の製造が容易となる。半導体レーザ素子を製造する場合、半導体レーザ素子の横モード制御のためのストライプ構造は、電流及び／又は光が閉じ込められる活性領域が第１の窒化物半導体層４の成長起点となった領域と、第２の窒化物半導体層５の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成することが好ましい（これらの間における欠陥密度は、１×１０７個／ｃｍ２以下とできる）。なぜなら、横方向成長した第１の窒化物半導体４の成長起点となった領域、即ち保護膜３の窓部の領域は転位密度が高く、また、第２の窒化物半導体５同士が接合する部分も従来よりも転位が大巾に抑制されているとは言え、その他の領域に比べて転位密度が高いためである。例えば、リッジ導波路型半導体レーザの場合にはリッジ部を、埋め込みヘテロ型半導体レーザの場合には埋めこまれたストライプ部を、第１の窒化物半導体層４の成長起点となった領域と第２の窒化物半導体層５の接合部とを避けて、これらの間に位置するように形成する。尚、第２の窒化物半導体５同士の接合部における転位の集中が従来よりも大巾に緩和されているため、半導体レーザ素子のストライプ構造をより接合部に近い位置に形成することが可能であり、また、レーザ素子の寿命も向上する。
【００５１】
実施の形態２．
本実施の形態においては、本件第２の発明に係る窒化物半導体基板について説明する。図８（ａ）〜（ｃ）は、第２の発明に係る窒化物半導体基板の製造方法の一例を示す。図８（ａ）〜（ｃ）の工程は、実施の形態１における図１（ａ）〜（ｃ）と同様であり、図１（ａ）〜（ｃ）について説明した製造条件を同様に適用することができる。図８（ａ）は、異種基板１上に、窒化物半導体を成長させ、さらに保護膜のストライプを形成させる工程を行った模式的断面図である。異種基板１上に窒化物半導体２を成長させる前に、異種基板１上にバッファ層（図示されていない）を形成してもよい。
【００５２】
次に、図８（ｂ）に示すように、保護膜の窓部より窒化物半導体２を核として、第１の窒化物半導体４を成長させ、第１の窒化物半導体４が保護膜３上に横方向の成長をする時、隣接する窓部から成長した第１の窒化物半導体層４同士が互いに接合して完全に保護膜３を覆う前に成長を止める。
【００５３】
図８（ｂ）の状態でも窒化物半導体基板として使用することは可能であるが、さらに、図８（ｃ）に示すように、第１の窒化物半導体４を保護膜３上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜３を完全に除去することが好ましい。保護膜３を窒化物半導体２が露出するまで完全に除去することにより、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散することにより保護膜上の窒化物半導体に入ることを防止できる。したがって、分解したＳｉＯ２が窒化物半導体に入って結晶性を低下させたり、窒化物半導体の異常成長を引き起こすといった問題点を解決することができる。また、保護膜３を除去することにより、素子形成後に第１の窒化物半導体層４の下方に空間が形成されることになるため、隙間部分４ａを認識しながら素子パターンの形成を行うことができる。さらに、異種基板１と窒化物半導体層４の間の歪を緩和して窒化物半導体基板の反りを抑制することができる。
【００５４】
こうして形成された窒化物半導体基板は、横方向成長された窒化物半導体層４が互いに接合しておらず、Ｔ字状の断面を有する窒化物半導体層４が周期的に配列した構造となる。即ち、基板の最上層にある窒化物半導体層４同士の間には隙間４ａが存在するが、このように連続した板になっていない窒化物半導体層の上であっても、素子形成用の窒化物半導体層を平坦にエピタキシャル成長させることが可能である。
【００５５】
図９（ａ）〜（ｂ）は、図８の方法によって得られた窒化物半導体基板の上に素子形成層をエピタキシャル成長させて窒化物半導体素子を製造する工程を示す模式図である。まず、図９（ａ）に示すように、図８の方法によって得られた窒化物半導体基板を気相エピタキシャル成長装置に導入し、基板温度を窒化物半導体の成長に適した９００〜１２００℃程度に昇温する。この昇温過程において、従来の横方向成長基板では、窒化物半導体の成長温度に達する前に転位の集中する横成長接合部において窒素脱離が進行し、窒化物半導体基板表面にピットが発生していたが、本実施の形態における窒化物半導体基板では、横成長した窒化物半導体層４が互いに接合していないためピットの発生がない。
【００５６】
次に、図９（ｂ）に示すように、窒化物半導体基板の上に、直接、ｎ型コンタクト層６を形成し、さらにｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層などを含む窒化物半導体層７及び８を、連続的にエピタキシャル成長させる。ｎ型コンタクト層６及びその上の窒化物半導体層７は、レーザやＬＥＤ等の窒化物半導体素子を構成する。ｎ型コンタクト層６は、厚膜に成長することにより、窒化物半導体層４の表面にある隙間を埋めて平坦に成長することができる。ｎ型コンタクト層６には、例えば、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ＜０．５）を用いることができ、ｎ型コンタクト層６の膜厚は、３〜１０μｍ好ましくは５〜１０μｍとすることが望ましい。また、ｎ型コンタクト層６を含めて全ての素子形成層の成長は、窒化物半導体の成長温度である９００〜１２００℃を保ったまま連続的に行うことが好ましい。尚、窒化物半導体基板の上に直接ｎ型コンタクト層６を形成する代りに、窒化物半導体基板の上にＧａＮ等の窒化物半導体から成るバッファ層を９００〜１２００℃で成長させた後に、ｎ型コンタクト層６を形成しても良い。また、直接ｎ型コンタクト層６を形成する代りに、Ｍｇをドープした窒化物半導体層（好ましくは、ＧａＮ層）を最初に形成した後にｎ型コンタクト層６を形成しても良い。Ｍｇをドープした窒化物半導体層は横方向に成長し易いため、窒化物半導体基板の隙間部４ａを効率良く埋めることができる。
【００５７】
また、ｎ型コンタクト層６と窒化物半導体層７及び８によって半導体レーザ素子を構成する場合、半導体レーザ素子の横モード制御のためのストライプ構造は、電流及び／又は光が閉じ込められる活性領域が窒化物半導体層４の成長起点となった領域と窒化物半導体層４の隙間４ａの中心とを避けて、これらの間に位置するように形成することが好ましい（これらの間における欠陥密度は、１×１０７個／ｃｍ２以下とできる）。なぜなら、横方向成長した窒化物半導体４の成長起点となった領域、即ち保護膜３の窓部の領域は転位密度が高く、窒化物半導体４同士の隙間４ａの中心も、他の領域に比べればやや転位密度が高いためである。例えば、リッジ導波路型半導体レーザの場合にはリッジ部を、埋め込みヘテロ型半導体レーザの場合には埋めこまれたストライプ部を、窒化物半導体層４の成長起点となった領域と窒化物半導体層４の隙間４ａの中心とを避けて、これらの間に位置するように形成する。
【００５８】
尚、図８（ｃ）に示したように、ＳｉＯ２などの保護膜３は、窒化物半導体２が露出するまで完全に除去することが好ましいが、図１０に示すように、第１の窒化物半導体４の横方向に成長した部分の下方に保護膜３が一部残っていても良い。この場合でも、基板上に反応素子を成長させる時にＳｉＯ２等の保護膜が、１０００℃以上の温度で分解拡散することにより保護膜３上の窒化物半導体６及び７に入り結晶性を低下させ異常成長等を引き起こす問題点を解決することができる。
【００５９】
また、図１１に示すように、異種基板１上に窒化物半導体２を成長させず、直接第１の窒化物半導体層４を横方向成長させ、異種基板全面を覆う前に止めることにより窒化物半導体基板を製造することもできる。
【００６０】
尚、窒化物半導体層２の組成、保護膜３の材質、形状及び除去方法の好ましい態様は、実施の形態１と同様である。
【００６１】
実施の形態３．
図１２（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。本実施の形態では、実施の形態１又は２の方法により得られた低転位密度の窒化物半導体層（以下、「第１の横方向成長」）の上に、ＨＶＰＥ法により厚膜の窒化物半導体層８を成長して転位を分散させ、さらに、実施の形態１又は２と同様の方法により窒化物半導体層を成長させて（以下、「第２の横方向成長」）窒化物半導体基板を構成する。
【００６２】
第１及び第２の横方向成長は、実施の形態１又は実施の形態２で示した成長方法のいずれでも良い。また、その組み合わせも任意であり、全部で４通りの組み合わせが可能である。以下、そのうちの２通りについて図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照しながら説明する。
【００６３】
図１２（ａ）は、第１の横方向成長を実施の形態１と同様の方法により行い、第２の横方向成長を実施の形態２と同様の方法により行った例を示す。サファイア等の異種基板１の上に、窒化物半導体層２、第１の窒化物半導体層４及び第２の窒化物半導体層５を形成するまでは実施の形態１と同様である。そして、第２の窒化物半導体層５の上に、厚膜に成長させたＨＶＰＥ層８を形成する。第２の窒化物半導体層５のうち保護膜３の窓部上方にあたる領域５ｂには転位が特に集中して存在するが、ＨＶＰＥ層８を厚膜に形成することにより、転位がＨＶＰＥ層８の全体に均一に分散する。そして、ＨＶＰＥ層８の上に、実施の形態２と同様の方法によってＴ字状断面を有する窒化物半導体層４’を形成し、さらに素子形成層６及び７を形成する。
【００６４】
図１２（ｂ）は、第１の横方向成長を実施の形態２と同様の方法により行い、第２の横方向成長を実施の形態１と同様の方法により行った例を示す。サファイア等の異種基板１の上に、窒化物半導体層２、Ｔ字状断面を有する窒化物半導体層４を形成するまでは実施の形態２と同様である。そして、Ｔ字状断面を有する窒化物半導体層４の上に、厚膜に成長させたＨＶＰＥ層８を形成する。窒化物半導体層４のうち保護膜３の窓部上方にあたる領域４ｂには転位が特に集中して存在するが、ＨＶＰＥ層８を厚膜に形成することにより、転位がＨＶＰＥ層８の全体に均一に分散する。そして、ＨＶＰＥ層８の上に、実施の形態１と同様の方法によって第１の窒化物半導体層４’及び第２の窒化物半導体層５’を形成し、さらに素子形成層６及び７を形成する。
【００６５】
本実施の形態によれば、第１の横方向成長により得られた窒化物半導体層に残存した転位を厚膜のＨＶＰＥ成長窒化物半導体層８によって均一に分散させ、この窒化物半導体層８をベースとして第２の横方向成長を行うことにより、一層転位密度の低い窒化物半導体基板を得ることができる。尚、ＨＶＰＥ層８は、欠陥をより均一に分散させる観点からは、厚い方が有利であり、少なくとも１０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上、さらに好ましくは２００μｍ以上、最も好ましくは４００μｍ以上であることが望ましい。
【００６６】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法において、窒化物半導体２、第１の窒化物半導体４、及び第２の窒化物半導体５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）等の方法を適用できる。
【００６７】
保護膜の窓部を形成、または保護膜を除去する場合のエッチング方法としては、ウェットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、保護膜の窓部を形成する場合には異方性エッチングが好ましく、保護膜を除去する場合には等方性エッチングを用いることが好ましい。
【００６８】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれに限定されない。
［実施例１］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００６９】
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、シランガスを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体２を２．５μｍの膜厚で成長させる。
その窒化物半導体２の上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成膜し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜３を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００７０】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体４を２μｍの膜厚で成長させる。この時、第１の窒化物半導体４は、ＳｉＯ２保護膜の窓部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ２保護膜を覆う前に成長を止める。隣接する第１の窒化物半導体層同士の隙間は、約２μｍとする。
【００７１】
次に、ドライエッチングである等方性エッチングにより、温度１２０℃で、エッチングガスに酸素、ＣＦ４を用い、ＳｉＯ２保護膜３を０．３μｍ取り除く。
【００７２】
さらに、横方向成長させた第１の窒化物半導体の側面および上面より、常圧でＭＯＣＶＤ法により、温度を１０５０℃にし、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる。尚、常圧でなく、減圧で第２の窒化物半導体５を成長しても良い。
【００７３】
得られた第２の窒化物半導体５の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測すると、保護膜の窓部上部には結晶欠陥が見られたが、保護膜が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体５の表面には結晶欠陥が殆ど見られず良好な結晶性を有している。結晶欠陥の数は、約６×１０６ｃｍ−２であった。
【００７４】
［実施例２］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００７５】
バッファ層成長後、その上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成長させ、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００７６】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体４を２μｍの膜厚で成長させる。この時、第１の窒化物半導体４は、ＳｉＯ２保護膜の窓部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ２保護膜を覆う前に成長を止める。隣接する第１の窒化物半導体層同士の隙間は、約２μｍとする。
【００７７】
次に、等方性エッチングにより、温度１２０℃で、エッチングガスに酸素、ＣＦ４を用いてＳｉＯ２保護膜３を０．３μｍ取り除く。
【００７８】
さらに、ＭＯＣＶＤ法により、第１の窒化物半導体の側面および上面より、常圧条件で温度１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体を１５μｍの膜厚で成長させる。
【００７９】
得られた第２の窒化物半導体５の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測すると、実施例１と同様の結果が得られた。
【００８０】
［実施例３］
実施例１において、保護膜を第１の窒化物半導体が露出するまでエッチングする他は同様にして第２の窒化物半導体を成長させる。
その結果、実施例１とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８１】
［実施例４］
実施例２において、保護膜を異種基板であるサファイアが露出するまでエッチングする他は同様にして第２の窒化物半導体を成長させる。
その結果、実施例２とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８２】
［実施例５］
実施例２において、サファイアに直接保護膜を形成した後、バッファ層を成長する他は、実施例２と同様にして第２の窒化物半導体を成長させる。即ち、Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、その上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成長させ、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００８３】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体４を１５μｍの膜厚で成長させる。
【００８４】
この場合、バッファ層は、サファイア上だけでなく、ＳｉＯ２保護膜上にも若干成長するが、ＳｉＯ２上のバッファ層は膜質が悪いため、第１の窒化物半導体４は、バッファ層のうちサファイア上に成長した部分（ＳｉＯ２の窓部）のみから成長を開始して、実施例２と同様に横方向に成長する。この結果、実施例２と同様に良好な結果が得られる。
【００８５】
［実施例６］
実施例１において、図６に示すように、保護膜３のエッチングを窒化物半導体２が露出するまで行いながら、第１の窒化物半導体４の横方向に成長した傘状部分の下方に保護膜３を柱状に残す他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第１の窒化物半導体４の両脇に残る保護膜３の幅は片側約３．５μｍとする。保護膜３のエッチングは、異方性エッチングにより、温度２００℃でエッチングガスにＣＨＦ３を用いて行う。得られた第２の窒化物半導体５の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測した結果を図１４（ａ）に示す。保護膜３の窓部上部には結晶欠陥が見られたが、保護膜が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体５の表面には、接合部を除いて殆ど結晶欠陥が見られず良好な結晶性を有しており（結晶欠陥の数は、約６×１０６ｃｍ−２）、接合部における結晶欠陥もごく僅かで従来よりも飛躍的に減少している。
【００８６】
［実施例７］
実施例６において、保護膜３のパターンを図３（ａ）に示すような蜂の巣状とする他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。保護膜３は、図３（ａ）に示す六角形の辺がサファイア基板のオリエンテーションフラット面（Ａ面）に平行になるように配列し、六角形の直径ａを２０μｍ、六角形同士の間隔ｂを５μｍとする。この結果、保護膜３が形成されていた上部に成長させた第２の窒化物半導体層の表面には保護膜３の六角形中心にわずかな結晶欠陥が見られた他は全く結晶欠陥が見られず、良好な結晶性を有している。
【００８７】
［実施例８］
実施例６において、第１及び第２の窒化物半導体層４及び５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第１の窒化物半導体層４は、不純物をドーピングせずに成長させ、第２の窒化物半導体層５は、ＳｉＨ４を原料ガスに加えて成長させてＳｉをドーピングした。
その結果、実施例６とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８８】
［実施例９］
実施例８において、第２の窒化物半導体層５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第２の窒化物半導体層５は、ＣＰ２Ｍｇを原料ガスに加えて成長させてＭｇをドーピングした。
その結果、実施例８とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００８９】
［実施例１０］
実施例８において、第２の窒化物半導体層５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第２の窒化物半導体層５は、ＳｉＨ４及びＣＰ２Ｍｇを原料ガスに加えて成長させてＳｉとＭｇをドーピングした。
その結果、実施例８とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００９０】
［実施例１１］
実施例８において、第２の窒化物半導体層５のドーパントを変える他は同様にして窒化物半導体基板を成長させる。第２の窒化物半導体層５は、不純物をドーピングせずに成長させた。
その結果、実施例８とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【００９１】
［比較例１］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【００９２】
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、シランガスを用い、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体２を２．５μｍの膜厚で成長させる。
その窒化物半導体２の上にＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜を０．５μｍの膜厚で成膜し、ストライプ状のフォトマスクを形成し、エッチングによりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ２よりなる保護膜３を形成する。なお、この保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【００９３】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＧａＮよりなる窒化物半導体を１５μｍの膜厚で成長させる。この時、窒化物半導体は、ＳｉＯ２保護膜の窓部より成長し、この保護膜上に横方向成長させ、第１の窒化物半導体が完全にＳｉＯ２保護膜を覆うように成長させる。
【００９４】
得られた窒化物半導体の表面を、ＣＬ（カソードルミネセンス）により観測した結果を図１４（ｂ）に示す。保護膜の窓部上部のみならず、保護膜が形成されていた上部中央の窒化物半導体接合部にも結晶欠陥の集中が見られた。
【００９５】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板によれば、横方向成長した窒化物半導体層の接合部への転位の集中によるピットの発生を抑制し、また、素子形成工程における接合部の認識を容易にし、さらに、窒化物半導体基板に発生する反りを抑制することができる。また、窒化物半導体基板からの異種基板の除去が容易となる。また、保護膜のストライプ幅や格子幅を限定することなく、窒化物半導体を成長させることができるため、結晶欠陥が少ない範囲を広い範囲で形成でき、結晶性のいい部分を広範囲に有する窒化物半導体を効率よく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜（ｄ）は、本件第１発明における窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、保護膜のパターンを示す模式図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、保護膜のパターンを示す模式図である。
【図４】図４は、保護膜がストライプ形状の場合のストライプ方向がオリフラ面からわずかにはずれた状態で形成することを説明するための基板主面側の平面図である。
【図５】図５は、本件第１発明における窒化物半導体基板の別の態様を模式的に示す断面図である。
【図６】図６は、本件第１発明における窒化物半導体基板のさらに別の態様模式的に示す断面図である。
【図７】図７は、本件第１発明における窒化物半導体基板のまたさらに別の態様を模式的に示す断面図である。
【図８】図８は、本件第２発明における窒化物半導体基板の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図９】図９は、図８に示す窒化物半導体基板の上の素子形成を行う製造工程を模式的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、本件第２発明における別の態様の窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体素子を模式的に示す断面図である。
【図１１】図１１は、本件第２発明におけるさらに別の態様の窒化物半導体基板を用いた窒化物半導体素子を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１２は、本件第３発明における窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図１３】図１３は、図６に示す窒化物半導体基板の接合部近傍の詳細を示す模式断面図である。
【図１４】図１４（ａ）及び（ｂ）は、実施例６（図１４（ａ））及び比較例１（図１４（ｂ））における窒化物半導体基板表面のＣＬ観察写真である。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・窒化物半導体
３・・・保護膜
４・・・第１の窒化物半導体
５・・・第２の窒化物半導体
Claims (17)
- 窒化物半導体と異なる異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板と、前記支持基板表面の周期的なストライプ状、格子状、又は島状の部分を成長起点として横方向成長し、互いに接合する前に横方向成長を停止することにより周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上面、又は上面及び横方向成長した側面を核として成長し、支持基板全面を覆う第２の窒化物半導体層とを備え、
前記第２の窒化物半導体層が互いに接合する部分の下に空間が形成されていることを特徴とする窒化物半導体基板。 - 前記第１の窒化物半導体層が、周期的なストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を介して前記支持基板上に成長されたことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
- 前記格子状の窓部に囲まれた保護膜が、円形又は多角形であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板。
- 前記第１の窒化物半導体層の横方向成長した部分の下方に保護膜が形成されているが、前記支持基板表面の一部が前記空間内において露出していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
- 窒化物半導体と異なる異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板上に、Ｔ字状断面を有すると共に該Ｔ字同士が隙間を有するよう配列された第１の窒化物半導体層と、前記Ｔ字同士の隙間を埋めるように第１の窒化物半導体層の上面に設けられた第２の窒化物半導体層と、を有し、
該第１の窒化物半導体層のＴ字同士の隙間を埋めた部分の第２の窒化物半導体層下部に空間を有すると共に、
前記Ｔ字同士の隙間を埋めた部分において、その下方の前記空間に露出した支持基板の窒化物半導体表面がＶ字状の溝を有し、前記第２の窒化物半導体層が逆Ｖ字状の溝を有することを特徴とする窒化物半導体基板。 - 窒化物半導体と異なる異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板と、前記支持基板表面の周期的なストライプ状、格子状、又は島状の部分を成長起点として横方向成長し、互いに接合する前に横方向成長を停止することにより周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層の上面、又は上面及び横方向成長した側面を核として成長し、支持基板全面を覆う第２の窒化物半導体層とを備え、
前記第２の窒化物半導体層が互いに接合する部分の下に空間が形成されていることを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記第２の窒化物半導体層が、ｎ型コンタクト層であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物半導体素子。
- 窒化物半導体と異なる異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板上に、Ｔ字状断面を有すると共に該Ｔ字同士が隙間を有するよう配列された第１の窒化物半導体層と、前記Ｔ字同士の隙間を埋めるように第１の窒化物半導体層の上面に設けられた第２の窒化物半導体層と、を有し、
該第１の窒化物半導体層のＴ字同士の隙間を埋めた部分の第２の窒化物半導体層下部に空間を有すると共に、
前記Ｔ字同士の隙間を埋めた部分において、その下方の前記空間に露出した支持基板の窒化物半導体表面がＶ字状の溝を有し、前記第２の窒化物半導体層が逆Ｖ字状の溝を有することを特徴とする窒化物半導体素子。 - 窒化物半導体と異なる異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を該第１の窒化物半導体層間に隙間を設けた状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の前記隙間の下部に空間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させ、該第２の窒化物半導体同士を前記空間上で接合させることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記支持基板表面が窒化物半導体から成り、前記第２の窒化物半導体の成長時に、前記支持基板表面にＶ字状溝が形成されることを特徴とする請求項９に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記保護膜を除去することにより、横方向成長した窒化物半導体の下部に空間を形成することを特徴とする請求項９又は１０記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記保護膜を除去する方法は、エッチング又は剥離であることを特徴とする請求項９乃至１１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記保護膜を、前記支持基板が露出するまで除去することを特徴とする請求項９乃至１２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- 前記保護膜を、前記支持基板が露出するまで除去するが、前記第１の窒化物半導体層の横方向成長部分の下方に残すことを特徴とする請求項９乃至１３に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
- さらに、前記第１の窒化物半導体層から前記支持基板を剥離して除去することを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１項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異種基板を含み、表面が窒化物半導体から成る支持基板上に、ストライプ状、格子状、又は島状の窓部を有する保護膜を形成し、前記支持基板露出部より保護膜上に第１の窒化物半導体を横方向成長させて前記保護膜を該第１の窒化物半導体層間に隙間を設けた状態で止め、保護膜を除去することにより横方向成長した第１の窒化物半導体の前記隙間の下部に空間を形成し、その後、第１の窒化物半導体の上面、又は上面及び横方向成長部分である側面より第２の窒化物半導体を成長させ、該第２の窒化物半導体同士を前記空間上で接合させることを特徴とする窒化物半導体素子の製造方法。
- 前記第２の窒化物半導体上に素子層が形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の窒化物半導体素子の製造方法。
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