JP3613197B2

JP3613197B2 - Nitride semiconductor substrate growth method

Info

Publication number: JP3613197B2
Application number: JP2001117910A
Authority: JP
Inventors: 大介森田
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2021-04-17
Also published as: JP2002313739A

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、又は電子デバイスなどに使用される窒化ガリウム系化合物半導体素子（Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板、及びその成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体基板を用いた青色から紫外域にかけての短波長、また白色発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）が注目されている。半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能なディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。そのため、このようなＬＥＤ及びＬＤ等への利用、その他に受光素子、電子デバイスへの応用が期待される窒化物半導体基板を単結晶で得る方法が種々検討されている。
【０００３】
この窒化物半導体基板として例えばＧａＮをバルク単結晶で得る方法には高圧法などがあるものの、実用化には至っていない。そのため、窒化物半導体とは異なるサファイア等の基板を用い、この基板上に窒化物半導体を成長させることで窒化物半導体基板としＬＥＤやＬＤ、電子デバイスに利用されている。
【０００４】
窒化物半導体基板とするには、基板と窒化物半導体との格子定数差から、基板上に窒化物半導体を直接成長させると、貫通転位が１０^１０個ｃｍ^−２程度発生するため、このような結晶性のよくない窒化物半導体基板上にＬＥＤやＬＤ等の半導体素子を成長させた場合は、寿命特性や素子特性が悪く、そのため結晶性を向上させるために基板上に９００℃以下の低温で窒化物半導体から成るバッファ層を成長させる方法が用いられている。このバッファ層を成長させることにより、貫通転位を１０^８個ｃｍ^−２まで低減し、平坦で鏡面となる窒化物半導体基板の成長が可能となった。
【０００５】
窒化物半導体基板の表面に１０^８個ｃｍ^−２程度の貫通転位が存在すれば、その貫通転位は、窒化物半導体基板上に成長させる半導体レーザ素子内にある活性層等に伝播するため、結晶性の低下が寿命特性に悪影響を与えるだけでなく、ホール移動度が小さいために電気的特性も悪くなる。
【０００６】
そのため、さらに貫通転位を１０^８個ｃｍ^−２以下に減らす目的で窒化物半導体を基板上で横方向に成長させる方法を利用したＥＬＯＧ（ＥｐｉｔａｘｉａｌｌｙＬａｔｅｒａｌＯｖｅｒＧｒｏｗｔｈＧａＮ）成長法が報告されている。この方法は、窒化物半導体に開口部である窓部を有する保護膜を形成し、この窓部より窒化物半導体を成長させ、さらに窒化物半導体を成長させることにより保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させることで保護膜上において窒化物半導体を接合させ低転位の窒化物半導体基板を得ることができる。これは窒化物半導体が成長する領域において、発生した貫通転位は、保護膜の窓部より窒化物半導体の成長と共に縦方向、及び横方向に進行し、横方向に成長した窒化物半導体内の貫通転位は接合部に集束するため、横方向成長した窒化物半導体の成長領域表面の貫通転位は１０^６ｃｍ^−２程度まで低減する。
【０００７】
このＥＬＯＧ成長法は横方向成長した範囲は貫通転位が少ないものの、保護膜の窓部には貫通転位が多く、窒化物半導体基板の表面全体では結晶性のよくない範囲が存在することになり、窒化物半導体基板の表面全体を均一に貫通転位を低減させたものが期待されている。
【０００８】
また、成長速度が速く厚膜成長が可能な気相エピタキシャル成長法としてハイドライド気相エピタキシャル成長（ＨｙｄｒｉｄｅＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ）法がある。このハイドライド気相エピタキシャル成長法は、他の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などに比べて成長速度が速く数十〜数百μｍの厚みをもつバルク単結晶が得られる特徴を持つ。そのため、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により厚膜成長を行い、窒化物半導体の表面に発生する貫通転位を均一に低減させた基板が期待される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示すハイドライド気相エピタキシャル成長法によりサファイア等の基板上に窒化物半導体を厚膜成長させた窒化物半導体基板は割れが発生してしまう。そのため、厚膜成長させた窒化物半導体基板を１ウェハーで形成できず、厚膜基板上に窒化物半導体素子を成長させるのに２分割や３分割されたウェハーを使用しなければならず、分割されたウェハーを使用するのは１ウェハーを用いるのに比べて工程を増やすことになり全体での歩留まりを低下させてしまう。また、割れにより窒化物半導体素子の特性低下も考えられる。そこで、本発明は、このような問題を解決し、基板上に厚膜成長させた窒化物半導体基板でありながら割れ等を発生せず、厚膜成長と同時に貫通転位を低減させた窒化物半導体基板を提供するものである。
【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、本発明における窒化物半導体基板の成長方法は、基板上に窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法であって、該異種基板上に成長界面の形状がクレーター、又は凸型の斜面となる第１の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、該第１の窒化物半導体層上にクレーター、又は凸型の斜面による高低差を埋めるように第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、該第２の窒化物半導体層上に成長界面はの形状がクレーター、又は凸型の斜面となる第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、該第３の窒化物半導体層上にクレーター、又は凸型の斜面による高低差を埋めるように第４の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程とを有し、前記第１の窒化物半導体層、及び／又は、第３の窒化物半導体層の成長表面におけるクレーター、又は凸型の斜面の高低差が５μｍ以上１００μｍ以下に形成することを特徴とする窒化物半導体基板の成長方法である。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記基板が異種基板であって、異種基板と前記第１の窒化物半導体層との間に下地層を形成する窒化物半導体基板の成長方法である。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記下地層が少なくとも第１の下地層と第２の下地層からなり、第１の下地層が３００℃以上９００℃以下の低温で、第２の下地層が９００℃以上１１００℃以下の第１の下地層よりも高温で成長させる窒化物半導体基板の成長方法である。
また、本発明の請求項４に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記第１の下地層と第２の下地層が組成の異なる窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法である。
また、本発明の請求項５に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記異種基板を窒化物半導体基板から除去する窒化物半導体基板の成長方法である。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記第１の下地層と第２の下地層が組成の異なる窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法である。さらに、本発明の請求項７に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記異種基板を窒化物半導体基板から除去する窒化物半導体基板の成長方法である。またさらに、本発明の請求項８に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記第１の窒化物半導体層を成長速度Ｒ１、成長温度Ｔ１で、前記第２の窒化物半導体層を成長速度Ｒ２、成長温度Ｔ２で、前記第３の窒化物半導体層を成長速度Ｒ３、成長温度Ｔ３で、前記第４の窒化物半導体層を成長速度Ｒ４、成長温度Ｔ４で形成するにおいて、前記成長速度がＲ１，Ｒ３＞Ｒ２，Ｒ４の関係であり、かつ、前記成長温度がＴ１，Ｔ３≦Ｔ２，Ｔ４の関係を有する窒化物半導体基板の成長方法である。
また、本発明の請求項７に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記Ｒ１、及び／又は、Ｒ３が０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上である請求項６記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【００１６】
ここで、基板とは窒化物半導体と異なる異種基板であれば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等である。又、窒化ガリウムのように一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ＋ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で示される窒化物半導体を基板とすることもできる。また、基板をウェハーとして使用する場合の大きさは特に限定されないが、１〜５インチφのものが用いられており、基板の厚みも劈開やダイシングによるチップ化が可能な範囲であればよい。具体的には基板厚みは０．１ｍｍ以上とする。これらの基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化物半導体から成る核、又は層を成長させることができれば、例えばエッチング等により細かい荒れを有するものや、基板の窒化物半導体の成長面に凹凸、斜面、階段形状を有するものや、基板の窒化物半導体の成長面に対し裏面に凹凸、溝等を有するものであってもよい。
【００１７】
本発明におけるクレーターとは、第１の窒化物半導体層を成長後に表面の平面上に形成される多角錐形状、又は円錐形状の窪みのことである。この窪みの大きさ、及び深さは５μｍ以上１００μｍ以下であり、この深さは同一成長界面における成長界面の高低差である。
【００１８】
また、本発明における凸型の斜面とは、第１の窒化物半導体層を成長後に表面が水平面に対して高低差を有する表面のことである。この凸型の斜面は、水平面に対して波形状やドット状の凸部を有するものであってもよい。
【００１９】
本発明における成長界面とは、以上に示す第１の窒化物半導体層の成長後にクレーターや凸型の斜面を形成し、次に第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層を成長させた後に形成される第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との界面を示す。この成長界面はクレーターの高低差を示すものであり、この高低差が５μｍ以上１００μｍ以下である。また、成長界面の高低差は連続して形成されているものがよい。
【００２０】
上記に示す窒化物半導体基板、及び窒化物半導体基板の成長方法とすることで、窒化物半導体内に形成された成長界面に同一組成内で一様な結晶的に不均一な界面を有することにより、応力緩和され、基板上に窒化物半導体を具体例としては３０μｍ以上の膜厚で成長可能であり、さらに、成長界面が連続した斜面を形成しているため、貫通転位は斜面で転位方向が曲げられ、この曲げられた貫通転位が成長界面上に成長した窒化物半導体内で集束し、貫通転位を低減させることができる。
【００２１】
上記に示す成長界面の高低差を有することにより、成長界面の表面は水平面に対して斜面であるため、貫通転位の進行方向を変えることができる。この進行方向を曲げられた貫通転位は図３に示すように、曲げられた貫通転位同士が欠陥ループを形成し、窒化物半導体の成長途中で貫通転位を減少させることができる。
【００２２】
また、窒化物半導体の成長界面を形成する工程を繰り返し行うことで、さらに貫通転位を低減させることができ、成長界面を２つ有する窒化物半導体基板では単位面積あたりの貫通転位密度を１×１０^６個／ｃｍ^２、好ましくは７×１０^５個／ｃｍ^２とすることができる。この窒化物半導体基板は、選択的に結晶性のいい領域を形成するのではなく、窒化物半導体基板の表面全体を均一に低転位とすることができるため、安定した低転位基板を提供することができる。又、成長界面を２つ有することによりサファイア等の基板と窒化物半導体との間に生じる応力を分散することができる。この応力は熱膨張係数差であり、基板と窒化物半導体との成長界面だけでは、この応力を十分に緩和させることができない。そのため、窒化物半導体基板に反りを生じ、さらには割れや欠けを生じる。そこで、成長界面を窒化物半導体内に少なくとも２つ形成することで、このような問題を解決させる。この成長界面が貫通転位を収束させることにより、成長界面には結晶性の弱い部分、つまり貫通転位が存在し、ここで応力である引っ張り歪み等を緩和させることができる。また、基板上への５０μｍ以上の厚膜成長であれば、この成長界面を２つ有することで、窒化物半導体基板の反りや、基板と窒化物半導体との応力を段階的に緩和させ基板上への窒化物半導体の厚膜成長を可能とする。
【００２３】
以上に示したように、本発明では、サファイア等の基板上に窒化物半導体を特に厚膜で成長させた場合に基板と窒化物半導体の熱膨張差から窒化物半導体基板に割れや欠けを生じるが成長界面を基板と窒化物半導体との界面だけではなく、窒化物半導体内にも有することにより応力を緩和させることができ、この成長界面を窒化物半導体内に２つ以上有することにより５０μｍ以上、好ましくは５００μｍ以上の厚膜の窒化物半導体基板を提供することができる。
【００２４】
さらに、本発明における窒化物半導体基板の成長方法は、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置内において、連続成長が可能であるため、保護膜等を用いた選択成長などと比較して、保護膜をストライプ形状等に形成するデバイス工程を無くすことができ、窒化物半導体基板の量産が可能となり、また基板を反応炉から取り出す工程も減るためゴミ等の付着による汚染をなくすことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明における窒化物半導体基板は、基板上の窒化物半導体にクレーター、又は凸型の斜面を有する成長界面を少なくとも２つ備えた窒化物半導体基板である。以下、本発明の実施形態について成長工程をもとに説明する。
【００２６】
基板１上に下地層２を成長させ、次に、第１の窒化物半導体層３を成長させ、その上に、第２の窒化物半導体層４を成長させることにより、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４との間に界面を有する窒化物半導体基板とする。
【００２７】
本発明では、基板１にＣ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、又は窒化物半導体等を基板とする。好ましい基板としては、サファイア、ＳｉＣ、スピネルが挙げられる。また、基板をオフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルした基板を用いると窒化物半導体からなる下地層の成長が結晶性よく成長する傾向にあり好ましい。この時のオフ角としては、０°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°とする。これらの基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化物半導体から成る核、又は層を成長させることができれば、例えばエッチング等により細かい荒れを有するものや、基板に凹凸、斜面、階段形状を有するものであってもよい。
【００２８】
次に下地層２を基板１上に気相成長法により成長させることにより、基板１と窒化物半導体との格子定数不整合を緩和させることができる。例えば、窒化ガリウムとサファイアとの格子不整合は約１５％と非常に大きいため、表面モフォロジーの良好な結晶性を有する基板を得るのは困難であった。下地層２にはこの格子定数の違いを緩和させる効果があり、具体例としては、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）、及びＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）が挙げられる。キャリアガスに水素、原料ガスにはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム等を用い、３００℃以上９００℃以下の温度、１０オングストローム以上１０μｍ以下の膜厚で成長させる。尚、この下地層２の膜厚は特に限定されず、複数層であってもよく、また省略することもできる。
【００２９】
この下地層が２層構造である場合には、例えば、核や薄膜から成る窒化物半導体を成長させ、次に組成の異なる窒化物半導体を成長させることによりＣ軸配向特性の優れた下地層２とすることができる。
【００３０】
この下地層を２層で成長させる場合の成長条件としては、ＭＯＣＶＤ法を用い第１の下地層と第２の下地層とを同様のキャリアガス、原料ガスを用い、キャリアガスには水素、原料ガスにはトリメチルガリウム等を用い、第１の下地層を３００℃以上９００℃以下の低温で、薄膜を１０オングストローム以上０．５μｍ以下の膜厚で成長させた後、第２の下地層は成長温度を９００℃〜１１００℃として第１の下地層より高温で成長させる。この第２の下地層は、核として成長させるものは途中で成長を止め核とし、層とするものは更に成長を続けることでミラーを形成させる。このような２層構造としてミラーを形成するには、結晶の核密度の均一性や配向特性、及び大きさ、層の厚みの制御が容易であるＭＯＣＶＤ法を用いるのが好ましいが、他の気相成長法を用いることもできる。
【００３１】
第２の下地層を鏡面を有する層として成長させた場合の膜厚としては、第１の下地層を１０オングストローム以上０．５μｍ以下の膜厚で成長させた後、第２の下地層を５００オングストローム〜５０μｍで成長させれば、緩衝層としての効果もあり、貫通転位を減らす効果も有するため好ましい。
【００３２】
次に、下地層２を成長させた基板１上に、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４とを成長させる。第１の窒化物半導体層３としては、成長界面がクレーター、又は凸型の斜面となるものであり、好ましくはこの凸型の斜面は連続して形成されているものである。また、この界面の高低差が好ましくは５μｍ〜１００μｍ、より好ましくは５μｍ〜５０μｍであれば、貫通転位の成長方向を斜面成長方向に曲げることができるため、第２の窒化物半導体層４の成長時にこの貫通転位同士を接合させ、貫通転位を集束させることができる。
この窒化物半導体基板は３０μｍ以上の膜厚で成長させても成長界面を有することにより応力緩和をすることができ、成長界面の形成により貫通転位を集束させることもできるが、さらに厚膜成長させることにより貫通転位を低減させる効果も有する。
【００３３】
さらに、上記成長界面を２つ形成するには、第２の窒化物半導体層４上に第３の窒化物半導体層５、その上に第４の窒化物半導体層６を成長させる。これにより、第１の窒化物半導体層３と、第２の窒化物半導体層４との間に成長界面を形成し、第３の窒化物半導体層５と、第４の窒化物半導体層６との間に成長界面を形成することができる。このような成長界面を形成するには、第１の窒化物半導体層、及び第３の窒化物半導体層の成長条件である成長速度を０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上、より好ましくは１〜５ｍｍ／ｈｏｕｒとする。この成長速度で第１の窒化物半導体層を成長させれば、表面にクレーターや凸型の斜面を連続して形成することができ、その上に成長させる第２の窒化物半導体層や第４の窒化物半導体層との間に基板と窒化物半導体との応力を緩和する成長界面を形成ことができる。
【００３４】
この下地層２の上に成長させる第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４とを成長速度を速く、短時間で成長させる場合にはハイドライド気相エピタキシャル成長法であるのが好ましい。成長界面を有する窒化物半導体基板となり、基板に発生する応力を緩和させ、厚膜を成長させることが可能となる。この厚膜成長した窒化物半導体基板は基板剥離を研削等により行うことができるため窒化物半導体から成る単体基板の形成に有効である。
以下にＨＶＰＥ装置を用いた成長工程、及び成長条件を示す。
【００３５】
本発明において、第１〜第４の窒化物半導体層の成長方法はハイドライド気相エピタキシャル成長法を用いることができる。このハイドライド気相エピタキシャル成長法とは、ガリウム、アルミニウム、インジウム等の３族元素と、塩化水素等のハロゲンガスとを反応させて、３族元素の塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物を得て、そのハロゲン化物をアンモニア、ヒドラジン等のＮ源と高温で反応させて窒化物半導体を得る方法である。
【００３６】
窒化物半導体としてＧａＮを成長させるには、ＨＶＰＥ装置内において、Ｇａメタルを入れた石英ボートを設置し、さらに石英ボートから離れた位置に基板を設置する。次にＧａメタルと反応させるハロゲンガスの供給管と、ハロゲンガス供給管とは別に、Ｎ源供給管を設ける。
【００３７】
ハロゲンガスとしてはＨＣｌ等があり、キャリアガスと共にハロゲンガス管より導入される。このハロゲンガスとＧａ等の金属が反応することにより３族元素のハロゲン化物を生成させ、さらに、Ｎ源供給管より流したアンモニアガスと反応することにより第１〜第４の窒化物半導体層とを下地層を介した基板上に成長させる。
【００３８】
ここで、第１、第３の窒化物半導体層の成長条件としては、成長速度が０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上であり、より好ましくは１〜５ｍｍ／ｈｏｕｒとする。この成長速度で第１、第３の窒化物半導体層を成長させれば、表面にクレーターや凸型の斜面を連続して形成することができ、その上に成長させる第２、第４の窒化物半導体層との成長界面で基板と窒化物半導体との応力を緩和することができる。そのため、基板上に格子定数や熱膨張係数の違う窒化物半導体を厚膜で成長させることが可能となる。さらに、クレーターや凸型の斜面を形成することにより貫通転位を多方向に曲げることができる。そのため、第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層を成長させ、第３の窒化物半導体層上に第４の窒化物半導体層を成長させることにより、多方向に曲げられた貫通転位は貫通転位同士が接合しループを形成して集束するために、転位を減少した窒化物半導体基板とすることができる。
【００３９】
また、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との成長速度を変えることは、窒化物半導体の成長方向を変えることであり、第２の窒化物半導体層を例えば横方向に優先的に成長させることにより貫通転位を集束させることができる。具体的には、第１の窒化物半導体層上に第１の窒化物半導体層よりも成長速度が遅い第２の窒化物半導体層を積層することにより、欠陥の減少を促進させ、鏡面で平坦性を有する低欠陥な窒化物半導体基板を得ることができる。このような窒化物半導体基板を得る条件としては、第１の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ１）と、第２の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ２）との比（Ｒ１／Ｒ２）が１以上であること、つまり第２の窒化物半導体層の成長速度を第１の窒化物半導体層の成長速度よりも遅くすることが好ましい。これは、第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とについても同様であり、第３の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ３）と、第４の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ４）との比（Ｒ３／Ｒ４）が１以上とし、第４の窒化物半導体層の成長速度を第３の窒化物半導体層の成長速度よりも遅くすることが好ましい。
【００４０】
この第１の窒化物半導体層の膜厚としては特に限定されないが、好ましくは２０μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは５０μｍ〜２００μｍであり、圧力条件としては常圧、又は微減圧で成長させる。
【００４１】
第１〜第３の窒化物半導体層には、アンドープに限らず、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも１種類をドープしたもの、又は、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ等のｐ型不純物をドープしたもの等を用いることができる。このようなｎ型不純物をドープすれば、縦方向に成長が促進される。そのため、第１の窒化物半導体層や第３の窒化物半導体層にはｎ型不純物をドープし、縦方向の成長を促進させて、クレーター、や凸型の斜面を形成させるのが好ましい。また、第２の窒化物半導体層や第４の窒化物半導体層にはｐ型不純物をドープするか、ｎ型不純物とｐ型不純物を同時ドープさせて、横方向と縦方向の成長を促進させて、貫通転位の成長方向を曲げて収束させることで転位を低減することができ好ましい。
【００４２】
次に第１、第３の窒化物半導体層の成長後、この上に第２、第４の窒化物半導体層を以下の条件で成長させる。
第２、第４の窒化物半導体層は、第１、第３の窒化物半導体層と同温、又はそれ以上の温度で成長させるのが好ましく、１０００℃以上とする。ただし、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４との温度差が大きければ基板に反りが発生するため成長温度差が少ない方が好ましい。また、第２の窒化物半導体層４の膜厚としては、最上面が鏡面になれば特に限定されず、第１の窒化物半導体層にあるクレーターや凸型斜面の高低差が埋まる範囲の膜厚であればよい。そのため、第２の窒化物半導体層は膜厚を３０μｍ程度の成長が可能な気相成長法であればＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等でも行うことができる。
【００４３】
第１〜第４の窒化物半導体層の組成式としては、特に限定されず、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。但し、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４は互いに異なる組成であってもよい。
【００４４】
また、本発明における窒化物半導体基板は、厚膜成長が可能であるため、成長界面を２つ以上形成した後に、さらに貫通転位を低減させるためにＥＬＯＧ成長させることで貫通転位をさらに低減させることも可能である。
【００４５】
上記の成長方法により得られた窒化物半導体基板は、厚膜基板とすることができる。さらに、最上面が平坦、且つ鏡面である貫通転位を均一に低減させた窒化物半導体基板と成る。本発明により得られた窒化物半導体基板は厚膜成長が可能であるため、厚膜成長させた後、サファイア等の基板のみを除去した単体基板とすることもできる。そのため、裏面電極を形成することも可能となる。なお、本発明により得られた窒化物半導体基板上に成長させる窒化物半導体素子は窒化物半導体から成れば発光素子や受光素子、電子デバイスでもよい。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明における実施例について図面を参照して説明する。
［実施例１］
図１に示すように、基板１としてＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去した。
【００４７】
次に、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トリメチルガリウムを用い、ＧａＮより成る第１の下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。
【００４８】
その後、第１の下地層上に第２の下地層としてＧａＮから成り平坦性を有する層を成長温度１０５０℃において膜厚２０μｍで形成した。本実施例では、成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを５Ｌ／分、トリメチルガリウムを２５ｃｃ／分間、流した。
【００４９】
第２の下地層を成長後、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボートに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることによりＧａＣｌ_３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニアガスと反応させ、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層３を成長させた。第１の窒化物半導体層３の成長温度としては１０００℃であり、成長速度を１ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚１００μｍで成長させた。
【００５０】
次に、第１の窒化物半導体層３上に、第２の窒化物半導体層４をハイドライド気相エピタキシャル成長法装置において成長させた。この時の成長条件としては、成長温度を第１の窒化物半導体層３と同温とし、第２の窒化物半導体層４の成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は５０μｍで成長させた。
【００５１】
次に、前記工程を繰り返し行い、第２の窒化物半導体層４上に、第１の窒化物半導体層と同様の条件で第３の窒化物半導体層５、その上に第２の窒化物半導体層と同様の条件で第４の窒化物半導体層６を成長させ、窒化物半導体内に成長界面を２つ形成し、応力緩和させた。
【００５２】
以上により得られた第４の窒化物半導体層６の表面は平坦かつ鏡面となり、ＣＬ観察によると貫通転位密度は約７×１０^５個／ｃｍ^２となる。このように本発明では厚膜基板であり、低欠陥である窒化物半導体基板を提供することができる。
【００５３】
［実施例２］
実施例１において、図２に示すようにＣ面を主面としたサファイア基板１上に下地層を形成せずに、直接に第１の窒化物半導体層を核として成長させた他は第１の窒化物半導体層〜第４の窒化物半導体層を実施例１と同様の条件で成長させ窒化物半導体基板を得る。得られる窒化物半導体基板はＣＬ方法により観察すると、実施例１と同様に結晶欠陥が１×１０^６／ｃｍ^２以下の低欠陥である窒化物半導体基板が期待できる。
【００５４】
［実施例３］
以下に実施例１により得られた窒化物半導体を基板とするレーザ素子の構造を示す実施例３について説明する。
【００５５】
（アンドープｎ型コンタクト層１０１）
実施例１で得られたウェーハをＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットし、１０５０℃で窒化物半導体に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるアンドープｎ型コンタクト層１０１を１μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＧａＮからなる窒化物半導体基板とｎ型コンタクト層をはじめとする半導体素子との間で、緩衝層としての機能を有する。
【００５６】
（ｎ型コンタクト層１０２）
次に得られたバッファ層１０１上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５７】
（クラック防止層１０３）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を９００℃にしてＩｎ_０．０７Ｇａ_０．９３Ｎよりなるクラック防止層１０３を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５８】
（ｎ型クラッド層１０４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。この操作を２００回繰り返しＡ層とＢ層との積層構造とし、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。
【００５９】
（ｎ型ガイド層１０５）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型ガイド層１０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型ガイド層１０５は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００６０】
（活性層１０６）
次に、温度を９００℃にし、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚、シランガスを止め、アンドープのＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎよりなる井戸層を４０Åの膜厚で、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層の順に積層し、最後に障壁層として、ＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｎを成長させる。活性層１０６は、総膜厚５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００６１】
（ｐ型電子閉じ込め層１０７）
次に、活性層と同じ温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ_２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３Ｇａ_０．７Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層１０７を１００Åの膜厚で成長させる。
【００６２】
（ｐ型ガイド層１０８）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型ガイド層１０８を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型ガイド層は、ｐ型不純物をドープしてもよい。
【００６３】
（ｐ型クラッド層１０９）
次に、１０５０℃でアンドープＡｌ_０．０５Ｇａ_０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ_２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１０９を成長させる。ｐ型クラッド層は、ＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ型クラッド層１０９を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、しきい値を低下させる上で非常に有効である。
【００６４】
（ｐ型コンタクト層１１０）
最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１０９の上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ_２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１０を１５０Åの膜厚で成長させる。
反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００６５】
アニーリング後、窒化物半導体を積層させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ_２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ_４ガスによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０２の表面を露出させる。
【００６６】
次に、ＳｉＯ_２保護膜を形成し、ＲＩＥを用いＣＦ_４ガスによりエッチングすることにより、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプを形成する。
【００６７】
次にリッジストライプ形成後、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ_２）よりなる絶縁保護膜を、エッチングにより露出したｐ型ガイド層１０８上に０．５μｍの膜厚で形成する。
【００６８】
ｐ型コンタクト層上にｐ型電極をＮｉとＡｕより形成し、また、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層上にはＴｉとＡｌよりｎ型電極を形成する。このｐ電極は、リッジ上にストライプ形成されており、同じくストライプ形成されているｎ電極とは平行な方向で形成する。
【００６９】
次に、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜・を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパット電極をそれぞれ設けた。この時、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ_２とＴｉＯ_２よりなる誘電体多層膜が設けられている。
【００７０】
以上のようにして得られたレーザ素子は、室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ^２、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。得られるレーザ素子の素子寿命は、３０００〜２００００時間が期待できる。。
【００７１】
【発明の効果】
以上に示す本発明により、割れや欠けを抑制した厚膜基板を可能とし、基板全面の貫通転位を均一に減らした低転位基板を提供することができる。また、本発明により得られた窒化物半導体基板上に、素子構造を成長させることにより、寿命特性等の良好な窒化物半導体レーザ等が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図３】本発明の成長界面における貫通転位の成長方向を示す模式断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体レーザ素子の模式断面図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・基板
２・・・下地層
３・・・第１の窒化物半導体層
４・・・第２の窒化物半導体層
５・・・第３の窒化物半導体層
６・・・第４の窒化物半導体層
１０１・・・アンドープｎ型コンタクト層
１０２・・・ｎ型コンタクト層
１０３・・・クラック防止層
１０４・・・ｎ型クラッド層
１０５・・・ｎ型ガイド層
１０６・・・活性層
１０７・・・ｐ型電子閉じ込め層
１０８・・・ｐ型ガイド層
１０９・・・ｐ型クラッド層
１１０・・・ｐ型コンタクト層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light-emitting element such as a light-emitting diode or a laser diode, a light-receiving element such as a solar cell or an optical sensor, or a gallium nitride compound semiconductor element (In_xAl_yGa_1-xyThe present invention relates to a gallium nitride compound semiconductor substrate having N, 0 ≦ X, 0 ≦ Y, and X + Y ≦ 1), and a growth method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, attention has been paid to a short wavelength from blue to ultraviolet using a nitride semiconductor substrate, a white light emitting diode (LED), and a semiconductor laser (LD). Semiconductor lasers are increasingly demanded for use in disk systems capable of recording / reproducing information with a large capacity and high density, such as DVDs. Therefore, various methods for obtaining a nitride semiconductor substrate, which is expected to be applied to such LEDs and LDs, as well as applications to light receiving elements and electronic devices, have been studied.
[0003]
As a method for obtaining, for example, GaN in bulk single crystal as the nitride semiconductor substrate, there is a high-pressure method, but it has not been put into practical use. For this reason, a substrate such as sapphire different from a nitride semiconductor is used, and a nitride semiconductor substrate is grown on this substrate to be used as a nitride semiconductor substrate for LEDs, LDs, and electronic devices.
[0004]
In order to form a nitride semiconductor substrate, from the difference in lattice constant between the substrate and the nitride semiconductor, when the nitride semiconductor is directly grown on the substrate, the threading dislocation is 10¹⁰Cm^-2When a semiconductor device such as an LED or LD is grown on such a nitride semiconductor substrate having poor crystallinity, the life characteristics and device characteristics are poor, and therefore the substrate is used to improve the crystallinity. A method of growing a buffer layer made of a nitride semiconductor at a low temperature of 900 ° C. or lower is used. By growing this buffer layer, threading dislocations are increased to 10⁸Cm^-2It is possible to grow a nitride semiconductor substrate that is flat and has a mirror surface.
[0005]
10 on the surface of the nitride semiconductor substrate⁸Cm^-2If a threading dislocation of a certain degree exists, the threading dislocation propagates to an active layer or the like in a semiconductor laser element grown on a nitride semiconductor substrate, so that not only the deterioration of crystallinity adversely affects the life characteristics. In addition, since the hole mobility is small, the electrical characteristics are also deteriorated.
[0006]
Therefore, threading dislocations are further increased by 10⁸Cm^-2In order to reduce the following, an ELOG (Epitaxially Lateral Over Growth GaN) growth method using a method of growing a nitride semiconductor laterally on a substrate has been reported. In this method, a nitride semiconductor is formed on a protective film by forming a protective film having a window as an opening on the nitride semiconductor, growing the nitride semiconductor from the window, and further growing the nitride semiconductor. By growing in the lateral direction, a nitride semiconductor can be bonded on the protective film to obtain a low dislocation nitride semiconductor substrate. This is because in the region where the nitride semiconductor grows, the threading dislocations that have occurred proceed in the vertical and lateral directions along with the growth of the nitride semiconductor from the window of the protective film, and penetrate in the nitride semiconductor grown in the lateral direction. Since the dislocations are focused on the junction, the threading dislocations on the growth region surface of the nitride semiconductor grown in the lateral direction are 10⁶cm^-2Reduce to a degree.
[0007]
Although this ELOG growth method has few threading dislocations in the laterally grown range, there are many threading dislocations in the window portion of the protective film, and there is a region with poor crystallinity over the entire surface of the nitride semiconductor substrate. It is expected that the entire surface of the nitride semiconductor substrate is uniformly reduced in threading dislocations.
[0008]
Further, there is a hydride vapor phase epitaxy method as a vapor phase epitaxial growth method that allows a thick film growth at a high growth rate. This hydride vapor phase epitaxial growth method is characterized in that a bulk single crystal having a growth rate is higher than that of other metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) methods and has a thickness of several tens to several hundreds μm. Therefore, a substrate in which a thick film is grown by a hydride vapor phase epitaxial growth method and threading dislocations generated on the surface of the nitride semiconductor are uniformly reduced is expected.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the nitride semiconductor substrate in which the nitride semiconductor is grown on the sapphire substrate by the hydride vapor phase epitaxial growth method described above is cracked. Therefore, a nitride semiconductor substrate with a thick film growth cannot be formed with one wafer, and a two-part or three-part wafer must be used to grow a nitride semiconductor element on the thick film substrate. The use of the processed wafer increases the number of processes as compared with the case of using one wafer, and reduces the overall yield. Moreover, the characteristic degradation of the nitride semiconductor element is also considered by cracking. Therefore, the present invention solves such a problem and is a nitride semiconductor substrate in which a thick film is grown on the substrate, but does not generate cracks and the like, and a nitride semiconductor in which threading dislocations are reduced simultaneously with the thick film growth. A substrate is provided.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for growing a nitride semiconductor substrate according to the present invention is a method for growing a nitride semiconductor on a substrate, wherein the growth interface has a shape on the heterogeneous substrate. A step of forming a first nitride semiconductor layer to be a crater or a convex slope by epitaxial growth, and a second so as to fill a height difference due to the crater or the convex slope on the first nitride semiconductor layer. Forming a nitride semiconductor layer by epitaxial growth, and forming a third nitride semiconductor layer on the second nitride semiconductor layer by epitaxial growth with a growth interface having a crater shape or a convex slope. Forming a fourth nitride semiconductor layer by epitaxial growth so as to fill a height difference caused by a crater or a convex slope on the third nitride semiconductor layer; Yes and a step ofAnd the height difference of the crater or convex slope on the growth surface of the first nitride semiconductor layer and / or the third nitride semiconductor layer is 5 μm or more and 100 μm or less.And a method of growing a nitride semiconductor substrate.
[0013]
Of the present inventionClaim 2The nitride semiconductor substrate growth method described in 1 is a method for growing a nitride semiconductor substrate, wherein the substrate is a heterogeneous substrate, and an underlying layer is formed between the heterogeneous substrate and the first nitride semiconductor layer. .
[0014]
Of the present inventionClaim 3The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the underlayer comprises at least a first underlayer and a second underlayer, and the first underlayer is at a low temperature of 300 ° C. to 900 ° C. This is a method for growing a nitride semiconductor substrate in which a base layer is grown at a temperature higher than that of a first underlayer having a temperature of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.
A method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 4 of the present invention is a method for growing a nitride semiconductor substrate in which nitride semiconductors having different compositions in the first underlayer and the second underlayer are grown. is there.
A method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 5 of the present invention is a method for growing a nitride semiconductor substrate in which the dissimilar substrate is removed from the nitride semiconductor substrate.
[0015]
A method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 6 of the present invention is a method for growing a nitride semiconductor substrate in which nitride semiconductors having different compositions in the first underlayer and the second underlayer are grown. Furthermore, a method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 7 of the present invention is a method for growing a nitride semiconductor substrate in which the dissimilar substrate is removed from the nitride semiconductor substrate. Furthermore, in the method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 8 of the present invention, the first nitride semiconductor layer is grown at a growth rate R1, the growth temperature T1, and the second nitride semiconductor layer is grown at a growth rate R2. At the growth temperature T2, the third nitride semiconductor layer is formed at the growth rate R3, the growth temperature T3, and the fourth nitride semiconductor layer is formed at the growth rate R4, and the growth temperature T4. , R3> R2, R4, and a growth method of a nitride semiconductor substrate in which the growth temperature has a relationship of T1, T3 ≦ T2, T4.
The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 7 of the present invention is the method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 6, wherein R1 and / or R3 is 0.5 mm / hour or more.
[0016]
Here, if the substrate is a heterogeneous substrate different from the nitride semiconductor, sapphire, SiC (6H, 4H, 3C), spinel, ZnS, ZnO whose principal surface is any one of the C-plane, R-plane, and A-plane. Si, GaAs and the like. Also, like the gallium nitride, the general formula In_xAl_yGa_{1-x + y}A nitride semiconductor represented by N (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1, 0 ≦ X + Y ≦ 1) may be used as the substrate. In addition, the size when the substrate is used as a wafer is not particularly limited, but a substrate having a diameter of 1 to 5 inches is used, and the thickness of the substrate may be within a range that can be cleaved or formed into chips by dicing. Specifically, the substrate thickness is 0.1 mm or more. These substrates have a flat surface, but if nuclei or layers made of nitride semiconductor can be grown, for example, those having fine roughness by etching or the like, or on the nitride semiconductor growth surface of the substrate. It may have irregularities, slopes, stepped shapes, or may have irregularities, grooves, etc. on the back surface with respect to the growth surface of the nitride semiconductor of the substrate.
[0017]
The crater in the present invention refers to a polygonal pyramid shape or a conical depression formed on the surface plane after the first nitride semiconductor layer is grown. The size and depth of the depression is 5 μm or more and 100 μm or less, and this depth is the difference in height of the growth interface at the same growth interface.
[0018]
In addition, the convex slope in the present invention is a surface having a height difference with respect to a horizontal plane after the growth of the first nitride semiconductor layer. The convex slope may have a wave-shaped or dot-shaped convex portion with respect to the horizontal plane.
[0019]
The growth interface in the present invention means that a crater or a convex slope is formed after the growth of the first nitride semiconductor layer described above, and then the second nitride semiconductor layer is formed on the first nitride semiconductor layer. 2 shows an interface between a first nitride semiconductor layer and a second nitride semiconductor layer formed after the growth. This growth interface shows the height difference of the crater, and this height difference is not less than 5 μm and not more than 100 μm. Further, the height difference of the growth interface is preferably formed continuously.
[0020]
By using the nitride semiconductor substrate and the method for growing a nitride semiconductor substrate described above, the growth interface formed in the nitride semiconductor has a uniform crystallographically non-uniform interface in the same composition. As a specific example, a nitride semiconductor can be grown on the substrate with a film thickness of 30 μm or more, and the growth interface forms a continuous slope. The bent threading dislocations are bent and converged in the nitride semiconductor grown on the growth interface, and the threading dislocations can be reduced.
[0021]
By having the above-described height difference of the growth interface, the surface of the growth interface is inclined with respect to the horizontal plane, so that the traveling direction of threading dislocations can be changed. As shown in FIG. 3, the threading dislocations whose bending direction has been bent form defect loops between the bent threading dislocations, and the threading dislocations can be reduced during the growth of the nitride semiconductor.
[0022]
Further, by repeating the step of forming the growth interface of the nitride semiconductor, threading dislocations can be further reduced, and in the nitride semiconductor substrate having two growth interfaces, the threading dislocation density per unit area is 1 × 10.⁶Piece / cm², Preferably 7 × 10⁵Piece / cm²It can be. The nitride semiconductor substrate does not selectively form a region with good crystallinity, but can uniformly reduce the entire surface of the nitride semiconductor substrate, thereby providing a stable low dislocation substrate. Can do. Further, by having two growth interfaces, it is possible to disperse the stress generated between the substrate such as sapphire and the nitride semiconductor. This stress is a difference in thermal expansion coefficient, and this stress cannot be sufficiently relaxed only by the growth interface between the substrate and the nitride semiconductor. Therefore, the nitride semiconductor substrate is warped, and further cracks and chips are generated. Therefore, such a problem is solved by forming at least two growth interfaces in the nitride semiconductor. When the growth interface converges threading dislocations, there are weak crystallinity portions, that is, threading dislocations, in the growth interface, and tensile strain, which is stress, can be relaxed. In addition, if the film is grown to a thickness of 50 μm or more on the substrate, by having two growth interfaces, the warpage of the nitride semiconductor substrate and the stress between the substrate and the nitride semiconductor can be gradually reduced. It is possible to grow a nitride semiconductor thick film.
[0023]
As described above, in the present invention, when a nitride semiconductor is grown on a substrate such as sapphire with a particularly thick film, the nitride semiconductor substrate is cracked or chipped due to a difference in thermal expansion between the substrate and the nitride semiconductor. The stress can be relieved by having the growth interface not only in the interface between the substrate and the nitride semiconductor but also in the nitride semiconductor, and by having two or more growth interfaces in the nitride semiconductor, the thickness is 50 μm or more. A nitride semiconductor substrate having a thickness of preferably 500 μm or more can be provided.
[0024]
Furthermore, since the nitride semiconductor substrate growth method of the present invention can be continuously grown in a hydride vapor phase epitaxial growth apparatus, the protective film has a stripe shape compared to selective growth using a protective film or the like. Thus, the nitride semiconductor substrate can be mass-produced, and the number of steps for removing the substrate from the reaction furnace is reduced, so that contamination due to adhesion of dust and the like can be eliminated.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The nitride semiconductor substrate in the present invention is a nitride semiconductor substrate provided with at least two growth interfaces having craters or convex slopes on the nitride semiconductor on the substrate. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described based on a growth process.
[0026]
A first nitride semiconductor is grown by growing a base layer 2 on a substrate 1, then growing a first nitride semiconductor layer 3, and growing a second nitride semiconductor layer 4 thereon. A nitride semiconductor substrate having an interface between the layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4 is formed.
[0027]
In the present invention, sapphire, SiC (6H, 4H, 3C), spinel, ZnS, ZnO, GaAs, Si, nitride semiconductor, or the like whose main surface is the C-plane, R-plane, or A-plane on the substrate 1 Is the substrate. Preferred substrates include sapphire, SiC, and spinel. Also, the substrate may be off-angled. In this case, it is preferable to use a step-off-angle substrate because the growth of the underlying layer made of a nitride semiconductor tends to grow with good crystallinity. The off-angle at this time is 0 ° to 0.5 °, preferably 0.1 ° to 0.2 °. These substrates have a flat surface, but if nuclei or layers made of nitride semiconductor can be grown, for example, those having fine roughness by etching, etc., or irregularities, slopes, and staircase shapes on the substrate. You may have.
[0028]
Next, the base layer 2 is grown on the substrate 1 by a vapor phase growth method, whereby the lattice constant mismatch between the substrate 1 and the nitride semiconductor can be alleviated. For example, since the lattice mismatch between gallium nitride and sapphire is as large as about 15%, it is difficult to obtain a substrate having good surface morphology and crystallinity. The underlayer 2 has an effect of reducing the difference in lattice constant. As a specific example, Al_xGa_1-xN (0 ≦ X ≦ 1), In_xGa_1-xN (0 ≦ X ≦ 1) and In_xAl_yGa_1-xyN (0 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 1). Hydrogen is used as the carrier gas and trimethyl gallium, trimethyl aluminum, trimethyl indium, or the like is used as the source gas, and the film is grown at a temperature of 300 ° C. to 900 ° C. and a film thickness of 10 Å to 10 μm. The film thickness of the underlayer 2 is not particularly limited, and may be a plurality of layers or may be omitted.
[0029]
When this underlayer has a two-layer structure, for example, an underlayer 2 having excellent C-axis orientation characteristics is obtained by growing a nitride semiconductor composed of nuclei and thin films and then growing a nitride semiconductor having a different composition. It can be.
[0030]
As a growth condition when the underlayer is grown in two layers, the MOCVD method is used and the first underlayer and the second underlayer use the same carrier gas and source gas. Trimethyl gallium or the like is used as a gas, and after the first underlayer is grown at a low temperature of 300 ° C. to 900 ° C. and the thin film is grown to a thickness of 10 Å to 0.5 μm, the second underlayer is grown. The temperature is set to 900 ° C. to 1100 ° C. and grown at a higher temperature than the first underlayer. In the second underlayer, those grown as nuclei stop growing in the middle and become nuclei, and those made as layers further grow to form a mirror. In order to form a mirror having such a two-layer structure, it is preferable to use the MOCVD method in which uniformity of crystal nucleus density, orientation characteristics, size, and layer thickness can be easily controlled. A phase growth method can also be used.
[0031]
When the second underlayer is grown as a layer having a mirror surface, the first underlayer is grown to a thickness of 10 angstroms or more and 0.5 μm or less, and then the second underlayer 500 is grown. A growth of angstrom to 50 μm is preferable because it has an effect as a buffer layer and an effect of reducing threading dislocations.
[0032]
Next, the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4 are grown on the substrate 1 on which the underlayer 2 is grown. As the first nitride semiconductor layer 3, the growth interface is a crater or a convex slope, and preferably, this convex slope is formed continuously. Further, if the height difference of this interface is preferably 5 μm to 100 μm, more preferably 5 μm to 50 μm, the growth direction of threading dislocations can be bent in the slope growth direction, so that the second nitride semiconductor layer 4 is grown. Sometimes the threading dislocations can be joined together to focus the threading dislocations.
Even if this nitride semiconductor substrate is grown to a thickness of 30 μm or more, it can relieve stress by having a growth interface and can focus threading dislocations by forming a growth interface. This also has the effect of reducing threading dislocations.
[0033]
Furthermore, in order to form the two growth interfaces, the third nitride semiconductor layer 5 is grown on the second nitride semiconductor layer 4 and the fourth nitride semiconductor layer 6 is grown thereon. Thereby, a growth interface is formed between the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4, and the third nitride semiconductor layer 5, the fourth nitride semiconductor layer 6, A growth interface can be formed between the two. In order to form such a growth interface, the growth rate, which is the growth condition of the first nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer, is set to 0.5 mm / hour or more, more preferably 1 to 5 mm / hour. And If the first nitride semiconductor layer is grown at this growth rate, a crater or a convex slope can be continuously formed on the surface, and the second nitride semiconductor layer or fourth layer grown thereon can be formed. A growth interface that relieves stress between the substrate and the nitride semiconductor can be formed between the nitride semiconductor layer.
[0034]
In the case where the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4 grown on the underlayer 2 are grown at a high growth rate in a short time, the hydride vapor phase epitaxial growth method is used. preferable. A nitride semiconductor substrate having a growth interface is formed, and stress generated in the substrate is relieved and a thick film can be grown. Since the nitride semiconductor substrate grown in this thick film can be peeled off by grinding or the like, it is effective for forming a single substrate made of a nitride semiconductor.
The growth process and growth conditions using the HVPE apparatus are shown below.
[0035]
In the present invention, a hydride vapor phase epitaxial growth method can be used as the growth method of the first to fourth nitride semiconductor layers. In this hydride vapor phase epitaxial growth method, a group III element such as gallium, aluminum or indium is reacted with a halogen gas such as hydrogen chloride to obtain a halide such as a chloride, bromide or iodide of the group 3 element. In this method, the halide is reacted with an N source such as ammonia or hydrazine at a high temperature to obtain a nitride semiconductor.
[0036]
In order to grow GaN as a nitride semiconductor, a quartz boat containing Ga metal is installed in the HVPE apparatus, and a substrate is installed at a position away from the quartz boat. Next, an N source supply pipe is provided separately from the halogen gas supply pipe to be reacted with Ga metal and the halogen gas supply pipe.
[0037]
The halogen gas includes HCl and the like, and is introduced from the halogen gas pipe together with the carrier gas. The halogen gas reacts with a metal such as Ga to generate a halide of a Group 3 element, and further reacts with the ammonia gas flowed from the N source supply pipe to thereby form the first to fourth nitride semiconductor layers. Is grown on the substrate through the underlayer.
[0038]
Here, as growth conditions for the first and third nitride semiconductor layers, the growth rate is 0.5 mm / hour or more, and more preferably 1 to 5 mm / hour. If the first and third nitride semiconductor layers are grown at this growth rate, craters and convex slopes can be continuously formed on the surface, and the second and fourth nitrides grown on the craters can be formed. The stress between the substrate and the nitride semiconductor can be relaxed at the growth interface with the nitride semiconductor layer. Therefore, nitride semiconductors having different lattice constants and thermal expansion coefficients can be grown on the substrate as a thick film. Furthermore, threading dislocations can be bent in multiple directions by forming craters and convex slopes. Therefore, the second nitride semiconductor layer is grown on the first nitride semiconductor layer, and the fourth nitride semiconductor layer is grown on the third nitride semiconductor layer, thereby being bent in multiple directions. Since the threading dislocations are joined together by forming threading dislocations, the dislocations can be reduced to a nitride semiconductor substrate.
[0039]
Further, changing the growth rate of the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer is changing the growth direction of the nitride semiconductor. For example, the second nitride semiconductor layer is moved laterally. By threading preferentially, threading dislocations can be focused. Specifically, by laminating a second nitride semiconductor layer whose growth rate is slower than that of the first nitride semiconductor layer on the first nitride semiconductor layer, the reduction of defects is promoted and the mirror surface is flattened. A low-defect nitride semiconductor substrate having the property can be obtained. As a condition for obtaining such a nitride semiconductor substrate, the ratio (R1 / R2) between the growth rate (R1) of the first nitride semiconductor layer and the growth rate (R2) of the second nitride semiconductor layer is It is preferable that it is 1 or more, that is, the growth rate of the second nitride semiconductor layer is made slower than the growth rate of the first nitride semiconductor layer. The same applies to the third nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer. The growth rate (R3) of the third nitride semiconductor layer and the growth rate of the fourth nitride semiconductor layer are the same. The ratio (R3 / R4) to (R4) is preferably 1 or more, and the growth rate of the fourth nitride semiconductor layer is preferably slower than the growth rate of the third nitride semiconductor layer.
[0040]
The film thickness of the first nitride semiconductor layer is not particularly limited, but is preferably 20 μm to 1 mm, more preferably 50 μm to 200 μm, and the pressure is grown at normal pressure or slightly reduced pressure.
[0041]
The first to third nitride semiconductor layers are not limited to undoped, but doped with at least one kind of Si, Ge, Sn and S as n-type impurities, or Mg, Be, Cr, Mn, Ca A material doped with a p-type impurity such as Zn can be used. When such an n-type impurity is doped, growth is promoted in the vertical direction. Therefore, it is preferable that the first nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer are doped with n-type impurities to promote vertical growth to form craters and convex slopes. Further, the second nitride semiconductor layer and the fourth nitride semiconductor layer are doped with p-type impurities or simultaneously doped with n-type impurities and p-type impurities to promote lateral and vertical growth. Therefore, it is preferable that the dislocations can be reduced by bending and converging the growth direction of threading dislocations.
[0042]
Next, after the growth of the first and third nitride semiconductor layers, the second and fourth nitride semiconductor layers are grown thereon under the following conditions.
The second and fourth nitride semiconductor layers are preferably grown at a temperature equal to or higher than that of the first and third nitride semiconductor layers, and are set to 1000 ° C. or higher. However, if the temperature difference between the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4 is large, the substrate is warped, so that it is preferable that the growth temperature difference is small. The film thickness of the second nitride semiconductor layer 4 is not particularly limited as long as the uppermost surface is a mirror surface, and is a film in a range in which the height difference between the crater and the convex slope in the first nitride semiconductor layer is filled. It only needs to be thick. Therefore, the second nitride semiconductor layer can be formed by the MOCVD method, the MBE method, or the like as long as it is a vapor phase growth method capable of growing to a thickness of about 30 μm.
[0043]
The composition formula of the first to fourth nitride semiconductor layers is not particularly limited, and the general formula In_xAl_yGa_1-xyN (0 ≦ x, 0 ≦ y, x + y <1). However, the first nitride semiconductor layer 3 and the second nitride semiconductor layer 4 may have different compositions.
[0044]
In addition, since the nitride semiconductor substrate according to the present invention can be grown thick, it is possible to further reduce threading dislocations by performing ELOG growth to further reduce threading dislocations after forming two or more growth interfaces. Is also possible.
[0045]
The nitride semiconductor substrate obtained by the above growth method can be a thick film substrate. Further, the nitride semiconductor substrate is obtained by uniformly reducing threading dislocations having a flat top surface and a mirror surface. Since the nitride semiconductor substrate obtained by the present invention can be grown in a thick film, it can be a single substrate obtained by removing only the substrate such as sapphire after the thick film growth. Therefore, it is possible to form a back electrode. The nitride semiconductor element grown on the nitride semiconductor substrate obtained by the present invention may be a light emitting element, a light receiving element, or an electronic device as long as it is made of a nitride semiconductor.
[0046]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Example 1]
As shown in FIG. 1, a sapphire substrate with the C-plane as the main surface and the orientation flat surface as the A-plane as the substrate 1 is set in an MOCVD apparatus and subjected to thermal cleaning at a temperature of 1050 ° C. for 10 minutes to add moisture and surface. The kimono was removed.
[0047]
Next, the temperature was set to 510 ° C., hydrogen was used as the carrier gas, ammonia and trimethyl gallium were used as the source gas, and a first underlayer made of GaN was grown to a thickness of 200 Å.
[0048]
Thereafter, a flat layer made of GaN as the second underlayer was formed on the first underlayer with a film thickness of 20 μm at a growth temperature of 1050 ° C. In this example, hydrogen was supplied at 20.5 L / min as a carrier gas during growth, ammonia was supplied at 5 L / min, and trimethylgallium was supplied at 25 cc / min as a source gas.
[0049]
After the second underlayer is grown, it is set in a hydride vapor phase epitaxial growth apparatus, Ga metal is prepared in a quartz boat, and HCl gas is used as a halogen gas to form GaCl.₃Next, the first nitride semiconductor layer 3 made of GaN was grown by reacting with ammonia gas which is N gas. The growth temperature of the first nitride semiconductor layer 3 was 1000 ° C., and the growth rate was 1 mm / hour.
[0050]
Next, the second nitride semiconductor layer 4 was grown on the first nitride semiconductor layer 3 in a hydride vapor phase epitaxial growth apparatus. As growth conditions at this time, the growth temperature was the same as that of the first nitride semiconductor layer 3, the growth rate of the second nitride semiconductor layer 4 was 50 μm / hour, and the film thickness was 50 μm.
[0051]
Next, the above steps are repeated, and the third nitride semiconductor layer 5 is formed on the second nitride semiconductor layer 4 under the same conditions as the first nitride semiconductor layer, and the second nitride semiconductor is formed thereon. The fourth nitride semiconductor layer 6 was grown under the same conditions as the layer, two growth interfaces were formed in the nitride semiconductor, and the stress was relaxed.
[0052]
The surface of the fourth nitride semiconductor layer 6 obtained as described above is flat and mirror-like. According to CL observation, the threading dislocation density is about 7 × 10.⁵Piece / cm²It becomes. Thus, the present invention can provide a nitride semiconductor substrate that is a thick film substrate and has low defects.
[0053]
[Example 2]
In Example 1, the first nitride semiconductor layer was grown directly with the first nitride semiconductor layer as the nucleus without forming the base layer on the sapphire substrate 1 having the C-plane as the main surface as shown in FIG. The nitride semiconductor layer to the fourth nitride semiconductor layer are grown under the same conditions as in Example 1 to obtain a nitride semiconductor substrate. When the obtained nitride semiconductor substrate is observed by the CL method, the crystal defect is 1 × 10 5 as in the first embodiment.⁶/ Cm²The following low-defect nitride semiconductor substrate can be expected.
[0054]
[Example 3]
Example 3 showing the structure of a laser device using the nitride semiconductor obtained in Example 1 as a substrate will be described below.
[0055]
(Undoped n-type contact layer 101)
The wafer obtained in Example 1 was set in a reaction vessel of an MOCVD apparatus, and TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), and ammonia were used as nitride semiconductors at 1050 ° C._0.05Ga_0.95An undoped n-type contact layer 101 made of N is grown to a thickness of 1 μm. This layer functions as a buffer layer between the nitride semiconductor substrate made of GaN and the semiconductor element including the n-type contact layer.
[0056]
(N-type contact layer 102)
Next, TMG, TMA, ammonia, Si-doped Al at 1050 ° C. using TMG, TMA, ammonia, silane gas as impurity gas on the obtained buffer layer 101_0.05Ga_0.95An n-type contact layer 102 made of N is grown to a thickness of 4 μm.
[0057]
(Crack prevention layer 103)
Next, using TMG, TMI (trimethylindium), and ammonia, the temperature is set to 900 ° C. and In_0.07Ga_0.93A crack prevention layer 103 made of N is grown to a thickness of 0.15 μm.
[0058]
(N-type cladding layer 104)
Next, the temperature is set to 1050 ° C., TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, and undoped Al_0.05Ga_0.95An A layer made of N is grown to a thickness of 25 mm, then TMA is stopped, silane gas is used as an impurity gas, and Si is 5 × 10 5¹⁸/ Cm³A B layer made of doped GaN is grown to a thickness of 25 mm. This operation is repeated 200 times to obtain a laminated structure of the A layer and the B layer, and an n-type cladding layer made of a multilayer film (superlattice structure) having a total film thickness of 1 μm is grown.
[0059]
(N-type guide layer 105)
Next, at the same temperature, an n-type guide layer 105 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.15 μm using TMG and ammonia as source gases. The n-type guide layer 105 may be doped with n-type impurities.
[0060]
(Active layer 106)
Next, the temperature is set to 900 ° C., TMI (trimethylindium), TMG, and ammonia are used as source gas, silane gas is used as impurity gas, and Si is 5 × 10 5.¹⁸/ Cm³Doped In_0.05Ga_0.95The barrier layer made of N has a thickness of 140 mm, the silane gas is stopped, and undoped In_0.13Ga_0.87A well layer made of N is stacked in a thickness of 40 mm in the order of barrier layer / well layer / barrier layer / well layer, and finally, TMI, TMG and ammonia are used as a barrier layer, and undoped In_0.05Ga_0.95Grow N. The active layer 106 has a multiple quantum well structure (MQW) with a total film thickness of 500 mm.
[0061]
(P-type electron confinement layer 107)
Next, at the same temperature as the active layer, TMA, TMG, and ammonia are used as source gases, and Cp is used as an impurity gas.₂Mg (cyclopentadienylmagnesium) is used and Mg is 1 × 10¹⁹/ Cm³Doped Al_0.3Ga_0.7A p-type electron confinement layer 107 made of N is grown to a thickness of 100 mm.
[0062]
(P-type guide layer 108)
Next, the temperature is set to 1050 ° C., TMG and ammonia are used as source gases, and a p-type guide layer 108 made of undoped GaN is grown to a thickness of 0.15 μm. This p-type guide layer may be doped with p-type impurities.
[0063]
(P-type cladding layer 109)
Next, undoped Al at 1050 ° C._0.05Ga_0.95A layer of N is grown to a thickness of 25 mm, then TMA is stopped, Cp₂Using Mg, a B layer made of Mg-doped GaN is grown to a thickness of 25 mm, and this is repeated 90 times to grow a p-type cladding layer 109 made of a superlattice layer having a total thickness of 0.45 μm. The p-type cladding layer has a superlattice structure in which GaN and AlGaN are stacked. By making the p-type cladding layer 109 a superlattice structure, the Al mixed crystal ratio of the entire cladding layer can be increased, so that the refractive index of the cladding layer itself is reduced and the band gap energy is increased. It is very effective in reducing the value.
[0064]
(P-type contact layer 110)
Finally, at 1050 ° C., on the p-type cladding layer 109, TMG, ammonia, Cp₂Mg is used, and Mg is 1 × 10²⁰/ Cm³A p-type contact layer 110 made of doped p-type GaN is grown to a thickness of 150 mm.
After the completion of the reaction, the wafer is annealed in a reaction vessel at 700 ° C. in a nitrogen atmosphere to further reduce the resistance of the p-type layer.
[0065]
After the annealing, the nitride semiconductor laminated wafer is taken out of the reaction vessel, and the top surface of the p-type contact layer is SiO.₂A protective film is formed, and SiCl is formed using RIE (reactive ion etching).₄Etching with a gas exposes the surface of the n-type contact layer 102 where the n-electrode is to be formed.
[0066]
Next, SiO₂A protective film is formed and CF is used using RIE.₄Etching with gas forms a ridge stripe as a striped waveguide region.
[0067]
Next, after forming the ridge stripe, Zr oxide (mainly ZrO₂Is formed on the p-type guide layer 108 exposed by etching to a thickness of 0.5 μm.
[0068]
A p-type electrode is formed from Ni and Au on the p-type contact layer, and an n-type electrode is formed from Ti and Al on the n-type contact layer exposed by etching. The p-electrode is formed in stripes on the ridge, and is formed in a direction parallel to the n-electrodes that are also formed in stripes.
[0069]
Next, SiO₂And TiO₂Then, a pad electrode made of Ni—Ti—Au (1000Ｔｉ-1000Å-8000Å) was provided on each of the p and n electrodes. At this time, SiO is also applied to the resonator surface (reflection surface side).₂And TiO₂A dielectric multilayer film is provided.
[0070]
The laser element obtained as described above has a threshold value of 2.8 kA / cm at room temperature.², A continuous oscillation laser element with an oscillation wavelength of 405 nm can be obtained at an output of 30 mW. The device lifetime of the obtained laser device can be expected to be 3000 to 20000 hours. .
[0071]
【The invention's effect】
According to the present invention described above, it is possible to provide a thick film substrate in which cracks and chips are suppressed, and it is possible to provide a low dislocation substrate in which threading dislocations on the entire surface of the substrate are uniformly reduced. In addition, by growing an element structure on the nitride semiconductor substrate obtained by the present invention, a nitride semiconductor laser having good lifetime characteristics and the like can be expected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the growth direction of threading dislocations at the growth interface of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a nitride semiconductor laser device showing an embodiment of the present invention.
[Brief description of symbols]
1 ... Board
2 ... Underlayer
3... First nitride semiconductor layer
4 ... Second nitride semiconductor layer
5 ... Third nitride semiconductor layer
6 ... Fourth nitride semiconductor layer
101: Undoped n-type contact layer
102: n-type contact layer
103 ... Crack prevention layer
104 ... n-type cladding layer
105 ... n-type guide layer
106 ... Active layer
107 ... p-type electron confinement layer
108 ... p-type guide layer
109 ... p-type cladding layer
110 ... p-type contact layer

Claims

A nitride semiconductor substrate growth method for growing a nitride semiconductor on a substrate, comprising:
Forming a first nitride semiconductor layer by epitaxial growth on the substrate such that the growth surface has a crater or a convex slope;
Forming a second nitride semiconductor layer by epitaxial growth so as to form a flat surface by filling a height difference due to a crater of the growth surface of the first nitride semiconductor layer or a convex slope;
Forming a third nitride semiconductor layer by epitaxial growth on the second nitride semiconductor layer so that the growth surface has a crater or a convex slope;
Craters of the growth surface of the nitride semiconductor layer of the third, or to fill the height differences due to the slope of the convex and forming a fourth nitride semiconductor layer epitaxially grown so that the flat surface possess,
The nitride semiconductor is characterized in that a height difference of a crater or a convex slope on the growth surface of the first nitride semiconductor layer and / or the third nitride semiconductor layer is 5 μm or more and 100 μm or less. Substrate growth method.

The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the substrate is a dissimilar substrate, and an underlayer is formed between the dissimilar substrate and the first nitride semiconductor layer.

The underlayer comprises at least a first underlayer and a second underlayer, and the first underlayer is at a low temperature of 300 ° C. or higher and 900 ° C. or lower,
The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 2 , wherein the second underlayer is grown at a temperature higher than that of the first underlayer of 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower.

4. The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 3, wherein the first and second underlayers grow nitride semiconductors having different compositions.

5. The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 2, wherein the heterogeneous substrate is removed from the nitride semiconductor substrate.

The first nitride semiconductor layer is grown at a growth rate R1 and a growth temperature T1.
  The second nitride semiconductor layer is grown at a growth rate R2 and a growth temperature T2.
The third nitride semiconductor layer is grown at a growth rate R3 and a growth temperature T3.
  In forming the fourth nitride semiconductor layer at a growth rate R4 and a growth temperature T4,
  6. The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 1, wherein the growth rate has a relationship of R1, R3> R2, R4, and the growth temperature has a relationship of T1, T3 ≦ T2, T4.

7. The method for growing a nitride semiconductor substrate according to claim 6 , wherein R1 and / or R3 is 0.5 mm / hour or more.