JP3642001B2 - 窒化物半導体素子、窒化物半導体結晶の作製方法および窒化物半導体基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶欠陥の少ない窒化物半導体素子、窒化物半導体基板、およびその作製技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いて下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。ところが、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。この結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となることから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。
【０００４】
結晶欠陥の比較的少ないIII族元素窒化物系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種基板上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られている。「応用物理（第６８巻、第７号（１９９９）、第７６８〜７７３頁）」には、低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法の例として以下のようなプロセスが示されている。まず、サファイア等基板上にＡｌＮまたはＧａＮを５００℃付近で堆積し、アモルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成する。これを、1000℃付近に昇温することで一部を蒸発させ、また結晶化することで密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比較的結晶のよいGaN膜が得られると記載されている。しかしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いても、上記文献に記載されているように、貫通転位や空孔パイプなどの結晶欠陥が１０8〜１０11ｃｍ-2程度存在し、現在望まれているような高性能の素子を得るには不充分であった。
【０００５】
そこで、結晶成長用の下地層として厚膜のＧａＮ層を用い、この上に素子部を構成する半導体多層膜を形成する手法が盛んに検討されている。
【０００６】
結晶中の転位の少ないＧａＮ下地層を形成する手法として、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術が知られている。特開平１１−２５１２５３号公報では、このＥＬＯ技術を用いることにより、ウェーハ表面近傍の結晶欠陥が１×１０5個／ｃｍ2以下のＧａＮ基板が得られたとされている。しかしながら、ＥＬＯを用いた場合、ウェーハ表面の全面にわたって結晶欠陥密度を低減することが困難であった。ＥＬＯでは、マスクの開口部からＧａＮが横方向に選択成長する。マスクの形成されている領域では転位が上部に進行することが妨げられるのであるが、開口部では下地層から転位がそのまま引き継がれ、その上部の領域では多くの貫通転位を含む構造となる。したがって、ＥＬＯによる結晶成長では、たしかに結晶欠陥の少ない部分が形成される一方、貫通転位の多い領域も同時に形成され、ウェーハ表面の全面にわたって結晶欠陥を低減させることは困難であった。上記公報の実施例には、表面近傍の結晶欠陥密度をＴＥＭにより観察したところ１×１０4以下であったと記載されているが、このような結晶欠陥の低い領域が形成される一方、多数の結晶欠陥を含む領域も同時に形成される。実際に「Applied Physics Letter Volume 71 1997 pp.2472-2474」には、SiO2マスク上では、ほとんど転位が観察されないが、マスク開口部では108〜109 cm-2の転位が観察されることが報告されている。
【０００７】
一方、本発明者らは、ＥＬＯの手法をさらに発展させたＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）技術を開発している（「応用物理」（第６８巻、第７号、１９９９年、第７７４頁〜第７７９頁））。この技術は、ＳｉＯ2マスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯと共通するが、その際、マスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上部に至る貫通転位を低減するものである。この方法を用いることにより、たとえばサファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後下地基板を除去することにより、結晶欠陥の比較的少ない良質のＧａＮ基板を得ることができ、これを利用することにより、従来よりも優れた性能の発光素子を得ることができる。
【０００８】
また、特開平９−８３０１６号公報には、ＳｉＣ基板上にｘ値が順次小さくなるように組成傾斜したＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層を成長させる構成が開示されている。ＳｉＣはＡｌＮとほぼ同じ格子定数を有し、ＧａＮは、これらよりも大きい格子定数を有する。上記公報記載の技術は、この格子定数の関係を考慮して窒化物半導体層の結晶性を改善するものである。下地基板としてＳｉＣを用い、その上部にＧａＮ層を形成する場合において、ＳｉＣ上に直接ＧａＮを形成すると、両者の界面における格子定数差が大きいため、結晶欠陥が発生する。そこで、上記公報では、ＳｉＣ側からＧａＮ側に向けてＡｌ組成が徐々に低くなるように組成傾斜させ、これによりＳｉＣとＧａＮの格子定数差を徐々に緩和させている。ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層についての具体的構成として、単一層で組成傾斜した構成が示されているほか、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ層０．２μｍ、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ｎ層０．２μｍ、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層０．２μｍ、…、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層０．２μｍ、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層０．２μｍの順に積層された９層からなる多層膜の構成が示されている。このように組成傾斜したＡｌＧａＮ層を形成することにより、この上に形成する窒化物半導体層の結晶性を良好にし、発光出力の高い素子を実現できると記載されている。
【０００９】
この技術は、ＳｉＣ基板とＧａＮ層との間を、格子定数がほぼ連続的に変化するようにすることで両者の格子定数差に起因して生じる歪みを分散させ、歪み集中箇所を解消することにより結晶性を向上させるものである。具体的構成として、ＳｉＣとＡｌＧａＮの格子定数が近いことを利用し、組成傾斜層の最下層を高Ａｌ組成の層を配置している。したがって、この技術は、ＡｌＮとほぼ同一の格子定数を有するＳｉＣ基板を用いた場合に有効な技術なのであって、サファイア等の他の異種基板に適用することは困難である。このような異種基板に適用した場合、組成傾斜層の最下層と異種基板との界面で格子定数の大きく異なる結晶系が隣接することとなり、結晶欠陥が多数発生する。この結晶欠陥は、そのまま上層に引き継がれるため、組成傾斜層の最上層は、結晶欠陥を多数含んだ構造となる。
【００１０】
また、上記公報記載の技術は、組成傾斜により格子定数をほぼ連続的に変化させることによって基板とＧａＮ層の格子定数差に起因して生じる歪みを層構造中に分散させるものであるが、歪みエネルギーそのものの総和を減少させるものではない。したがって、結晶欠陥の低減には一定の限界があり、現在望まれているような水準まで結晶欠陥を低減することは困難である。また、ＳｉＣを用いた場合はＧａＮやＡｌＧａＮとの格子定数差が小さく一定の効果が得られるものの、サファイア等を用いた場合は格子定数差がさらに大きくなり、歪みエネルギー自体が大きくなるため、層構造中に歪みエネルギーを分散させたとしても充分な結晶欠陥の低減を実現することは困難である。
【００１１】
高性能の窒化物半導体素子を得るためには、結晶成長の下地となる基板乃至下地層の結晶欠陥をさらに低減することが望まれているが、上記のように、従来技術においては、下地基板の表面全体にわたる結晶欠陥を低減することは困難であった。
【００１２】
一方、窒化物半導体を用いた半導体レーザにおいては、光閉じ込め率の向上を図る観点からクラッド層の低屈折率化および厚膜化が望まれている。このようにすることによって半導体レーザの閾値をさらに低減して長寿命化を図り、高出力化、レーザビームスポット形状の整形、温度特性の向上を実現することが可能となる。
【００１３】
また、たとえばデジタル・ビデオ・デイスク（ＤＶＤ）用途の半導体レーザにおいては、レーザビームの遠視野像の多スポット化の解消が重要な技術的課題となっている。この現象も光閉じ込め効果が不充分なことに起因するものであり、ここでもクラッド層の低屈折率化および厚膜化による光閉じ込め率の向上が強く望まれている。
【００１４】
窒化物半導体レーザのクラッド層は、通常、ＡｌＧａＮ層が採用されており、光閉じ込め効果を向上させるには、このＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高く、膜厚を厚くしてクラッド層の屈折率を向上させることが有効である。ところが、このようにした場合、結晶成長下地層とＡｌＧａＮ層との間の格子定数の差および熱膨張係数の差に起因してクラッド層にクラックが入りやすくなり、この結果、光閉じ込め効果がかえって低下すすばかりか、素子寿命の低下等をもたらすこととなる。
【００１５】
このようなことから、窒化物半導体素子の設計においては、下地層として格子定数の小さい材料、すなわち、Ａｌ組成の高い材料を用いることが有利となる。下地層の格子定数を大きくした場合、その上部に格子定数の小さい層を配置すると、その層に引っ張り歪みが生じクラックが発生しやすくなる。これに対し、下地層の格子定数を小さくした場合、その上部に格子定数の大きい層を配置すると、その層には圧縮歪みが生じる。一般に、圧縮モードの残留歪みを有する構造体は、引っ張りモードの残留歪みを有する構造体に比べてより高い強度を示す（このことは、いわゆるマシューズの式により知られている）ことから、下地層として格子定数の小さい材料を用いれば、上層の強度を改善することができる。
【００１６】
そこで、結晶成長用の下地層材料として、従来のＧａＮに代え、ＡｌＧａＮを用いれば、上部に形成される半導体層と下地層とのＡｌ組成差が低減され、この結果、上部半導体層中には、圧縮歪み、または、比較的小さい引っ張りひずみが生じることとなる。これにより、上部半導体層中のクラック発生が有効に防止される。
【００１７】
ＡｌＧａＮ下地層を得るための方法としては、従来、▲１▼基板に低温バッファ層を形成した後、その上にＧａＮ層を介してＡｌＧａＮ層を形成する方法と、▲２▼低温バッファ層の上に直接ＡｌＧａＮ層を形成する方法が行われていた。
【００１８】
まず上記▲１▼の方法について述べる。ＧａＮ層を介してＡｌＧａＮ層を形成する場合は、ＧａＮの上にそれより格子定数の小さいＡｌＧａＮ層を形成することとなり、膜厚を厚くするとクラックが発生しやすい。下地のＧａＮに較べてＡｌＧａＮの格子定数がかなり小さいため（例えばSemiconductors and Semimetals Vol48“High Brightness Light Emitting diodes” ed. by G. B. Stringfellow and M. George Craford，1997 by Academic PressのChap.1，Fig.1に記載）、AlGaNには引っ張り歪みが生じるからである。この歪みは、Al組成とともに増大し、例えば、Al0.07Ga0.93N層では0.17％程度となる。また、ＡｌＧａＮ層の厚みが増すにつれ歪みが増大する。このことから、クラック発生は、AlGaN層での歪量と層厚の積がほぼ一定値を超えると急激に増加する。従来技術においては、クラックを生じさせないで成長できるAlGaNの厚さは、せいぜい数μm程度であり、100μm以上にも及ぶ厚膜のAlGaNの成長は不可能であった。また、クラックを生じさせないでＡｌＧａＮ層を成長できたとしても、層中に多くの結晶欠陥が含まれた構造となり、素子性能向上の阻害要因となる上、結晶成長後の工程や素子使用時においてクラックが発生する原因ともなっていた。
【００１９】
次に前記した▲２▼の方法、すなわち、低温バッファ層の上に直接ＡｌＧａＮ層を形成する方法について述べる。この場合においても、クラック発生を防止するためには、ＡｌＧａＮ層の膜厚、Ａｌ組成に一定の制約が課せられる。「Appl.Phys.Letts.Vol.75,No.19,pp2960-2962」には、基板上に設けられた低温バッファ層上に厚さ３μｍのＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ層を形成し、その上部に厚さ１μｍのＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層を形成した窒化物半導体レーザが示されている。このような構造とすることにより、遠視野像での多スポット化が抑制されることが記載されている。
【００２０】
上記公報記載の技術は、Ａｌ組成の低い厚膜のＡｌＧａＮ層の上にＡｌ組成の高いＡｌＧａＮクラッド層を形成し、これらのＡｌＧａＮからなる層の作用により光閉じ込め効果を増大させるものである。Al0.03Ga0.97N層とAl0.06Ga0.94Nクラッド層とのＡｌ組成差による歪みの大きさは0.07％程度であり、この結果クラックが生じにくくなると考えられている。しかしながら、本発明者らの実験によれば、このような二段AlGaN構造を採用してもクラックフリーで100μm以上にも及ぶ厚膜のAlGaNの成長は困難であることが確認された。また、この構造では、クラッド層のアルミ組成や膜厚をさらに増大させることは非常に困難であり、クラッド層の屈折率向上にも一定の制限があった。
【００２１】
以上のように、従来技術においては、下地層としての機能を発揮する程度の厚膜のＡｌＧａＮ層を、クラックを発生させることなく形成することは困難であった。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、現在、素子の高性能化の観点から、窒化物半導体結晶を成長させるための下地層（代表的には下地基板）に関し、転位密度の更なる低減が望まれている。
【００２３】
また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ等の発光素子においては、光閉じ込め率向上のため高Ａｌ組成・大膜厚のＡｌＧａＮクラッド層を実現することが求められており、このようなクラッド層をクラックを発生させることなく作製するため、結晶下地層をＡｌＧａＮにより構成することが望まれている。また、高品質のＡｌＧａＮ下地層が実現できれば、その上に形成される半導体多層膜の材料の選択の幅が増すことから、電子素子においても有用である。
【００２４】
以上のように、▲１▼表面欠陥密度が低く、かつ、▲２▼比較的Ａｌ組成の高い厚膜のＡｌＧａＮ下地層を得ることができれば、従来にない高性能の素子を作製することが可能となる。具体的には、レーザのクラッド層としてAl組成のより高い層構造を成長させることができ、その結果電子・光の閉じ込めが改善され、短波長レーザの特性向上を達成できる。また、電子素子への応用では、AlGaN高抵抗基板の実現による高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制などによるデバイス性能の大幅な向上が期待できる。
【００２５】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、低欠陥密度で、クラック発生が有効に防止され、下地基板を除去して単膜としても使用可能な程度の充分な厚さを有するＡｌＧａＮ層を形成するための技術を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物半導体からなる面内平均格子定数ａの第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護層を介して形成された、窒化物半導体からなる面内平均格子定数ｂ（ｂ＞ａ）の層厚５μｍ以上の第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を備え、該歪み緩和領域の上部に、素子領域を構成する窒化物半導体層が形成されたことを特徴とする窒化物半導体素子、が提供される。
【００２７】
面内平均格子定数とは、第一または第二の単結晶層の層厚方向と垂直な平面内における格子定数の平均値をいう。たとえばサファイアｃ面に成長させたＡｌＧａＮ層を第一の単結晶層とした場合、ａ軸の格子定数が面内平均格子定数となる。なお、第一の単結晶層が層厚方向に組成変化している場合は、格子定数の平均値は、面内平均格子定数を層厚方向に平均した値を意味するものとする。
【００２８】
また本発明によれば、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護層を介して形成された層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を備え、該歪み緩和領域の上部に、素子領域を構成する窒化物半導体層が形成されたことを特徴とする窒化物半導体素子、が提供される。
【００２９】
従来技術の項で説明したように、基板上にＡｌＧａＮ層を成長させる方法として、▲１▼基板に低温バッファ層を形成した後、その上にＧａＮ層を介してＡｌＧａＮ層を形成する方法と、▲２▼低温バッファ層の上に直接ＡｌＧａＮ層を形成する方法が行われていた。このうち▲１▼の方法では、格子定数の関係でＡｌＧａＮ層に引っ張り歪みが生じ、クラックが発生しやすい。また、▲２▼の方法では、低温バッファ層の上に直接形成されたＡｌＧａＮ層中に多くの欠陥が発生し、これがその上部に形成される結晶構造に引き継がれ、良質の結晶成長層を得ることが困難となる。
【００３０】
このような課題に対し、本発明の窒化物半導体素子は、歪み緩和領域を設けることにより課題解決を図っている。
【００３１】
本発明の窒化物半導体素子における歪み緩和領域は、第一の単結晶層の上に、これよりも面内平均格子定数の大きい第二の単結晶層が積層された構造となっている。また第二の単結晶層を５μｍ以上としている。このため、以下のような作用効果を奏する。
【００３２】
第一の効果として、第一の単結晶層が緩衝層として機能するため、第二の単結晶層上に形成される素子領域を構成する窒化物半導体層の歪みを顕著に低減できる。
【００３３】
従来の半導体レーザにおいては、ＬＤ構造を構成するクラッド層、活性層等は、サファイア基板結晶による束縛力を受け、基板結晶との格子定数および熱膨張係数の差に応じて歪みが蓄積される。これは、サファイア基板の厚みが厚いため、基板上の各半導体層が、基板の結晶構造に追随するように形成されていくことによる。ここで、サファイア基板と窒化物半導体との格子不整合は１４％程度と非常に大きいため、窒化物半導体中の内在歪みは大きな値となる。一方、本発明の窒化物半導体素子においては、素子領域を構成する窒化物半導体層は、基板ではなく、主として第二の単結晶層による束縛力を受け、素子領域を構成する半導体層には、第二の単結晶層との格子定数および熱膨張係数の差に応じた歪みが蓄積される。これは、第一の単結晶層中に多くの結晶欠陥が含まれ得ること、および、第一および第二の単結晶層との界面にミスフィット転位が発生することにより、素子領域を構成する窒化物半導体層が基板から受ける束縛力が弱まるためである。したがって、窒化物半導体層との格子定数差等が小さくなるよう、適宜に第二の単結晶層を選択すれば、窒化物半導体中の内在歪みを効果的に低減できるのである。
【００３４】
第二の効果として、第一および第二の単結晶層の界面にミスフィット転位が発生するため、これにより第一の単結晶層に内在する欠陥が第二の単結晶層に伝搬することを防止できる。上記界面には、格子不整合に起因して界面に沿ってミスフィット転位が発生する。このミスフィット転位は、第一の単結晶層から上方に向かって伝搬する転位の進行を遮断する役割を果たす。このため、第一の単結晶層を、歪みエネルギーを開放するべく多くの結晶欠陥を含む構成としても、この結晶欠陥が第二の単結晶層に伝搬することが有効に防止される。
【００３５】
第三の効果として、第二の単結晶層が５μｍ以上の厚膜で形成されているため、第二の単結晶層中で転位が消滅し、表面転位密度を低減することができる。上述したように第一の単結晶層からの転位の伝搬は、ミスフィット転位により遮断されることとなるが、一部の転位はそのまま第二の単結晶層に伝搬する。この転位を消滅させるには、第二の単結晶層の厚みを厚くすることが有効である。厚膜の第二の単結晶層中で転位同士がぶつかって消滅したり、転位の伝搬方向が基板と平行な方向に変化するため、第二の単結晶層表面に貫通する転位が大幅に低減されるからである。この効果は、層成長方法として、ファセット構造を形成しつつ層成長を行うＦＩＥＬＯを採用した場合、一層顕著となる。以上のように、本発明においては第二の単結晶層の厚みを一定以上の値とすることが重要であり、５μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上とする。
【００３６】
第四の効果として、第二の単結晶層の歪みが圧縮モードとなり、第二の単結晶層の結晶欠陥を大幅に低減できる。したがって、この上に素子領域を構成する半導体層を形成した場合、結晶欠陥の少ない半導体層が得られ、従来にない高品質の発光素子、電子素子を実現することが可能となる。また、圧縮歪みがかかることにより、クラックを発生させることなく第二の単結晶層の厚みを増大させることができ、上記したように、第二の単結晶層表面に貫通する転位を大幅に低減できる。
【００３７】
ここで、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層の上に低Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を形成する技術に関しては、従来技術の項で説明したように、特開平９−８３０１６号公報に開示がある。以下、本発明の特徴を明確にするため、この従来技術との差異について説明する。
【００３８】
上記公報記載の技術は、ＳｉＣ基板とＧａＮ層との間に組成傾斜層を設け、格子定数がほぼ連続的に変化するようにすることで、両者の格子定数差に起因して生じる歪みを分散させ、歪み集中箇所を解消することにより結晶性を向上させるものである。このような目的のため、組成傾斜層は、連続的に組成が変化する層、あるいは、膜厚０．２μｍ程度の薄膜が積層されてなる多層構造としている。このようにすることによって、歪み集中箇所の発生を防止している。これに対し本発明は、第一の層と第二の層の間に歪み集中箇所を意図的に導入し、ここにミスフィット転位を生じさせている。このミスフィット転位は、第一の層から第二の層への転位伝搬を抑制する上、歪みエネルギーを開放する機能を有している。このようなミスフィット転位を導入するため、第二の層の厚みを５μｍ以上としている。５μｍ未満では、上記転位伝搬抑制機能、および歪みエネルギー開放機能が発現する程度にミスフィット転位を発生させることが困難となる。また、第二の層の厚みを５μｍ以上とすることにより、第二の単結晶層中で転位同士がぶつかって消滅したり、転位の伝搬方向が基板と平行な方向に変化するため、第二の単結晶層表面に貫通する転位が大幅に低減するという効果も得られる。
【００３９】
以上のように、上記公報記載の技術では、基板と窒化物半導体層との間に生じる歪みエネルギーを組成傾斜層に分散させるものである。一方、本発明は、第一の層中の結晶欠陥およびミスフィット転位により歪みを開放し、歪みエネルギーそのものを低減するものであり、より効果的に結晶欠陥の低減を図ることができる。
【００４０】
本発明の窒化物半導体素子において、第一の単結晶層の厚みをｄ1（μｍ）、第二の単結晶層の厚みをｄ2（μｍ）としたときに、下記式（１）
（ｘ−ｙ）×ｄ1×ｄ2＞０．１ （１）
を満たす構成とすることが好ましい。このようにすれば第一および第二の単結晶層の界面にミスフィット転位を確実に発生させることができ、上述した応力緩和機能がより顕著となる。
【００４１】
本発明の窒化物半導体素子において、第一および第二の単結晶層をＡｌＧａＮからなるものとし、素子領域をＡｌＧａＮクラッド層と活性層とを含む構成とした場合、クラッド層のＡｌ組成や膜厚を厚くすることができ、優れた光閉じ込め効果を得ることができる。従来の窒化物半導体レーザにおいては、クラッド層や活性層を含むＬＤ構造（レーザ構造）を形成する際、異種基板上に低温バッファ層を形成し、その上に直接、またはサブミクロン〜３μｍ程度の厚みのＧａＮ層あるいはＡｌＧａＮ層を介してＬＤ構造を形成していた。このような構造の場合、ＬＤ構造は異種基板の結晶構造に拘束されることとなり、両者の格子定数、熱膨張係数の差に起因して多くの結晶欠陥が発生する。これに対し本発明の窒化物半導体素子では、ＬＤ構造下部に表面欠陥密度の少ない５μｍ以上の厚膜の第二の単結晶層が配置され、さらに、第二の単結晶層の下部に、緩衝層として機能する第一の単結晶層が形成される。このため、第一の単結晶層より下部の層（たとえば異種基板）がＬＤ構造におよぼす拘束力が弱められ、第二の単結晶層により拘束される程度が大きくなる。ここで、第二の単結晶層は、クラッド層と同様にＡｌＧａＮにより構成されているため、両者の格子定数差は小さく、クラッド層の歪みは大幅に低減される。また、第二の単結晶層の欠陥密度が低いため、その上層に位置するクラッド層等に伝搬する欠陥が低減され、この点からもＬＤ構造の品質向上効果が得られる。
【００４２】
また、本発明によれば、基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する工程と、この上に直接、または表面保護層を介して、複数の開口部を有するマスクを形成する工程と、前記複数の開口部を成長領域として、ファセット構造を形成しながらＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上の第二の単結晶層を形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作製方法、が提供される。
【００４３】
この結晶成長方法における「ファセット構造」とは、基板に対して一定の角度をもった平坦な結晶成長面を備えた構造をいう（「応用物理」（第６８巻、第７号、１９９９年、第７７４頁〜第７７９頁））。このようなファセット構造を形成しながらＡｌyＧａ1-yＮ結晶を気相成長させるため、隣接する開口部から成長したＡｌyＧａ1-yＮ結晶が合体して、転移の伝搬方向が基板と平行な方向に変化し、表面転移密度の低い第二の単結晶層が得られる。
【００４４】
また本発明によれば、基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する工程と、この上に直接、または表面保護層を介して、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる種結晶層を形成する工程と、該種結晶層の上に複数のストライプ状開口部を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を形成する工程と、該ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を起点としてＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮからなる第二の単結晶層を形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作製方法、が提供される。
【００４５】
これらの窒化物半導体結晶の作製方法によれば、表面欠陥密度の低いＡｌＧａＮ層を厚膜で形成することができる。具体的には、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下のＡｌＧａＮ層を形成できる。また、本発明では、第二の単結晶層の素子形成面結晶欠陥密度を低くするために層厚を５μｍ以上としているが、この方法によれば、３０μｍ以上、さらには１００μｍ以上の厚膜としても低欠陥密度を維持することができる。
【００４６】
さらに本発明によれば、層厚４０μｍ以上のＡｌＧａＮ層を含み、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下であることを特徴とする窒化物半導体基板、が提供される。
【００４７】
この窒化物半導体基板は、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が低く、また、層厚４０μｍ以上のＡｌＧａＮ層を含むため、その上に成長させる窒化物半導体層の結晶欠陥を大幅に低減できる上、これらの窒化物半導体層に内在する歪みエネルギーを効果的に低減できる。このため、従来にない高性能の窒化物半導体素子を作製することができる。
【００４８】
特に本発明の窒化物半導体基板を半導体レーザ等に適用した場合、高Ａｌ組成・大膜厚のＡｌＧａＮクラッド層をクラックを発生させることなく作製することができ、半導体レーザの閾値をさらに低減して長寿命化を図り、高出力化、レーザビームスポット形状の整形、温度特性の向上を実現することができる。また、電子素子へ適用した場合には、高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制が図られ、デバイス性能を大幅に向上させることができる。
【００４９】
本発明の窒化物半導体基板は、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下である。平均結晶欠陥密度とは、素子形成面全体について測定した結晶欠陥密度の平均値である。結晶欠陥とは、種々のモードの転位その他の欠陥を含むものである。ＥＬＯを用いた手法では、マスクの設けられた領域の内の一部の領域において、結晶欠陥が非常に少なくなる。しかしながら、マスク開口部近傍においては結晶欠陥が多くなり、本発明において規定する「素子形成面全体の平均結晶欠陥密度」は、比較的大きい値となる。
【００５０】
上記のような素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下のＡｌＧａＮ基板の具体的実現手段として、たとえば、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層と、この上に直接または表面保護層を介して形成された層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を形成することが挙げられる。この歪み緩和領域の作用については前記したとおりである。この場合、第二の単結晶層の厚みを３０μｍ以上とすることが好ましい。また、第一の単結晶層の厚みをｄ1（μｍ）、第二の単結晶層の厚みをｄ2（μｍ）としたときに、下記式（１）
（ｘ−ｙ）×ｄ1×ｄ2＞０．１ （１）
を満たす構成とすることが好ましい。このようにすれば歪み緩和効果がより顕著となり、表面欠陥密度を一層確実に低減することができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
本発明において、第一および第二の単結晶層をＡｌＧａＮ層とした場合、第一の単結晶層の緩衝層としての機能をより顕著とするためには、以下のような構成とすることが好ましい。
【００５２】
たとえば、第一の単結晶層を、低温バッファ層の上に形成した構成とすることが有効である。低温バッファ層とは、４００〜７００℃で成長させた窒化物半導体層であり、たとえばＧａＮ層、ＡｌＮ層等が挙げられる。このような構成とすることにより、ＡｌＧａＮからなる第一の単結晶層中に多くの結晶欠陥が含まれることとなり、この結果、第一の単結晶層の緩衝層としての機能がより向上する。
【００５３】
また、第一の単結晶層のＡｌ組成を、好ましくは０．０４以上、より好ましくは０．０７以上とすれば、ＡｌＧａＮからなる第一の単結晶層中に多くの結晶欠陥が含まれることとなり、第一の単結晶層の緩衝層としての機能がより向上する。このような高Ａｌ組成の層は、成長時に多くの欠陥を含みやすく、特に、下地層が低温バッファ層である場合、欠陥の発生が顕著となる。
【００５４】
また、第一の単結晶を一定以上の厚みとすることも有効である。たとえば、好ましくは０．３μｍ以上、より好ましくは０．７μｍ以上とする。ＡｌＧａＮからなる第一の単結晶層を、このような厚膜で形成した場合、成長時に多くの欠陥を含みやすく、特に、下地層が低温バッファ層である場合、欠陥の発生が顕著となる。
【００５５】
以上のような構成を採用すれば、緩衝層としての機能がより顕著となって素子領域を構成する窒化物半導体層が異種基板等から受ける束縛力が弱まり、窒化物半導体層中の内在歪みを一層低減できる。
【００５６】
本発明における第二の単結晶層は、ＦＩＥＬＯあるいはペンディオエピタキシにより形成することが好ましい。
【００５７】
ＦＩＥＬＯは、前述したように、複数の開口部を有するマスクを形成し、開口部を成長領域としてファセット構造を形成しながらＡｌyＧａ1-yＮ結晶を気相成長させる方法である。隣接する開口部から成長したＡｌyＧａ1-yＮ結晶が合体して、転移の伝搬方向が基板と平行な方向に変化し、表面転移密度の低い第二の単結晶層が得られる。また、FIELOを用いて５０μm以上の膜厚を有する第二の単結晶層を成長させると、ELO成長で観察される転位のマスク開口部とマスク上との極端な分布はなくなり、表面全体に亘って転位が均一に分布し、しかも転位密度の低い結晶を得ることができる。この転位密度の分布のもっとも簡単な測定方法は、表面に転位が突き出した部分を化学溶液によって選択的にエッチングし、形成された窪み（これをエッチピットと呼ぶ）の密度を光学顕微鏡、あるいは、走査型電子顕微鏡を用いて計数することである。これによって、転位密度、および分布が容易に測定できる。
【００５８】
また、結晶性の評価として、このエッチピットの観察の他に、二結晶法によるX線ロッキングカーブの半値幅が用いても調べることができる。この半値幅は通常の手法で、サファイア基板上にGaNをバッファ層としてA成長したAlGaN結晶では、５−６分程度と広いものである。この半値幅は、結晶性の改善、特に転位の削減によって小さくなるので結晶性の評価にしばしば用いられる。
【００５９】
ペンディオエピタキシに関しては、文献「Ｔｓｖｅｔａｎｋａｓ、Ｚｈｅｌｅｖａ，ｅｔ．ａｌ．，ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．４Ｓ１、Ｇ３，３８（１９９９）」に詳述されている。本発明に係る層構造の形成にこの方法を適用する場合、たとえば以下のような工程となる。まず、基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する。次いでこの上にＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる種結晶層を形成する。この種結晶層の上に複数のストライプ状開口部を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を形成する。そして、これを起点としてＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮからなる第二の単結晶層を形成する。
【００６０】
本発明における第二の単結晶層は、層中で新たな結晶欠陥を生じさせない構造とすることが重要となるため、層中に組成不連続面を有しないことが好ましい。すなわち、第二の単結晶層は、実質的に単一組成からなるものか、または連続的に組成が変化するものであることが好ましい。第二の単結晶層中にＡｌ組成比差が０．１以上となる極端な組成不連続面が形成されることは好ましくない。転位の導入が多くなり結晶性が悪化するからである。なお、第二の単結晶層をＡｌＧａＮからなるものとし、層中で連続的に組成を変化させた構成とする場合は、第二の単結晶層の下面と上面とのＡｌ組成差は、たとえば０．０５以下とすることが好ましい。
【００６１】
本発明において、第一の単結晶層と第二の単結晶層との界面に、格子定数の不連続面を形成することが好ましい。たとえば、第一の単結晶層と第二の単結晶層の界面に、Ａｌ組成の不連続面を形成することが好ましい。このようにすれば、第二のＡｌＧａＮ層の結晶欠陥がより安定的に低減される。Ａｌ組成差は、第一および第二の単結晶層の層厚にもよるが、たとえば０．０２以上とすることが好ましく、０．０４以上とすることがより好ましい。
【００６２】
本発明において、第一の単結晶層をＡｌＧａＮにより構成する場合、その表面に薄い膜厚の表面保護層を設けても良い。このようにすればマスクを形成する等して第二の単結晶層の成長させる際、第一の単結晶層の表面酸化を防止できる。表面保護層としてはＧａＮ層等が用いられ、膜厚はたとえば０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下とする。また、このような表面酸化を防止するためには、第一の単結晶層の表面Ａｌ組成を、第一の単結晶層全体の平均Ａｌ組成よりも低くすることも有効である。なお、本発明を半導体レーザに適用する場合において、上記ＧａＮ層をコンタクト層とすれば、コンタクト抵抗の低減を図ることができるという利点も得られる。
【００６３】
本発明において、素子領域を構成する窒化物半導体層の面内平均格子定数は、第一の単結晶層の面内平均格子定数と略等しいか、これよりも大きくすることが好ましい。このようにすれば窒化物半導体層中の歪みがゼロに近くなるか、または圧縮モード歪みとなるため、クラックが発生しにくくなる。これにより、素子寿命を大幅に向上できる等、素子性能の向上が図られる。
【００６４】
次に本発明の好ましい実施形態について、図１を参照して説明する。
【００６５】
図１は、本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。結晶成長用基板としてサファイアｃ面（（０００１）面）を用い、この上にAlGaN層を成長させた構成となっている。この基板の作製方法について説明する。まず、サファイア基板１１上に、500℃で、約30nm膜厚のGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。その後、1070℃に昇温して、Al7％を含むAl0.07Ga0.93NからなるAlGaN層１３を約１m成長させたのち、Al0.05Ga0.95NからなるAlGaN層１４を100μｍ成長する。これにより、クラックのない高品質のAlGaN層１４を得ることができる。
【００６６】
Al0.07Ga0.93NからなるAlGaN層１３（第一の単結晶層）では、サファイアとの格子不整合が緩和されて、ほぼ歪みのないAlGaN層が成長しているが、Al組成が比較的高く、また欠陥密度も高い。このため、この層を１μｍ以上の膜厚に成長させるとクラックが生じることが確認されている。
【００６７】
そこで、本実施形態では、この上にAl濃度の低いAlGaN層１４（第二の単結晶層）を成長させている。これによりクラックを発生させることなく100μｍ以上の厚膜成長が可能としている。第一のAlGaN層と第二のAlGaN層には圧縮歪みがかかり、クラックを発生させないで厚膜結晶を成長することが可能となる。
【００６８】
このAlGaN層１４上に素子領域を構成する窒化物半導体層を形成することにより、本発明の窒化物半導体素子を作製することができる。この窒化物半導体素子においては、素子領域を構成する窒化物半導体層結晶は、サファイア基板１１ではなく、主としてAlGaN層１４による束縛力を受け、AlGaN層１４との格子定数および熱膨張係数の差に応じた歪みが蓄積されることとなる。これは、AlGaN層１３（第一の単結晶層）が多くの結晶欠陥を含む構造となっていること、および、AlGaN１３とAlGaN層１４の界面にミスフィット転位が発生することにより、基板の束縛力がAlGaN層１３中で緩和されるためである。
【００６９】
ここで、AlGaN層１３が多くの結晶欠陥を含むのは、GaNからなる低温バッファー層１２との格子定数の相違に起因するものであり、AlGaN層１３とAlGaN層１４の界面にミスフィット転位が発生するのは、両層の格子定数の相違および両層の厚みが一定以上となっていることに起因するものである。
【００７０】
本実施形態に係る窒化物半導体基板は、AlGaN層１３（第一の単結晶層）のＡｌ組成をｘ、厚みをｄ1（μｍ）とし、AlGaN層１４（第二の単結晶層）のＡｌ組成をｙ、厚みをｄ2（μｍ）としたときに、
（ｘ−ｙ）×ｄ1×ｄ2＝２
（ｘ＝０．０７、ｙ＝０．０５、ｄ1＝１（μｍ）、ｄ2＝１００（μｍ））となっている。このため、第一の単結晶層と第二の単結晶層の間の界面に、転位伝搬抑制機能および歪みエネルギー開放機能が発現する程度にミスフィット転位を発生させることができる。
【００７１】
【実施例】
＜実施例1＞
本実施例では、図１に示す構造の窒化物半導体基板を作製した。基板結晶として、（0001）面のサファイア基板を用いて、III族原料に有機金属を用いる有機金属化学気相成長法（MOVPE）および、塩化ガリウム（GaCl）を用いるハイドライドVPE法（HVPE）によってAlGaN層を形成した。
【００７２】
サファイア基板11（（0001）面）を常圧MOVPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら1080℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃の温度に降温して、トリメチルガリウム（TMG）とアンモニア（NH3）ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/minで供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。
【００７３】
次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してから、トリメチルアルミニウム（TMA）、TMGをそれぞれ9 μmol/min、80μmol/minで供給し、膜厚1μmのAl0.1Ga0.9Nからなる第一のAlGaN13を形成する。次に、TMＡ、および、TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスおよびN2ガスを供給しながら降温する。
【００７４】
次に、上記結晶を塩化水素（HCl）/ガリウム（Ga）、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア（NH3）、水素（H2)を原料とするＨＶＰＥ装置にセットする。H2キャリアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発させ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層１４の成長を行う。5時間の成長で300μｍの厚さのAlGaN層が成長する。 Al組成は、X線回折測定から0.04であった。成長後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッチピットを調べたところ、7×106／cm2と低い値が得られた。このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均一であった。また、本手法で成長した第二のAlGaN層表面には全くクラックが観察されなかった。
【００７５】
本実施例では、Al組成として、第一のAlGaN層のAl組成として0.1、第二のAlGaN層のAl組成として0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得られる。さらに、ｎ型、またはp型の不純物を添加しても同様な効果が得られる。
【００７６】
＜実施例２＞
本実施例では、図２に示す構造の窒化物半導体基板を作製した。実施例１と同様に基板結晶として、サファイア基板を用いて、III族原料に有機金属を用いる有機金属化学気相成長法（MOVPE）および、塩化ガリウム（GaCl）を用いるハイドライドVPE法（HVPE）によってAlGaN層を形成した。本実施例では、ラテラルオーバー成長によって第二のAlGaN層を形成した。
【００７７】
サファイア基板（0001）面11を常圧MOVPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら1080℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃の温度に降温して、トリメチルガリウム（TMG）とアンモニア（NH3）ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/minで供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。
【００７８】
次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してから、トリメチルアルミニウム（TMA）、TMGをそれぞれ9 μmol/min、80μmol/minで供給し、Al0.1Ga0.9Nからなる膜厚1μmの第一のAlGaN層13を形成する。次に、TMＡ、および、TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスおよびN2ガスを供給しながら降温する。
【００７９】
この成長結晶を装置から取り出し、第一のAlGaN層13上に、0.5μmの厚さのSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチングによりストライプ状のマスク２１を形成する。マスク幅、および開口部幅は、それぞれ2μm、及び1μmである。
【００８０】
上記結晶を塩化水素（HCl）/ガリウム（Ga）、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア（NH3）、水素（H2)を原料とするＨVPE装置にセットする。H2キャリアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、上記結晶を1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発させ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層２２の成長を行う。この成長では、開口部から成長が始まり、開口部にAlGaNのファセットが形成される。成長時間とともに、マスク２１上にラテラル成長が進み、隣接する開口部から成長したAlGaNファセット同士が合体する。その後平坦な表面を有するAlGaN層２２が形成される。5時間の成長で250μｍの厚さのAlGaN層２２が成長した。 Al組成は、X線回折測定、および表面のフォトルミネッセンスピーク測定から0.04であることがわかった。成長後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッチピットを調べたところ、5×106／cm2と低い値が得られた。このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均一であり、従来のELO成長に見られたマスクパターンに起因する分布は観察されなかった。また、本手法で成長した第二のAlGaN層表面には全くクラックが観察されなかった。
【００８１】
本実施例では、Al組成として、第一のAlGaN層のAl組成として0.1、第一のAlGaN層のAl組成として0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得られる。さらに、ｎ型、またはp型の不純物を添加しても同様な効果が得られる。
【００８２】
＜実施例３＞
本実施例では、図３に示す構造の窒化物半導体基板を作製した。実施例２と同様に、基板結晶としてサファイア基板を用いて、III族原料に有機金属を用いる有機金属化学気相成長法（MOVPE）および、塩化ガリウム（GaCl）を用いるハイドライドVPE法（HVPE）によってAlGaN層を形成した。本実施例では、第一のAlGaN層上に薄いGaN層を形成し、その上にラテラルオーバー成長によって第二のAlGaN層を形成する。
【００８３】
サファイア基板11（（0001）面）を常圧MOVPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら1080℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃の温度に降温して、トリメチルガリウム（TMG）とアンモニア（NH3）ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/minで供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。
【００８４】
次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してから、トリメチルアルミニウム（TMA）、TMGをそれぞれ9 μmol/min、80μmol/minで供給し、Al0.1Ga0.9Nからなる膜厚1μmの第一のAlGaN層13を形成する。この成長が終了後、TMAの供給を停止して、GaN層３１のみを50nmの厚さに成長させた。その後TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスおよびN2ガスを供給しながら降温する。
【００８５】
この成長結晶を装置から取り出し、第一のAlGaN層13上に、0.5μmの厚さのSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチングによりストライプ状のマスク２１を形成する。マスク幅、および開口部幅は、それぞれ2μm、及び1μmである。
【００８６】
上記結晶を塩化水素（HCl）/ガリウム（Ga）、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア（NH3）、水素（H2)を原料とするＨVPE装置にセットする。H2キャリアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、上記結晶を1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発させ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層３２の成長を行う。この成長では、開口部から成長が始まり、開口部にAlGaNのファセットが形成される。成長時間とともに、マスク２１上にラテラル成長が進み、隣接する開口部から成長したAlGaNファセット同士が合体する。その後平坦な表面を有するAlGaN層3２が形成される。5時間の成長で250μｍの厚さのAlGaN層３２が成長した。Al組成は、X線回折測定、および表面のフォトルミネッセンスピーク測定から0.04であることがわかった。
【００８７】
成長後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッチピットを調べたところ、１×106／cm2と低い値が得られた。このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均一であり、従来のELO成長に見られたマスクパターンに起因する分布は観察されなかった。また結晶性を評価するために二結晶法によるX線ロッキングカーブの半値幅を調べたところ、１．２分と非常に狭く、非常に結晶性に優れていることがわかった。また、本手法で成長した第二のAlGaN層表面には全くクラックが観察されなかった。
【００８８】
本実施例では、Al組成として、第一のAlGaN層のAl組成として0.1、第一のAlGaN層のAl組成として0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得られる。さらに、ｎ型、またはp型の不純物を添加しても同様な効果が得られる。
【００８９】
＜実施例６＞
本実施例は、サファイア基板上にAlGaN層を形成した後、その上に半導体レーザを構成する各半導体層を形成した例を示すものである。
【００９０】
図４は、サファイア基板11（（0001）面）上に、実施例１と同様の方法により、GaNからなる低温バッファー層１２を介して、珪素（Si）がｎ型不純物として添加された第一のAl0.1Ga0.9N層（膜厚１m）81と、同様にSiがｎ型不純物として添加された第二のAl0.04Ga0.96N層（膜厚300 m）82とを形成し、その基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて半導体層を積層して形成された窒化ガリウム系レーザの概略断面図である。
【００９１】
ＧａＮ系半導体レーザ構造は、図４で示した第二のAlGaN層まで成長した基板をＭＯＣＶＤ装置にセットし、水素雰囲気で成長温度１０５０℃に昇温する。６５０℃の温度からＮＨ3ガス雰囲気にする。Siを添加した0.4m の厚さのｎ型Al0.15Ga0.85Ｎクラッド層83、Ｓｉを添加した０．１μｍの厚さのｎ型ＧａＮ光ガイド層84、２．５ｎｍの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と５ｎｍの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層85、マグネシウム（Ｍｇ）を添加した２０ｎｍの厚さのｐ型Al0.2Ga0.8Ｎ層86、Ｍｇを添加した０．１μｍの厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層87、Ｍｇを添加した０．４μｍの厚さのｐ型Al0.15Ga0.85Nクラッド層88、Ｍｇを添加した０．５μｍの厚さのｐ型ＧａＮコンタクト層89を順次形成しレーザー構造を作製した。ｐ型ＧａＮコンタクト層89を形成した後は、ＨＮ3ガス雰囲気で常温まで冷却し、成長装置より取り出す。２．５ｎｍの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と５ｎｍの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる多重量子井戸構造活性層85は、７８０℃の温度で形成した。
【００９２】
次に、レーザー構造を形成した結晶を研磨器にセットし、サファイア基板１１から第一のAlGaN層８１、第二のAlGaN層８２の一部を含んで５０μｍ程度研磨する。露出したAlGaN層８２面には、チタン（Ti）／アルミニウム（Al）のｎ型電極９２を形成し、ｐ型のＧａＮ層８９上には電流狭搾のためにSiO2膜９０を形成して、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）のｐ型電極９１を作製した（図５）。
【００９３】
上記構成の半導体レーザを構成する各半導体層は、結晶性が良好であり、欠陥も少なかった。また、歩留まりが良好で、製造安定性に優れており、閾値電流密度3kA/cm2、閾値電圧5Vで室温連続発振が得られた。
【００９４】
本実施例では、AlGaN層82上にレーザー構造形成してから、サファイア基板１１から第一のAlGaN層８１、第二のAlGaN層８２の一部を研磨したが、レーザー構造を作製する前に、サファイア基板１１から第一のAlGaN層８１、第二のAlGaN層８２の一部を研磨しても同様な効果が得られる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の窒化物半導体素子は、面内平均格子定数ａの第一の単結晶層と、この上に形成された窒化物半導体からなる面内平均格子定数ｂ（ｂ＞ａ）の層厚５μｍ以上の第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を備え、この上に素子領域を設けた構成としている。このため、素子領域を構成する窒化物半導体層の歪みを顕著に低減できる。また、第二の単結晶層の表面転移密度が低いため、欠陥の少ない素子領域を実現することができる。
【００９６】
このため、発光素子においては素子寿命を大幅に改善できる等の利点が得られ、さらに、半導体レーザに適用する場合、クラッド層のＡｌ組成を高く、膜厚を厚くすることができ、光閉じ込め率を改善することができる。また、電子素子においては、高周波特性の改善や基板への電子漏れの抑制が図られる。
【００９７】
また、本発明の窒化物半導体結晶の作製方法によれば、第一および第二の単結晶層を含む歪み緩和領域を好適に形成することができる。
【００９８】
さらに本発明の窒化物半導体基板は、表面欠陥密度が低く、かつ、ＡｌＧａＮ層を一定以上含む構成となっているため、この基板上に素子領域を形成した場合、歪みや欠陥が顕著に低減され、従来にない高い性能の素子を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体レーザの断面図である。
【図５】本発明に係る窒化物半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１１ サファイア基板
１２ 低温バッファー層
１３ AlGaN層
１４ AlGaN層
２１ マスク
２２ AlGaN層
２３ Al0.06Ga0.94Nクラッド層
３１ ＧａＮ層
３２ AlGaN層
８１ Al0.1Ga0.9N層
８２ Al0.04Ga0.96N層
８３ ｎ型Al0.15Ga0.85Ｎクラッド層
８４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
８５ 多重量子井戸構造活性層
８６ ｐ型Al0.2Ga0.8Ｎ層
８７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
８８ ｐ型Al0.15Ga0.85Nクラッド層
８９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
９０ SiO2膜
９１ ｐ型電極
９２ ｎ型電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶欠陥の少ない窒化物半導体素子、窒化物半導体基板、およびその作製技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いて下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。ところが、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。この結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となることから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。
【０００４】
結晶欠陥の比較的少ないIII族元素窒化物系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種基板上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られている。「応用物理（第６８巻、第７号（１９９９）、第７６８〜７７３頁）」には、低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法の例として以下のようなプロセスが示されている。まず、サファイア等基板上にＡｌＮまたはＧａＮを５００℃付近で堆積し、アモルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成する。これを、1000℃付近に昇温することで一部を蒸発させ、また結晶化することで密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比較的結晶のよいGaN膜が得られると記載されている。しかしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いても、上記文献に記載されているように、貫通転位や空孔パイプなどの結晶欠陥が１０8〜１０11ｃｍ-2程度存在し、現在望まれているような高性能の素子を得るには不充分であった。
【０００５】
そこで、結晶成長用の下地層として厚膜のＧａＮ層を用い、この上に素子部を構成する半導体多層膜を形成する手法が盛んに検討されている。
【０００６】
結晶中の転位の少ないＧａＮ下地層を形成する手法として、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術が知られている。特開平１１−２５１２５３号公報では、このＥＬＯ技術を用いることにより、ウェーハ表面近傍の結晶欠陥が１×１０5個／ｃｍ2以下のＧａＮ基板が得られたとされている。しかしながら、ＥＬＯを用いた場合、ウェーハ表面の全面にわたって結晶欠陥密度を低減することが困難であった。ＥＬＯでは、マスクの開口部からＧａＮが横方向に選択成長する。マスクの形成されている領域では転位が上部に進行することが妨げられるのであるが、開口部では下地層から転位がそのまま引き継がれ、その上部の領域では多くの貫通転位を含む構造となる。したがって、ＥＬＯによる結晶成長では、たしかに結晶欠陥の少ない部分が形成される一方、貫通転位の多い領域も同時に形成され、ウェーハ表面の全面にわたって結晶欠陥を低減させることは困難であった。上記公報の実施例には、表面近傍の結晶欠陥密度をＴＥＭにより観察したところ１×１０4以下であったと記載されているが、このような結晶欠陥の低い領域が形成される一方、多数の結晶欠陥を含む領域も同時に形成される。実際に「Applied Physics Letter Volume 71 1997 pp.2472-2474」には、SiO2マスク上では、ほとんど転位が観察されないが、マスク開口部では108〜109 cm-2の転位が観察されることが報告されている。
【０００７】
一方、本発明者らは、ＥＬＯの手法をさらに発展させたＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）技術を開発している（「応用物理」（第６８巻、第７号、１９９９年、第７７４頁〜第７７９頁））。この技術は、ＳｉＯ2マスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯと共通するが、その際、マスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上部に至る貫通転位を低減するものである。この方法を用いることにより、たとえばサファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後下地基板を除去することにより、結晶欠陥の比較的少ない良質のＧａＮ基板を得ることができ、これを利用することにより、従来よりも優れた性能の発光素子を得ることができる。
【０００８】
また、特開平９−８３０１６号公報には、ＳｉＣ基板上にｘ値が順次小さくなるように組成傾斜したＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層を成長させる構成が開示されている。ＳｉＣはＡｌＮとほぼ同じ格子定数を有し、ＧａＮは、これらよりも大きい格子定数を有する。上記公報記載の技術は、この格子定数の関係を考慮して窒化物半導体層の結晶性を改善するものである。下地基板としてＳｉＣを用い、その上部にＧａＮ層を形成する場合において、ＳｉＣ上に直接ＧａＮを形成すると、両者の界面における格子定数差が大きいため、結晶欠陥が発生する。そこで、上記公報では、ＳｉＣ側からＧａＮ側に向けてＡｌ組成が徐々に低くなるように組成傾斜させ、これによりＳｉＣとＧａＮの格子定数差を徐々に緩和させている。ＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）層についての具体的構成として、単一層で組成傾斜した構成が示されているほか、Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ｎ層０．２μｍ、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ｎ層０．２μｍ、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｎ層０．２μｍ、…、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層０．２μｍ、Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層０．２μｍの順に積層された９層からなる多層膜の構成が示されている。このように組成傾斜したＡｌＧａＮ層を形成することにより、この上に形成する窒化物半導体層の結晶性を良好にし、発光出力の高い素子を実現できると記載されている。
【０００９】
この技術は、ＳｉＣ基板とＧａＮ層との間を、格子定数がほぼ連続的に変化するようにすることで両者の格子定数差に起因して生じる歪みを分散させ、歪み集中箇所を解消することにより結晶性を向上させるものである。具体的構成として、ＳｉＣとＡｌＧａＮの格子定数が近いことを利用し、組成傾斜層の最下層を高Ａｌ組成の層を配置している。したがって、この技術は、ＡｌＮとほぼ同一の格子定数を有するＳｉＣ基板を用いた場合に有効な技術なのであって、サファイア等の他の異種基板に適用することは困難である。このような異種基板に適用した場合、組成傾斜層の最下層と異種基板との界面で格子定数の大きく異なる結晶系が隣接することとなり、結晶欠陥が多数発生する。この結晶欠陥は、そのまま上層に引き継がれるため、組成傾斜層の最上層は、結晶欠陥を多数含んだ構造となる。
【００１０】
また、上記公報記載の技術は、組成傾斜により格子定数をほぼ連続的に変化させることによって基板とＧａＮ層の格子定数差に起因して生じる歪みを層構造中に分散させるものであるが、歪みエネルギーそのものの総和を減少させるものではない。したがって、結晶欠陥の低減には一定の限界があり、現在望まれているような水準まで結晶欠陥を低減することは困難である。また、ＳｉＣを用いた場合はＧａＮやＡｌＧａＮとの格子定数差が小さく一定の効果が得られるものの、サファイア等を用いた場合は格子定数差がさらに大きくなり、歪みエネルギー自体が大きくなるため、層構造中に歪みエネルギーを分散させたとしても充分な結晶欠陥の低減を実現することは困難である。
【００１１】
高性能の窒化物半導体素子を得るためには、結晶成長の下地となる基板乃至下地層の結晶欠陥をさらに低減することが望まれているが、上記のように、従来技術においては、下地基板の表面全体にわたる結晶欠陥を低減することは困難であった。
【００１２】
一方、窒化物半導体を用いた半導体レーザにおいては、光閉じ込め率の向上を図る観点からクラッド層の低屈折率化および厚膜化が望まれている。このようにすることによって半導体レーザの閾値をさらに低減して長寿命化を図り、高出力化、レーザビームスポット形状の整形、温度特性の向上を実現することが可能となる。
【００１３】
また、たとえばデジタル・ビデオ・デイスク（ＤＶＤ）用途の半導体レーザにおいては、レーザビームの遠視野像の多スポット化の解消が重要な技術的課題となっている。この現象も光閉じ込め効果が不充分なことに起因するものであり、ここでもクラッド層の低屈折率化および厚膜化による光閉じ込め率の向上が強く望まれている。
【００１４】
窒化物半導体レーザのクラッド層は、通常、ＡｌＧａＮ層が採用されており、光閉じ込め効果を向上させるには、このＡｌＧａＮ層のＡｌ組成を高く、膜厚を厚くしてクラッド層の屈折率を向上させることが有効である。ところが、このようにした場合、結晶成長下地層とＡｌＧａＮ層との間の格子定数の差および熱膨張係数の差に起因してクラッド層にクラックが入りやすくなり、この結果、光閉じ込め効果がかえって低下すすばかりか、素子寿命の低下等をもたらすこととなる。
【００１５】
このようなことから、窒化物半導体素子の設計においては、下地層として格子定数の小さい材料、すなわち、Ａｌ組成の高い材料を用いることが有利となる。下地層の格子定数を大きくした場合、その上部に格子定数の小さい層を配置すると、その層に引っ張り歪みが生じクラックが発生しやすくなる。これに対し、下地層の格子定数を小さくした場合、その上部に格子定数の大きい層を配置すると、その層には圧縮歪みが生じる。一般に、圧縮モードの残留歪みを有する構造体は、引っ張りモードの残留歪みを有する構造体に比べてより高い強度を示す（このことは、いわゆるマシューズの式により知られている）ことから、下地層として格子定数の小さい材料を用いれば、上層の強度を改善することができる。
【００１６】
そこで、結晶成長用の下地層材料として、従来のＧａＮに代え、ＡｌＧａＮを用いれば、上部に形成される半導体層と下地層とのＡｌ組成差が低減され、この結果、上部半導体層中には、圧縮歪み、または、比較的小さい引っ張りひずみが生じることとなる。これにより、上部半導体層中のクラック発生が有効に防止される。
【００１７】
ＡｌＧａＮ下地層を得るための方法としては、従来、▲１▼基板に低温バッファ層を形成した後、その上にＧａＮ層を介してＡｌＧａＮ層を形成する方法と、▲２▼低温バッファ層の上に直接ＡｌＧａＮ層を形成する方法が行われていた。
【００１８】
まず上記▲１▼の方法について述べる。ＧａＮ層を介してＡｌＧａＮ層を形成する場合は、ＧａＮの上にそれより格子定数の小さいＡｌＧａＮ層を形成することとなり、膜厚を厚くするとクラックが発生しやすい。下地のＧａＮに較べてＡｌＧａＮの格子定数がかなり小さいため（例えばSemiconductors and Semimetals Vol48“High Brightness Light Emitting diodes” ed. by G. B. Stringfellow and M. George Craford，1997 by Academic PressのChap.1，Fig.1に記載）、AlGaNには引っ張り歪みが生じるからである。この歪みは、Al組成とともに増大し、例えば、Al0.07Ga0.93N層では0.17％程度となる。また、ＡｌＧａＮ層の厚みが増すにつれ歪みが増大する。このことから、クラック発生は、AlGaN層での歪量と層厚の積がほぼ一定値を超えると急激に増加する。従来技術においては、クラックを生じさせないで成長できるAlGaNの厚さは、せいぜい数μm程度であり、100μm以上にも及ぶ厚膜のAlGaNの成長は不可能であった。また、クラックを生じさせないでＡｌＧａＮ層を成長できたとしても、層中に多くの結晶欠陥が含まれた構造となり、素子性能向上の阻害要因となる上、結晶成長後の工程や素子使用時においてクラックが発生する原因ともなっていた。
【００１９】
次に前記した▲２▼の方法、すなわち、低温バッファ層の上に直接ＡｌＧａＮ層を形成する方法について述べる。この場合においても、クラック発生を防止するためには、ＡｌＧａＮ層の膜厚、Ａｌ組成に一定の制約が課せられる。「Appl.Phys.Letts.Vol.75,No.19,pp2960-2962」には、基板上に設けられた低温バッファ層上に厚さ３μｍのＡｌ0.03Ｇａ0.97Ｎ層を形成し、その上部に厚さ１μｍのＡｌ0.06Ｇａ0.94Ｎクラッド層を形成した窒化物半導体レーザが示されている。このような構造とすることにより、遠視野像での多スポット化が抑制されることが記載されている。
【００２０】
上記公報記載の技術は、Ａｌ組成の低い厚膜のＡｌＧａＮ層の上にＡｌ組成の高いＡｌＧａＮクラッド層を形成し、これらのＡｌＧａＮからなる層の作用により光閉じ込め効果を増大させるものである。Al0.03Ga0.97N層とAl0.06Ga0.94Nクラッド層とのＡｌ組成差による歪みの大きさは0.07％程度であり、この結果クラックが生じにくくなると考えられている。しかしながら、本発明者らの実験によれば、このような二段AlGaN構造を採用してもクラックフリーで100μm以上にも及ぶ厚膜のAlGaNの成長は困難であることが確認された。また、この構造では、クラッド層のアルミ組成や膜厚をさらに増大させることは非常に困難であり、クラッド層の屈折率向上にも一定の制限があった。
【００２１】
以上のように、従来技術においては、下地層としての機能を発揮する程度の厚膜のＡｌＧａＮ層を、クラックを発生させることなく形成することは困難であった。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、現在、素子の高性能化の観点から、窒化物半導体結晶を成長させるための下地層（代表的には下地基板）に関し、転位密度の更なる低減が望まれている。
【００２３】
また、窒化物半導体を用いた半導体レーザ等の発光素子においては、光閉じ込め率向上のため高Ａｌ組成・大膜厚のＡｌＧａＮクラッド層を実現することが求められており、このようなクラッド層をクラックを発生させることなく作製するため、結晶下地層をＡｌＧａＮにより構成することが望まれている。また、高品質のＡｌＧａＮ下地層が実現できれば、その上に形成される半導体多層膜の材料の選択の幅が増すことから、電子素子においても有用である。
【００２４】
以上のように、▲１▼表面欠陥密度が低く、かつ、▲２▼比較的Ａｌ組成の高い厚膜のＡｌＧａＮ下地層を得ることができれば、従来にない高性能の素子を作製することが可能となる。具体的には、レーザのクラッド層としてAl組成のより高い層構造を成長させることができ、その結果電子・光の閉じ込めが改善され、短波長レーザの特性向上を達成できる。また、電子素子への応用では、AlGaN高抵抗基板の実現による高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制などによるデバイス性能の大幅な向上が期待できる。
【００２５】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、低欠陥密度で、クラック発生が有効に防止され、下地基板を除去して単膜としても使用可能な程度の充分な厚さを有するＡｌＧａＮ層を形成するための技術を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、窒化物半導体からなる面内平均格子定数ａの第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護層を介して形成された、窒化物半導体からなる面内平均格子定数ｂ（ｂ＞ａ）の層厚５μｍ以上の第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を備え、該歪み緩和領域の上部に、素子領域を構成する窒化物半導体層が形成されたことを特徴とする窒化物半導体素子、が提供される。
【００２７】
面内平均格子定数とは、第一または第二の単結晶層の層厚方向と垂直な平面内における格子定数の平均値をいう。たとえばサファイアｃ面に成長させたＡｌＧａＮ層を第一の単結晶層とした場合、ａ軸の格子定数が面内平均格子定数となる。なお、第一の単結晶層が層厚方向に組成変化している場合は、格子定数の平均値は、面内平均格子定数を層厚方向に平均した値を意味するものとする。
【００２８】
また本発明によれば、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護層を介して形成された層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を備え、該歪み緩和領域の上部に、素子領域を構成する窒化物半導体層が形成されたことを特徴とする窒化物半導体素子、が提供される。
【００２９】
従来技術の項で説明したように、基板上にＡｌＧａＮ層を成長させる方法として、▲１▼基板に低温バッファ層を形成した後、その上にＧａＮ層を介してＡｌＧａＮ層を形成する方法と、▲２▼低温バッファ層の上に直接ＡｌＧａＮ層を形成する方法が行われていた。このうち▲１▼の方法では、格子定数の関係でＡｌＧａＮ層に引っ張り歪みが生じ、クラックが発生しやすい。また、▲２▼の方法では、低温バッファ層の上に直接形成されたＡｌＧａＮ層中に多くの欠陥が発生し、これがその上部に形成される結晶構造に引き継がれ、良質の結晶成長層を得ることが困難となる。
【００３０】
このような課題に対し、本発明の窒化物半導体素子は、歪み緩和領域を設けることにより課題解決を図っている。
【００３１】
本発明の窒化物半導体素子における歪み緩和領域は、第一の単結晶層の上に、これよりも面内平均格子定数の大きい第二の単結晶層が積層された構造となっている。また第二の単結晶層を５μｍ以上としている。このため、以下のような作用効果を奏する。
【００３２】
第一の効果として、第一の単結晶層が緩衝層として機能するため、第二の単結晶層上に形成される素子領域を構成する窒化物半導体層の歪みを顕著に低減できる。
【００３３】
従来の半導体レーザにおいては、ＬＤ構造を構成するクラッド層、活性層等は、サファイア基板結晶による束縛力を受け、基板結晶との格子定数および熱膨張係数の差に応じて歪みが蓄積される。これは、サファイア基板の厚みが厚いため、基板上の各半導体層が、基板の結晶構造に追随するように形成されていくことによる。ここで、サファイア基板と窒化物半導体との格子不整合は１４％程度と非常に大きいため、窒化物半導体中の内在歪みは大きな値となる。一方、本発明の窒化物半導体素子においては、素子領域を構成する窒化物半導体層は、基板ではなく、主として第二の単結晶層による束縛力を受け、素子領域を構成する半導体層には、第二の単結晶層との格子定数および熱膨張係数の差に応じた歪みが蓄積される。これは、第一の単結晶層中に多くの結晶欠陥が含まれ得ること、および、第一および第二の単結晶層との界面にミスフィット転位が発生することにより、素子領域を構成する窒化物半導体層が基板から受ける束縛力が弱まるためである。したがって、窒化物半導体層との格子定数差等が小さくなるよう、適宜に第二の単結晶層を選択すれば、窒化物半導体中の内在歪みを効果的に低減できるのである。
【００３４】
第二の効果として、第一および第二の単結晶層の界面にミスフィット転位が発生するため、これにより第一の単結晶層に内在する欠陥が第二の単結晶層に伝搬することを防止できる。上記界面には、格子不整合に起因して界面に沿ってミスフィット転位が発生する。このミスフィット転位は、第一の単結晶層から上方に向かって伝搬する転位の進行を遮断する役割を果たす。このため、第一の単結晶層を、歪みエネルギーを開放するべく多くの結晶欠陥を含む構成としても、この結晶欠陥が第二の単結晶層に伝搬することが有効に防止される。
【００３５】
第三の効果として、第二の単結晶層が５μｍ以上の厚膜で形成されているため、第二の単結晶層中で転位が消滅し、表面転位密度を低減することができる。上述したように第一の単結晶層からの転位の伝搬は、ミスフィット転位により遮断されることとなるが、一部の転位はそのまま第二の単結晶層に伝搬する。この転位を消滅させるには、第二の単結晶層の厚みを厚くすることが有効である。厚膜の第二の単結晶層中で転位同士がぶつかって消滅したり、転位の伝搬方向が基板と平行な方向に変化するため、第二の単結晶層表面に貫通する転位が大幅に低減されるからである。この効果は、層成長方法として、ファセット構造を形成しつつ層成長を行うＦＩＥＬＯを採用した場合、一層顕著となる。以上のように、本発明においては第二の単結晶層の厚みを一定以上の値とすることが重要であり、５μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは１００μｍ以上とする。
【００３６】
第四の効果として、第二の単結晶層の歪みが圧縮モードとなり、第二の単結晶層の結晶欠陥を大幅に低減できる。したがって、この上に素子領域を構成する半導体層を形成した場合、結晶欠陥の少ない半導体層が得られ、従来にない高品質の発光素子、電子素子を実現することが可能となる。また、圧縮歪みがかかることにより、クラックを発生させることなく第二の単結晶層の厚みを増大させることができ、上記したように、第二の単結晶層表面に貫通する転位を大幅に低減できる。
【００３７】
ここで、高Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層の上に低Ａｌ組成のＡｌＧａＮ層を形成する技術に関しては、従来技術の項で説明したように、特開平９−８３０１６号公報に開示がある。以下、本発明の特徴を明確にするため、この従来技術との差異について説明する。
【００３８】
上記公報記載の技術は、ＳｉＣ基板とＧａＮ層との間に組成傾斜層を設け、格子定数がほぼ連続的に変化するようにすることで、両者の格子定数差に起因して生じる歪みを分散させ、歪み集中箇所を解消することにより結晶性を向上させるものである。このような目的のため、組成傾斜層は、連続的に組成が変化する層、あるいは、膜厚０．２μｍ程度の薄膜が積層されてなる多層構造としている。このようにすることによって、歪み集中箇所の発生を防止している。これに対し本発明は、第一の層と第二の層の間に歪み集中箇所を意図的に導入し、ここにミスフィット転位を生じさせている。このミスフィット転位は、第一の層から第二の層への転位伝搬を抑制する上、歪みエネルギーを開放する機能を有している。このようなミスフィット転位を導入するため、第二の層の厚みを５μｍ以上としている。５μｍ未満では、上記転位伝搬抑制機能、および歪みエネルギー開放機能が発現する程度にミスフィット転位を発生させることが困難となる。また、第二の層の厚みを５μｍ以上とすることにより、第二の単結晶層中で転位同士がぶつかって消滅したり、転位の伝搬方向が基板と平行な方向に変化するため、第二の単結晶層表面に貫通する転位が大幅に低減するという効果も得られる。
【００３９】
以上のように、上記公報記載の技術では、基板と窒化物半導体層との間に生じる歪みエネルギーを組成傾斜層に分散させるものである。一方、本発明は、第一の層中の結晶欠陥およびミスフィット転位により歪みを開放し、歪みエネルギーそのものを低減するものであり、より効果的に結晶欠陥の低減を図ることができる。
【００４０】
本発明の窒化物半導体素子において、第一の単結晶層の厚みをｄ1（μｍ）、第二の単結晶層の厚みをｄ2（μｍ）としたときに、下記式（１）
（ｘ−ｙ）×ｄ1×ｄ2＞０．１ （１）
を満たす構成とすることが好ましい。このようにすれば第一および第二の単結晶層の界面にミスフィット転位を確実に発生させることができ、上述した応力緩和機能がより顕著となる。
【００４１】
本発明の窒化物半導体素子において、第一および第二の単結晶層をＡｌＧａＮからなるものとし、素子領域をＡｌＧａＮクラッド層と活性層とを含む構成とした場合、クラッド層のＡｌ組成や膜厚を厚くすることができ、優れた光閉じ込め効果を得ることができる。従来の窒化物半導体レーザにおいては、クラッド層や活性層を含むＬＤ構造（レーザ構造）を形成する際、異種基板上に低温バッファ層を形成し、その上に直接、またはサブミクロン〜３μｍ程度の厚みのＧａＮ層あるいはＡｌＧａＮ層を介してＬＤ構造を形成していた。このような構造の場合、ＬＤ構造は異種基板の結晶構造に拘束されることとなり、両者の格子定数、熱膨張係数の差に起因して多くの結晶欠陥が発生する。これに対し本発明の窒化物半導体素子では、ＬＤ構造下部に表面欠陥密度の少ない５μｍ以上の厚膜の第二の単結晶層が配置され、さらに、第二の単結晶層の下部に、緩衝層として機能する第一の単結晶層が形成される。このため、第一の単結晶層より下部の層（たとえば異種基板）がＬＤ構造におよぼす拘束力が弱められ、第二の単結晶層により拘束される程度が大きくなる。ここで、第二の単結晶層は、クラッド層と同様にＡｌＧａＮにより構成されているため、両者の格子定数差は小さく、クラッド層の歪みは大幅に低減される。また、第二の単結晶層の欠陥密度が低いため、その上層に位置するクラッド層等に伝搬する欠陥が低減され、この点からもＬＤ構造の品質向上効果が得られる。
【００４２】
また、本発明によれば、基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する工程と、この上に直接、または表面保護層を介して、複数の開口部を有するマスクを形成する工程と、前記複数の開口部を成長領域として、ファセット構造を形成しながらＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上の第二の単結晶層を形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作製方法、が提供される。
【００４３】
この結晶成長方法における「ファセット構造」とは、基板に対して一定の角度をもった平坦な結晶成長面を備えた構造をいう（「応用物理」（第６８巻、第７号、１９９９年、第７７４頁〜第７７９頁））。このようなファセット構造を形成しながらＡｌyＧａ1-yＮ結晶を気相成長させるため、隣接する開口部から成長したＡｌyＧａ1-yＮ結晶が合体して、転移の伝搬方向が基板と平行な方向に変化し、表面転移密度の低い第二の単結晶層が得られる。
【００４４】
また本発明によれば、基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する工程と、この上に直接、または表面保護層を介して、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる種結晶層を形成する工程と、該種結晶層の上に複数のストライプ状開口部を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を形成する工程と、該ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を起点としてＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮからなる第二の単結晶層を形成する工程と、を有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作製方法、が提供される。
【００４５】
これらの窒化物半導体結晶の作製方法によれば、表面欠陥密度の低いＡｌＧａＮ層を厚膜で形成することができる。具体的には、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下のＡｌＧａＮ層を形成できる。また、本発明では、第二の単結晶層の素子形成面結晶欠陥密度を低くするために層厚を５μｍ以上としているが、この方法によれば、３０μｍ以上、さらには１００μｍ以上の厚膜としても低欠陥密度を維持することができる。
【００４６】
さらに本発明によれば、層厚４０μｍ以上のＡｌＧａＮ層を含み、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下であることを特徴とする窒化物半導体基板、が提供される。
【００４７】
この窒化物半導体基板は、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が低く、また、層厚４０μｍ以上のＡｌＧａＮ層を含むため、その上に成長させる窒化物半導体層の結晶欠陥を大幅に低減できる上、これらの窒化物半導体層に内在する歪みエネルギーを効果的に低減できる。このため、従来にない高性能の窒化物半導体素子を作製することができる。
【００４８】
特に本発明の窒化物半導体基板を半導体レーザ等に適用した場合、高Ａｌ組成・大膜厚のＡｌＧａＮクラッド層をクラックを発生させることなく作製することができ、半導体レーザの閾値をさらに低減して長寿命化を図り、高出力化、レーザビームスポット形状の整形、温度特性の向上を実現することができる。また、電子素子へ適用した場合には、高周波特性の改善、基板への電子漏れの抑制が図られ、デバイス性能を大幅に向上させることができる。
【００４９】
本発明の窒化物半導体基板は、素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下である。平均結晶欠陥密度とは、素子形成面全体について測定した結晶欠陥密度の平均値である。結晶欠陥とは、種々のモードの転位その他の欠陥を含むものである。ＥＬＯを用いた手法では、マスクの設けられた領域の内の一部の領域において、結晶欠陥が非常に少なくなる。しかしながら、マスク開口部近傍においては結晶欠陥が多くなり、本発明において規定する「素子形成面全体の平均結晶欠陥密度」は、比較的大きい値となる。
【００５０】
上記のような素子形成面全体の平均結晶欠陥密度が１×１０7ｃｍ-2以下のＡｌＧａＮ基板の具体的実現手段として、たとえば、ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層と、この上に直接または表面保護層を介して形成された層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を形成することが挙げられる。この歪み緩和領域の作用については前記したとおりである。この場合、第二の単結晶層の厚みを３０μｍ以上とすることが好ましい。また、第一の単結晶層の厚みをｄ1（μｍ）、第二の単結晶層の厚みをｄ2（μｍ）としたときに、下記式（１）
（ｘ−ｙ）×ｄ1×ｄ2＞０．１ （１）
を満たす構成とすることが好ましい。このようにすれば歪み緩和効果がより顕著となり、表面欠陥密度を一層確実に低減することができる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
本発明において、第一および第二の単結晶層をＡｌＧａＮ層とした場合、第一の単結晶層の緩衝層としての機能をより顕著とするためには、以下のような構成とすることが好ましい。
【００５２】
たとえば、第一の単結晶層を、低温バッファ層の上に形成した構成とすることが有効である。低温バッファ層とは、４００〜７００℃で成長させた窒化物半導体層であり、たとえばＧａＮ層、ＡｌＮ層等が挙げられる。このような構成とすることにより、ＡｌＧａＮからなる第一の単結晶層中に多くの結晶欠陥が含まれることとなり、この結果、第一の単結晶層の緩衝層としての機能がより向上する。
【００５３】
また、第一の単結晶層のＡｌ組成を、好ましくは０．０４以上、より好ましくは０．０７以上とすれば、ＡｌＧａＮからなる第一の単結晶層中に多くの結晶欠陥が含まれることとなり、第一の単結晶層の緩衝層としての機能がより向上する。このような高Ａｌ組成の層は、成長時に多くの欠陥を含みやすく、特に、下地層が低温バッファ層である場合、欠陥の発生が顕著となる。
【００５４】
また、第一の単結晶を一定以上の厚みとすることも有効である。たとえば、好ましくは０．３μｍ以上、より好ましくは０．７μｍ以上とする。ＡｌＧａＮからなる第一の単結晶層を、このような厚膜で形成した場合、成長時に多くの欠陥を含みやすく、特に、下地層が低温バッファ層である場合、欠陥の発生が顕著となる。
【００５５】
以上のような構成を採用すれば、緩衝層としての機能がより顕著となって素子領域を構成する窒化物半導体層が異種基板等から受ける束縛力が弱まり、窒化物半導体層中の内在歪みを一層低減できる。
【００５６】
本発明における第二の単結晶層は、ＦＩＥＬＯあるいはペンディオエピタキシにより形成することが好ましい。
【００５７】
ＦＩＥＬＯは、前述したように、複数の開口部を有するマスクを形成し、開口部を成長領域としてファセット構造を形成しながらＡｌyＧａ1-yＮ結晶を気相成長させる方法である。隣接する開口部から成長したＡｌyＧａ1-yＮ結晶が合体して、転移の伝搬方向が基板と平行な方向に変化し、表面転移密度の低い第二の単結晶層が得られる。また、FIELOを用いて５０μm以上の膜厚を有する第二の単結晶層を成長させると、ELO成長で観察される転位のマスク開口部とマスク上との極端な分布はなくなり、表面全体に亘って転位が均一に分布し、しかも転位密度の低い結晶を得ることができる。この転位密度の分布のもっとも簡単な測定方法は、表面に転位が突き出した部分を化学溶液によって選択的にエッチングし、形成された窪み（これをエッチピットと呼ぶ）の密度を光学顕微鏡、あるいは、走査型電子顕微鏡を用いて計数することである。これによって、転位密度、および分布が容易に測定できる。
【００５８】
また、結晶性の評価として、このエッチピットの観察の他に、二結晶法によるX線ロッキングカーブの半値幅が用いても調べることができる。この半値幅は通常の手法で、サファイア基板上にGaNをバッファ層としてA成長したAlGaN結晶では、５−６分程度と広いものである。この半値幅は、結晶性の改善、特に転位の削減によって小さくなるので結晶性の評価にしばしば用いられる。
【００５９】
ペンディオエピタキシに関しては、文献「Ｔｓｖｅｔａｎｋａｓ、Ｚｈｅｌｅｖａ，ｅｔ．ａｌ．，ＭＲＳ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｊ．Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．Ｒｅｓ．４Ｓ１、Ｇ３，３８（１９９９）」に詳述されている。本発明に係る層構造の形成にこの方法を適用する場合、たとえば以下のような工程となる。まず、基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する。次いでこの上にＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる種結晶層を形成する。この種結晶層の上に複数のストライプ状開口部を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を形成する。そして、これを起点としてＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮからなる第二の単結晶層を形成する。
【００６０】
本発明における第二の単結晶層は、層中で新たな結晶欠陥を生じさせない構造とすることが重要となるため、層中に組成不連続面を有しないことが好ましい。すなわち、第二の単結晶層は、実質的に単一組成からなるものか、または連続的に組成が変化するものであることが好ましい。第二の単結晶層中にＡｌ組成比差が０．１以上となる極端な組成不連続面が形成されることは好ましくない。転位の導入が多くなり結晶性が悪化するからである。なお、第二の単結晶層をＡｌＧａＮからなるものとし、層中で連続的に組成を変化させた構成とする場合は、第二の単結晶層の下面と上面とのＡｌ組成差は、たとえば０．０５以下とすることが好ましい。
【００６１】
本発明において、第一の単結晶層と第二の単結晶層との界面に、格子定数の不連続面を形成することが好ましい。たとえば、第一の単結晶層と第二の単結晶層の界面に、Ａｌ組成の不連続面を形成することが好ましい。このようにすれば、第二のＡｌＧａＮ層の結晶欠陥がより安定的に低減される。Ａｌ組成差は、第一および第二の単結晶層の層厚にもよるが、たとえば０．０２以上とすることが好ましく、０．０４以上とすることがより好ましい。
【００６２】
本発明において、第一の単結晶層をＡｌＧａＮにより構成する場合、その表面に薄い膜厚の表面保護層を設けても良い。このようにすればマスクを形成する等して第二の単結晶層の成長させる際、第一の単結晶層の表面酸化を防止できる。表面保護層としてはＧａＮ層等が用いられ、膜厚はたとえば０．３μｍ以下、好ましくは０．２μｍ以下とする。また、このような表面酸化を防止するためには、第一の単結晶層の表面Ａｌ組成を、第一の単結晶層全体の平均Ａｌ組成よりも低くすることも有効である。なお、本発明を半導体レーザに適用する場合において、上記ＧａＮ層をコンタクト層とすれば、コンタクト抵抗の低減を図ることができるという利点も得られる。
【００６３】
本発明において、素子領域を構成する窒化物半導体層の面内平均格子定数は、第一の単結晶層の面内平均格子定数と略等しいか、これよりも大きくすることが好ましい。このようにすれば窒化物半導体層中の歪みがゼロに近くなるか、または圧縮モード歪みとなるため、クラックが発生しにくくなる。これにより、素子寿命を大幅に向上できる等、素子性能の向上が図られる。
【００６４】
次に本発明の好ましい実施形態について、図１を参照して説明する。
【００６５】
図１は、本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。結晶成長用基板としてサファイアｃ面（（０００１）面）を用い、この上にAlGaN層を成長させた構成となっている。この基板の作製方法について説明する。まず、サファイア基板１１上に、500℃で、約30nm膜厚のGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。その後、1070℃に昇温して、Al7％を含むAl0.07Ga0.93NからなるAlGaN層１３を約１m成長させたのち、Al0.05Ga0.95NからなるAlGaN層１４を100μｍ成長する。これにより、クラックのない高品質のAlGaN層１４を得ることができる。
【００６６】
Al0.07Ga0.93NからなるAlGaN層１３（第一の単結晶層）では、サファイアとの格子不整合が緩和されて、ほぼ歪みのないAlGaN層が成長しているが、Al組成が比較的高く、また欠陥密度も高い。このため、この層を１μｍ以上の膜厚に成長させるとクラックが生じることが確認されている。
【００６７】
そこで、本実施形態では、この上にAl濃度の低いAlGaN層１４（第二の単結晶層）を成長させている。これによりクラックを発生させることなく100μｍ以上の厚膜成長が可能としている。第一のAlGaN層と第二のAlGaN層には圧縮歪みがかかり、クラックを発生させないで厚膜結晶を成長することが可能となる。
【００６８】
このAlGaN層１４上に素子領域を構成する窒化物半導体層を形成することにより、本発明の窒化物半導体素子を作製することができる。この窒化物半導体素子においては、素子領域を構成する窒化物半導体層結晶は、サファイア基板１１ではなく、主としてAlGaN層１４による束縛力を受け、AlGaN層１４との格子定数および熱膨張係数の差に応じた歪みが蓄積されることとなる。これは、AlGaN層１３（第一の単結晶層）が多くの結晶欠陥を含む構造となっていること、および、AlGaN１３とAlGaN層１４の界面にミスフィット転位が発生することにより、基板の束縛力がAlGaN層１３中で緩和されるためである。
【００６９】
ここで、AlGaN層１３が多くの結晶欠陥を含むのは、GaNからなる低温バッファー層１２との格子定数の相違に起因するものであり、AlGaN層１３とAlGaN層１４の界面にミスフィット転位が発生するのは、両層の格子定数の相違および両層の厚みが一定以上となっていることに起因するものである。
【００７０】
本実施形態に係る窒化物半導体基板は、AlGaN層１３（第一の単結晶層）のＡｌ組成をｘ、厚みをｄ1（μｍ）とし、AlGaN層１４（第二の単結晶層）のＡｌ組成をｙ、厚みをｄ2（μｍ）としたときに、
（ｘ−ｙ）×ｄ1×ｄ2＝２
（ｘ＝０．０７、ｙ＝０．０５、ｄ1＝１（μｍ）、ｄ2＝１００（μｍ））となっている。このため、第一の単結晶層と第二の単結晶層の間の界面に、転位伝搬抑制機能および歪みエネルギー開放機能が発現する程度にミスフィット転位を発生させることができる。
【００７１】
【実施例】
＜実施例1＞
本実施例では、図１に示す構造の窒化物半導体基板を作製した。基板結晶として、（0001）面のサファイア基板を用いて、III族原料に有機金属を用いる有機金属化学気相成長法（MOVPE）および、塩化ガリウム（GaCl）を用いるハイドライドVPE法（HVPE）によってAlGaN層を形成した。
【００７２】
サファイア基板11（（0001）面）を常圧MOVPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら1080℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃の温度に降温して、トリメチルガリウム（TMG）とアンモニア（NH3）ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/minで供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。
【００７３】
次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してから、トリメチルアルミニウム（TMA）、TMGをそれぞれ9 μmol/min、80μmol/minで供給し、膜厚1μmのAl0.1Ga0.9Nからなる第一のAlGaN13を形成する。次に、TMＡ、および、TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスおよびN2ガスを供給しながら降温する。
【００７４】
次に、上記結晶を塩化水素（HCl）/ガリウム（Ga）、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア（NH3）、水素（H2)を原料とするＨＶＰＥ装置にセットする。H2キャリアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発させ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層１４の成長を行う。5時間の成長で300μｍの厚さのAlGaN層が成長する。 Al組成は、X線回折測定から0.04であった。成長後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッチピットを調べたところ、7×106／cm2と低い値が得られた。このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均一であった。また、本手法で成長した第二のAlGaN層表面には全くクラックが観察されなかった。
【００７５】
本実施例では、Al組成として、第一のAlGaN層のAl組成として0.1、第二のAlGaN層のAl組成として0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得られる。さらに、ｎ型、またはp型の不純物を添加しても同様な効果が得られる。
【００７６】
＜実施例２＞
本実施例では、図２に示す構造の窒化物半導体基板を作製した。実施例１と同様に基板結晶として、サファイア基板を用いて、III族原料に有機金属を用いる有機金属化学気相成長法（MOVPE）および、塩化ガリウム（GaCl）を用いるハイドライドVPE法（HVPE）によってAlGaN層を形成した。本実施例では、ラテラルオーバー成長によって第二のAlGaN層を形成した。
【００７７】
サファイア基板（0001）面11を常圧MOVPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら1080℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃の温度に降温して、トリメチルガリウム（TMG）とアンモニア（NH3）ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/minで供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。
【００７８】
次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してから、トリメチルアルミニウム（TMA）、TMGをそれぞれ9 μmol/min、80μmol/minで供給し、Al0.1Ga0.9Nからなる膜厚1μmの第一のAlGaN層13を形成する。次に、TMＡ、および、TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスおよびN2ガスを供給しながら降温する。
【００７９】
この成長結晶を装置から取り出し、第一のAlGaN層13上に、0.5μmの厚さのSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチングによりストライプ状のマスク２１を形成する。マスク幅、および開口部幅は、それぞれ2μm、及び1μmである。
【００８０】
上記結晶を塩化水素（HCl）/ガリウム（Ga）、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア（NH3）、水素（H2)を原料とするＨVPE装置にセットする。H2キャリアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、上記結晶を1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発させ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層２２の成長を行う。この成長では、開口部から成長が始まり、開口部にAlGaNのファセットが形成される。成長時間とともに、マスク２１上にラテラル成長が進み、隣接する開口部から成長したAlGaNファセット同士が合体する。その後平坦な表面を有するAlGaN層２２が形成される。5時間の成長で250μｍの厚さのAlGaN層２２が成長した。 Al組成は、X線回折測定、および表面のフォトルミネッセンスピーク測定から0.04であることがわかった。成長後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッチピットを調べたところ、5×106／cm2と低い値が得られた。このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均一であり、従来のELO成長に見られたマスクパターンに起因する分布は観察されなかった。また、本手法で成長した第二のAlGaN層表面には全くクラックが観察されなかった。
【００８１】
本実施例では、Al組成として、第一のAlGaN層のAl組成として0.1、第一のAlGaN層のAl組成として0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得られる。さらに、ｎ型、またはp型の不純物を添加しても同様な効果が得られる。
【００８２】
＜実施例３＞
本実施例では、図３に示す構造の窒化物半導体基板を作製した。実施例２と同様に、基板結晶としてサファイア基板を用いて、III族原料に有機金属を用いる有機金属化学気相成長法（MOVPE）および、塩化ガリウム（GaCl）を用いるハイドライドVPE法（HVPE）によってAlGaN層を形成した。本実施例では、第一のAlGaN層上に薄いGaN層を形成し、その上にラテラルオーバー成長によって第二のAlGaN層を形成する。
【００８３】
サファイア基板11（（0001）面）を常圧MOVPE装置にセットし、H2ガスとN2ガスを供給しながら1080℃の温度に昇温し表面の熱処理を行う。その後、500℃の温度に降温して、トリメチルガリウム（TMG）とアンモニア（NH3）ガスをそれぞれ10μmol/min、5000cc/minで供給し、膜厚40nmのGaNからなる低温バッファー層１２を形成する。
【００８４】
次に、NH3ガスとH2ガスを供給しながら上記結晶を1050℃の温度に昇温する。温度が安定してから、トリメチルアルミニウム（TMA）、TMGをそれぞれ9 μmol/min、80μmol/minで供給し、Al0.1Ga0.9Nからなる膜厚1μmの第一のAlGaN層13を形成する。この成長が終了後、TMAの供給を停止して、GaN層３１のみを50nmの厚さに成長させた。その後TMGの供給を停止して、NH3ガス、H2ガスおよびN2ガスを供給しながら降温する。
【００８５】
この成長結晶を装置から取り出し、第一のAlGaN層13上に、0.5μmの厚さのSiO2膜を形成し、フォトリソグラフィー法とウェットエッチングによりストライプ状のマスク２１を形成する。マスク幅、および開口部幅は、それぞれ2μm、及び1μmである。
【００８６】
上記結晶を塩化水素（HCl）/ガリウム（Ga）、塩化アルミニウム(AlCl3)、アンモニア（NH3）、水素（H2)を原料とするＨVPE装置にセットする。H2キャリアガス中で昇温し、600℃付近でNH3ガスを供給し、上記結晶を1070℃の温度に昇温する。H2ガスとNH3ガス流量は、それぞれ4000cc/min、1000cc/minである。温度が安定した後、GaClを発生させるためにGa上にHClを20cc/minを供給し、さらにAlの原料として、AlCl3を揮発させ、1cc/minで供給し、第二のAlGaN層３２の成長を行う。この成長では、開口部から成長が始まり、開口部にAlGaNのファセットが形成される。成長時間とともに、マスク２１上にラテラル成長が進み、隣接する開口部から成長したAlGaNファセット同士が合体する。その後平坦な表面を有するAlGaN層3２が形成される。5時間の成長で250μｍの厚さのAlGaN層３２が成長した。Al組成は、X線回折測定、および表面のフォトルミネッセンスピーク測定から0.04であることがわかった。
【００８７】
成長後、240℃のりん酸・硫酸混合液で欠陥に対応するエッチピットを調べたところ、１×106／cm2と低い値が得られた。このエッチピットの分布は、表面全体に亘って均一であり、従来のELO成長に見られたマスクパターンに起因する分布は観察されなかった。また結晶性を評価するために二結晶法によるX線ロッキングカーブの半値幅を調べたところ、１．２分と非常に狭く、非常に結晶性に優れていることがわかった。また、本手法で成長した第二のAlGaN層表面には全くクラックが観察されなかった。
【００８８】
本実施例では、Al組成として、第一のAlGaN層のAl組成として0.1、第一のAlGaN層のAl組成として0.04の例を示したが、第二のAlGaN層のAl組成が、第一のAlGaN層のAl組成より小さければ、同様な効果が得られる。さらに、ｎ型、またはp型の不純物を添加しても同様な効果が得られる。
【００８９】
＜実施例６＞
本実施例は、サファイア基板上にAlGaN層を形成した後、その上に半導体レーザを構成する各半導体層を形成した例を示すものである。
【００９０】
図４は、サファイア基板11（（0001）面）上に、実施例１と同様の方法により、GaNからなる低温バッファー層１２を介して、珪素（Si）がｎ型不純物として添加された第一のAl0.1Ga0.9N層（膜厚１m）81と、同様にSiがｎ型不純物として添加された第二のAl0.04Ga0.96N層（膜厚300 m）82とを形成し、その基板上に、有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を用いて半導体層を積層して形成された窒化ガリウム系レーザの概略断面図である。
【００９１】
ＧａＮ系半導体レーザ構造は、図４で示した第二のAlGaN層まで成長した基板をＭＯＣＶＤ装置にセットし、水素雰囲気で成長温度１０５０℃に昇温する。６５０℃の温度からＮＨ3ガス雰囲気にする。Siを添加した0.4m の厚さのｎ型Al0.15Ga0.85Ｎクラッド層83、Ｓｉを添加した０．１μｍの厚さのｎ型ＧａＮ光ガイド層84、２．５ｎｍの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と５ｎｍの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層85、マグネシウム（Ｍｇ）を添加した２０ｎｍの厚さのｐ型Al0.2Ga0.8Ｎ層86、Ｍｇを添加した０．１μｍの厚さのｐ型ＧａＮ光ガイド層87、Ｍｇを添加した０．４μｍの厚さのｐ型Al0.15Ga0.85Nクラッド層88、Ｍｇを添加した０．５μｍの厚さのｐ型ＧａＮコンタクト層89を順次形成しレーザー構造を作製した。ｐ型ＧａＮコンタクト層89を形成した後は、ＨＮ3ガス雰囲気で常温まで冷却し、成長装置より取り出す。２．５ｎｍの厚さのアンドープIn0.2Ga0.8N量子井戸層と５ｎｍの厚さのアンドープIn0.05Ga0.95N障壁層からなる多重量子井戸構造活性層85は、７８０℃の温度で形成した。
【００９２】
次に、レーザー構造を形成した結晶を研磨器にセットし、サファイア基板１１から第一のAlGaN層８１、第二のAlGaN層８２の一部を含んで５０μｍ程度研磨する。露出したAlGaN層８２面には、チタン（Ti）／アルミニウム（Al）のｎ型電極９２を形成し、ｐ型のＧａＮ層８９上には電流狭搾のためにSiO2膜９０を形成して、ニッケル（Ｎｉ）／金（Ａｕ）のｐ型電極９１を作製した（図５）。
【００９３】
上記構成の半導体レーザを構成する各半導体層は、結晶性が良好であり、欠陥も少なかった。また、歩留まりが良好で、製造安定性に優れており、閾値電流密度3kA/cm2、閾値電圧5Vで室温連続発振が得られた。
【００９４】
本実施例では、AlGaN層82上にレーザー構造形成してから、サファイア基板１１から第一のAlGaN層８１、第二のAlGaN層８２の一部を研磨したが、レーザー構造を作製する前に、サファイア基板１１から第一のAlGaN層８１、第二のAlGaN層８２の一部を研磨しても同様な効果が得られる。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の窒化物半導体素子は、面内平均格子定数ａの第一の単結晶層と、この上に形成された窒化物半導体からなる面内平均格子定数ｂ（ｂ＞ａ）の層厚５μｍ以上の第二の単結晶層と、からなる歪み緩和領域を備え、この上に素子領域を設けた構成としている。このため、素子領域を構成する窒化物半導体層の歪みを顕著に低減できる。また、第二の単結晶層の表面転移密度が低いため、欠陥の少ない素子領域を実現することができる。
【００９６】
このため、発光素子においては素子寿命を大幅に改善できる等の利点が得られ、さらに、半導体レーザに適用する場合、クラッド層のＡｌ組成を高く、膜厚を厚くすることができ、光閉じ込め率を改善することができる。また、電子素子においては、高周波特性の改善や基板への電子漏れの抑制が図られる。
【００９７】
また、本発明の窒化物半導体結晶の作製方法によれば、第一および第二の単結晶層を含む歪み緩和領域を好適に形成することができる。
【００９８】
さらに本発明の窒化物半導体基板は、表面欠陥密度が低く、かつ、ＡｌＧａＮ層を一定以上含む構成となっているため、この基板上に素子領域を形成した場合、歪みや欠陥が顕著に低減され、従来にない高い性能の素子を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。
【図２】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。
【図３】本発明に係る窒化物半導体基板の断面図である。
【図４】本発明に係る窒化物半導体レーザの断面図である。
【図５】本発明に係る窒化物半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１１ サファイア基板
１２ 低温バッファー層
１３ AlGaN層
１４ AlGaN層
２１ マスク
２２ AlGaN層
２３ Al0.06Ga0.94Nクラッド層
３１ ＧａＮ層
３２ AlGaN層
８１ Al0.1Ga0.9N層
８２ Al0.04Ga0.96N層
８３ ｎ型Al0.15Ga0.85Ｎクラッド層
８４ ｎ型ＧａＮ光ガイド層
８５ 多重量子井戸構造活性層
８６ ｐ型Al0.2Ga0.8Ｎ層
８７ ｐ型ＧａＮ光ガイド層
８８ ｐ型Al0.15Ga0.85Nクラッド層
８９ ｐ型ＧａＮコンタクト層
９０ SiO2膜
９１ ｐ型電極
９２ ｎ型電極
Claims (6)
- ＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層と、この上に直接、または表面保護層を介して形成された層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる第二の単結晶層とからなる歪み緩和領域を備え、
該歪み緩和領域の上部に、素子領域を構成する窒化物半導体層が形成されたことを特徴とする窒化物半導体素子。 - 前記素子領域が、ＡｌＧａＮクラッド層と活性層とを含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体素子。
- 第一の単結晶層の厚みをｄ1（μｍ）、第二の単結晶層の厚みをｄ2（μｍ）としたときに、下記式（１）
（ｘ−ｙ）×ｄ1×ｄ2＞０．１ （１）
を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物半導体素子。 - 第二の単結晶層の厚みが３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜３いずれかに一項に記載の窒化物半導体素子。
- 基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する工程と、
この上に直接、または表面保護層を介して、複数の開口部を有するマスクを形成する工程と、
前記複数の開口部を成長領域として、ファセット構造を形成しながらＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上の第二の単結晶層を形成する工程とを有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作製方法。 - 基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）からなる第一の単結晶層を形成する工程と、
この上に直接、または表面保護層を介して、ＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）からなる種結晶層を形成する工程と、
該種結晶層の上に複数のストライプ状開口部を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を形成する工程と、
該ストライプ状ＡｌyＧａ1-yＮ層を起点としてＡｌyＧａ1-yＮ（０＜ｙ＜ｘ）結晶を気相成長させ、層厚５μｍ以上のＡｌyＧａ1-yＮからなる第二の単結晶層を形成する工程とを有することを特徴とする窒化物半導体結晶の作製方法。
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