JP3870869B2

JP3870869B2 - 窒化物半導体基板の製造方法

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Publication number: JP3870869B2
Application number: JP2002215076A
Authority: JP
Inventors: 准也成田; 一紀竹川; 仁志前川
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: JP2004056051A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般式がＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）で示される窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、サファイア、炭化ケイ素、スピネル、シリコンのような窒化物半導体と異なる異種基板上に、窒化物半導体を成長させる研究が種々検討されている。これは発光素子等に利用可能な結晶性のよい窒化物半導体のバルク単結晶を得るのが困難だからである。このような異種基板上に窒化物半導体を成長すれば格子定数や熱膨張係数差から窒化物半導体の結晶性を低下させてしまう。これは窒化物半導体内に転位欠陥が多数発生することを意味する。
【０００３】
そのため、転位欠陥を低減させる研究が発表されている。ラテラル成長を利用して窒化物半導体基板を形成する方法としては特開平１１−１９１６５７号公報に示されている。これは、ＳｉＯ_２等のマスク材料を保護膜として用いて基板上にパターニングし、保護膜の開口部から窒化物半導体を成長させ、さらにラテラル成長により保護膜を埋め込むものである。以上より保護膜上における窒化物半導体には転位の伝播が抑制された領域（低欠陥領域）が形成された窒化物半導体基板が報告されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の方法では、窒化物半導体のラテラル成長で保護膜を埋め込む際に、保護膜上を成長面に対して結晶の横方向成長が進むにつれ結晶軸が傾くことになる。そのためチルトが発生する。このチルトした結晶同士が合体することにより新たな転位欠陥が発生する。また、保護膜を有する状態で窒化物半導体を成長させれば、窒化物半導体を埋めて表面を平坦化させるには保護膜を有しない場合に比べて厚膜成長をさせる必要がある。異種基板上に窒化物半導体を厚膜成長すれば窒化物半導体基板の反りは大きくなりクラックが発生しやすくなる。また、窒化物半導体の成長時に保護膜の分解による汚染が発生する恐れがある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記に示すように保護膜上に窒化物半導体をラテラル成長させることなく、つまり保護膜を有することなく転位欠陥を低減させた窒化物半導体基板の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明における窒化物半導体基板の製造方法は、ラテラル成長を利用したものであって、段差形成した基板の溝部に剥離膜を成膜する第１の工程と、前記剥離膜が溝部に成膜された基板上に第１の窒化物半導体を成長し、その後、前記剥離膜上の第１の窒化物半導体をリフトオフにより除去し、その後、前記基板の凸部上面に残された第１の窒化物半導体を成長核として第２の窒化物半導体をラテラル成長させる第２の工程とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
前記第１の工程において、段差形成した基板とは窒化物半導体をエピタキシャル成長させる支持基板であって該基板界面で剥離膜が化学結合を形成できる基板である。前記基板はサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等である。この基板には溝部（凹部）の深さが０．１μｍ以上、溝部（凹部）の幅が１〜１００μｍ、凸部の幅が１〜１００μｍ、凹部幅／凹部深さの比が１５０以下で段差が形成されている。
【０００８】
次に段差形成した基板の溝部には剥離膜が成膜されている。該剥離膜は第２の窒化物半導体のラテラル成長時には除去されている。本発明における剥離膜とは窒化物半導体をリフトオフにより除去することを目的としており、該剥離膜上に窒化物半導体をラテラル成長させるものではない。そのため、従来技術のように保護膜上に窒化物半導体をラテラル成長させると発生していたチルトは本発明では抑制される。また、本発明は保護膜を覆い窒化物半導体基板を平坦化させるものではないため、窒化物半導体基板を薄膜で形成することができる。窒化物半導体基板の薄膜化、及び窒化物半導体基板の表面を平坦化させた時に溝部に空洞を形成していることによって基板の反りが緩和されてクラックの発生を防止することができる。なお、本発明におけるラテラル成長とは、横方向成長だけではなく縦方向成長も含んだ意味であり、転位欠陥を横方向に曲げる作用効果を有する。
【０００９】
前記剥離膜は少なくとも１分子層が前記基板の表面で化学結合していることを特徴とする。該剥離膜を厚膜とすれば、剥離膜上の第１の窒化物半導体をリフトオフによる除去が難しくなる。そのため、剥離膜の膜厚は溝部の深さ以下、好ましくは１０００Å以下、さらに好ましくは１分子層程度とする。該剥離膜は基板表面で化学結合していることで、１分子層という薄膜層で形成できる。前記剥離膜の成膜方法は、少なくとも剥離膜の１分子層が基板表面で化学結合するにはプラズマＣＶＤ法、又はＥＣＲスパッタ法を用いる。この条件としては、例えばＳｉＯ_２はプラズマＣＶＤ法においては、圧力２０Ｐａ、ＲＦを１２０Ｗ、ＳｉＨ_４を５ｓｃｃｍ、Ｎ_２Ｏを２００ｓｃｃｍ、温度を３６０℃とする。ＳｉＮを成膜するにはＥＣＲスパッタ法においては、Ａｒを２０ｓｃｃｍ、Ｎ_２を５ｓｃｃｍ、ＲＦを５００Ｗ、マイクロ波５００Ｗ、ターゲットをＳｉ、温度を常温とする。
【００１０】
前記第２の工程は、少なくとも窒化物半導体を２段階で成長させることで窒化物半導体基板を形成する。まず、前記第１の工程で得られた段差形成を有する基板上に第１の窒化物半導体を成長させる。該第１の窒化物半導体を成長核とするためにリフトオフを行い、その後、第２の窒化物半導体を成長させる。
【００１１】
第２の窒化物半導体は前記化学結合した剥離膜上の第１の窒化物半導体をリフトオフにより除去した後、リフトオフ領域以外の第１の窒化物半導体を成長核としてラテラル成長させる。本発明において、該リフトオフ領域以外とは基板の凸部上面及び側面であるが、好ましくは前記基板の凸部上面である。また本発明における窒化物半導体基板は、基板溝部に空洞を有するのが好ましい。これは前記空洞が転位の伝播を抑制するからである。またリフトオフ後、溝部の剥離膜が完全に除去されることで溝部には成長核となる第１の窒化物半導体は残らない。このため、第２の窒化物半導体の成長時に溝部には成長核となるものがなく、たとえ溝部から第２の窒化物半導体が成長した場合でも成長速度は遅く溝部を埋めるほどの成長はできない。そのため、基板溝部には前記空洞が形成される。リフトオフ後、前記基板の凸部上面に残された第１の窒化物半導体を成長核とすることで第２の窒化物半導体のラテラル成長が可能となり、その後、溝部上では第２の窒化物半導体同士が接合し、表面が平坦化された窒化物半導体基板が形成されるのである。本発明の構成である基板の凸部表面に形成された第１の窒化物半導体を成長核として第２の窒化物半導体をラテラル成長させることで、転位低減効果を有する。また、ＬＥＤ素子を前記窒化物半導体基板上に形成すれば、基板溝部の空洞でＬＥＤ光の乱反射がおこり光取り出し効率が向上する。
【００１２】
本発明において、第２の工程は反応装置内で連続反応とするため、反応装置から取り出して別の装置で反応させる等の工程を省略できる。反応装置からの取り出しが無くなれば、基板上に埃やゴミが付着した状態で窒化物半導体を反応させることもなくなる。
【００１３】
第２の窒化物半導体を第１の窒化物半導体より高温で成長させる。前記リフトオフは前記化学結合した剥離膜の化学結合も切断除去するものである。そのため、第１の窒化物半導体は化学結合を切断しない程度の成長温度であって、第２の窒化物半導体は前記化学結合が切断できる成長温度とする。リフトオフは、前記窒化物半導体基板の雰囲気温度を上昇させることが好ましい。
【００１４】
以上より、本発明では転位欠陥は大幅に低減され、第２の窒化物半導体を成長後の窒化物半導体基板表面における単位面積あたりの転位密度は１０^７個／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^６個／ｃｍ^２以下とすることができる。また本発明における窒化物半導体基板は、窒化物半導体の成長を保護膜上で強引に横方向成長させるのではなく、成長核よりストレスを有さずにラテラル成長させるため、保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させた場合に窒化物半導体同士の接合部分に発生するチルトや段差、その他の応力も抑制することができる。そのため、窒化物半導体の表面形状は平坦かつ鏡面とすることができ、この窒化物半導体基板上に形成されるＬＥＤ素子、ＬＤ素子等の歩留まりや信頼性は向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本実施形態における窒化物半導体基板は、ラテラル成長を利用して製造されるものであって、第１の工程として段差を有する基板の溝部に剥離膜を成膜させる（図１−１ａ）。この時、基板の凸部の表面は鏡面であっても面荒れを形成していてもよい（図１−１ｂ）。次に第２の工程では、まず基板上に第１の窒化物半導体を成長させる（図１−２）。その後、前記剥離膜上の第１の窒化物半導体をリフトオフにより除去する（図１−３）。次に前記第１の窒化物半導体を成長核として第２の窒化物半導体をラテラル成長させる（図１−４）。さらに第２の窒化物半導体の成長を続けて窒化物半導体層を形成した窒化物半導体基板となる（図１−５）。
【００１６】
上記窒化物半導体基板の転位欠陥数を以下に示す。ＣＬ（カソード・ルミネッセンス）法により、窒化物半導体の表面における単位面積あたりの転位欠陥は図１−５に示すＡ領域（ラテラル成長領域）では１×１０^７個／ｃｍ^２以下、好ましくは５×１０^６個／ｃｍ^２以下、さらに好ましくは１×１０^６個／ｃｍ^２以下となる。また、Ｂ領域は縦方向に進む貫通転位が残るため、転位数は１×１０^８〜１×１０^１０個／ｃｍ^２程度となる。
【００１７】
［実施形態１］
本発明の実施形態における窒化物半導体基板の製造工程である第１の工程と第２の工程について詳細を示す。
【００１８】
以下、図２を用いて前記第１の工程の１実施形態を説明する。まず、第１の工程では基板１上に保護膜２を成膜する（図２−ａ）。前記保護膜２は溝部を形成するマスク作用がある。また該保護膜は剥離膜のエッチングレートより遅い材質から成り、後に基板の凸部面上の剥離膜を除去するためにある。前記基板１としては、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子接合する酸化物基板等を用いることができる。これらの基板にはオフ角が形成されていてもよい。また、前記基板１の溝部をストライプ状に形成するには基板１をサファイア基板とした場合、オリフラ面をサファイアのＡ面とし、このオリフラ面の垂直軸に対して左右どちらかにずらして前記溝部を形成してもよい。具体的には、このオリフラ面の垂直軸に対して左右にθ＝０°〜５°、好ましくはθ＝０．０１°〜０．５°の範囲とすることで、窒化物半導体を成長させた後の表面をより平坦化させることができる。
【００１９】
次に前記保護膜２をパターン形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ＩＣＰ、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）、電子サイクロトロンエッチング（ＥＣＲ）、アッシャー等のドライエッチング装置を用いてエッチングにより基板１に溝部を形成する（図２−ｂ）。前記保護膜２としては、基板に溝部が形成できる程度の選択性を有するものであって、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）等を用いる。該保護膜は選択的に基板をエッチングすることができるものであれば、保護膜の膜厚は特に限定されない。また、保護膜の平面形状をストライプ形状や格子状、その他に島状、円形、又は多角形等とすることができる。例えば保護膜２をストライプ形状にパターン形成した場合、保護膜の存在領域は後工程で第１の窒化物半導体が形成される領域となる。該保護膜の存在領域幅は後工程で溝部の幅であって１〜１００μｍ、好ましくは５〜１５μｍである。また溝部の深さは０．１μｍ以上である。
【００２０】
その後、前記基板１上に剥離膜３を成膜する（図２−ｃ）。剥離膜３は前記保護膜２よりエッチングレートが早いものである。この剥離膜３は基板１の溝部表面において、少なくとも剥離膜の１分子層が化学結合している。これは、剥離膜の成膜時に基板表面で化学結合させるもの、又は剥離膜を成膜後に前記化学結合できる程度のエネルギーを新たに与えるものであってもよい。前記剥離膜の成膜時に化学結合させる場合は、プラズマを利用した成膜法が好ましくプラズマＣＶＤ法やＥＣＲスパッタ法がある。プラズマＣＶＤ法の簡単な原理としては、エネルギーの高いガスのプラズマ状態で原料ガスを励起し、あるいは化学結合を分解し、原子あるいは分子のラジカルをつくり出し、活性な粒子間の反応により薄膜を堆積する方法である。ＥＣＲスパッタ法の簡単な原理としては、プラズマ生成室で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を起こし、プラズマ室から発散する磁界に沿って導き出されたプラズマにより、ＤＣまたはＲＦを印加したターゲットをスパッタリングして試料室の基板上に薄膜を成膜する技術であり、プラズマ生成室と試料室との間にリング状ターゲットを設置する。その他の方法としては、ＣＶＤ、スパッタリング及び、蒸着法も考えられる。前記剥離膜を成膜後に新たに該剥離膜と基板が化学結合できる程度のエネルギー（少なくとも該剥離膜の１分子層が基板表面で化学結合できるエネルギー）を与える方法には、アニールがある。
【００２１】
前記剥離膜としては、基板表面で少なくとも１分子層が化学結合するものであればよい。この剥離膜の具体例としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）、窒化酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化チタン（ＴｉＯ_ｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等の酸化物、窒化物、又は金属膜である。
【００２２】
次に前記保護膜２をウェットエッチング等で選択的に除去することで基板の溝部上にのみ剥離膜を残す（図２−ｄ）。剥離膜の成膜時には基板の凸部上には保護膜、剥離膜の順に成膜されており、該保護膜は剥離膜よりエッチングレートが早いため前記ウェットエッチング等で基板の凸部上の剥離膜は除去される。また、剥離膜は前記基板の側面には成膜しにくく、たとえ成膜されたとしても質が悪く、ウェットエッチングで除去できる。さらにバッファードフッ酸（ＢＨＦ）等でエッチングを続ければ、基板溝部の前記剥離膜を薄膜化することができる。剥離膜の１分子層は基板表面で化学結合をしているため、ウェットエッチングでのエッチングレートが極端に遅く１日経過後でも除去されない。そのため、剥離膜は容易に１分子層で形成することができる（図２−ｅ）。該１分子層の結合エネルギーを切断するには昇温により熱エネルギーを与えるか、ドライエッチング等の物理的ダメージを与える必要がある。
【００２３】
また前記基板の表面全体をドライエッチングで荒らしてもよい（図２−ｆ）。これは基板の凸部上の保護膜を完全に除去するためである。そのため、前記保護膜２は成膜時に基板表面で化学結合していてもよい。該保護膜の成膜条件は特に限定されず、剥離膜とのエッチングレートに選択比を有するのであれば、剥離膜と成膜条件を同じくすることも可能である。
【００２４】
以上より薄膜化した剥離膜３を段差の溝部に形成した基板を準備する（図１−１）。基板表面に剥離膜３を化学結合した１分子層のみ残すことができれば、後工程でリフトオフによる前記化学結合を容易に切断することができる。そのため第１の工程後の前記剥離膜の膜厚は１分子層以上１０μｍ以下、好ましくは１分子層以上３μｍ以下、より好ましくは１分子層以上であって溝部の深さ以下とする。以上が第１の工程である。
【００２５】
次に、表面全体をドライエッチングで荒らした基板を用いた第２の工程を以下に示す。該第２の工程は、前記剥離膜が溝部に成膜された基板上に第１の窒化物半導体４を成長し（図１−２）、その後、前記剥離膜３上の第１の窒化物半導体４をリフトオフにより除去し（図１−３）、その後、前記基板の凸部面上に残された第１の窒化物半導体を成長核として第２の窒化物半導体５をラテラル成長させる（図１−４、図１−５）工程であって、好ましくは反応装置内で連続して行う。
【００２６】
前記第２の工程は、前記基板上に少なくとも２層から成る窒化物半導体を成長させる工程であって、そのうち１層は成長核を形成する第１の窒化物半導体であって、もう１層はラテラル成長させる第２の窒化物半導体である。第２の窒化物半導体はラテラル成長させることで表面を平坦化させた窒化物半導体基板を形成する。ここで、第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体の間に第３の窒化物半導体を単層又は複数層（超格子層を含む）で成長させてもよい。
【００２７】
前記第１の窒化物半導体４は、前記剥離膜が溝部にパターン形成された基板上に成長させる。ここで、第１の窒化物半導体の成長温度は前記基板１と剥離膜３との化学結合を切断しない程度であって、好ましくは９００℃以下、より好ましくは７００℃以下の低温成長とする。また膜厚１０オングストローム以上０．５μｍ以下で成長される。これは基板１との格子定数不整を緩和するためであり、転位欠陥を低減させる緩衝層としての効果を有する。
【００２８】
前記第１の窒化物半導体４を成長後、リフトオフを行うことで前記剥離膜の基板表面での化学結合を切断し、剥離膜を除去することで基板凸部に成長核をパターン形成する。このリフトオフの条件は前記剥離膜の基板表面での化学結合を切断する条件であって、窒化物半導体基板の雰囲気温度を上昇させるものである。具体的には、雰囲気温度を９００℃以上として、ＮＨ_３を０．１リットル／ｍｉｎ以上入れればよい。以上の条件より、基板表面で剥離膜３が除去される。前記化学結合を切断するのに必要な温度は長時間の加熱を行えば３００℃程度であっても効果は多少ある。しかし、このような低温で長時間かけて剥離膜を除去させるのは産業用途として望ましくない。
【００２９】
その後、前記第１の窒化物半導体４を成長核として第２の窒化物半導体５を成長させる。該第２の窒化物半導体は剥離膜の除去領域である溝部上でラテラル成長をして窒化物半導体基板を形成する（図１−５）。前記第２の窒化物半導体５の成長条件としては、成長温度を９００℃以上とする。また基板１上の窒化物半導体は第１の窒化物半導体と第２の窒化物半導体とのトータル膜厚は５μｍ以上であれば表面が平坦な窒化物半導体基板を形成することでできる。またラテラル成長を優先させることで窒化物半導体基板の薄膜化を可能とし、以下の条件により窒化物半導体のトータル膜厚を３μｍとすることができる。その条件としては、Ｖ族（窒素）原料とＩＩＩ族原料との比であるＶ／ＩＩＩ比を小さくする、又は圧力条件を７００Ｔｏｒｒ以下の減圧条件とする、その他にＭｇを５×１０^１９ｃｍ^３以上の高濃度ドープさせる等である。上記に示すように第２の窒化物半導体は第１の窒化物半導体よりも高温で成長する。ここで高温とは、基板表面での１分子層の剥離膜の化学結合を切断することができる温度である。具体的には９００℃以上、好ましくは１０００℃以上である。前記成長温度差を２００℃以上とすることが好ましい。
【００３０】
前記窒化物半導体としては、アンドープの窒化物半導体、及びＳｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＳ等のｎ型不純物をドープした窒化物半導体、その他にＭｇやＺｎ等のｐ型不純物をドープした窒化物半導体、又はｎ型不純物とｐ型不純物とを同時ドーピングした窒化物半導体を用いることができる。前記窒化物半導体は、いずれも一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）によって表される組成を有する。但し、これらは互いに異なる組成であってもよい。また、窒化物半導体の成長方法としては、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等の気相成長方法を適用することができる。
【００３１】
［実施形態２］
実施形態１で得られた窒化物半導体基板上に窒化物半導体を厚膜成長させ、この厚膜成長時に転位欠陥を収束させることで転位欠陥をより低減した窒化物半導体基板を実現することができる。通常、ラテラル成長させた窒化物半導体基板上に窒化物半導体を厚膜成長すればチルトの影響を受けて厚膜成長後の表面が平坦にならない。しかし、本件の窒化物半導体基板では、チルトやラテラル成長による応力がなく、さらに窒化物半導体同士の接合部に段差がないため、厚膜成長させた後もクラックが無く、表面が平坦かつ鏡面となる。
【００３２】
ＧａＮの厚膜成長であれば、ＨＶＰＥ法で行う場合、ＨＣｌガスとＧａ金属が反応することでＧａＣｌやＧａＣｌ_３を形成し、該Ｇａ塩化物がアンモニアと反応することで転位密度を１×１０^６個／ｃｍ^２以下の低転位であって３００μｍ以上のＧａＮを基板上に堆積させることができる。前記ＧａＮは結晶性がよいため、研磨やレーザ照射による基板除去時に割れ等が発生せず窒化物半導体のみから成る単体基板を容易に形成することができる。窒化物半導体から成る単体基板は、裏面電極構造とするＬＥＤやＬＤ等を形成することが可能となる。
【００３３】
［実施形態３］
次に、前記実施形態１で形成した窒化物半導体基板上に形成する窒化物半導体レーザ素子を示す（図３）。ここで、前記窒化物半導体基板とはサファイア等の基板２０１上に第１の窒化物半導体を形成し、第２の窒化物半導体をラテラル成長した欠陥低減層２０２を有する基板である。該基板上に不純物ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）層２０３、ｎ型コンタクト層２０４としてｎ型不純物をドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を５μｍ程度で成長させる。このｎ型コンタクト層上にクラック防止層２０５としてｎ型不純物ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を０．２μｍ程度で成長させる。なお、このクラック防止層は省略可能である。続いて、クラック防止層上にｎ型クラッド層２０６を成長させる。このｎ型クラッド層としては、超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｎ型不純物をドープしたｎ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚１．２μｍ程度の超格子構造よりなるｎ型クラッド層を成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｎ側光ガイド層２０７を０．１μｍ程度の膜厚で成長させる。このｎ側光ガイド層はｎ型不純物をドープしてもよい。
【００３４】
次に、障壁層にノンドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）と井戸層にｎ型不純物ドープＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）とからなる単一量子井戸構造、又は多重量子井戸構造である活性層２０８を成長させる。多重量子井戸構造であれば、障壁層と井戸層とを同一温度で１〜１５回程度、好ましくは２〜５回で交互に積層し、最後に障壁層とし総膜厚を２００〜５００Åとする。
【００３５】
次に、活性層上にｐ側キャップ層２０９としてｐ型不純物をドープしたｐ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を成長させる。このｐ側キャップ層は膜厚を５０〜５００Å程度で成長させる。続いて、アンドープＧａＮよりなるｐ側光ガイド層２１０を０．０５〜０．５μｍ程度の膜厚で成長させる。このｐ側光ガイド層２１０は、ｐ型不純物をドープしてもよい。次に、ｐ側光ガイド層上にｐ型クラッド層２１１を成長させる。このｐ型クラッド層としては、ｎ型クラッド層と同様に超格子構造であるのが好ましく、アンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）よりなる層と、ｐ型不純物をドープしたｐ型ＧａＮよりなる層とを交互に積層して総膜厚０．３〜０．８μｍ程度の超格子構造よりなるｐ側クラッド層を成長させる。最後に、ｐ側クラッド層の上に、ｐ型不純物をドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）からなるｐ型コンタクト層２１２を成長させる。
【００３６】
ここで、不純物濃度としては、特に限定する必要はないが、好ましくはｎ型不純物、及びｐ型不純物は１×１０^１８／ｃｍ^３〜１×１０^２０／ｃｍ^３とする。また、前記ｎ型不純物としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｄ等が挙げられ、ｐ型不純物としてはＢｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ等が挙げられる。
【００３７】
次に、前記窒化物半導体基板上に窒化物半導体レーザ素子を形成後、ｐ側電極とｎ側電極とを同一面側に形成する場合には、ｎ側電極を形成するためにｎ型コンタクト層をエッチングにより露出させる。次に、ストライプ状の光導波路領域を形成するためにエッチングすることによりリッジを形成する。ここで、エッチングはリッジを形成するには異方性エッチングであるのが好ましく、例えばＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置等を使用する。ここで形成されるリッジ幅としては本発明においては後工程で形成する埋め込み層や出力にもよるが、リッジ幅は１．０〜３．０μｍと広くすることができる。また、エッチング深さとしては窒化物半導体素子内の少なくともｐ側クラッド層までエッチングするものとする。さらに、リッジ形状は、順メサ型、逆メサ型、垂直型から成り、これらの形状であれば横方向の光閉じ込めができ好ましい。
【００３８】
リッジを形成後、露出したリッジの側壁部からリッジの両側表面の窒化物半導体層上に絶縁体である絶縁体から成る埋め込み膜（例えば、ＺｒＯやダイヤモンドライクカーボン、ガラス等）をスパッタ法等により形成する。この埋め込み膜の効果としては、電流狭窄、及び横方向の光閉じ込めである。横方向の光閉じ込めをするためには窒化物半導体層との間に屈折率差を設ける必要があり、またコア領域内に光を閉じ込めるには窒化物半導体よりも屈折率の小さい材料を埋め込み層に用いる。また、縦方向の光閉じ込めは屈折率の高いコア領域と、屈折率の低いｐ、ｎ型クラッド層とで屈折率差をつけることでコア内に光を閉じ込めている。
【００３９】
その後、ｐ側電極２１４を形成するためにリッジ最上面に成膜された埋め込み層を除去後、露出したｐ型コンタクト層の表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ側電極をストライプ状に形成し、ｐ側電極を形成後、ｎ型コンタクト層の表面にＴｉ／Ａｌよりなるｎ電極２１３をリッジストライプと平行に形成する。次に取り出し電極であるパッド電極（図示ｓれていない）をｐ側電極、及びｎ側電極上に形成する。
【００４０】
また、ｐ側電極をＮｉ／Ａｕ／ＲｈＯとし、ｐ側パッド電極をＲｈＯ／Ｐｔ／Ａｕとする組み合わせとすることもできる。パッド電極を形成する前に、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等から成る誘電体多層膜を共振器面（光出射端面側）に形成してもよい。この誘電体多層膜を有することにより高出力時における光出射端面の端面劣化を抑制することができる。また、埋め込み膜、ダメージ保護膜２１５を形成する。さらに、共振器面を形成した後、該共振器面に誘電体多層膜を形成し、電極に平行な方向で切断してチップ化して窒化物半導体レーザ素子とする。この窒化物半導体レーザ素子をヒートシンクに設置し、ワイヤーボンディングし、キャップで封止することで窒化物半導体レーザダイオードとする。
【００４１】
以上により得られた窒化物半導体レーザダイオードを用いて室温でレーザ発振を試みたところ、発振波長４００〜４２０ｎｍ、閾値電流密度２．９ｋＡ／ｃｍ^２において連続発振を示し、５ｍＷ程度の低出力時だけでなく５０ｍＷ以上、好ましくは８０ｍＷ以上の高出力時でもキンクが発生せず、３０００時間以上の寿命特性を示す。
【００４２】
［実施形態４］
前記実施形態１で形成した窒化物半導体基板上に窒化物半導体ＬＥＤ素子を形成する。ここで、前記窒化物半導体基板とはサファイア等の基板上に第１の窒化物半導体を形成し、第２の窒化物半導体をラテラル成長した欠陥低減層を有する基板である。該基板上に不純物ノンドープＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）層を３μｍ以下の膜厚で成長させる。その上に、ｎ型コンタクト層としてｎ型不純物をドープしたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）を３〜５μｍ程度で成長させる。その上にアンドープＧａＮ／ｎ型不純物ドープＧａＮ／アンドープＧａＮから成る変調ドープ層をトータル膜厚５０００Å以下、好ましくは３５００Å程度で成長させる。その上にＩｎＧａＮとＧａＮ砥から成る超格子層を５〜１５ペア、好ましくは７〜１０ペアの範囲内でトータル膜厚１０００Å以下で成長させる。その上に活性層として多重又は単一量子井戸構造でＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）のペアで積層させる。ここで障壁層及び／又は井戸層はｎ型不純物（Ｓｉ等）がドープされている。次に、前記活性層上に超格子構造から成るｐ型クラッド層を形成する。ｐ型クラッド層はＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）とのペアであって、膜厚はそれぞれ数十Å程度であって、少なくとも一方にｐ型不純物（Ｍｇ等）がドープされている。またラストクラッド層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦Ｘ＜１）が２０００Å程度で積層されており、トータル膜厚は２５００Å以下とする。その上にはｐコンタクト層としてｐ型不純物ドープのＧａＮ層が１０００Å程度で成長させる。以上よりＩＦ２０ｍＡでＶｆ３．５Ｖ以下、出力５ｍＷ以上のＬＥＤ素子を得ることができる。該ＬＥＤ素子は基板の段差溝部が空洞であるため、乱反射による光取り出し効率が空洞無しＬＥＤに比べて１．２倍以上よい。また、基板側を光取り出し面としたフリップチップ構造のＬＥＤにおいても光取り出し効率が１．２倍以上となる。
【００４３】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが本発明はこれに限定されない。
［実施例１］
Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板１を用い、プラズマＣＶＤ装置を用い、圧力２０Ｐａ、ＲＦを８０Ｗ、ＳｉＨ_４を５ｓｃｃｍ、Ｎ_２Ｏを２００ｓｃｃｍ、温度を３６０℃としてＳｉＯ_２から成る保護膜２を膜厚１．５μｍで成膜する（図２−ａ）。次に、保護膜２をプラズマエッチングによりパターン幅をＡ領域１４μｍ、Ｂ領域６μｍに形成後、サファイア基板のエッチングも行い段差を形成する。前記基板の溝部は幅１４μｍ、深さ０．３μｍで形成する（図２−ｂ）。この時、基板の凸部面上には保護膜２が残っている。
【００４４】
次にＥＣＲ装置を用い、ＳｉＮから成る剥離膜３をサファイア基板上に膜厚０．４μｍで成膜する（図２−ｃ）。次にＢＨＦを用いてウェットエッチングを４０分間行い、保護膜ＳｉＯ_２を選択的に除去する（図２−ｄ）。ここで保護膜２上の剥離膜３も除去される。さらに、基板の凸部面上の保護膜を完全に除去するために前記基板表面をドライエッチングする。以上より、基板の凸部面を露出する（図２−ｅ）。
【００４５】
次にサファイア基板の溝部に成膜された前記剥離膜３の膜厚を薄膜化させるためにＢＨＦでウェットエッチングを３時間行う。以上より溝部にはサファイア基板１との界面で１分子層が化学結合した剥離膜３を残し、かつ凸部上面は露出面となったサファイア基板を形成する（図１−１）。
【００４６】
次に、ＭＯＣＶＤ装置を用い、連続反応を行う。装置内の雰囲気温度を５５０℃とし、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなる第１の窒化物半導体４を２００オングストロームの膜厚で成長させる（図１−２）。
【００４７】
さらに、連続反応でＭＯＣＶＤ装置内の雰囲気温度を１０６０℃とし、剥離膜３上の第１の窒化物半導体４のリフトオフを行う（図１−３）。ここで第１の窒化物半導体４はサファイア基板の凸部上面に残る。その後、雰囲気温度を１０７０℃、キャリアガスを水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用いてＧａＮよりなる第２の窒化物半導体５を成長させる。該第２の窒化物半導体５は第１の窒化物半導体４を成長核としてラテラル成長させる（図１−４）。さらにラテラル成長を続けることで第２の窒化物半導体５同士が接合して窒化物半導体層を膜厚７μｍで形成する（図１−５）。
【００４８】
以上より得られた窒化物半導体基板は窒化物半導体のトータル膜厚が７μｍであり、表面は鏡面かつ平坦化しておりチルトがなく、表面における単位面積あたりの転位数が１×１０^７個／ｃｍ^２以下の窒化物半導体基板を形成する。
【００４９】
［実施例２］
実施例１において、第２の窒化物半導体の成長条件に１０ｐｐｍの濃度のシランガスを５ｃｃ加える。その他は、実施例１と同様に成長させる。得られる窒化物半導体基板は低転位欠陥であってＳｉを２×１０^１８ｃｍ^３ドープしたｎ型窒化物半導体基板を得ることができる。
【００５０】
［実施例３］
実施例１において、基板にＳｉＣを用いる他は、実施例１と同様に窒化物半導体を成長させる。得られる窒化物半導体基板は実施例１とほぼ同様の作用効果を有する窒化物半導体基板となる。
【００５１】
【発明の効果】
上記に示すように、本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、応力を有する状態で保護膜上に窒化物半導体を成長することなく低転位欠陥の窒化物半導体基板を提供することができる。この窒化物半導体基板を用いることで特性のよい発光素子や受光素子、電子デバイスが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における各工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図２】本発明における第１の工程において得られる窒化物半導体基板の構造を示す模式的断面図である。
【図３】本発明における一実施形態における窒化物半導体レーザ基板を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・基板
２・・・保護膜
３・・・剥離膜
４・・・第１の窒化物半導体
５・・・第２の窒化物半導体

Claims

ラテラル成長を利用した窒化物半導体基板の製造方法であって、
段差形成した基板の溝部に剥離膜を成膜する第１の工程と、前記剥離膜が溝部に成膜された基板上に第１の窒化物半導体を成長し、その後、前記剥離膜上の第１の窒化物半導体をリフトオフにより除去し、その後、前記基板の凸部上面に残された第１の窒化物半導体を成長核として第２の窒化物半導体をラテラル成長させる第２の工程とを備えたことを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
前記剥離膜は少なくとも１分子層が前記基板の表面で化学結合していることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記化学結合した剥離膜の成膜方法は、プラズマＣＶＤ法、又はＥＣＲスパッタ法であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記第２の工程は、反応装置内で連続して行われることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記第２の窒化物半導体は、第１の窒化物半導体より高温で成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
前記リフトオフは、前記窒化物半導体基板の雰囲気温度を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板の製造方法。