JP4051892B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造方法及びｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。特に、横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）を用いる、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。
【従来の技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体は、例えば発光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。また、そのバンドギャップが広いため、他の半導体を用いた素子よりも高温において安定した動作を期待できることから、ＦＥＴ等トランジスタへの応用も盛んに開発されている。また、ヒ素(As)を主成分としていないことで、環境面からも様々な半導体素子一般への開発が期待されている。このIII族窒化物系化合物半導体では、通常、サファイアを基板として用い、その上に形成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成すると、サファイアとIII族窒化物系化合物半導体との格子定数のミスフィットにより転位が発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。このミスフィットによる転位は半導体層を縦方向（基板面に垂直方向）に貫通する貫通転位であり、III族窒化物系化合物半導体中に109cm-2程度の転位が伝搬してしまうという問題がある。これは組成の異なるIII族窒化物系化合物半導体各層を最上層まで伝搬する。これにより例えば発光素子の場合、ＬＤの閾値電流、ＬＤ及びＬＥＤの素子寿命などの素子特性が良くならないという問題があった。また、他の半導体素子としても、欠陥により電子が散乱することから、移動度（モビリティ）の低い半導体素子となるにとどまっていた。これらは、他の基板を用いる場合も同様であった。
【０００４】
これについて、図９の模式図で説明する。図９は、基板９１と、その上に形成されたバッファ層９２と、更にその上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体層９３を示したものである。基板９１としてはサファイアなど、バッファ層９２としては窒化アルミニウム(AlN)などが従来用いられている。窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層９２は、サファイア基板９１とIII族窒化物系化合物半導体層９３とのミスフィットを緩和させる目的で設けられているものであるが、それでも転位の発生を０とすることはできない。この転位発生点９００から、縦方向（基板面に垂直方向）に貫通転位９０１が伝播し、それはバッファ層９２、III族窒化物系化合物半導体層９３をも貫いていく。こうして、III族窒化物系化合物半導体層９３の上層に、所望の様々なIII族窒化物系化合物半導体を積層して半導体素子を形成しようとすると、III族窒化物系化合物半導体層９３の表面に達した転位９０２から、半導体素子を貫通転位が更に縦方向に伝搬していくこととなる。このように、従来の技術では、III族窒化物系化合物半導体層を形成する際、転位の伝搬を阻止できないという問題があった。
【０００５】
また、近年、貫通転位を防止するために、横方向成長を用いる技術が開発されている。これは、サファイア基板、または、III族窒化物系化合物半導体層上に一部ストライプ状の窓の形成された酸化ケイ素、タングスタテン等からなるマスクを形成して、窓部の半導体を核として、マスク上に横方向成長させるものである。さらに、ペンディオＥＬＯと呼ばれる、横方向成長部分が基板に対して浮いて形成される成長方法も開発されている。ところがマスクを用いるＥＬＯの場合には、マスク上面が結晶成長の核となる半導体層の窓の部分よりも高い位置にあるため、結晶成長は窓部の半導体を核として縦方向に一旦成長したのち、マスクを回り込むようにマスク上で横方向成長するものである。このため、マスク角部での転位、歪みの発生が多く、この部分で発生した貫通転位が貫通転位の減少を抑制しているという問題がある。また、ペンディオＥＬＯにおいても、結晶成長の核となる層の上面にはやはりマスクが形成されているので、このマスクの上に回り込み成長するときに、角部で同様に貫通転位が発生するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、貫通転位の発生を抑制したIII族窒化物系化合物半導体を製造することである。特に、マスクを用いたＥＬＯ成長の欠点を改良することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、基板上III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るIII族窒化物系化合物半導体の製造方法において、非晶質の III 族窒化物系化合物半導体から成る緩衝層と、単結晶の III 族窒化物系化合物半導体層とを１周期として複数周期繰り返し積層し、最上層を第１のIII族窒化物系化合物半導体とする多重層から成る基底層を基板上に形成する工程と、基底層と基板表面の少なくとも一部とをエッチングにより削り、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態とし、基板面に基底層の形成された上段と、基底層の形成されていない、基板面の凹部である下段との段差を設ける工程と、エッチングにより形成された点状、ストライプ状又は格子状等の島状態の基底層の段差の上段の上面及び側面を核として、第２のIII族窒化物系化合物半導体を縦及び横方向エピタキシャル成長させる工程とを有することを特徴とする。尚、本明細書で基底層とは、単層のIII族窒化物系化合物半導体層の場合と、III族窒化物系化合物半導体層を少なくとも１層含む多重層を一括して表現するために用いる。また、ここで島状態とは、エッチングにより形成された段差の上段の様子を概念的に言うものであって、必ずしも各々が分離した領域を言うものでなく、ウエハ上全体をストライプ状又は格子状に形成するなどのように極めて広い範囲において段差の上段が連続していても良いものとする。また、段差の側面とは必ずしも基板面及びIII族窒化物系化合物半導体表面に対して垂直となるものを言うものでなく、斜めの面でも良い。これらは特に言及されない限り以下の請求項でも同様とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、段差の側面は、略全部が｛１１−２０｝面であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、第１のIII族窒化物系化合物半導体と第２のIII族窒化物系化合物半導体とが同組成であることを特徴とする。尚、ここで同組成とは、ドープ程度の差（モル比１パーセント未満の差）は無視するものとする。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により製造したIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に形成されたことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子である。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により製造したIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に、異なるIII族窒化物系化合物半導体層を積層することにより得られることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法に加えて、横方向エピタキシャル成長した部分の上層以外を略全部除去することにより、III族窒化物系化合物半導体基板を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法である。
【００１３】
【作用及び発明の効果】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法の概略を図１を参照しながら説明する。尚、図１では、従属請求項の説明及び理解を助けるため基板１及びバッファ層２を有する図を示しているが、本発明は、縦方向に貫通転位を有するIII族窒化物系化合物半導体から、縦方向の貫通転位の軽減された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体層を得るものであり、バッファ層２は本発明に必須の要素ではない。以下、図１の（ａ）のように、基板１面上に、バッファ層２を介して形成された、縦方向（基板面に垂直方向）に貫通転位を有する第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１を用いて本発明を適用する例で、本発明の作用効果の要部を説明する。尚、バッファ層２と第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１が基底層を形成する。
【００１４】
図１の（ｂ）のように、基底層と基板１を点状、ストライプ状又は格子状等の島状態にエッチングして削り、段差を設ける。段差の下段は基板１の凹部である。ここで図１の（ｃ）のように、第２のIII族窒化物系化合物半導体３２を、バッファ層２と第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１とからなる基底層を核として縦及び横方向エピタキシャル成長させる。こうして、段差の上段の上面３１ａ及び側面３１ｂを核として、第２のIII族窒化物系化合物半導体３２を縦及び横方向エピタキシャル成長させることで段差部分を埋めつつ、基板１凹部の上面１ａとの間に間隙を形成しつつ、上方にも成長させることができる。このとき第２のIII族窒化物系化合物半導体３２が横方向エピタキシャル成長した部分の上部は、第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１が有する貫通転位の伝搬が抑制され、埋められた段差部分に貫通転位の軽減された領域を作ることができる。これにより、段差の側面３１ｂを核として、直ちに横方向成長が実現されることとなる。即ち、従来のマスクを用いたＥＬＯでは、マスクの方が結晶成長の核となる部分よりもマスクの厚さの分だけ厚い。その結果、結晶成長は、まずこのマスクの厚さを補うだけ縦方向に成長して、その後にマスクの上面に回り込み、横方向成長することになる。この結果、マスクの角部での回り込みにより結晶に歪みがかかり、転位発生の原因となっている。本発明では、まず、この様なマスク上の回り込み成長ではなく、基板１凹部の上方には横方向から第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２が成長するので、歪みが結晶にかからないため、転位の発生が無い。基板１凹部と第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２との間には間隙を形成して成長させることも可能である。よって基板１凹部からの歪みを受けることが無い。よって、より高品質な結晶をあることが可能となる。また、マスク上に回り込み成長させる従来のＥＬＯ成長は、両側の核から成長してきた層が中央部で合体するが、この時、両側の結晶軸が微妙にチルトしていることが知られている。このチルトの発生は、基板１凹部と第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２との間に間隙を形成することで、防止することが可能となる。これにより、従来よりも、より高品質な横方向成長層を得ることができる。
図２のような緩衝層と単結晶 III 族窒化物系化合物半導体層とを１周期として、多重周期形成した層を基底層２０として用いると、最上層３１の結晶性が良くなる（請求項１）。
【００１５】
上記の様な速い横方向エピタキシャル成長は、III族窒化物系化合物半導体層３１の段差の側面が｛１１−２０｝面であるとき容易に実現可能である（請求項２）。このとき例えば横方向エピタキシャル成長中の成長面の少なくとも上部を｛１１−２０｝面のまま保つことができる。また、第１のIII族窒化物系化合物半導体と第２のIII族窒化物系化合物半導体とが同組成であるならば、速い横方向エピタキシャル成長は容易に実現可能である（請求項３）。
【００１６】
以上のような方法により、第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１から伝搬する貫通転位を抑制した第２のIII族窒化物系化合物半導体３２を形成することができる。尚、図１では基板面に垂直な側面を持つ段差を形成するものを示したが、本発明はこれに限られず、段差の側面は斜めの面でも良い。
【００１７】
上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に素子を形成することで、欠陥の少ない、移動度の大きい層を有する半導体素子とすることができる（請求項４）。
【００１８】
上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に発光素子を形成することで、素子寿命、或いはＬＤの閾値の改善された発光素子とすることができる（請求項５）。
【００１９】
また、上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層のみをその他の層から分離することで、転位等結晶欠陥の著しく抑制された結晶性の良いIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる（請求項６）。尚「略全部除去」とは、製造上の簡便さから、一部貫通転位の残った部分を含んでいたとしても本発明に包含されることを示すものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法の実施の形態のそれぞれの一例の概略を示す。基板１に、バッファ層２と第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１を形成し、基底層とする（図１の（ａ））。基底層と基板１をエッチングにより削って段差を形成する（図１の（ｂ））。次に第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２を横方向エピタキシャル成長させる（図１の（ｃ））。図１の（ｃ）では横方向エピタキシャル成長面が例えば｛１１−２０｝面である場合を想定しているが、本発明は成長面に限定されない。図１（ｃ）の横方向成長工程において、成長温度と圧力及び供給する原料のIII／V比を最適化することで、横方向成長を縦方向成長よりも極めて速くすることが可能である。こうして、段差の上段面に形成された基底層を核とする横方向成長が、エッチングされた基板１面の凹部の上方で合体するよう、横方向エピタキシャル成長条件を設定することで、エッチングされた基板１面の凹部の上方の第２のIII族窒化物系化合物半導体３２には貫通転位が抑制された領域が形成される（図１の（ｄ））。
【００２１】
上記の発明の実施の形態としては、次の中からそれぞれ選択することができる。
【００２２】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl2O4)、ZnO、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることができる。
【００２３】
III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。
【００２４】
例えばサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体積層する際、結晶性良く形成させるため、サファイア基板との格子不整合を是正すべくバッファ層を形成することが好ましい。他の基板を使用する場合もバッファ層を設けることが望ましい。バッファ層としては、低温で形成させたIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）、より好ましくはAlxGa1-xN（0≦x≦1）が用いられる。このバッファ層は単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良い。バッファ層の形成方法は、380〜420℃の低温で形成するものでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣＶＤ法で形成しても良い。また、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料として、リアクティブスパッタ法によりAlNから成るバッファ層を形成することもできる。同様に一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1、組成比は任意）のバッファ層を形成することができる。更には蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＥＣＲ法を用いることができる。物理蒸着法によるバッファ層は、200〜600℃で行うのが望ましい。さらに望ましくは300〜500℃であり、さらに望ましくは350〜450℃である。これらのスパッタリング法等の物理蒸着法を用いた場合には、バッファ層の厚さは、100〜3000Åが望ましい。さらに望ましくは、100〜400Åが望ましく、最も望ましくは、100〜300Åである。多重層としては、例えばAlxGa1-xN（0≦x≦1）から成る層とGaN層とを交互に形成する、組成の同じ層を形成温度を例えば600℃以下と1000℃以上として交互に形成するなどの方法がある。勿論、これらを組み合わせても良く、多重層は３種以上のIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）を積層しても良い。一般的には緩衝層は非晶質であり、中間層は単結晶である。緩衝層と中間層を１周期として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。
【００２５】
バッファ層及び上層のIII族窒化物系化合物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、これら元素を組成に表示できない程度のドープをしたものでも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有しないIII族窒化物系化合物半導体であるAlxGa1-xN（0≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得ることもできる。このようにして結晶性を良くすることで本願発明と合わせて更に貫通転位を１００乃至１０００分の１程度にまで下げることもできる。バッファ層とIII族窒化物系化合物半導体層とが２周期以上で形成されている基底層の場合、各III族窒化物系化合物半導体層に主たる構成元素よりも原子半径の大きな元素をドープすると更に良い。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００２６】
ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープしても良い。
【００２７】
横方向エピタキシャル成長としては成長面が基板に垂直となるものが望ましいが、基板に対して斜めのファセット面のまま成長するものでも良い。
【００２８】
横方向エピタキシャル成長としては、横方向エピタキシャル成長面の少なくとも上部と基板面とは垂直であることがより望ましく、更にはいずれもIII族窒化物系化合物半導体の｛１１−２０｝面であることがより望ましい。
【００２９】
基板上に積層するIII族窒化物系化合物半導体層の結晶軸方向が予想できる場合は、III族窒化物系化合物半導体層のａ面（｛１１−２０｝面）又はｍ面（｛１−１００｝面）に垂直となるようストライプ状にマスク或いはエッチングを施すことが有用である。なお、島状、格子状等に、上記ストライプ及びマスクを任意に設計して良い。横方向エピタキシャル成長面は、基板面に垂直なものの他、基板面に対し斜めの角度の成長面でも良い。III族窒化物系化合物半導体層のａ面として（１１−２０）面を横方向エピタキシャル成長面とするには例えばストライプの長手方向はIII族窒化物系化合物半導体層のｍ面である（１−１００）面に垂直とする。例えば基板をサファイアのａ面又はｃ面とする場合は、どちらもサファイアのｍ面がその上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層のａ面と通常一致するので、これに合わせてエッチングを施す。点状、格子状その他の島状とする場合も、輪郭（側壁）を形成する各面が｛１１−２０｝面とすることが望ましい。
【００３０】
エッチングマスクは、多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、チタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属、これらの多層膜をもちいることができる。これらの成膜方法は蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成長法の他、任意である。
【００３１】
エッチングをする場合は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が望ましいが、任意のエッチング方法を用いることができる。
【００３２】
上記の貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体の、全体或いは貫通転位の抑制された領域を中心としてその上部にＦＥＴ、発光素子等の半導体素子を形成することができる。発光素子の場合は、発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の他、ホモ構造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられるが、ｐｉｎ接合或いはｐｎ接合等により形成しても良い。
【００３３】
上述の、貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体を、例えば基板１、バッファ層２及びエッチングにより段差を設けた貫通転位の抑制されていない部分を除去して、III族窒化物系化合物半導体基板とすることができる。この上にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成することが可能であり、或いはより大きなIII族窒化物系化合物半導体結晶を形成するための基板として用いることができる。除去方法としては、メカノケミカルポリッシングの他、任意である。
【００３４】
以下、発明の具体的な実施例に基づいて説明する。実施例として発光素子をあげるが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、任意の素子に適用できるIII族窒化物系化合物半導体の製造方法を開示している。
【００３５】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)とキャリアガス(H2又はN2)とトリメチルガリウム（Ga(CH3)3，以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニウム（Al(CH3)3，以下「TMA」と記す）、トリメチルインジウム（In(CH3)3，以下「TMI」と記す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Mg(C5H5)2、以下「Cp2Mg」と記す）である。
【００３６】
〔第１実施例〕
本実施例では、図１のようなバッファ層２とIII族窒化物系化合物半導体層３１を基底層として用いた。有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給してAlNから成るバッファ層２を約40nmの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20L/min、こうして、膜厚約40nmのAlNから成るバッファ層２と膜厚約1.5μmのGaN層３１とから成る基底層を形成した（図１の（ａ））。
【００３７】
次に、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりバッファ層２と膜厚約1.5μmのGaN層３１とから成る基底層とサファイア基板１を削り、幅10μm、間隔10μm、深さ1.7μmのストライプ状に段差を形成した。これにより、幅10μmの上段と、深さ0.2μmのサファイア基板１の凹部の下段（底部）が交互に形成された（図１の（ｂ））。この時、深さ1.5μmの段差を形成する側面は、GaN層３１の｛１１−２０｝面とした。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、GaN層３２を横方向エピタキシャル成長により形成した（図１の（ｃ））。こうして段差の上段面に形成された基底層を核として横方向エピタキシャル成長によりサファイア基板１の凹部である段差の下段上方が覆われ、表面が平坦となった（図１の（ｄ））。こののち、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３２を成長させ、GaN層３２を3μmの厚さとした。GaN層３２の、サファイア基板１の深さ0.2μmの凹部上方に形成された部分は、段差の上段面上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。
【００３８】
〔第２実施例〕
本実施例では、図２のようなバッファ層と単結晶III族窒化物系化合物半導体層とを１周期として、多重周期形成した層を基底層として用いた。有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給して第１のAlN層２１１を約40nmの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、膜厚約0.3μmのGaN層２１２を形成した。次に温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給して第２のAlN層２１３を約40nmの厚さに形成した。さらにサファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、膜厚約1.5μmのGaN層３１を形成した。こうして、膜厚約40nmの第１のAlN層２１１、膜厚約0.3μmのGaN層２１２、膜厚約40nmの第２のAlN層２１３、膜厚約1.5μmのGaN層３１から成る基底層２０を形成した（図２の（ａ））。
【００３９】
次に、第１実施例と同様に、ＲＩＥにより段差を形成した（図２の（ｂ））。サファイア基板１の凹部の深さは0.2μmとした。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、GaN層３２を横方向エピタキシャル成長により形成した（図２の（ｃ））。こうして段差の上段面に形成された基底層２０を核として横方向エピタキシャル成長によりサファイア基板１の凹部である段差の下段上方が覆われ、表面が平坦となった（図２の（ｄ））。こののち、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３２を成長させ、GaN層３２を3μmの厚さとした。GaN層３２の、サファイア基板１の深さ0.2μmの凹部上方に形成された部分は、段差の上段面上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。
【００４０】
〔第３実施例〕
第１実施例と同様に形成したウエハ上に、次のようにして図３に示すレーザダイオード（ＬＤ）１００を形成した。但し、GaN層３２の形成の際、シラン（SiH4）を導入して、GaN層３２をシリコン(Si)ドープのｎ型GaNから成る層とした。尚、図を簡略とするため、凹部を有するサファイア基板１とバッファ層２、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるGaN層３２を併せて、ウエハ１０００と記載し、それ以外のGaN層３２をGaN層１０３と記載する。
【００４１】
凹部を有するサファイア基板、AlNから成るバッファ層、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるｎ型GaN層３２から成るウエハ層１０００とｎ型GaN層１０３に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層１０４、シリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層１０５、ＭＱＷ構造の発光層１０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層１０７、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層１０８、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１０９を形成した。次にｐコンタクト層１０９上に金(Au)から成る電極１１０Ａを、２段のGaN層とｎ型GaN層の合計３段のGaN層１０３が露出するまで一部エッチングしてアルミニウム(Al)から成る電極１１０Ｂを形成した。このようにして形成したレーザダイオード（ＬＤ）は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４２】
〔第４実施例〕
第３実施例と同様に形成したウエハ上に、図４のような発光ダイオード（ＬＥＤ）２００を次のようにして形成した。尚、図を簡略とするため、凹部を有するサファイア基板１とバッファ層２、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるGaN層３２を併せて、ウエハ２０００と記載し、それ以外のGaN層３２をGaN層２０３と記載する。
【００４３】
サファイア基板、AlNから成るバッファ層、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるGaN層３２から成るウエハ２０００とｎ型GaN層２０３上に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層２０４、発光層２０５、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層２０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層２０７を形成した。次にｐコンタクト層２０７上に金(Au)から成る電極２０８Ａを、GaN層とｎ型GaN層の２段のGaN層２０３が露出するまで一部エッチングしてアルミニウム(Al)から成る電極２０８Ｂを形成した。このようにして形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４４】
〔第５実施例〕
本実施例では基板としてシリコン(Si)基板を用いた。ｎ型シリコン(Si)基板３０１上に温度1150℃で、H2を10L/min、NH3を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを10μmol/min、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を0.2μmol/minで供給し、膜厚1.5μmのシリコン(Si)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成る層３０２１を形成した（図５の（ａ））。次に、ハードベークレジストマスクを使用して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いた選択ドライエッチングにより、幅10μm、間隔10μm、深さ1.7μmのストライプ状にエッチングした。これにより、幅10μmの上段と、深さ0.2μmのシリコン基板３の凹部の下段（底部）が交互に形成された（図５の（ｂ））。この時、深さ1.5μmの段差を形成する側面は、n-Al0.15Ga0.85N層３０２１の｛１１−２０｝面とした。次にシリコン基板３０１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/min、TMAを0.5μmol/min、H2ガスにより希釈されたシラン(SiH4)を0.01μmol/minで供給し、シリコン基板の段差の上段面及び側面からn-Al0.15Ga0.85N層を縦及び横方向成長させた（図５の（ｃ））。こうして主に上段面を核とする横方向エピタキシャル成長により基板凹部の上方が覆われ、表面が平坦となったのち、H2を10L/min、NH3を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを10μmol/min、H2ガスにより希釈されたシラン(SiH4)を0.2μmol/minで供給し、n-Al0.15Ga0.85N層を成長させ、3μmの厚さとした（図５の（ｄ））。以下、凹部を有するシリコン基板３０１とn-Al0.15Ga0.85N層３０２を併せてウエハ３０００と記載する。
【００４５】
上記のようにウエハ３０００（凹部を有するシリコン基板３０１とその上に形成されたn-Al0.15Ga0.85N層３０２）上にシリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層３０３、ＭＱＷ構造の発光層３０４、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層３０５、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層３０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層３０７を形成した。次にｐコンタクト層３０７上に金(Au)から成る電極３０８Ａを、シリコン基板３０１裏面にアルミニウム(Al)から成る電極３０８Ｂを形成した。このようにして形成した図６のレーザダイオード（ＬＤ）３００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４６】
〔第６実施例〕
本実施例でも基板としてシリコン(Si)基板を用いた。第５実施例の凹部を有するシリコン基板３０１に形成されたn-Al0.15Ga0.85N層３０２と同様に、凹部を有するシリコン基板４０１とその上に形成されたn-Al0.15Ga0.85N層４０２のウエハ４０００を用意し、発光層４０３、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成るｐクラッド層４０４を形成した。次にｐクラッド層４０４上に金(Au)から成る電極４０５Ａを、シリコン基板４０１裏面にアルミニウム(Al)から成る電極４０５Ｂを形成した。このようにして形成した図７の発光ダイオード（ＬＥＤ）４００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４７】
〔エッチングの変形〕
また、図８は、３組の｛１１−２０｝面により、島状に段差の上段を形成する例である。図８の（ａ）は、３組の｛１１−２０｝面で形成される外周をも示しているが、これは理解のため簡略化した模式図であり、実際には島状の段差の上段はウエハ当たり数千万個形成して良い。図８の（ａ）では、島状の段差の上段に対し、段差の底部Ｂは３倍の面積を有する。図８の（ｂ）では、島状の段差の上段に対し、段差の底部Ｂは８倍の面積を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図４】本発明の第４の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図５】本発明の第５の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図６】本発明の第５の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図７】本発明の第６の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図８】第１のIII族窒化物系化合物半導体のエッチングの他の例を示す模式図。
【図９】 III族窒化物系化合物半導体を伝搬する貫通転位を示す断面図。
【符号の説明】
１、１０１、２０１、３０１、４０１ 基板
２、１０２、２０２ バッファ層
２０ 基底層
２１ 基底層を形成する第１緩衝層
２２ 基底層を形成する中間層
２３ 基底層を形成する第２緩衝層
３１ 第１のIII族窒化物系化合物半導体（層）
３２ 第２のIII族窒化物系化合物半導体（層）
１０３、２０３ n-GaN層
１０４、２０４、３０２、４０２ n-AlGaNクラッド層
１０５、３０３ n-GaNガイド層
１０６、２０５、３０４、４０３ 発光層
１０７、３０５ p-GaNガイド層
１０８、２０６、３０６、４０４ p-AlGaNクラッド層
１０９、２０７、３０７ p-GaN層
１１０Ａ、２０８Ａ、３０８Ａ、４０５Ａ ｐ電極
１１０Ｂ、２０８Ｂ、３０８Ｂ、４０５Ｂ ｎ電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。特に、横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）を用いる、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。
【従来の技術】
【０００２】
III族窒化物系化合物半導体は、例えば発光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。また、そのバンドギャップが広いため、他の半導体を用いた素子よりも高温において安定した動作を期待できることから、ＦＥＴ等トランジスタへの応用も盛んに開発されている。また、ヒ素(As)を主成分としていないことで、環境面からも様々な半導体素子一般への開発が期待されている。このIII族窒化物系化合物半導体では、通常、サファイアを基板として用い、その上に形成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成すると、サファイアとIII族窒化物系化合物半導体との格子定数のミスフィットにより転位が発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。このミスフィットによる転位は半導体層を縦方向（基板面に垂直方向）に貫通する貫通転位であり、III族窒化物系化合物半導体中に109cm-2程度の転位が伝搬してしまうという問題がある。これは組成の異なるIII族窒化物系化合物半導体各層を最上層まで伝搬する。これにより例えば発光素子の場合、ＬＤの閾値電流、ＬＤ及びＬＥＤの素子寿命などの素子特性が良くならないという問題があった。また、他の半導体素子としても、欠陥により電子が散乱することから、移動度（モビリティ）の低い半導体素子となるにとどまっていた。これらは、他の基板を用いる場合も同様であった。
【０００４】
これについて、図９の模式図で説明する。図９は、基板９１と、その上に形成されたバッファ層９２と、更にその上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体層９３を示したものである。基板９１としてはサファイアなど、バッファ層９２としては窒化アルミニウム(AlN)などが従来用いられている。窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層９２は、サファイア基板９１とIII族窒化物系化合物半導体層９３とのミスフィットを緩和させる目的で設けられているものであるが、それでも転位の発生を０とすることはできない。この転位発生点９００から、縦方向（基板面に垂直方向）に貫通転位９０１が伝播し、それはバッファ層９２、III族窒化物系化合物半導体層９３をも貫いていく。こうして、III族窒化物系化合物半導体層９３の上層に、所望の様々なIII族窒化物系化合物半導体を積層して半導体素子を形成しようとすると、III族窒化物系化合物半導体層９３の表面に達した転位９０２から、半導体素子を貫通転位が更に縦方向に伝搬していくこととなる。このように、従来の技術では、III族窒化物系化合物半導体層を形成する際、転位の伝搬を阻止できないという問題があった。
【０００５】
また、近年、貫通転位を防止するために、横方向成長を用いる技術が開発されている。これは、サファイア基板、または、III族窒化物系化合物半導体層上に一部ストライプ状の窓の形成された酸化ケイ素、タングスタテン等からなるマスクを形成して、窓部の半導体を核として、マスク上に横方向成長させるものである。さらに、ペンディオＥＬＯと呼ばれる、横方向成長部分が基板に対して浮いて形成される成長方法も開発されている。ところがマスクを用いるＥＬＯの場合には、マスク上面が結晶成長の核となる半導体層の窓の部分よりも高い位置にあるため、結晶成長は窓部の半導体を核として縦方向に一旦成長したのち、マスクを回り込むようにマスク上で横方向成長するものである。このため、マスク角部での転位、歪みの発生が多く、この部分で発生した貫通転位が貫通転位の減少を抑制しているという問題がある。また、ペンディオＥＬＯにおいても、結晶成長の核となる層の上面にはやはりマスクが形成されているので、このマスクの上に回り込み成長するときに、角部で同様に貫通転位が発生するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、貫通転位の発生を抑制したIII族窒化物系化合物半導体を製造することである。特に、マスクを用いたＥＬＯ成長の欠点を改良することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、基板上III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るIII族窒化物系化合物半導体の製造方法において、非晶質の III 族窒化物系化合物半導体から成る緩衝層と、単結晶の III 族窒化物系化合物半導体層とを１周期として複数周期繰り返し積層し、最上層を第１のIII族窒化物系化合物半導体とする多重層から成る基底層を基板上に形成する工程と、基底層と基板表面の少なくとも一部とをエッチングにより削り、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態とし、基板面に基底層の形成された上段と、基底層の形成されていない、基板面の凹部である下段との段差を設ける工程と、エッチングにより形成された点状、ストライプ状又は格子状等の島状態の基底層の段差の上段の上面及び側面を核として、第２のIII族窒化物系化合物半導体を縦及び横方向エピタキシャル成長させる工程とを有することを特徴とする。尚、本明細書で基底層とは、単層のIII族窒化物系化合物半導体層の場合と、III族窒化物系化合物半導体層を少なくとも１層含む多重層を一括して表現するために用いる。また、ここで島状態とは、エッチングにより形成された段差の上段の様子を概念的に言うものであって、必ずしも各々が分離した領域を言うものでなく、ウエハ上全体をストライプ状又は格子状に形成するなどのように極めて広い範囲において段差の上段が連続していても良いものとする。また、段差の側面とは必ずしも基板面及びIII族窒化物系化合物半導体表面に対して垂直となるものを言うものでなく、斜めの面でも良い。これらは特に言及されない限り以下の請求項でも同様とする。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、段差の側面は、略全部が｛１１−２０｝面であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、第１のIII族窒化物系化合物半導体と第２のIII族窒化物系化合物半導体とが同組成であることを特徴とする。尚、ここで同組成とは、ドープ程度の差（モル比１パーセント未満の差）は無視するものとする。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により製造したIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に形成されたことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子である。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により製造したIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に、異なるIII族窒化物系化合物半導体層を積層することにより得られることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。
【００１２】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法に加えて、横方向エピタキシャル成長した部分の上層以外を略全部除去することにより、III族窒化物系化合物半導体基板を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法である。
【００１３】
【作用及び発明の効果】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法の概略を図１を参照しながら説明する。尚、図１では、従属請求項の説明及び理解を助けるため基板１及びバッファ層２を有する図を示しているが、本発明は、縦方向に貫通転位を有するIII族窒化物系化合物半導体から、縦方向の貫通転位の軽減された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体層を得るものであり、バッファ層２は本発明に必須の要素ではない。以下、図１の（ａ）のように、基板１面上に、バッファ層２を介して形成された、縦方向（基板面に垂直方向）に貫通転位を有する第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１を用いて本発明を適用する例で、本発明の作用効果の要部を説明する。尚、バッファ層２と第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１が基底層を形成する。
【００１４】
図１の（ｂ）のように、基底層と基板１を点状、ストライプ状又は格子状等の島状態にエッチングして削り、段差を設ける。段差の下段は基板１の凹部である。ここで図１の（ｃ）のように、第２のIII族窒化物系化合物半導体３２を、バッファ層２と第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１とからなる基底層を核として縦及び横方向エピタキシャル成長させる。こうして、段差の上段の上面３１ａ及び側面３１ｂを核として、第２のIII族窒化物系化合物半導体３２を縦及び横方向エピタキシャル成長させることで段差部分を埋めつつ、基板１凹部の上面１ａとの間に間隙を形成しつつ、上方にも成長させることができる。このとき第２のIII族窒化物系化合物半導体３２が横方向エピタキシャル成長した部分の上部は、第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１が有する貫通転位の伝搬が抑制され、埋められた段差部分に貫通転位の軽減された領域を作ることができる。これにより、段差の側面３１ｂを核として、直ちに横方向成長が実現されることとなる。即ち、従来のマスクを用いたＥＬＯでは、マスクの方が結晶成長の核となる部分よりもマスクの厚さの分だけ厚い。その結果、結晶成長は、まずこのマスクの厚さを補うだけ縦方向に成長して、その後にマスクの上面に回り込み、横方向成長することになる。この結果、マスクの角部での回り込みにより結晶に歪みがかかり、転位発生の原因となっている。本発明では、まず、この様なマスク上の回り込み成長ではなく、基板１凹部の上方には横方向から第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２が成長するので、歪みが結晶にかからないため、転位の発生が無い。基板１凹部と第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２との間には間隙を形成して成長させることも可能である。よって基板１凹部からの歪みを受けることが無い。よって、より高品質な結晶をあることが可能となる。また、マスク上に回り込み成長させる従来のＥＬＯ成長は、両側の核から成長してきた層が中央部で合体するが、この時、両側の結晶軸が微妙にチルトしていることが知られている。このチルトの発生は、基板１凹部と第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２との間に間隙を形成することで、防止することが可能となる。これにより、従来よりも、より高品質な横方向成長層を得ることができる。
図２のような緩衝層と単結晶 III 族窒化物系化合物半導体層とを１周期として、多重周期形成した層を基底層２０として用いると、最上層３１の結晶性が良くなる（請求項１）。
【００１５】
上記の様な速い横方向エピタキシャル成長は、III族窒化物系化合物半導体層３１の段差の側面が｛１１−２０｝面であるとき容易に実現可能である（請求項２）。このとき例えば横方向エピタキシャル成長中の成長面の少なくとも上部を｛１１−２０｝面のまま保つことができる。また、第１のIII族窒化物系化合物半導体と第２のIII族窒化物系化合物半導体とが同組成であるならば、速い横方向エピタキシャル成長は容易に実現可能である（請求項３）。
【００１６】
以上のような方法により、第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１から伝搬する貫通転位を抑制した第２のIII族窒化物系化合物半導体３２を形成することができる。尚、図１では基板面に垂直な側面を持つ段差を形成するものを示したが、本発明はこれに限られず、段差の側面は斜めの面でも良い。
【００１７】
上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に素子を形成することで、欠陥の少ない、移動度の大きい層を有する半導体素子とすることができる（請求項４）。
【００１８】
上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に発光素子を形成することで、素子寿命、或いはＬＤの閾値の改善された発光素子とすることができる（請求項５）。
【００１９】
また、上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層のみをその他の層から分離することで、転位等結晶欠陥の著しく抑制された結晶性の良いIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる（請求項６）。尚「略全部除去」とは、製造上の簡便さから、一部貫通転位の残った部分を含んでいたとしても本発明に包含されることを示すものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法の実施の形態のそれぞれの一例の概略を示す。基板１に、バッファ層２と第１のIII族窒化物系化合物半導体層３１を形成し、基底層とする（図１の（ａ））。基底層と基板１をエッチングにより削って段差を形成する（図１の（ｂ））。次に第２のIII族窒化物系化合物半導体層３２を横方向エピタキシャル成長させる（図１の（ｃ））。図１の（ｃ）では横方向エピタキシャル成長面が例えば｛１１−２０｝面である場合を想定しているが、本発明は成長面に限定されない。図１（ｃ）の横方向成長工程において、成長温度と圧力及び供給する原料のIII／V比を最適化することで、横方向成長を縦方向成長よりも極めて速くすることが可能である。こうして、段差の上段面に形成された基底層を核とする横方向成長が、エッチングされた基板１面の凹部の上方で合体するよう、横方向エピタキシャル成長条件を設定することで、エッチングされた基板１面の凹部の上方の第２のIII族窒化物系化合物半導体３２には貫通転位が抑制された領域が形成される（図１の（ｄ））。
【００２１】
上記の発明の実施の形態としては、次の中からそれぞれ選択することができる。
【００２２】
基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl2O4)、ZnO、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることができる。
【００２３】
III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。
【００２４】
例えばサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体積層する際、結晶性良く形成させるため、サファイア基板との格子不整合を是正すべくバッファ層を形成することが好ましい。他の基板を使用する場合もバッファ層を設けることが望ましい。バッファ層としては、低温で形成させたIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）、より好ましくはAlxGa1-xN（0≦x≦1）が用いられる。このバッファ層は単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良い。バッファ層の形成方法は、380〜420℃の低温で形成するものでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣＶＤ法で形成しても良い。また、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料として、リアクティブスパッタ法によりAlNから成るバッファ層を形成することもできる。同様に一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1、組成比は任意）のバッファ層を形成することができる。更には蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＥＣＲ法を用いることができる。物理蒸着法によるバッファ層は、200〜600℃で行うのが望ましい。さらに望ましくは300〜500℃であり、さらに望ましくは350〜450℃である。これらのスパッタリング法等の物理蒸着法を用いた場合には、バッファ層の厚さは、100〜3000Åが望ましい。さらに望ましくは、100〜400Åが望ましく、最も望ましくは、100〜300Åである。多重層としては、例えばAlxGa1-xN（0≦x≦1）から成る層とGaN層とを交互に形成する、組成の同じ層を形成温度を例えば600℃以下と1000℃以上として交互に形成するなどの方法がある。勿論、これらを組み合わせても良く、多重層は３種以上のIII族窒化物系化合物半導体AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）を積層しても良い。一般的には緩衝層は非晶質であり、中間層は単結晶である。緩衝層と中間層を１周期として複数周期形成しても良く、繰り返しは任意周期で良い。繰り返しは多いほど結晶性が良くなる。
【００２５】
バッファ層及び上層のIII族窒化物系化合物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、これら元素を組成に表示できない程度のドープをしたものでも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有しないIII族窒化物系化合物半導体であるAlxGa1-xN（0≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原子半径の大きなヒ素(As)をドープすることで、窒素原子の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得ることもできる。このようにして結晶性を良くすることで本願発明と合わせて更に貫通転位を１００乃至１０００分の１程度にまで下げることもできる。バッファ層とIII族窒化物系化合物半導体層とが２周期以上で形成されている基底層の場合、各III族窒化物系化合物半導体層に主たる構成元素よりも原子半径の大きな元素をドープすると更に良い。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。
【００２６】
ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープしても良い。
【００２７】
横方向エピタキシャル成長としては成長面が基板に垂直となるものが望ましいが、基板に対して斜めのファセット面のまま成長するものでも良い。
【００２８】
横方向エピタキシャル成長としては、横方向エピタキシャル成長面の少なくとも上部と基板面とは垂直であることがより望ましく、更にはいずれもIII族窒化物系化合物半導体の｛１１−２０｝面であることがより望ましい。
【００２９】
基板上に積層するIII族窒化物系化合物半導体層の結晶軸方向が予想できる場合は、III族窒化物系化合物半導体層のａ面（｛１１−２０｝面）又はｍ面（｛１−１００｝面）に垂直となるようストライプ状にマスク或いはエッチングを施すことが有用である。なお、島状、格子状等に、上記ストライプ及びマスクを任意に設計して良い。横方向エピタキシャル成長面は、基板面に垂直なものの他、基板面に対し斜めの角度の成長面でも良い。III族窒化物系化合物半導体層のａ面として（１１−２０）面を横方向エピタキシャル成長面とするには例えばストライプの長手方向はIII族窒化物系化合物半導体層のｍ面である（１−１００）面に垂直とする。例えば基板をサファイアのａ面又はｃ面とする場合は、どちらもサファイアのｍ面がその上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層のａ面と通常一致するので、これに合わせてエッチングを施す。点状、格子状その他の島状とする場合も、輪郭（側壁）を形成する各面が｛１１−２０｝面とすることが望ましい。
【００３０】
エッチングマスクは、多結晶シリコン、多結晶窒化物半導体等の多結晶半導体、酸化珪素(SiOx)、窒化珪素(SiNx)、酸化チタン(TiOX)、酸化ジルコニウム(ZrOX)等の酸化物、窒化物、チタン(Ti)、タングステン(W)のような高融点金属、これらの多層膜をもちいることができる。これらの成膜方法は蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成長法の他、任意である。
【００３１】
エッチングをする場合は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が望ましいが、任意のエッチング方法を用いることができる。
【００３２】
上記の貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体の、全体或いは貫通転位の抑制された領域を中心としてその上部にＦＥＴ、発光素子等の半導体素子を形成することができる。発光素子の場合は、発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の他、ホモ構造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられるが、ｐｉｎ接合或いはｐｎ接合等により形成しても良い。
【００３３】
上述の、貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体を、例えば基板１、バッファ層２及びエッチングにより段差を設けた貫通転位の抑制されていない部分を除去して、III族窒化物系化合物半導体基板とすることができる。この上にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成することが可能であり、或いはより大きなIII族窒化物系化合物半導体結晶を形成するための基板として用いることができる。除去方法としては、メカノケミカルポリッシングの他、任意である。
【００３４】
以下、発明の具体的な実施例に基づいて説明する。実施例として発光素子をあげるが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、任意の素子に適用できるIII族窒化物系化合物半導体の製造方法を開示している。
【００３５】
本発明のIII族窒化物系化合物半導体は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)とキャリアガス(H2又はN2)とトリメチルガリウム（Ga(CH3)3，以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニウム（Al(CH3)3，以下「TMA」と記す）、トリメチルインジウム（In(CH3)3，以下「TMI」と記す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Mg(C5H5)2、以下「Cp2Mg」と記す）である。
【００３６】
〔第１実施例〕
本実施例では、図１のようなバッファ層２とIII族窒化物系化合物半導体層３１を基底層として用いた。有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給してAlNから成るバッファ層２を約40nmの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20L/min、こうして、膜厚約40nmのAlNから成るバッファ層２と膜厚約1.5μmのGaN層３１とから成る基底層を形成した（図１の（ａ））。
【００３７】
次に、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりバッファ層２と膜厚約1.5μmのGaN層３１とから成る基底層とサファイア基板１を削り、幅10μm、間隔10μm、深さ1.7μmのストライプ状に段差を形成した。これにより、幅10μmの上段と、深さ0.2μmのサファイア基板１の凹部の下段（底部）が交互に形成された（図１の（ｂ））。この時、深さ1.5μmの段差を形成する側面は、GaN層３１の｛１１−２０｝面とした。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、GaN層３２を横方向エピタキシャル成長により形成した（図１の（ｃ））。こうして段差の上段面に形成された基底層を核として横方向エピタキシャル成長によりサファイア基板１の凹部である段差の下段上方が覆われ、表面が平坦となった（図１の（ｄ））。こののち、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３２を成長させ、GaN層３２を3μmの厚さとした。GaN層３２の、サファイア基板１の深さ0.2μmの凹部上方に形成された部分は、段差の上段面上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。
【００３８】
〔第２実施例〕
本実施例では、図２のようなバッファ層と単結晶III族窒化物系化合物半導体層とを１周期として、多重周期形成した層を基底層として用いた。有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給して第１のAlN層２１１を約40nmの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、膜厚約0.3μmのGaN層２１２を形成した。次に温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給して第２のAlN層２１３を約40nmの厚さに形成した。さらにサファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、膜厚約1.5μmのGaN層３１を形成した。こうして、膜厚約40nmの第１のAlN層２１１、膜厚約0.3μmのGaN層２１２、膜厚約40nmの第２のAlN層２１３、膜厚約1.5μmのGaN層３１から成る基底層２０を形成した（図２の（ａ））。
【００３９】
次に、第１実施例と同様に、ＲＩＥにより段差を形成した（図２の（ｂ））。サファイア基板１の凹部の深さは0.2μmとした。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、GaN層３２を横方向エピタキシャル成長により形成した（図２の（ｃ））。こうして段差の上段面に形成された基底層２０を核として横方向エピタキシャル成長によりサファイア基板１の凹部である段差の下段上方が覆われ、表面が平坦となった（図２の（ｄ））。こののち、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３２を成長させ、GaN層３２を3μmの厚さとした。GaN層３２の、サファイア基板１の深さ0.2μmの凹部上方に形成された部分は、段差の上段面上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。
【００４０】
〔第３実施例〕
第１実施例と同様に形成したウエハ上に、次のようにして図３に示すレーザダイオード（ＬＤ）１００を形成した。但し、GaN層３２の形成の際、シラン（SiH4）を導入して、GaN層３２をシリコン(Si)ドープのｎ型GaNから成る層とした。尚、図を簡略とするため、凹部を有するサファイア基板１とバッファ層２、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるGaN層３２を併せて、ウエハ１０００と記載し、それ以外のGaN層３２をGaN層１０３と記載する。
【００４１】
凹部を有するサファイア基板、AlNから成るバッファ層、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるｎ型GaN層３２から成るウエハ層１０００とｎ型GaN層１０３に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層１０４、シリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層１０５、ＭＱＷ構造の発光層１０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層１０７、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層１０８、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１０９を形成した。次にｐコンタクト層１０９上に金(Au)から成る電極１１０Ａを、２段のGaN層とｎ型GaN層の合計３段のGaN層１０３が露出するまで一部エッチングしてアルミニウム(Al)から成る電極１１０Ｂを形成した。このようにして形成したレーザダイオード（ＬＤ）は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４２】
〔第４実施例〕
第３実施例と同様に形成したウエハ上に、図４のような発光ダイオード（ＬＥＤ）２００を次のようにして形成した。尚、図を簡略とするため、凹部を有するサファイア基板１とバッファ層２、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるGaN層３２を併せて、ウエハ２０００と記載し、それ以外のGaN層３２をGaN層２０３と記載する。
【００４３】
サファイア基板、AlNから成るバッファ層、GaN層３１及びそれらと同じ高さにあるGaN層３２から成るウエハ２０００とｎ型GaN層２０３上に、シリコン(Si)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｎクラッド層２０４、発光層２０５、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層２０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層２０７を形成した。次にｐコンタクト層２０７上に金(Au)から成る電極２０８Ａを、GaN層とｎ型GaN層の２段のGaN層２０３が露出するまで一部エッチングしてアルミニウム(Al)から成る電極２０８Ｂを形成した。このようにして形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４４】
〔第５実施例〕
本実施例では基板としてシリコン(Si)基板を用いた。ｎ型シリコン(Si)基板３０１上に温度1150℃で、H2を10L/min、NH3を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを10μmol/min、H2ガスにより0.86ppmに希釈されたシラン(SiH4)を0.2μmol/minで供給し、膜厚1.5μmのシリコン(Si)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成る層３０２１を形成した（図５の（ａ））。次に、ハードベークレジストマスクを使用して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いた選択ドライエッチングにより、幅10μm、間隔10μm、深さ1.7μmのストライプ状にエッチングした。これにより、幅10μmの上段と、深さ0.2μmのシリコン基板３の凹部の下段（底部）が交互に形成された（図５の（ｂ））。この時、深さ1.5μmの段差を形成する側面は、n-Al0.15Ga0.85N層３０２１の｛１１−２０｝面とした。次にシリコン基板３０１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/min、TMAを0.5μmol/min、H2ガスにより希釈されたシラン(SiH4)を0.01μmol/minで供給し、シリコン基板の段差の上段面及び側面からn-Al0.15Ga0.85N層を縦及び横方向成長させた（図５の（ｃ））。こうして主に上段面を核とする横方向エピタキシャル成長により基板凹部の上方が覆われ、表面が平坦となったのち、H2を10L/min、NH3を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを10μmol/min、H2ガスにより希釈されたシラン(SiH4)を0.2μmol/minで供給し、n-Al0.15Ga0.85N層を成長させ、3μmの厚さとした（図５の（ｄ））。以下、凹部を有するシリコン基板３０１とn-Al0.15Ga0.85N層３０２を併せてウエハ３０００と記載する。
【００４５】
上記のようにウエハ３０００（凹部を有するシリコン基板３０１とその上に形成されたn-Al0.15Ga0.85N層３０２）上にシリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層３０３、ＭＱＷ構造の発光層３０４、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層３０５、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.08Ga0.92Nから成るｐクラッド層３０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層３０７を形成した。次にｐコンタクト層３０７上に金(Au)から成る電極３０８Ａを、シリコン基板３０１裏面にアルミニウム(Al)から成る電極３０８Ｂを形成した。このようにして形成した図６のレーザダイオード（ＬＤ）３００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４６】
〔第６実施例〕
本実施例でも基板としてシリコン(Si)基板を用いた。第５実施例の凹部を有するシリコン基板３０１に形成されたn-Al0.15Ga0.85N層３０２と同様に、凹部を有するシリコン基板４０１とその上に形成されたn-Al0.15Ga0.85N層４０２のウエハ４０００を用意し、発光層４０３、マグネシウム(Mg)ドープのAl0.15Ga0.85Nから成るｐクラッド層４０４を形成した。次にｐクラッド層４０４上に金(Au)から成る電極４０５Ａを、シリコン基板４０１裏面にアルミニウム(Al)から成る電極４０５Ｂを形成した。このようにして形成した図７の発光ダイオード（ＬＥＤ）４００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。
【００４７】
〔エッチングの変形〕
また、図８は、３組の｛１１−２０｝面により、島状に段差の上段を形成する例である。図８の（ａ）は、３組の｛１１−２０｝面で形成される外周をも示しているが、これは理解のため簡略化した模式図であり、実際には島状の段差の上段はウエハ当たり数千万個形成して良い。図８の（ａ）では、島状の段差の上段に対し、段差の底部Ｂは３倍の面積を有する。図８の（ｂ）では、島状の段差の上段に対し、段差の底部Ｂは８倍の面積を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図４】本発明の第４の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図５】本発明の第５の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。
【図６】本発明の第５の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図７】本発明の第６の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。
【図８】第１のIII族窒化物系化合物半導体のエッチングの他の例を示す模式図。
【図９】 III族窒化物系化合物半導体を伝搬する貫通転位を示す断面図。
【符号の説明】
１、１０１、２０１、３０１、４０１ 基板
２、１０２、２０２ バッファ層
２０ 基底層
２１ 基底層を形成する第１緩衝層
２２ 基底層を形成する中間層
２３ 基底層を形成する第２緩衝層
３１ 第１のIII族窒化物系化合物半導体（層）
３２ 第２のIII族窒化物系化合物半導体（層）
１０３、２０３ n-GaN層
１０４、２０４、３０２、４０２ n-AlGaNクラッド層
１０５、３０３ n-GaNガイド層
１０６、２０５、３０４、４０３ 発光層
１０７、３０５ p-GaNガイド層
１０８、２０６、３０６、４０４ p-AlGaNクラッド層
１０９、２０７、３０７ p-GaN層
１１０Ａ、２０８Ａ、３０８Ａ、４０５Ａ ｐ電極
１１０Ｂ、２０８Ｂ、３０８Ｂ、４０５Ｂ ｎ電極
Claims (6)
- 基板上III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長により得るIII族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
非晶質の III 族窒化物系化合物半導体から成る緩衝層と、単結晶の III 族窒化物系化合物半導体層とを１周期として複数周期繰り返し積層し、最上層を第１のIII族窒化物系化合物半導体とする多重層から成る基底層を前記基板上に形成する工程と、
前記基底層と前記基板表面の少なくとも一部とをエッチングにより削り、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態とし、前記基板面に前記基底層の形成された上段と、前記基底層の形成されていない、基板面の凹部である下段との段差を設ける工程と、
前記エッチングにより形成された点状、ストライプ状又は格子状等の島状態の前記基底層の段差の上段の上面及び側面を核として、第２のIII族窒化物系化合物半導体を縦及び横方向エピタキシャル成長させる工程とを有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。 - 前記段差の側面は、略全部が｛１１−２０｝面であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 前記第１のIII族窒化物系化合物半導体と前記第２のIII族窒化物系化合物半導体とが同組成であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により製造した前記III族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に形成されたことを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法により製造した前記III族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層に、異なるIII族窒化物系化合物半導体層を積層することにより得られることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法に加えて、横方向エピタキシャル成長した部分の上層以外を略全部除去することにより、前記III族窒化物系化合物半導体基板を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
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