JP4304750B2 - 窒化物半導体の成長方法及び窒化物半導体素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）の成長方法に係り、特に窒化物半導体よりなる基板の成長方法に関する。また、本発明は、前記窒化物半導体よりなる基板を用い発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体からなる青色、青緑色の発光ダイオード、レーザダイオードが実用化されたり実用可能になっている。
【０００３】
例えば、本発明者等は、Japanese Journal of Aplide Physics. Vol.37(1998)pp.L309-L312 に、サファイア上に成長させたＧａＮ層上に、ＳｉＯ2よりなる保護膜を部分的に形成し、その保護膜上から再度ＧａＮを有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により成長させることで、保護膜が形成されていない部分（以下、窓部という）から成長が開始し、次第に保護膜上部でＧａＮの横方向の成長が生じ、隣接する窓部から横方向に成長したＧａＮ同士が保護膜上で接合して成長を続け、結晶欠陥の極めて少ない窒化物半導体を得ることができることを開示している。そして、得られる結晶欠陥の少ない窒化物半導体を基板とし、この窒化物半導体基板上に素子構造を形成してなる窒化物半導体レーザ素子は、１万時間以上の連続発振を達成することができることが開示されている。
【０００４】
このような保護膜を形成した後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して窒化物半導体を成長させる方法は、エピタキシャルラテラルオーバーグロウス（Epitaxially lateral over growth : ＥＬＯＧ）と呼ばれている。
【０００５】
上記の方法は、サファイア基板上にＧａＮ層をいったん２μｍ成長させた後で、３μｍの間隔（窓部）をあけながら厚さ２μｍ、幅１３μｍのストライプ状のＳｉＯ2よりなる保護膜を形成し、その保護膜の上からハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により、ＧａＮの横方向への成長を利用し、再度ＧａＮ層を１０μｍほど成長させることにより結晶欠陥の少ないＧａＮ基板が得られる技術である。
【０００６】
上記方法で得られたＧａＮ基板は、従来の窒化物半導体の成長方法に比べ、全体的に結晶欠陥が著しく減少するが、特にＳｉＯ2の保護膜上部に位置する窒化物半導体に特に結晶欠陥が少なくなる。
しかも、本発明者等が、Japanese Journal of Aplide Physics. Vol.36(1997)pp.L1568-L1571にて報告したＥＬＯＧ成長では、保護膜のほぼ中央部、隣接するＧａＮ同士が接合する部分に空隙が生じ、この空隙が表面まで伸びているのに対し、上記の方法では保護膜のほぼ中央部に空隙が生じてはいるが保護膜から約５μｍの膜厚付近で消滅している。
【０００７】
この結晶欠陥のより少ない保護膜上に、リッジ形状のストライプのレーザ導波路が位置するように形成されてなる窒化物半導体素子は、窓部上にリッジ形状のストライプが形成されたものに比べ、良好な寿命特性を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、寿命特性の良好なレーザ素子を効率良く生産するには、窓部を避けて、幅の狭い保護膜上に、数μｍのリッジ形状のストライプを効率良く形成することが必要であるが、幅の狭い部分に正確に幅の狭いものを形成するのは困難であり、寿命特性の良好なレーザ素子を量産する場合に問題となる。
【０００９】
また更に、ＥＬＯＧ成長により得られた窒化物半導体であって、表面透過型電子顕微鏡（表面ＴＥＭ）観測において結晶欠陥のほとんどない部分、つまり保護膜上部に、リッジ形状のストライプを形成したにもかかわらず、寿命特性が十分満足できないものが生じることがわかった。この問題に対して、本発明者は種々検討の結果、ＥＬＯＧ成長により窓部から成長し保護膜上で横方向に成長する隣接のＧａＮ同士が保護膜のほぼ中心部分で接合する際に生じ成長の途中で消滅している空隙が寿命特性を劣化させている可能性が高いことが確認された。つまり、空隙がレーザ素子の動作中にリッジ形状のストライプ部分等の素子構造にまで広がったり、空隙にエッチング液等が残留し、レーザ素子の動作中、該残留物が素子性能に悪影響を及ぼしていることがわっかった。
【００１０】
これにより、リッジ形状のストライプの形成される位置が、保護膜上であり且つ保護膜上の空隙の上を避けてた箇所に限定され、極めて狭い範囲に形成しなければならず量産がしにくくなる。
保護膜上での空隙の発生は、保護膜の幅を広くすると多くなる傾向があり、空隙の発生を防止するために保護膜の幅を狭めると、リッジ形状のストライプを保護膜上に効率良く形成することが一層困難となるといった問題が生じる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、保護膜上部に限らず窓部の結晶欠陥の転位を減少させ、且つ保護膜上部で隣接するＧａＮ同士の接合の際に空隙の生じない窒化物半導体の成長方法を提供することである。
更に本発明の目的は、結晶欠陥や空隙のない窒化物半導体を基板とし、寿命特性等の素子性能が良好で、量産性の良好な窒化物半導体素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は、下記構成（１）〜（１３）により達成することができるものである。
（１）基板上に、第１の保護膜を部分的に形成する第１の工程と、前記第１の保護膜の窓部から第１の窒化物半導体を成長させて、前記第１の保護膜上に、該第１の窒化物半導体を横方向の成長を利用して形成する第２の工程と、を少なくとも有する窒化物半導体の成長方法において、前記第２の工程で、第１の窒化物半導体の成長時に、ｐ型不純物及びｎ型不純物をドープすることを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
【００１３】
（２）前記第２の工程において、不純物が、少なくとも第１の窒化物半導体が第１の保護膜上に向かって横方向の成長をしている時に、ドープされることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１４】
（３）前記第２の工程で、不純物が、第１の窒化物半導体の成長と同時に、又は成長の途中に１回以上、ドープされることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の窒化物半導体の成長方法。
（４）前記ｐ型不純物が、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇのいずれか１種以上であることを特徴する前記（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１５】
（５）前記ｎ型不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか１種以上であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
（６）前記第１の窒化物半導体にドープされる不純物として、ｐ型不純物がＭｇであり、ｎ型不純物が、Ｓｉであることを特徴とする（１）に記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１６】
（７）前記不純物のドープ量が、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
（８）前記第１の保護膜が、第１の保護膜が形成されていない部分の表面積よりも大きい表面積を有して形成されていることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１７】
（９）前記基板が、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板と、この異種基板上に成長された第２の窒化物半導体とからなることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
（１０）前記異種基板と第２の窒化物半導体とからなる基板が、前記第１の工程の前又は後に、第１の保護膜の形成される部分以外の第２の窒化物半導体を部分的に除去し表面に凹凸の形状を有していることを特徴とする（１）〜（９）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１８】
（１１）前記第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部底部が、第２の保護膜で覆われていることを特徴とする（１０）に記載の窒化物半導体の成長方法。
（１２）前記第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部が、凹部上部から底部までの深さが０．５μｍ以上であることを特徴とする前記（１０）又は（１１）に記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１９】
（１３）前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法により得られる窒化物半導体からなる基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する素子構造を有する窒化物半導体素子。
【００２０】
つまり、本発明は、上記の如く、窒化物半導体の横方向の成長を利用して第１の保護膜上部にまで第１の窒化物半導体を成長（ＥＬＯＧ成長）させる際に、ｐ型不純物をドープすることにより、保護膜上部に限らず窓部上部も良好に結晶欠陥の伝播を抑制でき、結晶欠陥の少ない領域がほぼ均一に得られ、しかも、第１の保護膜間の保護膜の形成されていない部分（窓部）から選択的に成長した隣接する第１の窒化物半導体同士が、第１の保護膜のほぼ中央部で接合する接合部分に空隙の発生が見られない良好な窒化物半導体を成長させることができる。
【００２１】
更に、本発明の成長方法では第１の窒化物半導体の接合部分での空隙の発生を防止できることから、第１の保護膜の幅を従来のものより広くしてＥＬＯＧ成長を行うことができ、表面透過型電子顕微鏡観察によると結晶欠陥のほとんど見られない第１の保護膜上に、リッジ形状のストライプを形成し易くなり、良好な素子特性を有する窒化物半導体素子を効率良く量産することができる。
【００２２】
また、本発明の成長方法により得られる窒化物半導体を基板として素子を製造すると、リッジ形状のストライプの位置を空隙や窓部を避けて形成する必要がなくなり、良好な寿命特性を有する窒化物半導体素子を効率良く量産することができる。
【００２３】
一般に、窒化物半導体の成長時に、不純物を添加すると結晶性が低下する傾向があることは知られており、結晶性を良好とする場合には、不純物をドープしないで窒化物半導体を成長させる方法がとられる。
【００２４】
これに対し、本発明は、結晶欠陥を減少させるためのＥＬＯＧ成長と、結晶性を低下させる恐れがある不純物のドープといった一見作用が相対する構成を組み合わせて行うことにより、予想外の効果、即ち異種基板と窒化物半導体の界面で発生する結晶欠陥の伝播を抑制し、第１の窒化物半導体の表面に現れる結晶欠陥を従来のＥＬＯＧ成長によるものより更に減少させることができるものである。更に、本発明のＥＬＯＧ成長させた窒化物半導体は、従来のような空隙の発生が見られず、空隙による素子の劣化を良好に防止することができる。
【００２５】
このように、本発明の成長方法が結晶欠陥の伝播の抑制と空隙の発生の防止を良好に行うことができる理由は定かではないが、恐らく、ＥＬＯＧ成長を行う際にｐ型不純物をドープすると、窒化物半導体の成長方向、つまり縦方向の成長に対し、横方向の成長が促進され、保護膜上に向かって横方向に成長し易くなったためではないかと考えられる。
【００２６】
また、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．では１００ｔｏｒｒの減圧条件下で成長を行っているのに対し、本発明は常気圧で行っても結晶欠陥の伝播を抑制できると共に空隙の発生を防止できるので、反応条件の緩和及び製造工程の簡易化が可能となる。また、保護膜上、あるいは窓部上を問わず、リッジ形状のストライプをいずれに形成しても良好な寿命特性の窒化物半導体素子を得ることができ歩留まりが向上する。
【００２７】
更に本発明において、第２の工程で第１の窒化物半導体の成長時に、ｐ型不純物に加えて、ｎ型不純物をもドープすることにより、結晶欠陥の低減及び空隙の発生の防止がより良好となり好ましい。また、ｐ型不純物と共にｎ型不純物がドープされていると、第１の窒化物半導体を基板としてこの基板上にｎ型コンタクト層を形成する場合、ｐ型不純物のみをドープした場合に比べて、電気的な制御が容易となり、ｎ電極とのオーミック接触が得られやすく好ましい。
【００２８】
更に本発明は、第２の工程で、不純物が、少なくとも第１の窒化物半導体が第１の保護膜上に向かって横方向の成長をしている時に、ドープされると結晶欠陥の伝播を抑制するのに好ましい。
また更に本発明は、第２の工程で、不純物が、第１の窒化物半導体の成長と同時に、ドープされると窒化物半導体の横方向の成長が促進され、保護膜の幅を広くしても、結晶欠陥が少なく且つ表面が鏡面状の良好な窒化物半導体を得られ易くなり好ましい。
【００２９】
また更に本発明において、不純物を、成長と同時にドープしたり、成長の途中にドープしたり、成長の途中で一定の間隔毎にドープしたり、またはこれらを組み合わせてドープすることにより、意図的に窒化物半導体の成長方向、つまり横方向又は縦方向の成長速度、を調整し結晶欠陥の伝播と空隙の発生とを良好に防止することができ好ましい。
【００３０】
更に、本発明において、ｐ型不純物が、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇのいずれか１種以上、また、ｎ型不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか１種以上であると、結晶欠陥及び空隙の点で好ましい。
また更に、本発明において、ｐ型及びｎ型不純物をドープする場合、ｐ型不純物がＭｇであり、ｎ型不純物がＳｉであると、結晶欠陥の伝播を抑制し、空隙の発生を防止するのにさらに好ましい。
【００３１】
また更に本発明において、不純物のドープ量が、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3であると、結晶性の点で好ましい。不純物のドープ量が１×１０17／ｃｍ3未満であるとＥＬＯＧ成長の際の窒化物半導体の成長方向の調整が十分でなく結晶欠陥及び空隙の発生の防止の点で十分満足できず、一方ドープ量が１×１０19／ｃｍ3を超えると異常成長等が発生しやすくなり結晶性が低下する傾向がある。
【００３２】
また更に本発明において、第１の保護膜が、第１の保護膜が形成されていない部分（窓部）の表面積よりも大きい表面積を有して形成されていると、結晶欠陥を減少させるのに好ましい。
また更に本発明において、基板が、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板と、この異種基板上に成長された第２の窒化物半導体とからなると結晶欠陥を減少させるのに好ましい。
【００３３】
また更に本発明において、異種基板と第２の窒化物半導体とからなる基板が、第１の工程の前又は後に、第１の保護膜の形成される部分以外の第２の窒化物半導体を部分的に除去し表面に凹凸の形状を有していると、縦方向の成長から成長が始まった窒化物半導体の成長を凹部側面から横方向に成長した窒化物半導体の成長により遮断することができ、結晶欠陥の伝播を防止するのに好ましい。
【００３４】
また更に本発明において、第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部底部が、第２の保護膜で覆われていると、縦方向の成長を一旦止めて、横方向の成長のみから再度成長を開始することにより、成長初期の成長方向の選択性が良好となり結晶欠陥の低減及び結晶欠陥の伝播の抑制等の点で好ましい。
また更に本発明において、第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部が、凹部上部から底部までの深さが０．５μｍ以上であると、成長が安定に行われ、表面が鏡面状になり易く好ましい。
【００３５】
また更に本発明は、上記本発明の窒化物半導体の成長方法により得られる結晶欠陥の伝播が抑制され表面領域に結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体を基板とし、この窒化物半導体基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する素子構造を有する窒化物半導体素子を製造すると、良好な寿命特性が得られると共に、歩留まりを向上させることができ好ましい。
【００３６】
本発明において、表面領域とは、ＥＬＯＧ成長により厚膜に成長させた第１の窒化物半導体の表面から異種基板方向に一定の深さを持った領域［例えば図７等の結晶欠陥の伝播が見られなくなった部分］を示し、この表面領域には結晶欠陥がほとんど見られない部分でり、また異種基板等を除去して、第１の窒化物半導体５を単体とした場合の単体の厚み部分を指す場合もある。
【００３７】
上記のように、本発明の成長方法により得られる窒化物半導体を基板とし、この基板上に窒化物半導体素子を製造すると、従来のように４〜５μｍ程度の保護膜上に数μｍのリッジ形状のストライプが形成されなくても、基板となる窒化物半導体が良好な結晶性を有しているので、寿命特性の良好な窒化物半導体素子を効率良く量産することが可能となる。
【００３８】
ここで、ＥＬＯＧ成長により得られる窒化物半導体を素子の基板とする場合、異種基板や保護膜等を除去してから、又は除去せずにＥＬＯＧ成長で得られた窒化物半導体上に素子構造を成長させてもよい。また異種基板を除去してから素子構造を形成する場合は、除去面とは反対の面に素子構造を形成することが好ましい。
【００３９】
また異種基板等を除去する場合、第１の窒化物半導体を厚膜に成長させるので、成長初期には成長速度をコントロールし易いＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等で成長させ、その後成長速度の速いＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）等で成長させてもよい。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体の成長方法は、基板上に、窒化物半導体が成長しにくい材料からなる第１の保護膜を部分的に形成する第１の工程と、第１の保護膜上に窒化物半導体の横方向の成長を利用して第１の窒化物半導体を成長させ、その際にｐ型不純物をドープして成長させ、好ましくはｐ型不純物に加えてｎ型不純物をドープして成長させる第２の工程とを少なくとも有する。
【００４１】
このように成長させると、第１の窒化物半導体は、基板の第１の保護膜の形成されていない部分（窓部）から成長を始め、第１の保護膜の膜厚より厚く成長すると、第１の保護膜を覆うように横方向にも成長し、第１の保護膜上に成長したかのようになる。
【００４２】
第２の工程で、不純物をドープする時期としては、好ましくは少なくとも第１の窒化物半導体が第１の保護膜上に向かって横方向の成長をしている時に、ｐ型不純物及びｎ型不純物、又は、ｐ型不純物がドープされていればよく、第１の保護膜上をほぼ覆う程度に第１の窒化物半導体が成長した後は、アンドープでも、ｎ型不純物のみのドープでもよい。
【００４３】
上記不純物をドープする時期の一形態としては、第１の窒化物半導体の成長の開始と同時に不純物をドープすることができる。以下に、成長と同時に不純物をドープする場合について説明する。
第１の窒化物半導体の成長の開始と同時に不純物をドープすると、窓部から成長する第１の窒化物半導体は、縦方向の成長に対し、横方向の成長が促進され、図１に示すように、第１の保護膜上に垂直に成長してし易くなる。このように横方向の成長が促進された状態で成長させると、図１に示すように、窓部から伝播している結晶欠陥は、第１の窒化物半導体の横方向の成長とともに横方向に伝播する傾向がある。一旦横方向に伝播した結晶欠陥は、窒化物半導体の成長が縦方向に促進されても、再び縦方向に伝播しにくくなる。これによって第１の窒化物半導体を厚膜に成長させた場合の表面領域には、断面及び表面透過型電子顕微鏡などによる観察によると、第１の保護膜上部はもちろんのこと、窓部上部も結晶欠陥が著しく減少する。
【００４４】
前記従来技術であるＪ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の技術では、ＥＬＯＧ成長の際に、１００ｔｏｒｒの減圧条件下で成長させることにより、横方向の成長を促進させて、保護膜上に垂直に横方へ成長をさせていた。しかし、この方法では、保護膜上の窒化物半導体の接合部分で空隙が生じる場合が観測されたり、保護膜上部の結晶欠陥の数に対して、窓部上部での結晶欠陥の数が、ほぼ１×１０17個／ｃｍ2と多い等の点がある。
【００４５】
これに対し、第１の窒化物半導体の成長の開始とともに不純物をドープして行う本発明の成長方法では、接合部分での空隙の発生を良好に防止することができることから、恐らく減圧条件下にする場合に比べ、縦方向の成長に比べて著しく横方向の成長が促進されたために、接合部分での空隙の発生が抑制されたと考えられる。
【００４６】
ここで、比較のために、ＥＬＯＧ成長の際に不純物を添加せず、且つ減圧にしない場合の窒化物半導体の成長の様子を図２に示すと、窓部から成長した窒化物半導体が三角形のような状態で縦方向に成長すると共に、保護膜上を横方向にも成長し続ける。この場合、結晶欠陥は、その一部分が窒化物半導体の横方向の成長により横方向に伝播するが、残りの結晶欠陥は、縦方向の成長に支配され表面方向に伝播を続ける。その結果、保護膜上の結晶欠陥の数はかなり減少するが、窓部の結晶欠陥は、ＥＬＯＧ成長でない場合に比べれば少なくなるものの、十分満足できる程度に欠陥を減少させることができ難い。このような結晶欠陥の伝播の傾向は、縦方向の成長速度と横方向の成長速度との関係に起因すると思われる。
【００４７】
また、図２に示される方法では、窓部から縦方向に伝播する結晶欠陥の伝播を、十分満足できる程度に横方向に変更できないものの、保護膜上の窒化物半導体の接合部分での空隙が発生しにくいという点もある。
【００４８】
また更に、本発明において、第１の窒化物半導体の成長の際に不純物をドープするその他の形態としては、図３（ａ）に示すように、第１の窒化物半導体の成長の開始と共に不純物をドープして成長させ、第１の保護膜上での横方向の成長がある程度進行した状態で、不純物のドープを中止し、図３（ｂ）に示すように、アンドープで第１の窒化物半導体を成長させる。更に第１の窒化物半導体が一定の膜厚になった時点で再び不純物をドープしても、アンドープのまま厚膜に成長させてもよい。このような不純物のドープの方法によると、結晶欠陥の伝播を良好に防止できると共に、第１の保護膜上の窒化物半導体同士の接合部分での空隙の発生をより良好に防止することができる。
【００４９】
このことは、恐らく、不純物をドープすると図１に示すように成長した後、アンドープにすることにより図２に示されるように成長する傾向があるためと推測される。つまり、第１の窒化物半導体の成長の開始から初期にかけて、不純物を添加することにより、図３（ａ）のようにすると、窓部から発生している結晶欠陥のほとんどが、窒化物半導体の横方向の成長と共に横方向に伝播し、そして再び縦方向に伝播しない状態、例えば第１の窒化物半導体が第１の保護膜をおよそ半分程度（保護膜の幅によって適宜調節される。）覆った時点で、不純物のドープを中止して成長させると、第１の保護膜の第１の窒化物半導体の接合部分が前記した図２のような成長をし、保護膜上面部から徐々に接合され空隙をより良好に防止することができるのではないかと考えられる。
【００５０】
結晶欠陥は、窒化物半導体の成長する方向へ伝播する傾向があり、例えば、縦方向の成長時には縦方向に伝播し、第１の保護膜上に横方向の成長をする時には横方向へ伝播する。そして、結晶欠陥は、一旦横方向に伝播すると再び縦方向に伝播しないかほとんど伝播しないといった性質を有する。
この横方向に伝播した結晶欠陥は再び縦方向に伝播し難くいといった結晶欠陥の伝播の性質から、第１の窒化物半導体の表面領域には結晶欠陥の伝播が著しく減少する。
【００５１】
また更に、本発明において、不純物をドープする時期の更にその他の形態としては、上記したような不純物のドープと窒化物半導体の成長方向の関係を考慮して、第１の窒化物半導体の成長の最中に、一定の間隔毎または成長の進行程度毎に、不純物を１回以上、成長の進行状況に応じた時間でドープしてもよい。この場合、成長の進行状況（程度）に応じてとは、少なくとも結晶欠陥の伝播を横方向に伝播させる際には不純物をドープし、第１の保護膜上で第１の窒化物半導体を接合させる際にはアンドープまたは不純物の濃度を少なくする等の調整をするなど、窒化物半導体の成長の進行状態と不純物を添加することによる横方向成長の促進などを適宜組み合わせて行うことを示す。
【００５２】
本発明の成長方法において、第１の窒化物半導体の成長の進行状況を確認する方法としては、ウエハの大きさ、第１の保護膜の幅、窓部の幅、及び原料ガスの流量などから成長の速度を計算により導き出すことができる。そして、計算により導き出された値に従って、成長の途中等から不純物をドープする場合の目安にする。
【００５３】
本発明において、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、好ましくは、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇのいずれか１種以上であり、また、ｐ型不純物と共にドープされるｎ型不純物としては、特に限定されないが、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか１種以上である。上記のような不純物をドープすると、結晶欠陥及び空隙の点で好ましい。
【００５４】
また更に、本発明において、ｐ型及びｎ型不純物をドープする場合、ｐ型不純物とｎ型不純物の組み合わせは特に限定されず、上記の不純物を適宜１種以上づつドープすることができる。特に好ましい組み合わせとしては、ｐ型不純物がＭｇであり、ｎ型不純物がＳｉであると、結晶欠陥の伝播を抑制し、空隙の発生を防止するのにさらに好ましい。
【００５５】
本発明において、不純物のドープ量は、好ましくは１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3、より好ましくは１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3、更に好ましくは５×１０17／ｃｍ3〜５×１０19／ｃｍ3である。不純物の濃度が上記範囲であると窒化物半導体の横方向の成長を縦方向の成長に比べ良好に促進でき、結晶欠陥の伝播の抑制及び空隙の発生の防止の点で好ましい。不純物のドープ量が多すぎると異常成長等が発生し結晶性が低下する傾向がある。また不純物のドープ量が少なすぎると本発明の効果が得られ難くなる。また、ｐ型不純物とｎ型不純物とをドープする場合は、両者の濃度の和が上記範囲のドープ量となるように適宜調整してドープされる。この場合ｐ型不純物とｎ型不純物の濃度の比は、用いる不純物の種類により、空隙や結晶欠陥の防止が良好となるように適宜調整される。
【００５６】
以上のように、第１の窒化物半導体の成長の際に、特定濃度の不純物をドープすると、異種基板と窒化物半導体との接触界面で発生する結晶欠陥の伝播の抑制及び伝播の方向の調整をすることができ、厚膜に成長させた第１の窒化物半導体の表面領域には、結晶欠陥がほとんど見られなくなる。更に第１の保護膜上での第１の窒化物半導体同士の接合部分での空隙の発生を良好に抑制することができる。
【００５７】
本発明の方法は、従来のＥＬＯＧ成長に比べて、結晶欠陥の縦方向への伝播が良好に抑制できているために第１の窒化物半導体層の表面領域での結晶欠陥の密度が激減していると考えられる。このことから第１の窒化物半導体の成長の段階で、窒化物半導体の縦方向への成長速度に比べ、横方向への成長速度を著しく促進させることができるため、窒化物半導体の横方向の成長に伴う結晶欠陥の伝播が横方向に進行するように調整がなされたと考えられる。このように、横方向の成長が促進されることから、第１の窒化物半導体が良好に第１の保護膜を覆うことができ、窓部から成長した第１の窒化物半導体同士の接合部分に空隙が発生するのを良好に防止することができると思われる。
【００５８】
また、本発明において、ＥＬＯＧ成長時に特定濃度の不純物をドープすることに加えて、反応条件を減圧としたり、原料ガスとなるガス状窒素源とガス状３族源とのモル比を調整する等の条件を組み合わせてもよい。
【００５９】
本発明において、不純物をドープして行うＥＬＯＧ成長としては、窒化物半導体の横方向の成長を利用して選択的に窒化物半導体を成長させる方法であれば、特に限定されない。
以下に、本発明の窒化物半導体の成長方法の一実施の形態の具体例として、図４〜図１１を用いて説明する。
【００６０】
本発明において、基板としては、第１の工程で第１の保護膜を形成でき、第２の工程で第１の窒化物半導体を成長させることができる材料であれば特に限定されず、例えば図４に示すように、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板１［図４（ａ）］、前記異種基板１上に第２の窒化物半導体２を成長させてなるものを［図４（ｂ）］を基板として用いることができる。
【００６１】
本発明において、異種基板１は、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板であればどのようなものでも良く、例えば、Ｃ面、Ｒ面、又はＡ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている窒化物半導体を成長させることができる基板材料を用いることができる。
【００６２】
また、前記異種基板の主面をオフアングルさせた基板、さらに好ましくはステップ状にオフアングルさせた基板を用いることもできる。このように異種基板の主面がオフアングルされていると結晶欠陥がより少なくなる。
【００６３】
本発明において、第２の窒化物半導体２としては、アンドープ（不純物をドープしない状態、undope）のＧａＮ、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも１種類をドープしたＧａＮを用いることができる。
第２の窒化物半導体２は、高温、具体的には約９００℃程度〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で異種基板１上に成長される。第２の窒化物半導体２の膜厚は特に限定しないが、段差を形成するためには１００オングストローム以上、好ましくは１〜１０μｍ程度、好ましくは１〜５μｍの膜厚で形成することが望ましい。
【００６４】
なお、本発明において、アンドープとは、意図的に不純物をドープしないで形成した層を示し、隣接する層からの不純物の拡散、原料又は装置からのコンタミネーションにより不純物が混入した層であっても、意図的に不純物をドープしていない場合はアンドープ層とする。
【００６５】
また、本発明において、図４に示すように、上記異種基板１上に、第１の保護膜を形成させる前、及び第２の窒化物半導体を成長させる前に、低温成長バッファ層を成長させてもよい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚０．５μｍ〜１０オングストロームで成長される。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で形成すると、異種基板１に接して成長される窒化物半導体と異種基板１との格子定数不正を緩和し第１の窒化物半導体の結晶欠陥が少なくなる傾向にある。
【００６６】
次に、上記の異種基板１を基板とする第１の形態、及び異種基板１と第２の窒化物半導体２とからなるものを基板とする第２の形態について以下に更に詳細に記載する。但し、第１の形態の方法は、第２の形態の方法における第２の窒化物半導体を形成していない他はほぼ同様であるので、第２の形態の方法について説明する。
【００６７】
図４（ｂ）に示される異種基板１上にバッファ層及び第２の窒化物半導体２を成長させてなる基板上に、図５に示すように、第１の工程において、第２の窒化物半導体２の表面上に部分的に、第１の保護膜３を形成する。
【００６８】
第１の保護膜３の材料としては、保護膜表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を好ましく選択し、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯX）、窒化ケイ素（ＳｉXＮY）、酸化チタン（ＴｉＯX）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯX）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。保護膜材料を窒化物半導体表面に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相製膜技術を用いることができる。
【００６９】
また、第１の保護膜３を第２の窒化物半導体２上に部分的（選択的）に形成するには、フォトリソグラフィー技術を用いて、所定の形状を有するフォトマスクを作製し、そのフォトマスクを介して、前記材料を気相製膜することにより、所定の形状を有する第１の保護膜３を形成できる。第１の保護膜３の形状は特に問うものではなく、例えばドット、ストライプ、碁盤目状の形状で形成できる。
【００７０】
また、第１の保護膜３は、第１の保護膜３が形成されていない部分（窓部）の表面積より大きくなるように、第１の保護膜３の表面積を調整して形成されることが好ましい。第１の保護膜３の表面積及び窓部の表面積の調整は、保護膜の形状によっても異なるが、例えば保護膜がストライプ状の形状の場合、保護膜のストライプの幅と窓部の幅を調整することにより行うことができる。
【００７１】
第１の保護膜３の大きさは、特に限定されないが、例えばストライプで形成した場合、好ましいストライプ幅は０．５〜１００μｍ、より好ましくは１μｍ〜５０μｍ、更に好ましくは２〜２５μｍである。
また、ストライプピッチ（第１の保護膜３が形成されていない窓部）は、ストライプ幅よりも狭くすることが望ましく、例えば具体的には５μｍ以下、好ましくは０．１〜３μｍ、より好ましくは０．８〜２μｍである。
【００７２】
上記範囲ように、第１の保護膜３の表面積を大きくすると、異種基板１と窒化物半導体の界面で生じる結晶欠陥の伝播が、第１の保護膜３により抑制され、更に窓部から伝播している結晶欠陥の伝播が横方向に進行して再び縦方向に伝播しにくくなり、第１の保護膜上部の第１の窒化物半導体の表面領域の結晶欠陥のほとんど見られない部分を広範囲で得ることができ好ましい。更に第１の窒化物半導体の表面が鏡面状となり好ましい。
【００７３】
また、第１の保護膜の膜厚は、特に限定されないが、薄い方がより短時間で表面が鏡面状の結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体が得られる傾向があり好ましく、具体的には保護膜の材質にも左右されるが例えば０．０１〜５μｍであり、好ましくは０．０２〜３μｍであり、より好ましくは０．０５〜２μｍである。この範囲であると結晶欠陥の縦方向の伝播を良好に防止でき結晶欠陥を低減できると共に、第１の窒化物半導体の表面を鏡面状にするのに好ましい。また、保護膜の膜厚は、保護膜の材質にもよるが、膜厚を薄くしてもピンホール等の膜質むらが生じなければ、薄ければ薄いほど、短時間で第１の窒化物半導体が保護膜を覆うことができ鏡面状の第１の窒化物半導体を得るには好ましい。
【００７４】
次に、第２の工程において、図６に示すように、第１の保護膜３を形成した第２の窒化物半導体２上に第１の窒化物半導体５を成長させる。
第１の保護膜を形成された第２の窒化物半導体２の上に成長させる第１の窒化物半導体５としては、特に限定されないが、ＧａＮよりなる窒化物半導体が挙げられる。この第１の窒化物半導体の成長の際に、ｐ型不純物、又はｐ型不純物とｎ型不純物をドープする。
【００７５】
不純物をドープする時期としては、前記したように、少なくとも第１の窒化物半導体５が第１の保護膜３上に向かって横方向の成長をしている時にドープされればよく、成長と同時に、成長の途中に、又は一定の間隔をあけて１回以上ドープするなどの形態を挙げることができる。不純物のドープの時期及びドープしている時間等を適宜調整することにより、第１の保護膜の表面積や膜厚等の変化、または量産するにあたって第１の窒化物半導体の成長速度を速めた場合等に対応し、結晶欠陥の伝播の抑制及び第１の保護膜上での空隙の発生の防止が良好に行われる条件により行うことができる。
【００７６】
不純物をドープされて成長する第１の窒化物半導体５は、窓部から選択成長を始め第１の保護膜３上に向かって成長を続け、隣接する窓部から成長した第１の窒化物半導体５同士が第１の保護膜３上で接合し、図７に示すように厚膜の第１の窒化物半導体５が得られる。
図７のように厚膜に成長された第１の窒化物半導体５は、その表面及び表面領域に、断面透過型電子顕微鏡観察によると、ほとんど結晶欠陥が見られなくなる。
【００７７】
表面透過型電子顕微鏡観察によると、第１の保護膜３上部にはほとんど結晶欠陥が見られず、窓部上部には保護膜上部に比べれば結晶欠陥はやや多めではあるが従来に比べ極めてい少なくなる。さらい第１の保護膜上の空隙の発生も良好に防止することができる。
【００７８】
結晶欠陥密度は、表面ＴＥＭより簡易な方法であるカソードルミネッセンス（ＣＬ）による観測によると、第１の保護膜３上部でなほとんど結晶欠陥は観測されず、一方窓部上部では第１の保護膜３上部に比べればやや多く観測されるが、ほぼ１０6個／ｃｍ2以下であり、好ましい条件においては窓部上部の結晶欠陥は５×１０4個／ｃｍ2以下となる。
【００７９】
この程度の結晶欠陥密度であれば、リッジ形状のストライプを窓部に形成したとしても、良好な寿命特性の素子を得ることができ、平均して良好な素子を量産することが可能となる。
また寿命特性等の最も良好な素子を形成するには、結晶欠陥のほとんどない第１の保護膜上が好ましい。
【００８０】
第１の窒化物半導体５の膜厚としては、先に形成した第１の保護膜３の膜厚、大きさによっても異なるが、保護膜の表面を覆うように第１の窒化物半導体層５を成長させるために、保護膜の膜厚に対して少なくとも１０倍以上の膜厚で成長させることが望ましい。
また更に、第１の窒化物半導体５は、この上に素子構造となる窒化物半導体を成長させるための基板となるが、素子構造を形成するには異種基板や保護膜等を予め除去して第１の窒化物半導体５のみとしてから行う場合と、異種基板等を残して行う場合がある。また異種基板などの除去は素子構造を形成した後に除去してもよい。第１の窒化物半導体上に素子構造を形成する際に、異種基板の有無により第１の窒化物半導体の膜厚が素子構造の形成のし易さに影響を与えることから、第１の窒化物半導体の膜厚は、第１の保護膜を覆い、結晶欠陥の転位を減らすことに、さらに異種基板等を除去してまたは除去せずに素子構造を形成する等の製造工程の違い等を加味して調整されることが望ましい。
【００８１】
異種基板や保護膜等を除去する場合、第１の窒化物半導体５の膜厚は２０μｍより厚く１ｍｍ以下程度の膜厚に成長され、例えば、好ましくは７０〜５００μｍ、より好ましくは１００〜３００μｍ、更に好ましくは１００〜２５０μｍである。
この範囲であると素子構造となる窒化物半導体の成長の点で好ましく、また研磨して下地層及び保護膜を除去しても、第１の窒化物半導体５にクラックが入りにくくハンドリングが容易となり好ましい。また、異種基板を除去すると、素子構造を形成する際に窒化物半導体基板に反りがなくなり、結晶性の良好な素子構造が得られ易くなり好ましい。
【００８２】
また異種基板や保護膜等を残して行う場合、第１の窒化物半導体５の膜厚は１〜５０μｍ、好ましくは２〜４０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍ、もっとも好ましくは７〜２０μｍである。この範囲であると異種基板と窒化物半導体の熱膨張係数差によるウエハの反りが防止でき、更に素子基板となる第１の窒化物半導体５の上に素子構造となる窒化物半導体を良好に成長させることができる。
【００８３】
また、その他の形態として、本発明は、第１の工程で第１の保護膜３を形成するための基板として、前記異種基板１上に成長された第２の窒化物半導体２を、第１の工程の前又は後に、第１の保護膜の形成される部分以外の部分を除去し、その表面に凹凸の形状を有している基板（凹凸を有する基板を第３の形態とする。）を用いることができる。
【００８４】
このように第２の窒化物半導体２の表面に凹凸の形状を形成した場合、図８に示すように、第１の保護膜３は凸部上部に形成され、また凹部底部には、第２の保護膜４を形成し、底部底面が第２の保護膜４で覆われていてもよい。また凹部底部に第２の保護膜４を形成しない場合は、凹部底部から縦方向の成長をする窒化物半導体の成長を抑制できるように、凹部底部の深さ及び凹部底部の幅を調整し、凹部側面から横方向の成長をした第１の窒化物半導体のみが厚膜に成長していくようにする。
【００８５】
この第３の形態の凹凸を有する基板を用いて第１の窒化物半導体を成長させると、凹部の側面から横方向の成長をした第１の窒化物半導体が第１の保護膜上を覆って厚膜に成長する。つまり凹凸を形成して凹部底部に第２の保護膜４を形成すると縦方向の成長を一旦抑制することができるので、結晶欠陥の伝播の防止に好ましい。また凹部底部に第２の保護膜４を形成しない場合でも、凹部の深さと幅を調整することにより凹部底部から縦方向に成長した窒化物半導体の成長を、凹部側面から横方向に成長した窒化物半導体により遮ることにより、第１の保護膜３を覆うように成長する第１の窒化物半導体５は凹部側面から成長開始時に横方向の成長から始まったものとなり、結晶欠陥の伝播の抑制において好ましい。更に凹凸を有する第３の形態の基板と、第１の窒化物半導体５の成長の際に不純物をドープすることを組み合わせて行うと、より良好に結晶欠陥の伝播が抑制され、且つ第１の保護膜３や凹部の底部への空隙の発生を良好に防止することができ好ましい。
【００８６】
以下に、第２の窒化物半導体２に部分的に凹凸を形成してなる第３の形態の基板を用い、第１の窒化物半導体５を成長させる方法について説明する。
図８に示すように、異種基板１上に成長された第２の窒化物半導体２の表面に、部分的に凹凸を形成する。凹凸の形成は、第１の工程にて第１の保護膜３を形成する前、又は後に行われる。
【００８７】
第２の窒化物半導体２に部分的に凹凸を形成するとは、少なくとも第２の窒化物半導体２の側面が露出されるように、第２の窒化物半導体２の表面から異種基板１方向に窪みを形成してあればよく、第２の窒化物半導体２にいずれの形状で段差を設けてもよい。例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤目状、ドット状等の形成が挙げられる。
【００８８】
第２の窒化物半導体２に部分的に設けられた凹凸は、第２の窒化物半導体２の途中まで、又は異種基板１に達する深さで形成され、この凹凸の深さは、第２の窒化物半導体２の膜厚や、第２の保護膜４を凹部底部に形成する場合の第２の保護膜の膜厚等に左右されたり、また、第２の窒化物半導体２の凹部側面から横方向に成長する第１の窒化物半導体５が成長し易いように凹凸が形成されることが好ましい。
【００８９】
第２の窒化物半導体２に凹凸の形状を設ける方法としては、第２の窒化物半導体２を一部分取り除くことができる方法であればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシング等が挙げられる。
エッチングにより、第２の窒化物半導体２に部分的（選択的）に凹凸を形成する場合は、フォトリソグラフィー技術における種々の形状のマスクパターンを用いて、ストライプ状、碁盤目状等のフォトマスクを作製し、レジストパターンを第２の窒化物半導体２に形成してエッチングすることにより形成できる。
【００９０】
また、ダイシングで行う場合は、例えば、ストライプ状や碁盤目状に形成できる。
【００９１】
第２の窒化物半導体に凹凸の形状をエッチングにて行う場合のエッチング方法としては、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、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）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。例えば、本出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができる。
【００９２】
また、エッチングによって凹凸を形成する場合、エッチング面が、図８に示すように異種基板１に対して凹部側面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形状や逆メサ形状でもよく、あるいは第２の窒化物半導体２の凹部側面が階段状になるように形成された形状でもよい。
【００９３】
凹凸の形状は、つまり凹部の深さや幅等は、凹部底部に第２の保護膜４を形成する場合と、形成しない場合で異なるので、まず以下に、凹凸形状の凸部上部に第１の保護膜３が形成され、凹部底部に第２の保護膜４が形成され、この上に第１の窒化物半導体５を成長させる方法について説明する。
凹部底部に第２の保護膜４を形成する場合、凹部の深さは、第２の窒化物半導体２が残る程度の深さが結晶欠陥の伝播を抑制する点で好ましい。
【００９４】
凹部の深さは、特に限定されないが、５００オングストローム以上、好ましくは０．５〜５μｍ程度である。凹部の深さが上記範囲であると、ＥＬＯＧ成長が安定し、第１の窒化物半導体の表面が鏡面状になり易い。
凹凸をストライプ状の形状とする場合、ストライプの形状として、例えば第１の保護膜３が形成されるストライプ幅は前記第１の形態及び第２の形態の基板を用いる場合と同様であり、ストライプ間隔（凹部開口部：窓部）は、特に限定されないが、２〜５μｍである。
【００９５】
また、第１の保護膜３及び第２の保護膜４の形成方法は、凹凸を第２の窒化物半導体２に形成する方法がエッチングである場合とダイシングである場合とで、多少異なる。
まずエッチングで段差を形成する場合、第２の窒化物半導体２上に保護膜材料を形成後、その上にレジスト膜を形成しパターンを転写し露光、現像して部分的に第１の保護膜３を形成した後、第２の窒化物半導体２をエッチングすることで凹凸の形状を形成する。続いて凹凸を形成した第２の窒化物半導体２上、つまり第１の保護膜３上及び凹部底部等に更に保護膜を形成し、ＣＦ4とＯ2ガスによるドライエッチングにより、第２の窒化物半導体２の凹部側面の保護膜をエッチングして除去して凹部側面を露出させ、図８に示すように第２の保護膜４を形成する。このように形成すると、例えば図８では、第１の保護膜３は一層として図示されているが、第１の保護膜３上に更に保護膜が形成され２層の保護膜が積層されたような状態になっている。ここで第２の保護膜４を形成する前に、第１の保護膜３を取り除いてから、第１の保護膜３の形成されていた凸部上部と凹部底部とに同時に保護膜材料を形成し、凸部上部に第１の保護膜３及び凹部底部に第２の保護膜４を形成してもよく、又は上記のように第１の保護膜３を取り除かずに第２の保護膜４を形成してもよい。
【００９６】
次に、ダイシングで凹凸を形成する場合、第２の窒化物半導体２を上面からダイシング・ソーで第２の窒化物半導体２に凹凸を形成し、その後、その上に保護膜を形成し、ＣＦ4とＯ2ガスによるドライエッチングにより端面が露出されるように保護膜をエッチングにより除去することで所望の形状及び位置に第１の保護膜３及び第２の保護膜４を同時に形成する。
【００９７】
凹凸の形状に形成される第１の保護膜３及び第２の保護膜４の膜厚は、特に限定されないが、ドライエッチングにより凹部側面の保護膜材料を除去して側面を露出することのできる膜厚であり、且つ凹部底面を被覆できる膜厚にすることが好ましい。また、第１の保護膜３と第２の保護膜４の膜厚は、第２の窒化物半導体５が横方向に成長し易いように調整されていることが好ましく、場合によってはそれぞれの膜厚が異なってもよい。
【００９８】
例えば、第１の保護膜３は、薄い方が短時間で表面が鏡面状の第１の窒化物半導体が選られやすくなり好ましく、また第２の保護膜４は、比較的厚く（但し、第２の窒化物半導体２の凹部側面が第１の窒化物半導体５が成長される程度に十分露出されている範囲）形成された方が、第１の窒化物半導体５の成長初期において、凹部底面（底面は第２の窒化物半導体２又は異種基板面である。）を十分に覆うことができると共に熱による第２の保護膜４へのピンホールの発生を防止できると考えられる。ピンホールが保護膜に発生すると、ピンホールから第１の窒化物半導体５が縦方向に成長する恐れがあり、結晶欠陥の発生及び伝播の原因となると考えられる。
【００９９】
凹凸を有する第３の形態の基板に第１及び第２の保護膜を形成した場合の第１の窒化物半導体の成長の様子を図８〜図１０を用いて説明すると、第１の窒化物半導体５は、成長の初期においては、図８に示される保護膜の形成されていない第２の窒化物半導体２の凹部側面に選択的に成長する。この第２の窒化物半導体２の凹部側面から横方向に成長した第１の窒化物半導体５は成長し続け、図９の示すように、第２の保護膜４の上面を覆い、更に第１の保護膜３の上部に向かって横方向に成長し、隣接している第１の窒化物半導体５同士でつながり、図１０に示すように、第１の窒化物半導体５があたかも第１の保護膜３および第２の保護膜４上に成長したかのような状態となる。
【０１００】
第２の保護膜４の材料としては、前記第１の保護膜の材料として挙げたものを適宜選択して用いることができる。
【０１０１】
次に、第２の窒化物半導体２に部分的に形成された凹凸の形状の凸部上部に第１の保護膜３が形成され、凹部底部及び凹部側面を露出させた状態で第１の窒化物半導体５を成長させる場合について説明する。
この場合、凹凸の形成の方法は上記第１及び第２の保護膜を形成してなる場合と同様に、ダイシング又はエッチングにより形成される。但し、凹凸の形状のサイズが異なる。
【０１０２】
図１１に示すように、第２の窒化物半導体２に凹凸を形成することにより、成長可能な面として、第２の窒化物半導体２の凹部側面と凹部底部が露出され、凸部上面には、第１の保護膜３が形成され凸部上部からの窒化物半導体の成長を抑制している。このような状態で第１の窒化物半導体５を成長させると、成長開始時には、凹部側面と凹部底部とから成長が始まると考えられる。しかし、成長するに従い、凹部側面から横方向に成長した窒化物半導体により凹部底部から縦方向に成長を始めた窒化物半導体の成長が遮られる。その結果、第１の保護膜３上に横方向に成長し第１の保護膜３を覆うのは、凹部側面から横方向に成長を開始した窒化物半導体であり、図１０に示すのと同様に、厚膜の第１の窒化物半導体５が得られる。得られる第１の窒化物半導体５は、上記と同様に結晶欠陥の伝播が良好に抑制され、空隙の発生が防止される。
【０１０３】
基板に凹凸を有する場合は、凹凸を有していない第１及び第２の形態の基板に比べ、空隙の発生する可能性のある部分が第１の保護膜３上及び凹部の底部とにやや増加するが、不純物をドープし、更にドープする時期を適宜調節することで、良好に空隙の発生を防止することができる。
【０１０４】
図１１に示す凹部底部に第２の保護膜５を形成しない場合の凹凸の形状は、第２の窒化物半導体２の凹部側面での窒化物半導体の成長が、凹部底部での成長に対して優先されるように調整して形成されている。
具体的には、図１１に示されるように凸部上部のみに保護膜を形成する場合の凹凸の形状は、特に限定されないが、上記のように凹部底部に優先して凹部側面で優先して窒化物半導体が成長するように調整して形成されていればよく、好ましい凹凸の形状としては、凹部側面である第２の窒化物半導体２の側面の長さ［図１１のｄ］と、凹部の開口部の幅［図１１のｗ］を調整して形成されている。更に好ましくは、凹凸の形状が、露出された第２の窒化物半導体２の凹部側面の長さ（ｄ）と凹部の開口部の幅（ｗ）との関係、ｗ／ｄが、０＜ｗ／ｄ≦５、好ましくは０＜ｗ／ｄ≦３、より好ましくは０＜ｗ／ｄ≦１を示すように調整して形成されていると、成長速度を良好にコントロールでき第２の窒化物半導体２の凹部側面からの成長をより促進できる。
【０１０５】
このように、第２の窒化物半導体２の凹部側面からの成長を優先させることにより、凹部底部からの窒化物半導体の成長を中断し易くなり好ましい。
【０１０６】
また、形成された凹凸の凸部上部に形成される第１の保護膜３の形成面の形状は、特に限定されないが、例えば、上記ｗ／ｄの関係に加えて更に、凹凸を形成された第２の窒化物半導体２を上から見た形状がランダムは窪み、ストライプ状、碁盤面状、ドット状等に形成してもよい。
例えば凹凸をストライプ状の形状とする場合、ストライプの形状として、例えばストライプ幅を１０〜２０μｍ、ストライプ間隔（凹部の開口部）を２〜５μｍとしてもよい。
【０１０７】
また、凹部底部の露出面は、第２の窒化物半導体２、または異種基板１のいずれでも良く、好ましくは異種基板１である。凹部底部の露出面が異種基板１であると、窒化物半導体の成長が、異種基板に対し窒化物半導体に成長し易いことから、第２の窒化物半導体２の凹部側面への成長を優先して行わせるのに好ましい。
【０１０８】
上記のような複数種のＥＬＯＧ成長を含む本発明の成長方法において、前記方法により得られた第１の窒化物半導体５上に更に新たな保護膜を、前記方法で形成された窓部上部、又は凹凸を有する場合の凹部上部に形成し、この上に再びＥＬＯＧ成長によりＧａＮよりなる窒化物半導体を成長させてもよい。このようなＥＬＯＧ成長の繰り返しは、２回以上行ってもよい。結晶欠陥は、保護膜を形成して行うＥＬＯＧ成長を繰り返して行うことにより、より結晶欠陥の伝播を抑制できる傾向がある。
【０１０９】
また、本発明の窒化物半導体の成長方法、つまり、窒化物半導体の横方向の成長と結晶欠陥の伝播する傾向を調整するこの成長方法において、第２の窒化物半導体２の縦方向の成長を抑制する実施の形態として、保護膜を形成して行うことを挙げたが、本発明はこれに限定されず、また、縦方向の成長を抑え横方向のみから一旦第１の窒化物半導体５を成長させる実施の形態として第２の窒化物半導体２に凹凸を形成して凹部側面を設けることを挙げたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、窒化物半導体が横方向に成長する際に不純物をドープすることで、横方向の成長が促進され結晶欠陥の伝播を良好に横方向に行うことが可能な成長方法であり、窒化物半導体の成長方向の制御については特に限定されない。
【０１１０】
本発明の窒化物半導体の成長方法において、第１の窒化物半導体５、及び第２の窒化物半導体２等の窒化物半導体を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が１００μｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。また膜厚が１００μｍ以下ではＨＶＰＥでは成長速度が速くてコントロールが難しい。
【０１１１】
また本発明の成長方法において、前記異種基板１となる材料の主面をオフアングルさせた基板、さらにステップ状にオフアングルさせた基板を用いることもできる。
更に好ましい異種基板としては、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイア、（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするスピネルである。ここで異種基板が、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイアであるとき、前記保護膜がそのサファイアの（１１２−０）面[Ａ面]に対して垂直なストライプ形状を有していること［窒化物半導体の（１０１−０）[Ｍ面]に平行方向にストライプを形成すること］が好ましく、また（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイアであるとき、前記保護膜はそのサファイアの（１１−０２）面[Ｒ面]に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましく、また（１１１）面を主面とするスピネルであるとき、前記保護膜はそのスピネルの（１１０）面に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましい。
【０１１２】
ここでは、保護膜がストライプ形状の場合について記載したが、本発明においてサファイアのＡ面及びＲ面、スピネルの（１１０）面に窒化物半導体が横方向に成長し易いので、これらの面に第１の窒化物半導体の端面が形成されるように第１の窒化物半導体２に段差を形成するために保護膜の形成を考慮することが好ましい。
【０１１３】
本発明に用いられる異種基板について図を用いて更に詳細に説明する。図１２は窒化物半導体の結晶構造を示すユニットセル図である。窒化物半導体は正確には菱面体構造であるが、このように六方晶系で近似できる。
まず本発明の方法において、Ｃ面を主面とするサファイアを用い、保護膜はサファイアＡ面に対して垂直なストライプ形状とする場合について説明する。例えば、図１３は主面側のサファイア基板の平面図である。この図はサファイアＣ面を主面とし、オリエンテーションフラット（オリフラ）面をＡ面としている。この図に示すように保護膜のストライプをＡ面に対して垂直方向で、互いに平行なストライプを形成する。図１３に示すように、サファイアＣ面上に窒化物半導体を選択成長させた場合、窒化物半導体は面内ではＡ面に対して平行な方向で成長しやすく、垂直な方向では成長しにくい傾向にある。従ってＡ面に対して垂直な方向でストライプを設けると、ストライプとストライプの間の窒化物半導体がつながって成長しやすい傾向がある。
【０１１４】
次に、Ａ面を主面とするサファイア基板を用いた場合、上記Ｃ面を主面とする場合と同様に、例えばオリフラ面をＲ面とすると、Ｒ面に対して垂直方向に、互いに平行なストライプを形成することにより、ストライプ幅方向に対して窒化物半導体が成長しやすい傾向にあるため、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長させることができる。
【０１１５】
また次に、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）に対しても、窒化物半導体の成長は異方性があり、窒化物半導体の成長面を（１１１）面とし、オリフラ面を（１１０）面とすると、窒化物半導体は（１１０）面に対して平行方向に成長しやすい傾向がある。従って、（１１０）面に対して垂直方向にストライプを形成すると窒化物半導体層と隣接する窒化物半導体同士が保護膜の上部でつながって、結晶欠陥の少ない結晶を成長できる。なおスピネルは四方晶であるため特に図示していない。
【０１１６】
次に、本発明の窒化物半導体素子について説明する。
本発明の窒化物半導体素子は、前記本発明の窒化物半導体の成長方法により得られる窒化物半導体を基板とし、その基板上に素子構造を形成してなるものである。
本発明の窒化物半導体素子は、前記本発明の成長方法で用いられている異種基板、保護膜などを除去して第１の窒化物半導体５上に素子構造を形成してなるもの、又は除去せずそのまま残して素子構造を形成してなるものでもよい。ここで異種基板を除去する場合、素子構造は、第１の窒化物半導体５の除去面とは反対の成長面に形成される。
【０１１７】
また、本発明の窒化物半導体素子の素子構造は、層構成、形状、電極等、特に限定されず、いずれのものを組み合わせて用いてもよい。素子構造のｎ側窒化物半導体として超格子構造を有するｎ側窒化物半導体が形成されていることが好ましい。このように超格子層とすると、素子性能を向上させることができ好ましい。また、ｎ電極を超格子層に形成することが好ましく、ｎ電極との接触抵抗を低下させるために超格子層にｎ型不純物をドープしても、超格子層とすると結晶性がよくなる等の点で好ましい。
【０１１８】
更に、窒化物半導体素子を構成する素子の好ましい層構成として、例えばＩｎを含む量子井戸構造の活性層、バンドギャップエネルギーの異なるクラッド層に挟まれた活性層を有することが発光効率、寿命特性など素子の性能を向上させる点で好ましい。
このような層構成を有する素子構造を、本発明の成長方法により得られる結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体上に形成すると素子性能がより向上し好ましい。
【０１１９】
本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態としては、実施例に具体的に示してある。しかし本発明はこれに限定されない。
また、本発明において、窒化物半導体を成長させる方法は、特に限定されないがＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法は、ＭＯＶＰＥ法であり、結晶をきれいに成長させることができる。しかし、ＭＯＶＰＥ法は時間がかかるため、膜厚が厚い場合には時間の短い方法で行うことが好ましい。
【０１２０】
【実施例】
［実施例１］［図４（ｂ）に示される基板を用いる］
図４〜７は第１の形態を示す各工程のウェーハの模式断面図である。
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を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１２１】
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体２を５μｍの膜厚で成長させる。
バッファ層と第２の窒化物半導体２とを積層したウェーハの、その第２の窒化物半導体２の上にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１８μｍ、窓部２μｍのＳｉＯ2よりなる第１の保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成する（図５）。なお、第１の保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【０１２２】
第１の保護膜３形成後、ウェーハを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる（図６、図７）。ＳｉとＭｇの不純物は第１の窒化物半導体５の成長と同時にドープされる。
【０１２３】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観察すると、第１の保護膜上部はほとんど結晶欠陥が見られず、窓部上部は４×１０4個／ｃｍ2程度観測されたが、従来に比べ非常に結晶欠陥を低減することができ、更に、第１の保護膜上の空隙の発生をも良好に防止することができる。
【０１２４】
［実施例２］
実施例１において、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を成長させる際に、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を３×１０18／ｃｍ3ドープして７μｍ成長させ、続いてアンドープで８μｍ成長させ総膜厚１５μｍの膜厚で成長させる。得られた第１の窒化物半導体５は、実施例１と同様に結晶欠陥の低減された窒化物半導体を得ることができ、また空隙の発生の防止も良好である。
【０１２５】
［実施例３］［図４（ａ）に示される基板を用いる］
２インチφ、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上にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１８μｍ、ストライプ間隔（窓部）５μｍのＳｉＯ2よりなる第１の保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成する。なお、ストライプ方向は図１３に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【０１２６】
保護膜形成後、基板を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、第１の保護膜３を形成した上にＧａＮよりなるバッファ層を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１２７】
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇを用い、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる。
【０１２８】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観測すると、実施例１よりやや窓部上部に結晶欠陥が多く見られたが、従来に比べ結晶欠陥を減少させることができる。また保護膜上の空隙の発生の防止は、実施例１と同様に良好である。
【０１２９】
［実施例４］［図８に示されている基板を用いる］
実施例４における各工程を図８〜図１０を用いて示す。
異種基板１として、２インチφ、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を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層（図示されていない）を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１３０】
バッファ層を成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体２を２μｍの膜厚で成長させる。（図８）
【０１３１】
第２の窒化物半導体２を成長後、ストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅１５μｍ、ストライプ間隔（凹部の開口部）３μｍのＳｉＯ2よりなる第１の保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成し、続いて、ＲＩＥ装置により第２の窒化物半導体２の途中までエッチングして凹凸を形成することにより第２の窒化物半導体２の凹部側面を露出させる（図８）。なお、ストライプ方向は、図１３に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【０１３２】
第２の窒化物半導体２に、図８のように凹凸を形成した後、凹凸を形成した第２の窒化物半導体２の表面にスパッタ装置により保護膜材料を形成し、ＣＦ4とＯ2ガスにより、凹凸を形成したことにより形成された第２の窒化物半導体２の凹部側面の保護膜をエッチングにより除去して凹部側面を露出させ、第１の保護膜３及び第２の保護膜４をそれぞれ形成する。
【０１３３】
第１の保護膜３及び第２の保護膜４を形成後、反応容器内にセットし、温度を１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇを用い、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる（図９及び図１０）。
【０１３４】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観測すると、第１の保護膜３及び第２の保護膜４の上部共に結晶欠陥の伝播がほとんど見られなくなり良好な鏡面状の第１の窒化物半導体５が得られ、また、空隙の発生も良好に防止できる。
【０１３５】
［実施例５］
実施例４において、不純物として、ＧｅとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例４と同様に良好な結果が得られる。
【０１３６】
［実施例６］［図１１に示される基板を用いる］
実施例６を図１１を用いて示す。
実施例４において、以下に示すように第２の窒化物半導体２に形成される凹凸の形状及び第１の保護膜のみを形成する他は、同様に行った。
【０１３７】
実施例４と同様に形成された第２の窒化物半導体２上に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅１５μｍ、ストライプ間隔（凹部の開口部の幅）２μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成し、続いて、ＲＩＥ装置によりサファイア基板１までエッチングしてサファイア基板１を露出させて凹凸を形成することにより第２の窒化物半導体２の凹部側面を露出させる（図１１）。なお、ストライプ方向は、図１３に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【０１３８】
凹凸部を形成後、反応容器内にセットし、温度を１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇを用い、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる。
【０１３９】
第１の窒化物半導体５を成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、ＳｉとＭｇの不純物をドープしたＧａＮよりなる窒化物半導体基板を得る。
【０１４０】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観察すると第１の保護膜上部及び凹部開口部上部ともに結晶欠陥の伝播のほとんど見られない鏡面状の第１の窒化物半導体５が得られる。
また、凹部底部に保護膜を形成せず、凸部上部のみに保護膜を有する場合、反応条件によっては、凹部の底部にやや空隙の発生する場合が見られるが、第１の窒化物半導体５を厚膜に成長させ異種基板等を除去するれば、空隙の部分も同時に除去される程度の小さい空隙であり、従来に比べ、空隙が素子特性に悪影響を及ぼし難くなる。
【０１４１】
［実施例７］
実施例６において、不純物として、ＳｎとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープドープする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例６と同様に良好な結果が得られた。
【０１４２】
［実施例８］
実施例６において、第２の窒化物半導体２をエッチングする際に、第２の窒化物半導体２が残る程度にエッチングし、凹部の側面（第２の窒化物半導体の端面）の幅（ｄ）を１．５μｍとする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
【０１４３】
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例６と同様に良好な結果が得られる。
【０１４４】
［実施例９］［ＳｉとＭｇの不純物を成長の途中からドープする。図４（ｂ）に示される基板を用いる。］
実施例１において、第１の窒化物半導体５の成長初期はアンドープで成長させ、第１の窒化物半導体が、例えば図２のような状態で第１の保護膜３上に横方向に成長する際に、ＳｉとＭｇの不純物をドープする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。ＳｉとＭｇの不純物のドープの時期は、成長温度とＴＭＧの投入量により成長速度を計算でき、この計算値をもとにＳｉとＭｇの不純物をドープするタイミングを調節する。
【０１４５】
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例１と同様に結晶欠陥を良好に低減でき、更に保護膜上の空隙の発生は、実施例１よりやや良好に防止することができる。
【０１４６】
［実施例１０］［不純物の種類を変更して実施例１と同様に行う。］
実施例１において、不純物として、以下の表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．８に示すように不純物を変更する他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
【０１４７】
【表１】
＊：ｎ型不純物を含まない。
【０１４８】
上記Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８の不純物をそれぞれドープして得られる各第１の窒化物半導体５は、第１の保護膜３上部の結晶欠陥はほとんど見られず、また窓部上部には、不純物の種類及び組み合わせによって多少結晶欠陥の数に差が見られるものの、実施例１とほぼ同様に良好であり、更に空隙の発生も実施例１とほぼ同様に良好に防止できる。
【０１４９】
［実施例１１］［実施例１で得られた窒化物半導体基板を有するＬＥＤ］
図１４を元に実施例１１について説明する。
実施例１で得られた第１の窒化物半導体５を基板として、この上に以下の素子構造を成長させてＬＥＤ素子を製造する。
だたし、第１の窒化物半導体５は異種基板１を有する状態で用いた。
【０１５０】
（アンドープＧａＮ層１０３）
第１の窒化物半導体５上に、温度を１０５０℃とし、キャリアガスに水素、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層１０３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【０１５１】
（ｎ側コンタクト層１０４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１０４を２．２５μｍの膜厚で成長させる。
【０１５２】
（ｎ側第１多層膜層１０５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下層１０５ａを２０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０18／cm3ドープしたＧａＮからなる中間層１０５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層１０５ｃを５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２３５０オングストロームの第１多層膜層１０５を成長させる。
【０１５３】
（ｎ側第２多層膜層１０６）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層［Ａ］を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる窒化物半導体層［Ｂ］を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、［Ａ］＋［Ｂ］の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる窒化物半導体層［Ａ］を４０オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるｎ側第２多層膜層１０６を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１５４】
（活性層１０７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層１０７を成長させる。
【０１５５】
（ｐ側多層膜クラッド層１０８）
次に、温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる窒化物半導体層［Ｃ］を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇを１×１０20／cm3ドープしたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる窒化物半導体層［Ｄ］を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、［Ｃ］＋［Ｄ］の順で交互に５層ずつ積層し、最後に窒化物半導体層［Ｃ］を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層１０８を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１５６】
（ｐ側ＧａＮコンタクト層１０９）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０９を７００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１５７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【０１５８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１０９の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ側コンタクト層１０４の表面を露出させる。
【０１５９】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層１０９のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極１１０と、そのｐ電極１１０の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１２を形成してＬＥＤ素子とした。
【０１６０】
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、Ｖｆは３．５Ｖで、従来の多重量子井戸構造のＬＥＤ素子に比較して、Ｖｆで１．０Ｖ近く低下し、出力は２．０倍以上に向上する。そのため、１０ｍＡで従来のＬＥＤ素子とほぼ同等の特性を有するＬＥＤが得られる。更に、得られたＬＥＤ素子は、寿命特性が従来のものに比べ非常に良好となり、結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体５を用いることにより、寿命をより良好にすることができる。更に、結晶欠陥の伝播を良好に抑制でき且つ第１の保護膜上の空隙の発生を良好に防止できるので、量産し易くなる。また、静電耐圧も従来のものに比べて良好となる。
【０１６１】
なお、従来のＬＥＤ素子の構成は、サファイア基板上に、ＧａＮよりなる第１のバッファ層、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層、実施例１と同一の多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のＭｇドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を順に積層したものである。
【０１６２】
［実施例１２］
実施例１１において、ｎ側第１多層膜層を以下のように変更する他は同様にしてＬＥＤ素子を製造した。
（ｎ側第１多層膜層１０５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を７５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０18／cm3ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、７５オングストロームのアンドープＧａＮ層からなるＡ層と、ＳｉドープＧａＮ層を有する２５オングストロームのＢ層とからなるペアを成長させる。そしてペアを２５層積層して２５００オングストローム厚として、超格子構造の多層膜よりなるｎ側第１多層膜層１０５を成長させる。
【０１６３】
その結果、実施例１１と同様に良好な結果が得られる。
【０１６４】
［実施例１３］［実施例１で得られた窒化物半導体基板を有するＬＤ］
素子構造を形成する基板として、実施例１で得られた第１の窒化物半導体５を用いて行った。素子構造としては、J.J.A.P.Vol.37(1998)pp.L309-L312に記載されているものと同様の構造を形成する。但し、異種基板等は除去せずに第１の窒化物半導体５上に素子構造を形成する。
【０１６５】
以下に、図１５に示されるＬＤ素子の素子構造を示す。
（素子構造の概略）
３μｍの膜厚のＳｉドープのＧａＮ、０．１μｍの膜厚のＳｉドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ、２５オングストロームの膜厚のＳｉドープＧａＮと２５オングストロームの膜厚のアンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎとのペアを２４０積層してなるｎ型超格子クラッド層、０．１μｍの膜厚のＳｉドープＧａＮの光ガイド層、２０オングストロームの膜厚のＳｉドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎの井戸層と、５０オングストロームの膜厚のＳｉドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎの障壁層とからペアを４組形成してなる多重量子井戸構造の活性層、２００オングストロームの膜厚のＭｇドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ、０．１μｍの膜厚のＭｇドープのＧａＮの光ガイド層、２５オングストロームのＭｇドープＧａＮと、２５オングストロームの膜厚のアンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎとからなるペアを１２０積層させてなるｐ型超格子クラッド層、及び０．０５μｍの膜厚のＭｇドープＧａＮを積層成長させる。
【０１６６】
図１５に示されるように、エッチングにより３μｍのリッジ形状、及びｎ電極の形成されるｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｐ電極及びｎ電極をそれぞれ形成する。得られたＬＤ素子は、従来技術（例えば前記J.J.A.P.に記載の技術）のものより、高温度及び高出力の条件下でより長寿命となる。
【０１６７】
［実施例１４］［実施例２〜１０で得られたＧａＮ基板を有するＬＤ］
実施例１３において、第１の窒化物半導体５として実施例２〜１０の各方法により得られた各々の窒化物半導体基板を用いた他は同様にしてＬＤ素子を製造する。
その結果、実施例２〜１０のそれぞれの第１の窒化物半導体５を用いて作成されたＬＤ素子は、第１の窒化物半導体５の成長方法や不純物の種類により多少の差はあるものの、いずれも実施例１３とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【０１６８】
［実施例１５］［異種基板を除去してなる窒化物半導体基板を有するＬＤ］
実施例１において、ＳｉとＭｇの不純物をドープしてなる第１の窒化物半導体５を１５μｍ成長させた後（ＭＯＣＶＤにより成長）、更に膜厚が１００μｍになるまで成長させる他は同様にして第１の窒化物半導体５を得る。その後、異種基板及び保護膜等を除去して８０μｍの膜厚の第１の窒化物半導体５を用い、異種基板等を除去した除去面とは反対の面上に素子構造を成長させる。図１６を用いて以下に素子構造を示す。
【０１６９】
（ｎ側クラッド層４３）
次に、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープ（undope）のＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームとを交互に１００層積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とする。
【０１７０】
（ｎ側光ガイド層４４）
続いて、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層４４を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１７１】
（活性層４５）
次に、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープのＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層、５０オングストロームを交互に積層してなる総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層４５を成長させる。
【０１７２】
（ｐ側キャップ層４６）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層４７よりも大きく、かつ活性層４５よりも大きい、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側キャップ層４６を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１７３】
（ｐ側光ガイド層４７）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層４６より小さい、Ｍｇを１×１０18／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層４７を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１７４】
（ｐ側クラッド層４８）
次に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層４８を形成する。
【０１７５】
（ｐ側コンタクト層４９）
最後に、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層４９を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１７６】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図１６に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ型コンタクト層４９と、ｐ型クラッド層４８とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とし、リッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極５１を形成する。次に、図１６に示すようにｐ電極５１を除くｐ側クラッド層４８、コンタクト層４９の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜５０を形成し、この絶縁膜５０を介してｐ電極５１と電気的に接続したｐパッド電極５２を形成する。
【０１７７】
ｐ側電極形成後、第２の窒化物半導体層５の素子構造が形成されていない表面全面に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極５３を０．５μｍの膜厚で形成し、その上にヒートシンクとのメタライゼーション用にＡｕ／Ｓｎよりなる薄膜を形成する。
【０１７８】
その後、ｎ電極側５３からスクライブし、第１の窒化物半導体５のＭ面（１１−００、図１２の六角柱の側面に相当する面）で第１の窒化物半導体５を劈開し、共振面を作製する。共振面の両方あるいはどちらか一方にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、ｐパッド電極５２をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。
【０１７９】
その結果、実施例１３のＬＤ素子と同様に良好な寿命特性が得られた。
【０１８０】
［実施例１６］
実施例１５において、第１の窒化物半導体５の成長方法を以下のように変更する他は同様にして、ＬＤ素子を製造する。
（第１の窒化物半導体５の成長方法）
実施例１において、ＳｉとＭｇの不純物をドープしてなる第１の窒化物半導体５を１５μｍ成長させた後（ＭＯＣＶＤにより成長）、不純物をＳｉのみにして更に膜厚が１００μｍになるまで成長させる他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。その後、異種基板及び保護膜等を除去して８０μｍの膜厚の第１の窒化物半導体５を用いる。但し、異種基板等を除去した除去面とは反対の面上に素子構造を成長させる。
【０１８１】
得られたＬＤ素子は、実施例１５と同様に良好であり、更に第１の窒化物半導体５がｐ型不純物をほとんど含まないＳｉドープの窒化物半導体であるため、ｎ電極とのオーミック性が実施例１５よりやや良好となる。
【０１８２】
【発明の効果】
本発明は、保護膜上部に限らず窓部の結晶欠陥の転位を減少させ、且つ保護膜上部で隣接するＧａＮ同士の接合の際に空隙の生じない窒化物半導体の成長方法を提供することができる。
また更に、本発明は、結晶欠陥や空隙のない窒化物半導体を基板とし、素子構造を成長させると、寿命特性等の素子性能が良好な窒化物半導体素子を提供することができる。さらに本発明は、本発明の窒化物半導体の成長方法により結晶欠陥の伝播を抑制できるとともに空隙の発生をも抑制できることから、素子特性の良好な窒化物半導体素子を量産し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体の成長と結晶欠陥の伝播の様子を模式的に示した模式的断面図である。
【図２】窒化物半導体の成長と結晶欠陥の伝播の様子を模式的に示した模式的断面図である。
【図３】窒化物半導体の成長と結晶欠陥の伝播の様子を模式的に示した模式的断面図である。
【図４】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図９】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図１０】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図１１】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図１２】サファイアの面方位を示すユニットセル図である。
【図１３】保護膜のストライプ方向を説明するための基板主面側の模式的平面図である。
【図１４】本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示すＬＥＤ素子の模式的断面図である。
【図１５】本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示すＬＤ素子の模式的断面図である。
【図１６】本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示すＬＤ素子の模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・第２の窒化物半導体
３・・・第１の保護膜
４・・・第２の保護膜
５・・・第１の窒化物半導体
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）の成長方法に係り、特に窒化物半導体よりなる基板の成長方法に関する。また、本発明は、前記窒化物半導体よりなる基板を用い発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子に使用される窒化物半導体（ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）よりなる窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体からなる青色、青緑色の発光ダイオード、レーザダイオードが実用化されたり実用可能になっている。
【０００３】
例えば、本発明者等は、Japanese Journal of Aplide Physics. Vol.37(1998)pp.L309-L312 に、サファイア上に成長させたＧａＮ層上に、ＳｉＯ2よりなる保護膜を部分的に形成し、その保護膜上から再度ＧａＮを有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により成長させることで、保護膜が形成されていない部分（以下、窓部という）から成長が開始し、次第に保護膜上部でＧａＮの横方向の成長が生じ、隣接する窓部から横方向に成長したＧａＮ同士が保護膜上で接合して成長を続け、結晶欠陥の極めて少ない窒化物半導体を得ることができることを開示している。そして、得られる結晶欠陥の少ない窒化物半導体を基板とし、この窒化物半導体基板上に素子構造を形成してなる窒化物半導体レーザ素子は、１万時間以上の連続発振を達成することができることが開示されている。
【０００４】
このような保護膜を形成した後、窒化物半導体の横方向の成長を利用して窒化物半導体を成長させる方法は、エピタキシャルラテラルオーバーグロウス（Epitaxially lateral over growth : ＥＬＯＧ）と呼ばれている。
【０００５】
上記の方法は、サファイア基板上にＧａＮ層をいったん２μｍ成長させた後で、３μｍの間隔（窓部）をあけながら厚さ２μｍ、幅１３μｍのストライプ状のＳｉＯ2よりなる保護膜を形成し、その保護膜の上からハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により、ＧａＮの横方向への成長を利用し、再度ＧａＮ層を１０μｍほど成長させることにより結晶欠陥の少ないＧａＮ基板が得られる技術である。
【０００６】
上記方法で得られたＧａＮ基板は、従来の窒化物半導体の成長方法に比べ、全体的に結晶欠陥が著しく減少するが、特にＳｉＯ2の保護膜上部に位置する窒化物半導体に特に結晶欠陥が少なくなる。
しかも、本発明者等が、Japanese Journal of Aplide Physics. Vol.36(1997)pp.L1568-L1571にて報告したＥＬＯＧ成長では、保護膜のほぼ中央部、隣接するＧａＮ同士が接合する部分に空隙が生じ、この空隙が表面まで伸びているのに対し、上記の方法では保護膜のほぼ中央部に空隙が生じてはいるが保護膜から約５μｍの膜厚付近で消滅している。
【０００７】
この結晶欠陥のより少ない保護膜上に、リッジ形状のストライプのレーザ導波路が位置するように形成されてなる窒化物半導体素子は、窓部上にリッジ形状のストライプが形成されたものに比べ、良好な寿命特性を有する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、寿命特性の良好なレーザ素子を効率良く生産するには、窓部を避けて、幅の狭い保護膜上に、数μｍのリッジ形状のストライプを効率良く形成することが必要であるが、幅の狭い部分に正確に幅の狭いものを形成するのは困難であり、寿命特性の良好なレーザ素子を量産する場合に問題となる。
【０００９】
また更に、ＥＬＯＧ成長により得られた窒化物半導体であって、表面透過型電子顕微鏡（表面ＴＥＭ）観測において結晶欠陥のほとんどない部分、つまり保護膜上部に、リッジ形状のストライプを形成したにもかかわらず、寿命特性が十分満足できないものが生じることがわかった。この問題に対して、本発明者は種々検討の結果、ＥＬＯＧ成長により窓部から成長し保護膜上で横方向に成長する隣接のＧａＮ同士が保護膜のほぼ中心部分で接合する際に生じ成長の途中で消滅している空隙が寿命特性を劣化させている可能性が高いことが確認された。つまり、空隙がレーザ素子の動作中にリッジ形状のストライプ部分等の素子構造にまで広がったり、空隙にエッチング液等が残留し、レーザ素子の動作中、該残留物が素子性能に悪影響を及ぼしていることがわっかった。
【００１０】
これにより、リッジ形状のストライプの形成される位置が、保護膜上であり且つ保護膜上の空隙の上を避けてた箇所に限定され、極めて狭い範囲に形成しなければならず量産がしにくくなる。
保護膜上での空隙の発生は、保護膜の幅を広くすると多くなる傾向があり、空隙の発生を防止するために保護膜の幅を狭めると、リッジ形状のストライプを保護膜上に効率良く形成することが一層困難となるといった問題が生じる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、保護膜上部に限らず窓部の結晶欠陥の転位を減少させ、且つ保護膜上部で隣接するＧａＮ同士の接合の際に空隙の生じない窒化物半導体の成長方法を提供することである。
更に本発明の目的は、結晶欠陥や空隙のない窒化物半導体を基板とし、寿命特性等の素子性能が良好で、量産性の良好な窒化物半導体素子を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の目的は、下記構成（１）〜（１３）により達成することができるものである。
（１）基板上に、第１の保護膜を部分的に形成する第１の工程と、前記第１の保護膜の窓部から第１の窒化物半導体を成長させて、前記第１の保護膜上に、該第１の窒化物半導体を横方向の成長を利用して形成する第２の工程と、を少なくとも有する窒化物半導体の成長方法において、前記第２の工程で、第１の窒化物半導体の成長時に、ｐ型不純物及びｎ型不純物をドープすることを特徴とする窒化物半導体の成長方法。
【００１３】
（２）前記第２の工程において、不純物が、少なくとも第１の窒化物半導体が第１の保護膜上に向かって横方向の成長をしている時に、ドープされることを特徴とする前記（１）に記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１４】
（３）前記第２の工程で、不純物が、第１の窒化物半導体の成長と同時に、又は成長の途中に１回以上、ドープされることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の窒化物半導体の成長方法。
（４）前記ｐ型不純物が、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇのいずれか１種以上であることを特徴する前記（１）〜（３）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１５】
（５）前記ｎ型不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか１種以上であることを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
（６）前記第１の窒化物半導体にドープされる不純物として、ｐ型不純物がＭｇであり、ｎ型不純物が、Ｓｉであることを特徴とする（１）に記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１６】
（７）前記不純物のドープ量が、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3であることを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
（８）前記第１の保護膜が、第１の保護膜が形成されていない部分の表面積よりも大きい表面積を有して形成されていることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１７】
（９）前記基板が、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板と、この異種基板上に成長された第２の窒化物半導体とからなることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
（１０）前記異種基板と第２の窒化物半導体とからなる基板が、前記第１の工程の前又は後に、第１の保護膜の形成される部分以外の第２の窒化物半導体を部分的に除去し表面に凹凸の形状を有していることを特徴とする（１）〜（９）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１８】
（１１）前記第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部底部が、第２の保護膜で覆われていることを特徴とする（１０）に記載の窒化物半導体の成長方法。
（１２）前記第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部が、凹部上部から底部までの深さが０．５μｍ以上であることを特徴とする前記（１０）又は（１１）に記載の窒化物半導体の成長方法。
【００１９】
（１３）前記（１）〜（１２）のいずれかに記載の窒化物半導体の成長方法により得られる窒化物半導体からなる基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する素子構造を有する窒化物半導体素子。
【００２０】
つまり、本発明は、上記の如く、窒化物半導体の横方向の成長を利用して第１の保護膜上部にまで第１の窒化物半導体を成長（ＥＬＯＧ成長）させる際に、ｐ型不純物をドープすることにより、保護膜上部に限らず窓部上部も良好に結晶欠陥の伝播を抑制でき、結晶欠陥の少ない領域がほぼ均一に得られ、しかも、第１の保護膜間の保護膜の形成されていない部分（窓部）から選択的に成長した隣接する第１の窒化物半導体同士が、第１の保護膜のほぼ中央部で接合する接合部分に空隙の発生が見られない良好な窒化物半導体を成長させることができる。
【００２１】
更に、本発明の成長方法では第１の窒化物半導体の接合部分での空隙の発生を防止できることから、第１の保護膜の幅を従来のものより広くしてＥＬＯＧ成長を行うことができ、表面透過型電子顕微鏡観察によると結晶欠陥のほとんど見られない第１の保護膜上に、リッジ形状のストライプを形成し易くなり、良好な素子特性を有する窒化物半導体素子を効率良く量産することができる。
【００２２】
また、本発明の成長方法により得られる窒化物半導体を基板として素子を製造すると、リッジ形状のストライプの位置を空隙や窓部を避けて形成する必要がなくなり、良好な寿命特性を有する窒化物半導体素子を効率良く量産することができる。
【００２３】
一般に、窒化物半導体の成長時に、不純物を添加すると結晶性が低下する傾向があることは知られており、結晶性を良好とする場合には、不純物をドープしないで窒化物半導体を成長させる方法がとられる。
【００２４】
これに対し、本発明は、結晶欠陥を減少させるためのＥＬＯＧ成長と、結晶性を低下させる恐れがある不純物のドープといった一見作用が相対する構成を組み合わせて行うことにより、予想外の効果、即ち異種基板と窒化物半導体の界面で発生する結晶欠陥の伝播を抑制し、第１の窒化物半導体の表面に現れる結晶欠陥を従来のＥＬＯＧ成長によるものより更に減少させることができるものである。更に、本発明のＥＬＯＧ成長させた窒化物半導体は、従来のような空隙の発生が見られず、空隙による素子の劣化を良好に防止することができる。
【００２５】
このように、本発明の成長方法が結晶欠陥の伝播の抑制と空隙の発生の防止を良好に行うことができる理由は定かではないが、恐らく、ＥＬＯＧ成長を行う際にｐ型不純物をドープすると、窒化物半導体の成長方向、つまり縦方向の成長に対し、横方向の成長が促進され、保護膜上に向かって横方向に成長し易くなったためではないかと考えられる。
【００２６】
また、前記Ｊ．Ｊ．Ａ．Ｐ．では１００ｔｏｒｒの減圧条件下で成長を行っているのに対し、本発明は常気圧で行っても結晶欠陥の伝播を抑制できると共に空隙の発生を防止できるので、反応条件の緩和及び製造工程の簡易化が可能となる。また、保護膜上、あるいは窓部上を問わず、リッジ形状のストライプをいずれに形成しても良好な寿命特性の窒化物半導体素子を得ることができ歩留まりが向上する。
【００２７】
更に本発明において、第２の工程で第１の窒化物半導体の成長時に、ｐ型不純物に加えて、ｎ型不純物をもドープすることにより、結晶欠陥の低減及び空隙の発生の防止がより良好となり好ましい。また、ｐ型不純物と共にｎ型不純物がドープされていると、第１の窒化物半導体を基板としてこの基板上にｎ型コンタクト層を形成する場合、ｐ型不純物のみをドープした場合に比べて、電気的な制御が容易となり、ｎ電極とのオーミック接触が得られやすく好ましい。
【００２８】
更に本発明は、第２の工程で、不純物が、少なくとも第１の窒化物半導体が第１の保護膜上に向かって横方向の成長をしている時に、ドープされると結晶欠陥の伝播を抑制するのに好ましい。
また更に本発明は、第２の工程で、不純物が、第１の窒化物半導体の成長と同時に、ドープされると窒化物半導体の横方向の成長が促進され、保護膜の幅を広くしても、結晶欠陥が少なく且つ表面が鏡面状の良好な窒化物半導体を得られ易くなり好ましい。
【００２９】
また更に本発明において、不純物を、成長と同時にドープしたり、成長の途中にドープしたり、成長の途中で一定の間隔毎にドープしたり、またはこれらを組み合わせてドープすることにより、意図的に窒化物半導体の成長方向、つまり横方向又は縦方向の成長速度、を調整し結晶欠陥の伝播と空隙の発生とを良好に防止することができ好ましい。
【００３０】
更に、本発明において、ｐ型不純物が、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇのいずれか１種以上、また、ｎ型不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか１種以上であると、結晶欠陥及び空隙の点で好ましい。
また更に、本発明において、ｐ型及びｎ型不純物をドープする場合、ｐ型不純物がＭｇであり、ｎ型不純物がＳｉであると、結晶欠陥の伝播を抑制し、空隙の発生を防止するのにさらに好ましい。
【００３１】
また更に本発明において、不純物のドープ量が、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3であると、結晶性の点で好ましい。不純物のドープ量が１×１０17／ｃｍ3未満であるとＥＬＯＧ成長の際の窒化物半導体の成長方向の調整が十分でなく結晶欠陥及び空隙の発生の防止の点で十分満足できず、一方ドープ量が１×１０19／ｃｍ3を超えると異常成長等が発生しやすくなり結晶性が低下する傾向がある。
【００３２】
また更に本発明において、第１の保護膜が、第１の保護膜が形成されていない部分（窓部）の表面積よりも大きい表面積を有して形成されていると、結晶欠陥を減少させるのに好ましい。
また更に本発明において、基板が、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板と、この異種基板上に成長された第２の窒化物半導体とからなると結晶欠陥を減少させるのに好ましい。
【００３３】
また更に本発明において、異種基板と第２の窒化物半導体とからなる基板が、第１の工程の前又は後に、第１の保護膜の形成される部分以外の第２の窒化物半導体を部分的に除去し表面に凹凸の形状を有していると、縦方向の成長から成長が始まった窒化物半導体の成長を凹部側面から横方向に成長した窒化物半導体の成長により遮断することができ、結晶欠陥の伝播を防止するのに好ましい。
【００３４】
また更に本発明において、第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部底部が、第２の保護膜で覆われていると、縦方向の成長を一旦止めて、横方向の成長のみから再度成長を開始することにより、成長初期の成長方向の選択性が良好となり結晶欠陥の低減及び結晶欠陥の伝播の抑制等の点で好ましい。
また更に本発明において、第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部が、凹部上部から底部までの深さが０．５μｍ以上であると、成長が安定に行われ、表面が鏡面状になり易く好ましい。
【００３５】
また更に本発明は、上記本発明の窒化物半導体の成長方法により得られる結晶欠陥の伝播が抑制され表面領域に結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体を基板とし、この窒化物半導体基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する素子構造を有する窒化物半導体素子を製造すると、良好な寿命特性が得られると共に、歩留まりを向上させることができ好ましい。
【００３６】
本発明において、表面領域とは、ＥＬＯＧ成長により厚膜に成長させた第１の窒化物半導体の表面から異種基板方向に一定の深さを持った領域［例えば図７等の結晶欠陥の伝播が見られなくなった部分］を示し、この表面領域には結晶欠陥がほとんど見られない部分でり、また異種基板等を除去して、第１の窒化物半導体５を単体とした場合の単体の厚み部分を指す場合もある。
【００３７】
上記のように、本発明の成長方法により得られる窒化物半導体を基板とし、この基板上に窒化物半導体素子を製造すると、従来のように４〜５μｍ程度の保護膜上に数μｍのリッジ形状のストライプが形成されなくても、基板となる窒化物半導体が良好な結晶性を有しているので、寿命特性の良好な窒化物半導体素子を効率良く量産することが可能となる。
【００３８】
ここで、ＥＬＯＧ成長により得られる窒化物半導体を素子の基板とする場合、異種基板や保護膜等を除去してから、又は除去せずにＥＬＯＧ成長で得られた窒化物半導体上に素子構造を成長させてもよい。また異種基板を除去してから素子構造を形成する場合は、除去面とは反対の面に素子構造を形成することが好ましい。
【００３９】
また異種基板等を除去する場合、第１の窒化物半導体を厚膜に成長させるので、成長初期には成長速度をコントロールし易いＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等で成長させ、その後成長速度の速いＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）等で成長させてもよい。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化物半導体の成長方法は、基板上に、窒化物半導体が成長しにくい材料からなる第１の保護膜を部分的に形成する第１の工程と、第１の保護膜上に窒化物半導体の横方向の成長を利用して第１の窒化物半導体を成長させ、その際にｐ型不純物をドープして成長させ、好ましくはｐ型不純物に加えてｎ型不純物をドープして成長させる第２の工程とを少なくとも有する。
【００４１】
このように成長させると、第１の窒化物半導体は、基板の第１の保護膜の形成されていない部分（窓部）から成長を始め、第１の保護膜の膜厚より厚く成長すると、第１の保護膜を覆うように横方向にも成長し、第１の保護膜上に成長したかのようになる。
【００４２】
第２の工程で、不純物をドープする時期としては、好ましくは少なくとも第１の窒化物半導体が第１の保護膜上に向かって横方向の成長をしている時に、ｐ型不純物及びｎ型不純物、又は、ｐ型不純物がドープされていればよく、第１の保護膜上をほぼ覆う程度に第１の窒化物半導体が成長した後は、アンドープでも、ｎ型不純物のみのドープでもよい。
【００４３】
上記不純物をドープする時期の一形態としては、第１の窒化物半導体の成長の開始と同時に不純物をドープすることができる。以下に、成長と同時に不純物をドープする場合について説明する。
第１の窒化物半導体の成長の開始と同時に不純物をドープすると、窓部から成長する第１の窒化物半導体は、縦方向の成長に対し、横方向の成長が促進され、図１に示すように、第１の保護膜上に垂直に成長してし易くなる。このように横方向の成長が促進された状態で成長させると、図１に示すように、窓部から伝播している結晶欠陥は、第１の窒化物半導体の横方向の成長とともに横方向に伝播する傾向がある。一旦横方向に伝播した結晶欠陥は、窒化物半導体の成長が縦方向に促進されても、再び縦方向に伝播しにくくなる。これによって第１の窒化物半導体を厚膜に成長させた場合の表面領域には、断面及び表面透過型電子顕微鏡などによる観察によると、第１の保護膜上部はもちろんのこと、窓部上部も結晶欠陥が著しく減少する。
【００４４】
前記従来技術であるＪ．Ｊ．Ａ．Ｐ．に記載の技術では、ＥＬＯＧ成長の際に、１００ｔｏｒｒの減圧条件下で成長させることにより、横方向の成長を促進させて、保護膜上に垂直に横方へ成長をさせていた。しかし、この方法では、保護膜上の窒化物半導体の接合部分で空隙が生じる場合が観測されたり、保護膜上部の結晶欠陥の数に対して、窓部上部での結晶欠陥の数が、ほぼ１×１０17個／ｃｍ2と多い等の点がある。
【００４５】
これに対し、第１の窒化物半導体の成長の開始とともに不純物をドープして行う本発明の成長方法では、接合部分での空隙の発生を良好に防止することができることから、恐らく減圧条件下にする場合に比べ、縦方向の成長に比べて著しく横方向の成長が促進されたために、接合部分での空隙の発生が抑制されたと考えられる。
【００４６】
ここで、比較のために、ＥＬＯＧ成長の際に不純物を添加せず、且つ減圧にしない場合の窒化物半導体の成長の様子を図２に示すと、窓部から成長した窒化物半導体が三角形のような状態で縦方向に成長すると共に、保護膜上を横方向にも成長し続ける。この場合、結晶欠陥は、その一部分が窒化物半導体の横方向の成長により横方向に伝播するが、残りの結晶欠陥は、縦方向の成長に支配され表面方向に伝播を続ける。その結果、保護膜上の結晶欠陥の数はかなり減少するが、窓部の結晶欠陥は、ＥＬＯＧ成長でない場合に比べれば少なくなるものの、十分満足できる程度に欠陥を減少させることができ難い。このような結晶欠陥の伝播の傾向は、縦方向の成長速度と横方向の成長速度との関係に起因すると思われる。
【００４７】
また、図２に示される方法では、窓部から縦方向に伝播する結晶欠陥の伝播を、十分満足できる程度に横方向に変更できないものの、保護膜上の窒化物半導体の接合部分での空隙が発生しにくいという点もある。
【００４８】
また更に、本発明において、第１の窒化物半導体の成長の際に不純物をドープするその他の形態としては、図３（ａ）に示すように、第１の窒化物半導体の成長の開始と共に不純物をドープして成長させ、第１の保護膜上での横方向の成長がある程度進行した状態で、不純物のドープを中止し、図３（ｂ）に示すように、アンドープで第１の窒化物半導体を成長させる。更に第１の窒化物半導体が一定の膜厚になった時点で再び不純物をドープしても、アンドープのまま厚膜に成長させてもよい。このような不純物のドープの方法によると、結晶欠陥の伝播を良好に防止できると共に、第１の保護膜上の窒化物半導体同士の接合部分での空隙の発生をより良好に防止することができる。
【００４９】
このことは、恐らく、不純物をドープすると図１に示すように成長した後、アンドープにすることにより図２に示されるように成長する傾向があるためと推測される。つまり、第１の窒化物半導体の成長の開始から初期にかけて、不純物を添加することにより、図３（ａ）のようにすると、窓部から発生している結晶欠陥のほとんどが、窒化物半導体の横方向の成長と共に横方向に伝播し、そして再び縦方向に伝播しない状態、例えば第１の窒化物半導体が第１の保護膜をおよそ半分程度（保護膜の幅によって適宜調節される。）覆った時点で、不純物のドープを中止して成長させると、第１の保護膜の第１の窒化物半導体の接合部分が前記した図２のような成長をし、保護膜上面部から徐々に接合され空隙をより良好に防止することができるのではないかと考えられる。
【００５０】
結晶欠陥は、窒化物半導体の成長する方向へ伝播する傾向があり、例えば、縦方向の成長時には縦方向に伝播し、第１の保護膜上に横方向の成長をする時には横方向へ伝播する。そして、結晶欠陥は、一旦横方向に伝播すると再び縦方向に伝播しないかほとんど伝播しないといった性質を有する。
この横方向に伝播した結晶欠陥は再び縦方向に伝播し難くいといった結晶欠陥の伝播の性質から、第１の窒化物半導体の表面領域には結晶欠陥の伝播が著しく減少する。
【００５１】
また更に、本発明において、不純物をドープする時期の更にその他の形態としては、上記したような不純物のドープと窒化物半導体の成長方向の関係を考慮して、第１の窒化物半導体の成長の最中に、一定の間隔毎または成長の進行程度毎に、不純物を１回以上、成長の進行状況に応じた時間でドープしてもよい。この場合、成長の進行状況（程度）に応じてとは、少なくとも結晶欠陥の伝播を横方向に伝播させる際には不純物をドープし、第１の保護膜上で第１の窒化物半導体を接合させる際にはアンドープまたは不純物の濃度を少なくする等の調整をするなど、窒化物半導体の成長の進行状態と不純物を添加することによる横方向成長の促進などを適宜組み合わせて行うことを示す。
【００５２】
本発明の成長方法において、第１の窒化物半導体の成長の進行状況を確認する方法としては、ウエハの大きさ、第１の保護膜の幅、窓部の幅、及び原料ガスの流量などから成長の速度を計算により導き出すことができる。そして、計算により導き出された値に従って、成長の途中等から不純物をドープする場合の目安にする。
【００５３】
本発明において、ｐ型不純物としては、特に限定されないが、好ましくは、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇのいずれか１種以上であり、また、ｐ型不純物と共にドープされるｎ型不純物としては、特に限定されないが、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか１種以上である。上記のような不純物をドープすると、結晶欠陥及び空隙の点で好ましい。
【００５４】
また更に、本発明において、ｐ型及びｎ型不純物をドープする場合、ｐ型不純物とｎ型不純物の組み合わせは特に限定されず、上記の不純物を適宜１種以上づつドープすることができる。特に好ましい組み合わせとしては、ｐ型不純物がＭｇであり、ｎ型不純物がＳｉであると、結晶欠陥の伝播を抑制し、空隙の発生を防止するのにさらに好ましい。
【００５５】
本発明において、不純物のドープ量は、好ましくは１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3、より好ましくは１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3、更に好ましくは５×１０17／ｃｍ3〜５×１０19／ｃｍ3である。不純物の濃度が上記範囲であると窒化物半導体の横方向の成長を縦方向の成長に比べ良好に促進でき、結晶欠陥の伝播の抑制及び空隙の発生の防止の点で好ましい。不純物のドープ量が多すぎると異常成長等が発生し結晶性が低下する傾向がある。また不純物のドープ量が少なすぎると本発明の効果が得られ難くなる。また、ｐ型不純物とｎ型不純物とをドープする場合は、両者の濃度の和が上記範囲のドープ量となるように適宜調整してドープされる。この場合ｐ型不純物とｎ型不純物の濃度の比は、用いる不純物の種類により、空隙や結晶欠陥の防止が良好となるように適宜調整される。
【００５６】
以上のように、第１の窒化物半導体の成長の際に、特定濃度の不純物をドープすると、異種基板と窒化物半導体との接触界面で発生する結晶欠陥の伝播の抑制及び伝播の方向の調整をすることができ、厚膜に成長させた第１の窒化物半導体の表面領域には、結晶欠陥がほとんど見られなくなる。更に第１の保護膜上での第１の窒化物半導体同士の接合部分での空隙の発生を良好に抑制することができる。
【００５７】
本発明の方法は、従来のＥＬＯＧ成長に比べて、結晶欠陥の縦方向への伝播が良好に抑制できているために第１の窒化物半導体層の表面領域での結晶欠陥の密度が激減していると考えられる。このことから第１の窒化物半導体の成長の段階で、窒化物半導体の縦方向への成長速度に比べ、横方向への成長速度を著しく促進させることができるため、窒化物半導体の横方向の成長に伴う結晶欠陥の伝播が横方向に進行するように調整がなされたと考えられる。このように、横方向の成長が促進されることから、第１の窒化物半導体が良好に第１の保護膜を覆うことができ、窓部から成長した第１の窒化物半導体同士の接合部分に空隙が発生するのを良好に防止することができると思われる。
【００５８】
また、本発明において、ＥＬＯＧ成長時に特定濃度の不純物をドープすることに加えて、反応条件を減圧としたり、原料ガスとなるガス状窒素源とガス状３族源とのモル比を調整する等の条件を組み合わせてもよい。
【００５９】
本発明において、不純物をドープして行うＥＬＯＧ成長としては、窒化物半導体の横方向の成長を利用して選択的に窒化物半導体を成長させる方法であれば、特に限定されない。
以下に、本発明の窒化物半導体の成長方法の一実施の形態の具体例として、図４〜図１１を用いて説明する。
【００６０】
本発明において、基板としては、第１の工程で第１の保護膜を形成でき、第２の工程で第１の窒化物半導体を成長させることができる材料であれば特に限定されず、例えば図４に示すように、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板１［図４（ａ）］、前記異種基板１上に第２の窒化物半導体２を成長させてなるものを［図４（ｂ）］を基板として用いることができる。
【００６１】
本発明において、異種基板１は、窒化物半導体と異なる材料よりなる基板であればどのようなものでも良く、例えば、Ｃ面、Ｒ面、又はＡ面を主面とするサファイア、スピネル（ＭｇＡ１2Ｏ4）のような絶縁性基板、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等、従来知られている窒化物半導体を成長させることができる基板材料を用いることができる。
【００６２】
また、前記異種基板の主面をオフアングルさせた基板、さらに好ましくはステップ状にオフアングルさせた基板を用いることもできる。このように異種基板の主面がオフアングルされていると結晶欠陥がより少なくなる。
【００６３】
本発明において、第２の窒化物半導体２としては、アンドープ（不純物をドープしない状態、undope）のＧａＮ、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも１種類をドープしたＧａＮを用いることができる。
第２の窒化物半導体２は、高温、具体的には約９００℃程度〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で異種基板１上に成長される。第２の窒化物半導体２の膜厚は特に限定しないが、段差を形成するためには１００オングストローム以上、好ましくは１〜１０μｍ程度、好ましくは１〜５μｍの膜厚で形成することが望ましい。
【００６４】
なお、本発明において、アンドープとは、意図的に不純物をドープしないで形成した層を示し、隣接する層からの不純物の拡散、原料又は装置からのコンタミネーションにより不純物が混入した層であっても、意図的に不純物をドープしていない場合はアンドープ層とする。
【００６５】
また、本発明において、図４に示すように、上記異種基板１上に、第１の保護膜を形成させる前、及び第２の窒化物半導体を成長させる前に、低温成長バッファ層を成長させてもよい。バッファ層としては、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等が用いられる。バッファ層は、９００℃以下３００℃以上の温度で、膜厚０．５μｍ〜１０オングストロームで成長される。このように異種基板１上にバッファ層を９００℃以下の温度で形成すると、異種基板１に接して成長される窒化物半導体と異種基板１との格子定数不正を緩和し第１の窒化物半導体の結晶欠陥が少なくなる傾向にある。
【００６６】
次に、上記の異種基板１を基板とする第１の形態、及び異種基板１と第２の窒化物半導体２とからなるものを基板とする第２の形態について以下に更に詳細に記載する。但し、第１の形態の方法は、第２の形態の方法における第２の窒化物半導体を形成していない他はほぼ同様であるので、第２の形態の方法について説明する。
【００６７】
図４（ｂ）に示される異種基板１上にバッファ層及び第２の窒化物半導体２を成長させてなる基板上に、図５に示すように、第１の工程において、第２の窒化物半導体２の表面上に部分的に、第１の保護膜３を形成する。
【００６８】
第１の保護膜３の材料としては、保護膜表面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を有する材料を好ましく選択し、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯX）、窒化ケイ素（ＳｉXＮY）、酸化チタン（ＴｉＯX）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯX）等の酸化物、窒化物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。保護膜材料を窒化物半導体表面に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相製膜技術を用いることができる。
【００６９】
また、第１の保護膜３を第２の窒化物半導体２上に部分的（選択的）に形成するには、フォトリソグラフィー技術を用いて、所定の形状を有するフォトマスクを作製し、そのフォトマスクを介して、前記材料を気相製膜することにより、所定の形状を有する第１の保護膜３を形成できる。第１の保護膜３の形状は特に問うものではなく、例えばドット、ストライプ、碁盤目状の形状で形成できる。
【００７０】
また、第１の保護膜３は、第１の保護膜３が形成されていない部分（窓部）の表面積より大きくなるように、第１の保護膜３の表面積を調整して形成されることが好ましい。第１の保護膜３の表面積及び窓部の表面積の調整は、保護膜の形状によっても異なるが、例えば保護膜がストライプ状の形状の場合、保護膜のストライプの幅と窓部の幅を調整することにより行うことができる。
【００７１】
第１の保護膜３の大きさは、特に限定されないが、例えばストライプで形成した場合、好ましいストライプ幅は０．５〜１００μｍ、より好ましくは１μｍ〜５０μｍ、更に好ましくは２〜２５μｍである。
また、ストライプピッチ（第１の保護膜３が形成されていない窓部）は、ストライプ幅よりも狭くすることが望ましく、例えば具体的には５μｍ以下、好ましくは０．１〜３μｍ、より好ましくは０．８〜２μｍである。
【００７２】
上記範囲ように、第１の保護膜３の表面積を大きくすると、異種基板１と窒化物半導体の界面で生じる結晶欠陥の伝播が、第１の保護膜３により抑制され、更に窓部から伝播している結晶欠陥の伝播が横方向に進行して再び縦方向に伝播しにくくなり、第１の保護膜上部の第１の窒化物半導体の表面領域の結晶欠陥のほとんど見られない部分を広範囲で得ることができ好ましい。更に第１の窒化物半導体の表面が鏡面状となり好ましい。
【００７３】
また、第１の保護膜の膜厚は、特に限定されないが、薄い方がより短時間で表面が鏡面状の結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体が得られる傾向があり好ましく、具体的には保護膜の材質にも左右されるが例えば０．０１〜５μｍであり、好ましくは０．０２〜３μｍであり、より好ましくは０．０５〜２μｍである。この範囲であると結晶欠陥の縦方向の伝播を良好に防止でき結晶欠陥を低減できると共に、第１の窒化物半導体の表面を鏡面状にするのに好ましい。また、保護膜の膜厚は、保護膜の材質にもよるが、膜厚を薄くしてもピンホール等の膜質むらが生じなければ、薄ければ薄いほど、短時間で第１の窒化物半導体が保護膜を覆うことができ鏡面状の第１の窒化物半導体を得るには好ましい。
【００７４】
次に、第２の工程において、図６に示すように、第１の保護膜３を形成した第２の窒化物半導体２上に第１の窒化物半導体５を成長させる。
第１の保護膜を形成された第２の窒化物半導体２の上に成長させる第１の窒化物半導体５としては、特に限定されないが、ＧａＮよりなる窒化物半導体が挙げられる。この第１の窒化物半導体の成長の際に、ｐ型不純物、又はｐ型不純物とｎ型不純物をドープする。
【００７５】
不純物をドープする時期としては、前記したように、少なくとも第１の窒化物半導体５が第１の保護膜３上に向かって横方向の成長をしている時にドープされればよく、成長と同時に、成長の途中に、又は一定の間隔をあけて１回以上ドープするなどの形態を挙げることができる。不純物のドープの時期及びドープしている時間等を適宜調整することにより、第１の保護膜の表面積や膜厚等の変化、または量産するにあたって第１の窒化物半導体の成長速度を速めた場合等に対応し、結晶欠陥の伝播の抑制及び第１の保護膜上での空隙の発生の防止が良好に行われる条件により行うことができる。
【００７６】
不純物をドープされて成長する第１の窒化物半導体５は、窓部から選択成長を始め第１の保護膜３上に向かって成長を続け、隣接する窓部から成長した第１の窒化物半導体５同士が第１の保護膜３上で接合し、図７に示すように厚膜の第１の窒化物半導体５が得られる。
図７のように厚膜に成長された第１の窒化物半導体５は、その表面及び表面領域に、断面透過型電子顕微鏡観察によると、ほとんど結晶欠陥が見られなくなる。
【００７７】
表面透過型電子顕微鏡観察によると、第１の保護膜３上部にはほとんど結晶欠陥が見られず、窓部上部には保護膜上部に比べれば結晶欠陥はやや多めではあるが従来に比べ極めてい少なくなる。さらい第１の保護膜上の空隙の発生も良好に防止することができる。
【００７８】
結晶欠陥密度は、表面ＴＥＭより簡易な方法であるカソードルミネッセンス（ＣＬ）による観測によると、第１の保護膜３上部でなほとんど結晶欠陥は観測されず、一方窓部上部では第１の保護膜３上部に比べればやや多く観測されるが、ほぼ１０6個／ｃｍ2以下であり、好ましい条件においては窓部上部の結晶欠陥は５×１０4個／ｃｍ2以下となる。
【００７９】
この程度の結晶欠陥密度であれば、リッジ形状のストライプを窓部に形成したとしても、良好な寿命特性の素子を得ることができ、平均して良好な素子を量産することが可能となる。
また寿命特性等の最も良好な素子を形成するには、結晶欠陥のほとんどない第１の保護膜上が好ましい。
【００８０】
第１の窒化物半導体５の膜厚としては、先に形成した第１の保護膜３の膜厚、大きさによっても異なるが、保護膜の表面を覆うように第１の窒化物半導体層５を成長させるために、保護膜の膜厚に対して少なくとも１０倍以上の膜厚で成長させることが望ましい。
また更に、第１の窒化物半導体５は、この上に素子構造となる窒化物半導体を成長させるための基板となるが、素子構造を形成するには異種基板や保護膜等を予め除去して第１の窒化物半導体５のみとしてから行う場合と、異種基板等を残して行う場合がある。また異種基板などの除去は素子構造を形成した後に除去してもよい。第１の窒化物半導体上に素子構造を形成する際に、異種基板の有無により第１の窒化物半導体の膜厚が素子構造の形成のし易さに影響を与えることから、第１の窒化物半導体の膜厚は、第１の保護膜を覆い、結晶欠陥の転位を減らすことに、さらに異種基板等を除去してまたは除去せずに素子構造を形成する等の製造工程の違い等を加味して調整されることが望ましい。
【００８１】
異種基板や保護膜等を除去する場合、第１の窒化物半導体５の膜厚は２０μｍより厚く１ｍｍ以下程度の膜厚に成長され、例えば、好ましくは７０〜５００μｍ、より好ましくは１００〜３００μｍ、更に好ましくは１００〜２５０μｍである。
この範囲であると素子構造となる窒化物半導体の成長の点で好ましく、また研磨して下地層及び保護膜を除去しても、第１の窒化物半導体５にクラックが入りにくくハンドリングが容易となり好ましい。また、異種基板を除去すると、素子構造を形成する際に窒化物半導体基板に反りがなくなり、結晶性の良好な素子構造が得られ易くなり好ましい。
【００８２】
また異種基板や保護膜等を残して行う場合、第１の窒化物半導体５の膜厚は１〜５０μｍ、好ましくは２〜４０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍ、もっとも好ましくは７〜２０μｍである。この範囲であると異種基板と窒化物半導体の熱膨張係数差によるウエハの反りが防止でき、更に素子基板となる第１の窒化物半導体５の上に素子構造となる窒化物半導体を良好に成長させることができる。
【００８３】
また、その他の形態として、本発明は、第１の工程で第１の保護膜３を形成するための基板として、前記異種基板１上に成長された第２の窒化物半導体２を、第１の工程の前又は後に、第１の保護膜の形成される部分以外の部分を除去し、その表面に凹凸の形状を有している基板（凹凸を有する基板を第３の形態とする。）を用いることができる。
【００８４】
このように第２の窒化物半導体２の表面に凹凸の形状を形成した場合、図８に示すように、第１の保護膜３は凸部上部に形成され、また凹部底部には、第２の保護膜４を形成し、底部底面が第２の保護膜４で覆われていてもよい。また凹部底部に第２の保護膜４を形成しない場合は、凹部底部から縦方向の成長をする窒化物半導体の成長を抑制できるように、凹部底部の深さ及び凹部底部の幅を調整し、凹部側面から横方向の成長をした第１の窒化物半導体のみが厚膜に成長していくようにする。
【００８５】
この第３の形態の凹凸を有する基板を用いて第１の窒化物半導体を成長させると、凹部の側面から横方向の成長をした第１の窒化物半導体が第１の保護膜上を覆って厚膜に成長する。つまり凹凸を形成して凹部底部に第２の保護膜４を形成すると縦方向の成長を一旦抑制することができるので、結晶欠陥の伝播の防止に好ましい。また凹部底部に第２の保護膜４を形成しない場合でも、凹部の深さと幅を調整することにより凹部底部から縦方向に成長した窒化物半導体の成長を、凹部側面から横方向に成長した窒化物半導体により遮ることにより、第１の保護膜３を覆うように成長する第１の窒化物半導体５は凹部側面から成長開始時に横方向の成長から始まったものとなり、結晶欠陥の伝播の抑制において好ましい。更に凹凸を有する第３の形態の基板と、第１の窒化物半導体５の成長の際に不純物をドープすることを組み合わせて行うと、より良好に結晶欠陥の伝播が抑制され、且つ第１の保護膜３や凹部の底部への空隙の発生を良好に防止することができ好ましい。
【００８６】
以下に、第２の窒化物半導体２に部分的に凹凸を形成してなる第３の形態の基板を用い、第１の窒化物半導体５を成長させる方法について説明する。
図８に示すように、異種基板１上に成長された第２の窒化物半導体２の表面に、部分的に凹凸を形成する。凹凸の形成は、第１の工程にて第１の保護膜３を形成する前、又は後に行われる。
【００８７】
第２の窒化物半導体２に部分的に凹凸を形成するとは、少なくとも第２の窒化物半導体２の側面が露出されるように、第２の窒化物半導体２の表面から異種基板１方向に窪みを形成してあればよく、第２の窒化物半導体２にいずれの形状で段差を設けてもよい。例えば、ランダムな窪み、ストライプ状、碁盤目状、ドット状等の形成が挙げられる。
【００８８】
第２の窒化物半導体２に部分的に設けられた凹凸は、第２の窒化物半導体２の途中まで、又は異種基板１に達する深さで形成され、この凹凸の深さは、第２の窒化物半導体２の膜厚や、第２の保護膜４を凹部底部に形成する場合の第２の保護膜の膜厚等に左右されたり、また、第２の窒化物半導体２の凹部側面から横方向に成長する第１の窒化物半導体５が成長し易いように凹凸が形成されることが好ましい。
【００８９】
第２の窒化物半導体２に凹凸の形状を設ける方法としては、第２の窒化物半導体２を一部分取り除くことができる方法であればいずれの方法でもよく、例えばエッチング、ダイシング等が挙げられる。
エッチングにより、第２の窒化物半導体２に部分的（選択的）に凹凸を形成する場合は、フォトリソグラフィー技術における種々の形状のマスクパターンを用いて、ストライプ状、碁盤目状等のフォトマスクを作製し、レジストパターンを第２の窒化物半導体２に形成してエッチングすることにより形成できる。
【００９０】
また、ダイシングで行う場合は、例えば、ストライプ状や碁盤目状に形成できる。
【００９１】
第２の窒化物半導体に凹凸の形状をエッチングにて行う場合のエッチング方法としては、ウエットエッチング、ドライエッチング等の方法があり、平滑な面を形成するには、好ましくはドライエッチングを用いる。ドライエッチングには、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、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）、イオンビームエッチング等の装置があり、いずれもエッチングガスを適宜選択することにより、窒化物半導体をエッチングしてできる。例えば、本出願人が先に出願した特開平８−１７８０３号公報記載の窒化物半導体の具体的なエッチング手段を用いることができる。
【００９２】
また、エッチングによって凹凸を形成する場合、エッチング面が、図８に示すように異種基板１に対して凹部側面がほぼ垂直となる形状、又は順メサ形状や逆メサ形状でもよく、あるいは第２の窒化物半導体２の凹部側面が階段状になるように形成された形状でもよい。
【００９３】
凹凸の形状は、つまり凹部の深さや幅等は、凹部底部に第２の保護膜４を形成する場合と、形成しない場合で異なるので、まず以下に、凹凸形状の凸部上部に第１の保護膜３が形成され、凹部底部に第２の保護膜４が形成され、この上に第１の窒化物半導体５を成長させる方法について説明する。
凹部底部に第２の保護膜４を形成する場合、凹部の深さは、第２の窒化物半導体２が残る程度の深さが結晶欠陥の伝播を抑制する点で好ましい。
【００９４】
凹部の深さは、特に限定されないが、５００オングストローム以上、好ましくは０．５〜５μｍ程度である。凹部の深さが上記範囲であると、ＥＬＯＧ成長が安定し、第１の窒化物半導体の表面が鏡面状になり易い。
凹凸をストライプ状の形状とする場合、ストライプの形状として、例えば第１の保護膜３が形成されるストライプ幅は前記第１の形態及び第２の形態の基板を用いる場合と同様であり、ストライプ間隔（凹部開口部：窓部）は、特に限定されないが、２〜５μｍである。
【００９５】
また、第１の保護膜３及び第２の保護膜４の形成方法は、凹凸を第２の窒化物半導体２に形成する方法がエッチングである場合とダイシングである場合とで、多少異なる。
まずエッチングで段差を形成する場合、第２の窒化物半導体２上に保護膜材料を形成後、その上にレジスト膜を形成しパターンを転写し露光、現像して部分的に第１の保護膜３を形成した後、第２の窒化物半導体２をエッチングすることで凹凸の形状を形成する。続いて凹凸を形成した第２の窒化物半導体２上、つまり第１の保護膜３上及び凹部底部等に更に保護膜を形成し、ＣＦ4とＯ2ガスによるドライエッチングにより、第２の窒化物半導体２の凹部側面の保護膜をエッチングして除去して凹部側面を露出させ、図８に示すように第２の保護膜４を形成する。このように形成すると、例えば図８では、第１の保護膜３は一層として図示されているが、第１の保護膜３上に更に保護膜が形成され２層の保護膜が積層されたような状態になっている。ここで第２の保護膜４を形成する前に、第１の保護膜３を取り除いてから、第１の保護膜３の形成されていた凸部上部と凹部底部とに同時に保護膜材料を形成し、凸部上部に第１の保護膜３及び凹部底部に第２の保護膜４を形成してもよく、又は上記のように第１の保護膜３を取り除かずに第２の保護膜４を形成してもよい。
【００９６】
次に、ダイシングで凹凸を形成する場合、第２の窒化物半導体２を上面からダイシング・ソーで第２の窒化物半導体２に凹凸を形成し、その後、その上に保護膜を形成し、ＣＦ4とＯ2ガスによるドライエッチングにより端面が露出されるように保護膜をエッチングにより除去することで所望の形状及び位置に第１の保護膜３及び第２の保護膜４を同時に形成する。
【００９７】
凹凸の形状に形成される第１の保護膜３及び第２の保護膜４の膜厚は、特に限定されないが、ドライエッチングにより凹部側面の保護膜材料を除去して側面を露出することのできる膜厚であり、且つ凹部底面を被覆できる膜厚にすることが好ましい。また、第１の保護膜３と第２の保護膜４の膜厚は、第２の窒化物半導体５が横方向に成長し易いように調整されていることが好ましく、場合によってはそれぞれの膜厚が異なってもよい。
【００９８】
例えば、第１の保護膜３は、薄い方が短時間で表面が鏡面状の第１の窒化物半導体が選られやすくなり好ましく、また第２の保護膜４は、比較的厚く（但し、第２の窒化物半導体２の凹部側面が第１の窒化物半導体５が成長される程度に十分露出されている範囲）形成された方が、第１の窒化物半導体５の成長初期において、凹部底面（底面は第２の窒化物半導体２又は異種基板面である。）を十分に覆うことができると共に熱による第２の保護膜４へのピンホールの発生を防止できると考えられる。ピンホールが保護膜に発生すると、ピンホールから第１の窒化物半導体５が縦方向に成長する恐れがあり、結晶欠陥の発生及び伝播の原因となると考えられる。
【００９９】
凹凸を有する第３の形態の基板に第１及び第２の保護膜を形成した場合の第１の窒化物半導体の成長の様子を図８〜図１０を用いて説明すると、第１の窒化物半導体５は、成長の初期においては、図８に示される保護膜の形成されていない第２の窒化物半導体２の凹部側面に選択的に成長する。この第２の窒化物半導体２の凹部側面から横方向に成長した第１の窒化物半導体５は成長し続け、図９の示すように、第２の保護膜４の上面を覆い、更に第１の保護膜３の上部に向かって横方向に成長し、隣接している第１の窒化物半導体５同士でつながり、図１０に示すように、第１の窒化物半導体５があたかも第１の保護膜３および第２の保護膜４上に成長したかのような状態となる。
【０１００】
第２の保護膜４の材料としては、前記第１の保護膜の材料として挙げたものを適宜選択して用いることができる。
【０１０１】
次に、第２の窒化物半導体２に部分的に形成された凹凸の形状の凸部上部に第１の保護膜３が形成され、凹部底部及び凹部側面を露出させた状態で第１の窒化物半導体５を成長させる場合について説明する。
この場合、凹凸の形成の方法は上記第１及び第２の保護膜を形成してなる場合と同様に、ダイシング又はエッチングにより形成される。但し、凹凸の形状のサイズが異なる。
【０１０２】
図１１に示すように、第２の窒化物半導体２に凹凸を形成することにより、成長可能な面として、第２の窒化物半導体２の凹部側面と凹部底部が露出され、凸部上面には、第１の保護膜３が形成され凸部上部からの窒化物半導体の成長を抑制している。このような状態で第１の窒化物半導体５を成長させると、成長開始時には、凹部側面と凹部底部とから成長が始まると考えられる。しかし、成長するに従い、凹部側面から横方向に成長した窒化物半導体により凹部底部から縦方向に成長を始めた窒化物半導体の成長が遮られる。その結果、第１の保護膜３上に横方向に成長し第１の保護膜３を覆うのは、凹部側面から横方向に成長を開始した窒化物半導体であり、図１０に示すのと同様に、厚膜の第１の窒化物半導体５が得られる。得られる第１の窒化物半導体５は、上記と同様に結晶欠陥の伝播が良好に抑制され、空隙の発生が防止される。
【０１０３】
基板に凹凸を有する場合は、凹凸を有していない第１及び第２の形態の基板に比べ、空隙の発生する可能性のある部分が第１の保護膜３上及び凹部の底部とにやや増加するが、不純物をドープし、更にドープする時期を適宜調節することで、良好に空隙の発生を防止することができる。
【０１０４】
図１１に示す凹部底部に第２の保護膜５を形成しない場合の凹凸の形状は、第２の窒化物半導体２の凹部側面での窒化物半導体の成長が、凹部底部での成長に対して優先されるように調整して形成されている。
具体的には、図１１に示されるように凸部上部のみに保護膜を形成する場合の凹凸の形状は、特に限定されないが、上記のように凹部底部に優先して凹部側面で優先して窒化物半導体が成長するように調整して形成されていればよく、好ましい凹凸の形状としては、凹部側面である第２の窒化物半導体２の側面の長さ［図１１のｄ］と、凹部の開口部の幅［図１１のｗ］を調整して形成されている。更に好ましくは、凹凸の形状が、露出された第２の窒化物半導体２の凹部側面の長さ（ｄ）と凹部の開口部の幅（ｗ）との関係、ｗ／ｄが、０＜ｗ／ｄ≦５、好ましくは０＜ｗ／ｄ≦３、より好ましくは０＜ｗ／ｄ≦１を示すように調整して形成されていると、成長速度を良好にコントロールでき第２の窒化物半導体２の凹部側面からの成長をより促進できる。
【０１０５】
このように、第２の窒化物半導体２の凹部側面からの成長を優先させることにより、凹部底部からの窒化物半導体の成長を中断し易くなり好ましい。
【０１０６】
また、形成された凹凸の凸部上部に形成される第１の保護膜３の形成面の形状は、特に限定されないが、例えば、上記ｗ／ｄの関係に加えて更に、凹凸を形成された第２の窒化物半導体２を上から見た形状がランダムは窪み、ストライプ状、碁盤面状、ドット状等に形成してもよい。
例えば凹凸をストライプ状の形状とする場合、ストライプの形状として、例えばストライプ幅を１０〜２０μｍ、ストライプ間隔（凹部の開口部）を２〜５μｍとしてもよい。
【０１０７】
また、凹部底部の露出面は、第２の窒化物半導体２、または異種基板１のいずれでも良く、好ましくは異種基板１である。凹部底部の露出面が異種基板１であると、窒化物半導体の成長が、異種基板に対し窒化物半導体に成長し易いことから、第２の窒化物半導体２の凹部側面への成長を優先して行わせるのに好ましい。
【０１０８】
上記のような複数種のＥＬＯＧ成長を含む本発明の成長方法において、前記方法により得られた第１の窒化物半導体５上に更に新たな保護膜を、前記方法で形成された窓部上部、又は凹凸を有する場合の凹部上部に形成し、この上に再びＥＬＯＧ成長によりＧａＮよりなる窒化物半導体を成長させてもよい。このようなＥＬＯＧ成長の繰り返しは、２回以上行ってもよい。結晶欠陥は、保護膜を形成して行うＥＬＯＧ成長を繰り返して行うことにより、より結晶欠陥の伝播を抑制できる傾向がある。
【０１０９】
また、本発明の窒化物半導体の成長方法、つまり、窒化物半導体の横方向の成長と結晶欠陥の伝播する傾向を調整するこの成長方法において、第２の窒化物半導体２の縦方向の成長を抑制する実施の形態として、保護膜を形成して行うことを挙げたが、本発明はこれに限定されず、また、縦方向の成長を抑え横方向のみから一旦第１の窒化物半導体５を成長させる実施の形態として第２の窒化物半導体２に凹凸を形成して凹部側面を設けることを挙げたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、窒化物半導体が横方向に成長する際に不純物をドープすることで、横方向の成長が促進され結晶欠陥の伝播を良好に横方向に行うことが可能な成長方法であり、窒化物半導体の成長方向の制御については特に限定されない。
【０１１０】
本発明の窒化物半導体の成長方法において、第１の窒化物半導体５、及び第２の窒化物半導体２等の窒化物半導体を成長させる方法としては、特に限定されないが、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法としては、膜厚が１００μｍ以下ではＭＯＣＶＤ法を用いると成長速度をコントロールし易い。また膜厚が１００μｍ以下ではＨＶＰＥでは成長速度が速くてコントロールが難しい。
【０１１１】
また本発明の成長方法において、前記異種基板１となる材料の主面をオフアングルさせた基板、さらにステップ状にオフアングルさせた基板を用いることもできる。
更に好ましい異種基板としては、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイア、（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイア、又は（１１１）面を主面とするスピネルである。ここで異種基板が、（０００１）面[Ｃ面]を主面とするサファイアであるとき、前記保護膜がそのサファイアの（１１２−０）面[Ａ面]に対して垂直なストライプ形状を有していること［窒化物半導体の（１０１−０）[Ｍ面]に平行方向にストライプを形成すること］が好ましく、また（１１２−０）面[Ａ面]を主面とするサファイアであるとき、前記保護膜はそのサファイアの（１１−０２）面[Ｒ面]に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましく、また（１１１）面を主面とするスピネルであるとき、前記保護膜はそのスピネルの（１１０）面に対して垂直なストライプ形状を有していることが好ましい。
【０１１２】
ここでは、保護膜がストライプ形状の場合について記載したが、本発明においてサファイアのＡ面及びＲ面、スピネルの（１１０）面に窒化物半導体が横方向に成長し易いので、これらの面に第１の窒化物半導体の端面が形成されるように第１の窒化物半導体２に段差を形成するために保護膜の形成を考慮することが好ましい。
【０１１３】
本発明に用いられる異種基板について図を用いて更に詳細に説明する。図１２は窒化物半導体の結晶構造を示すユニットセル図である。窒化物半導体は正確には菱面体構造であるが、このように六方晶系で近似できる。
まず本発明の方法において、Ｃ面を主面とするサファイアを用い、保護膜はサファイアＡ面に対して垂直なストライプ形状とする場合について説明する。例えば、図１３は主面側のサファイア基板の平面図である。この図はサファイアＣ面を主面とし、オリエンテーションフラット（オリフラ）面をＡ面としている。この図に示すように保護膜のストライプをＡ面に対して垂直方向で、互いに平行なストライプを形成する。図１３に示すように、サファイアＣ面上に窒化物半導体を選択成長させた場合、窒化物半導体は面内ではＡ面に対して平行な方向で成長しやすく、垂直な方向では成長しにくい傾向にある。従ってＡ面に対して垂直な方向でストライプを設けると、ストライプとストライプの間の窒化物半導体がつながって成長しやすい傾向がある。
【０１１４】
次に、Ａ面を主面とするサファイア基板を用いた場合、上記Ｃ面を主面とする場合と同様に、例えばオリフラ面をＲ面とすると、Ｒ面に対して垂直方向に、互いに平行なストライプを形成することにより、ストライプ幅方向に対して窒化物半導体が成長しやすい傾向にあるため、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層を成長させることができる。
【０１１５】
また次に、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）に対しても、窒化物半導体の成長は異方性があり、窒化物半導体の成長面を（１１１）面とし、オリフラ面を（１１０）面とすると、窒化物半導体は（１１０）面に対して平行方向に成長しやすい傾向がある。従って、（１１０）面に対して垂直方向にストライプを形成すると窒化物半導体層と隣接する窒化物半導体同士が保護膜の上部でつながって、結晶欠陥の少ない結晶を成長できる。なおスピネルは四方晶であるため特に図示していない。
【０１１６】
次に、本発明の窒化物半導体素子について説明する。
本発明の窒化物半導体素子は、前記本発明の窒化物半導体の成長方法により得られる窒化物半導体を基板とし、その基板上に素子構造を形成してなるものである。
本発明の窒化物半導体素子は、前記本発明の成長方法で用いられている異種基板、保護膜などを除去して第１の窒化物半導体５上に素子構造を形成してなるもの、又は除去せずそのまま残して素子構造を形成してなるものでもよい。ここで異種基板を除去する場合、素子構造は、第１の窒化物半導体５の除去面とは反対の成長面に形成される。
【０１１７】
また、本発明の窒化物半導体素子の素子構造は、層構成、形状、電極等、特に限定されず、いずれのものを組み合わせて用いてもよい。素子構造のｎ側窒化物半導体として超格子構造を有するｎ側窒化物半導体が形成されていることが好ましい。このように超格子層とすると、素子性能を向上させることができ好ましい。また、ｎ電極を超格子層に形成することが好ましく、ｎ電極との接触抵抗を低下させるために超格子層にｎ型不純物をドープしても、超格子層とすると結晶性がよくなる等の点で好ましい。
【０１１８】
更に、窒化物半導体素子を構成する素子の好ましい層構成として、例えばＩｎを含む量子井戸構造の活性層、バンドギャップエネルギーの異なるクラッド層に挟まれた活性層を有することが発光効率、寿命特性など素子の性能を向上させる点で好ましい。
このような層構成を有する素子構造を、本発明の成長方法により得られる結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体上に形成すると素子性能がより向上し好ましい。
【０１１９】
本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態としては、実施例に具体的に示してある。しかし本発明はこれに限定されない。
また、本発明において、窒化物半導体を成長させる方法は、特に限定されないがＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、ＨＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等、窒化物半導体を成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。好ましい成長方法は、ＭＯＶＰＥ法であり、結晶をきれいに成長させることができる。しかし、ＭＯＶＰＥ法は時間がかかるため、膜厚が厚い場合には時間の短い方法で行うことが好ましい。
【０１２０】
【実施例】
［実施例１］［図４（ｂ）に示される基板を用いる］
図４〜７は第１の形態を示す各工程のウェーハの模式断面図である。
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を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１２１】
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガスを用い、アンドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体２を５μｍの膜厚で成長させる。
バッファ層と第２の窒化物半導体２とを積層したウェーハの、その第２の窒化物半導体２の上にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１８μｍ、窓部２μｍのＳｉＯ2よりなる第１の保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成する（図５）。なお、第１の保護膜３のストライプ方向はサファイアＡ面に対して垂直な方向とする。
【０１２２】
第１の保護膜３形成後、ウェーハを反応容器に移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／ｃｍ3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる（図６、図７）。ＳｉとＭｇの不純物は第１の窒化物半導体５の成長と同時にドープされる。
【０１２３】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観察すると、第１の保護膜上部はほとんど結晶欠陥が見られず、窓部上部は４×１０4個／ｃｍ2程度観測されたが、従来に比べ非常に結晶欠陥を低減することができ、更に、第１の保護膜上の空隙の発生をも良好に防止することができる。
【０１２４】
［実施例２］
実施例１において、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を成長させる際に、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を３×１０18／ｃｍ3ドープして７μｍ成長させ、続いてアンドープで８μｍ成長させ総膜厚１５μｍの膜厚で成長させる。得られた第１の窒化物半導体５は、実施例１と同様に結晶欠陥の低減された窒化物半導体を得ることができ、また空隙の発生の防止も良好である。
【０１２５】
［実施例３］［図４（ａ）に示される基板を用いる］
２インチφ、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上にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１８μｍ、ストライプ間隔（窓部）５μｍのＳｉＯ2よりなる第１の保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成する。なお、ストライプ方向は図１３に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【０１２６】
保護膜形成後、基板を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、第１の保護膜３を形成した上にＧａＮよりなるバッファ層を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１２７】
バッファ層成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇを用い、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる。
【０１２８】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観測すると、実施例１よりやや窓部上部に結晶欠陥が多く見られたが、従来に比べ結晶欠陥を減少させることができる。また保護膜上の空隙の発生の防止は、実施例１と同様に良好である。
【０１２９】
［実施例４］［図８に示されている基板を用いる］
実施例４における各工程を図８〜図１０を用いて示す。
異種基板１として、２インチφ、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を反応容器内にセットし、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層（図示されていない）を約２００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１３０】
バッファ層を成長後、ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させる。１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２の窒化物半導体２を２μｍの膜厚で成長させる。（図８）
【０１３１】
第２の窒化物半導体２を成長後、ストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅１５μｍ、ストライプ間隔（凹部の開口部）３μｍのＳｉＯ2よりなる第１の保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成し、続いて、ＲＩＥ装置により第２の窒化物半導体２の途中までエッチングして凹凸を形成することにより第２の窒化物半導体２の凹部側面を露出させる（図８）。なお、ストライプ方向は、図１３に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【０１３２】
第２の窒化物半導体２に、図８のように凹凸を形成した後、凹凸を形成した第２の窒化物半導体２の表面にスパッタ装置により保護膜材料を形成し、ＣＦ4とＯ2ガスにより、凹凸を形成したことにより形成された第２の窒化物半導体２の凹部側面の保護膜をエッチングにより除去して凹部側面を露出させ、第１の保護膜３及び第２の保護膜４をそれぞれ形成する。
【０１３３】
第１の保護膜３及び第２の保護膜４を形成後、反応容器内にセットし、温度を１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇを用い、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる（図９及び図１０）。
【０１３４】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観測すると、第１の保護膜３及び第２の保護膜４の上部共に結晶欠陥の伝播がほとんど見られなくなり良好な鏡面状の第１の窒化物半導体５が得られ、また、空隙の発生も良好に防止できる。
【０１３５】
［実施例５］
実施例４において、不純物として、ＧｅとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例４と同様に良好な結果が得られる。
【０１３６】
［実施例６］［図１１に示される基板を用いる］
実施例６を図１１を用いて示す。
実施例４において、以下に示すように第２の窒化物半導体２に形成される凹凸の形状及び第１の保護膜のみを形成する他は、同様に行った。
【０１３７】
実施例４と同様に形成された第２の窒化物半導体２上に、ストライプ状のフォトマスクを形成し、スパッタ装置によりストライプ幅１５μｍ、ストライプ間隔（凹部の開口部の幅）２μｍのＳｉＯ2よりなる保護膜３を０．５μｍの膜厚で形成し、続いて、ＲＩＥ装置によりサファイア基板１までエッチングしてサファイア基板１を露出させて凹凸を形成することにより第２の窒化物半導体２の凹部側面を露出させる（図１１）。なお、ストライプ方向は、図１３に示すように、オリフラ面に対して垂直な方向で形成する。
【０１３８】
凹凸部を形成後、反応容器内にセットし、温度を１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、シランガス、Ｃｐ2Ｍｇを用い、成長と同時にＳｉとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープしたＧａＮよりなる第１の窒化物半導体５を１５μｍの膜厚で成長させる。
【０１３９】
第１の窒化物半導体５を成長後、ウェーハを反応容器から取り出し、ＳｉとＭｇの不純物をドープしたＧａＮよりなる窒化物半導体基板を得る。
【０１４０】
得られた第１の窒化物半導体５の表面をＣＬにより観察すると第１の保護膜上部及び凹部開口部上部ともに結晶欠陥の伝播のほとんど見られない鏡面状の第１の窒化物半導体５が得られる。
また、凹部底部に保護膜を形成せず、凸部上部のみに保護膜を有する場合、反応条件によっては、凹部の底部にやや空隙の発生する場合が見られるが、第１の窒化物半導体５を厚膜に成長させ異種基板等を除去するれば、空隙の部分も同時に除去される程度の小さい空隙であり、従来に比べ、空隙が素子特性に悪影響を及ぼし難くなる。
【０１４１】
［実施例７］
実施例６において、不純物として、ＳｎとＭｇの不純物を５×１０17／cm3ドープドープする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例６と同様に良好な結果が得られた。
【０１４２】
［実施例８］
実施例６において、第２の窒化物半導体２をエッチングする際に、第２の窒化物半導体２が残る程度にエッチングし、凹部の側面（第２の窒化物半導体の端面）の幅（ｄ）を１．５μｍとする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
【０１４３】
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例６と同様に良好な結果が得られる。
【０１４４】
［実施例９］［ＳｉとＭｇの不純物を成長の途中からドープする。図４（ｂ）に示される基板を用いる。］
実施例１において、第１の窒化物半導体５の成長初期はアンドープで成長させ、第１の窒化物半導体が、例えば図２のような状態で第１の保護膜３上に横方向に成長する際に、ＳｉとＭｇの不純物をドープする他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。ＳｉとＭｇの不純物のドープの時期は、成長温度とＴＭＧの投入量により成長速度を計算でき、この計算値をもとにＳｉとＭｇの不純物をドープするタイミングを調節する。
【０１４５】
得られた第１の窒化物半導体５は、実施例１と同様に結晶欠陥を良好に低減でき、更に保護膜上の空隙の発生は、実施例１よりやや良好に防止することができる。
【０１４６】
［実施例１０］［不純物の種類を変更して実施例１と同様に行う。］
実施例１において、不純物として、以下の表１のＮｏ．１〜Ｎｏ．８に示すように不純物を変更する他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。
【０１４７】
【表１】
【０１４８】
上記Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８の不純物をそれぞれドープして得られる各第１の窒化物半導体５は、第１の保護膜３上部の結晶欠陥はほとんど見られず、また窓部上部には、不純物の種類及び組み合わせによって多少結晶欠陥の数に差が見られるものの、実施例１とほぼ同様に良好であり、更に空隙の発生も実施例１とほぼ同様に良好に防止できる。
【０１４９】
［実施例１１］［実施例１で得られた窒化物半導体基板を有するＬＥＤ］
図１４を元に実施例１１について説明する。
実施例１で得られた第１の窒化物半導体５を基板として、この上に以下の素子構造を成長させてＬＥＤ素子を製造する。
だたし、第１の窒化物半導体５は異種基板１を有する状態で用いた。
【０１５０】
（アンドープＧａＮ層１０３）
第１の窒化物半導体５上に、温度を１０５０℃とし、キャリアガスに水素、原料ガスにＴＭＧ（トリメチルガリウム）、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層１０３を１．５μｍの膜厚で成長させる。
【０１５１】
（ｎ側コンタクト層１０４）
続いて１０５０℃で、同じく原料ガスにＴＭＧ、アンモニアガス、不純物ガスにシランガスを用い、Ｓｉを４．５×１０18／cm3ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト層１０４を２．２５μｍの膜厚で成長させる。
【０１５２】
（ｎ側第１多層膜層１０５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮからなる下層１０５ａを２０００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０18／cm3ドープしたＧａＮからなる中間層１０５ｂを３００オングストロームの膜厚で成長させ、更に続いてシランガスのみを止め、同温度にてアンドープＧａＮからなる上層１０５ｃを５０オングストロームの膜厚で成長させ、３層からなる総膜厚２３５０オングストロームの第１多層膜層１０５を成長させる。
【０１５３】
（ｎ側第２多層膜層１０６）
次に、同様の温度で、アンドープＧａＮよりなる窒化物半導体層［Ａ］を４０オングストローム成長させ、次に温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用い、アンドープＩｎ0.13Ｇａ0.87Ｎよりなる窒化物半導体層［Ｂ］を２０オングストローム成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、［Ａ］＋［Ｂ］の順で交互に１０層づつ積層させ、最後にＧａＮよりなる窒化物半導体層［Ａ］を４０オングストローム成長さた超格子構造の多層膜よりなるｎ側第２多層膜層１０６を６４０オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１５４】
（活性層１０７）
次に、アンドープＧａＮよりなる障壁層を２００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニアを用いアンドープＩｎ0.4Ｇａ0.6Ｎよりなる井戸層を３０オングストロームの膜厚で成長させる。そして障壁＋井戸＋障壁＋井戸・・・・＋障壁の順で障壁層を５層、井戸層を４層、交互に積層して、総膜厚１１２０オングストロームの多重量子井戸構造よりなる活性層１０７を成長させる。
【０１５５】
（ｐ側多層膜クラッド層１０８）
次に、温度１０５０℃でＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる窒化物半導体層［Ｃ］を４０オングストロームの膜厚で成長させ、続いて温度を８００℃にして、ＴＭＧ、ＴＭＩ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用いＭｇを１×１０20／cm3ドープしたＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎよりなる窒化物半導体層［Ｄ］を２５オングストロームの膜厚で成長させる。そしてこれらの操作を繰り返し、［Ｃ］＋［Ｄ］の順で交互に５層ずつ積層し、最後に窒化物半導体層［Ｃ］を４０オングストロームの膜厚で成長させた超格子構造の多層膜よりなるｐ側多層膜クラッド層１０８を３６５オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１５６】
（ｐ側ＧａＮコンタクト層１０９）
続いて１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１０９を７００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１５７】
反応終了後、温度を室温まで下げ、さらに窒素雰囲気中、ウェーハを反応容器内において、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【０１５８】
アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１０９の表面に所定の形状のマスクを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）装置でｐ側コンタクト層側からエッチングを行い、図１に示すようにｎ側コンタクト層１０４の表面を露出させる。
【０１５９】
エッチング後、最上層にあるｐ側コンタクト層１０９のほぼ全面に膜厚２００オングストロームのＮｉとＡｕを含む透光性のｐ電極１１０と、そのｐ電極１１０の上にボンディング用のＡｕよりなるｐパッド電極を０．５μｍの膜厚で形成する。一方、エッチングにより露出させたｎ側コンタクト層４の表面にはＷとＡｌを含むｎ電極１１２を形成してＬＥＤ素子とした。
【０１６０】
このＬＥＤ素子は順方向電流２０ｍＡにおいて、５２０ｎｍの純緑色発光を示し、Ｖｆは３．５Ｖで、従来の多重量子井戸構造のＬＥＤ素子に比較して、Ｖｆで１．０Ｖ近く低下し、出力は２．０倍以上に向上する。そのため、１０ｍＡで従来のＬＥＤ素子とほぼ同等の特性を有するＬＥＤが得られる。更に、得られたＬＥＤ素子は、寿命特性が従来のものに比べ非常に良好となり、結晶欠陥の少ない第１の窒化物半導体５を用いることにより、寿命をより良好にすることができる。更に、結晶欠陥の伝播を良好に抑制でき且つ第１の保護膜上の空隙の発生を良好に防止できるので、量産し易くなる。また、静電耐圧も従来のものに比べて良好となる。
【０１６１】
なお、従来のＬＥＤ素子の構成は、サファイア基板上に、ＧａＮよりなる第１のバッファ層、アンドープＧａＮよりなる第２のバッファ層、ＳｉドープＧａＮよりなるｎ側コンタクト層、実施例１と同一の多重量子井戸構造よりなる活性層、単一のＭｇドープＡｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、ＭｇドープＧａＮからなるｐ側コンタクト層を順に積層したものである。
【０１６２】
［実施例１２］
実施例１１において、ｎ側第１多層膜層を以下のように変更する他は同様にしてＬＥＤ素子を製造した。
（ｎ側第１多層膜層１０５）
次にシランガスのみを止め、１０５０℃で、ＴＭＧ、アンモニアガスを用い、アンドープＧａＮ層を７５オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同温度にてシランガスを追加しＳｉを４．５×１０18／cm3ドープしたＧａＮ層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。このようにして、７５オングストロームのアンドープＧａＮ層からなるＡ層と、ＳｉドープＧａＮ層を有する２５オングストロームのＢ層とからなるペアを成長させる。そしてペアを２５層積層して２５００オングストローム厚として、超格子構造の多層膜よりなるｎ側第１多層膜層１０５を成長させる。
【０１６３】
その結果、実施例１１と同様に良好な結果が得られる。
【０１６４】
［実施例１３］［実施例１で得られた窒化物半導体基板を有するＬＤ］
素子構造を形成する基板として、実施例１で得られた第１の窒化物半導体５を用いて行った。素子構造としては、J.J.A.P.Vol.37(1998)pp.L309-L312に記載されているものと同様の構造を形成する。但し、異種基板等は除去せずに第１の窒化物半導体５上に素子構造を形成する。
【０１６５】
以下に、図１５に示されるＬＤ素子の素子構造を示す。
（素子構造の概略）
３μｍの膜厚のＳｉドープのＧａＮ、０．１μｍの膜厚のＳｉドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ、２５オングストロームの膜厚のＳｉドープＧａＮと２５オングストロームの膜厚のアンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎとのペアを２４０積層してなるｎ型超格子クラッド層、０．１μｍの膜厚のＳｉドープＧａＮの光ガイド層、２０オングストロームの膜厚のＳｉドープのＩｎ0.15Ｇａ0.85Ｎの井戸層と、５０オングストロームの膜厚のＳｉドープのＩｎ0.02Ｇａ0.98Ｎの障壁層とからペアを４組形成してなる多重量子井戸構造の活性層、２００オングストロームの膜厚のＭｇドープのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ、０．１μｍの膜厚のＭｇドープのＧａＮの光ガイド層、２５オングストロームのＭｇドープＧａＮと、２５オングストロームの膜厚のアンドープＡｌ0.14Ｇａ0.86Ｎとからなるペアを１２０積層させてなるｐ型超格子クラッド層、及び０．０５μｍの膜厚のＭｇドープＧａＮを積層成長させる。
【０１６６】
図１５に示されるように、エッチングにより３μｍのリッジ形状、及びｎ電極の形成されるｎ型ＧａＮ層を露出させ、ｐ電極及びｎ電極をそれぞれ形成する。得られたＬＤ素子は、従来技術（例えば前記J.J.A.P.に記載の技術）のものより、高温度及び高出力の条件下でより長寿命となる。
【０１６７】
［実施例１４］［実施例２〜１０で得られたＧａＮ基板を有するＬＤ］
実施例１３において、第１の窒化物半導体５として実施例２〜１０の各方法により得られた各々の窒化物半導体基板を用いた他は同様にしてＬＤ素子を製造する。
その結果、実施例２〜１０のそれぞれの第１の窒化物半導体５を用いて作成されたＬＤ素子は、第１の窒化物半導体５の成長方法や不純物の種類により多少の差はあるものの、いずれも実施例１３とほぼ同様に良好な結果が得られる。
【０１６８】
［実施例１５］［異種基板を除去してなる窒化物半導体基板を有するＬＤ］
実施例１において、ＳｉとＭｇの不純物をドープしてなる第１の窒化物半導体５を１５μｍ成長させた後（ＭＯＣＶＤにより成長）、更に膜厚が１００μｍになるまで成長させる他は同様にして第１の窒化物半導体５を得る。その後、異種基板及び保護膜等を除去して８０μｍの膜厚の第１の窒化物半導体５を用い、異種基板等を除去した除去面とは反対の面上に素子構造を成長させる。図１６を用いて以下に素子構造を示す。
【０１６９】
（ｎ側クラッド層４３）
次に、Ｓｉを１×１０19／cm3ドープしたｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、アンドープ（undope）のＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームとを交互に１００層積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子構造とする。
【０１７０】
（ｎ側光ガイド層４４）
続いて、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープしたｎ型ＧａＮよりなるｎ型光ガイド層４４を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１７１】
（活性層４５）
次に、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる井戸層、２５オングストロームと、Ｓｉを１×１０17／cm3ドープのＩｎ0.01Ｇａ0.95Ｎよりなる障壁層、５０オングストロームを交互に積層してなる総膜厚１７５オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層４５を成長させる。
【０１７２】
（ｐ側キャップ層４６）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側光ガイド層４７よりも大きく、かつ活性層４５よりも大きい、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.9Ｎよりなるｐ側キャップ層４６を３００オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１７３】
（ｐ側光ガイド層４７）
次に、バンドギャップエネルギーがｐ側キャップ層４６より小さい、Ｍｇを１×１０18／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側光ガイド層４７を０．１μｍの膜厚で成長させる。
【０１７４】
（ｐ側クラッド層４８）
次に、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる第１の層、２０オングストロームと、Ｍｇを１×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなる第２の層、２０オングストロームとを交互に積層してなる総膜厚０．４μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層４８を形成する。
【０１７５】
（ｐ側コンタクト層４９）
最後に、Ｍｇを２×１０20／cm3ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層４９を１５０オングストロームの膜厚で成長させる。
【０１７６】
反応終了後、反応容器内において、ウェーハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。アニーリング後、ウェーハを反応容器から取り出し、図１６に示すように、ＲＩＥ装置により最上層のｐ型コンタクト層４９と、ｐ型クラッド層４８とをエッチングして、４μｍのストライプ幅を有するリッジ形状とし、リッジ表面の全面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極５１を形成する。次に、図１６に示すようにｐ電極５１を除くｐ側クラッド層４８、コンタクト層４９の表面にＳｉＯ2よりなる絶縁膜５０を形成し、この絶縁膜５０を介してｐ電極５１と電気的に接続したｐパッド電極５２を形成する。
【０１７７】
ｐ側電極形成後、第２の窒化物半導体層５の素子構造が形成されていない表面全面に、Ｔｉ／Ａｌよりなるｎ電極５３を０．５μｍの膜厚で形成し、その上にヒートシンクとのメタライゼーション用にＡｕ／Ｓｎよりなる薄膜を形成する。
【０１７８】
その後、ｎ電極側５３からスクライブし、第１の窒化物半導体５のＭ面（１１−００、図１２の六角柱の側面に相当する面）で第１の窒化物半導体５を劈開し、共振面を作製する。共振面の両方あるいはどちらか一方にＳｉＯ2とＴｉＯ2よりなる誘電体多層膜を形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断してレーザチップとした。次にチップをフェースアップ（基板とヒートシンクとが対向した状態）でヒートシンクに設置し、ｐパッド電極５２をワイヤーボンディングして、室温でレーザ発振を試みた。
【０１７９】
その結果、実施例１３のＬＤ素子と同様に良好な寿命特性が得られた。
【０１８０】
［実施例１６］
実施例１５において、第１の窒化物半導体５の成長方法を以下のように変更する他は同様にして、ＬＤ素子を製造する。
（第１の窒化物半導体５の成長方法）
実施例１において、ＳｉとＭｇの不純物をドープしてなる第１の窒化物半導体５を１５μｍ成長させた後（ＭＯＣＶＤにより成長）、不純物をＳｉのみにして更に膜厚が１００μｍになるまで成長させる他は同様にして第１の窒化物半導体５を成長させる。その後、異種基板及び保護膜等を除去して８０μｍの膜厚の第１の窒化物半導体５を用いる。但し、異種基板等を除去した除去面とは反対の面上に素子構造を成長させる。
【０１８１】
得られたＬＤ素子は、実施例１５と同様に良好であり、更に第１の窒化物半導体５がｐ型不純物をほとんど含まないＳｉドープの窒化物半導体であるため、ｎ電極とのオーミック性が実施例１５よりやや良好となる。
【０１８２】
【発明の効果】
本発明は、保護膜上部に限らず窓部の結晶欠陥の転位を減少させ、且つ保護膜上部で隣接するＧａＮ同士の接合の際に空隙の生じない窒化物半導体の成長方法を提供することができる。
また更に、本発明は、結晶欠陥や空隙のない窒化物半導体を基板とし、素子構造を成長させると、寿命特性等の素子性能が良好な窒化物半導体素子を提供することができる。さらに本発明は、本発明の窒化物半導体の成長方法により結晶欠陥の伝播を抑制できるとともに空隙の発生をも抑制できることから、素子特性の良好な窒化物半導体素子を量産し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化物半導体の成長と結晶欠陥の伝播の様子を模式的に示した模式的断面図である。
【図２】窒化物半導体の成長と結晶欠陥の伝播の様子を模式的に示した模式的断面図である。
【図３】窒化物半導体の成長と結晶欠陥の伝播の様子を模式的に示した模式的断面図である。
【図４】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図６】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図７】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図９】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図１０】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図１１】本発明の成長方法の一実施の形態である各工程を示す模式的断面図である。
【図１２】サファイアの面方位を示すユニットセル図である。
【図１３】保護膜のストライプ方向を説明するための基板主面側の模式的平面図である。
【図１４】本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示すＬＥＤ素子の模式的断面図である。
【図１５】本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示すＬＤ素子の模式的断面図である。
【図１６】本発明の窒化物半導体素子の一実施の形態を示すＬＤ素子の模式的断面図である。
【符号の説明】
１・・・異種基板
２・・・第２の窒化物半導体
３・・・第１の保護膜
４・・・第２の保護膜
５・・・第１の窒化物半導体
Claims (13)
- 基板上に、第１の保護膜を部分的に形成する第１の工程と、
前記第１の保護膜の窓部から第１の窒化物半導体を成長させて、前記第１の保護膜上に、該第１の窒化物半導体を横方向の成長を利用して形成する第２の工程と、を少なくとも有する窒化物半導体の成長方法において、
前記第２の工程で、第１の窒化物半導体の成長時に、ｐ型不純物及びｎ型不純物をドープすることを特徴とする窒化物半導体の成長方法。 - 前記第２の工程において、不純物が、少なくとも第１の窒化物半導体が第１の保護膜上に向かって横方向の成長をしている時に、ドープされることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記第２の工程において、不純物が、第１の窒化物半導体の成長と同時に、又は成長の途中に１回以上、ドープされることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記ｐ型不純物が、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇのいずれか１種以上であることを特徴する請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記ｎ型不純物が、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎのいずれか１種以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記第１の窒化物半導体にドープされる不純物として、ｐ型不純物がＭｇであり、ｎ型不純物が、Ｓｉであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記不純物のドープ量が、１×１０17／ｃｍ3〜１×１０19／ｃｍ3であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記第１の保護膜が、第１の保護膜が形成されていない部分の表面積よりも大きい表面積を有して形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記基板が、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板と、この異種基板上に成長された第２の窒化物半導体とからなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記異種基板と第２の窒化物半導体とからなる基板が、前記第１の工程の前又は後に、第１の保護膜の形成される部分以外の第２の窒化物半導体を部分的に除去し表面に凹凸の形状を有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部底部が、第２の保護膜で覆われていることを特徴とする請求項１０に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記第２の窒化物半導体の表面に形成された凹部が、凹部上部から底部までの深さが０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の窒化物半導体の成長方法。
- 前記請求項１〜１２のいずれか一項に記載の窒化物半導体の成長方法により得られる窒化物半導体からなる基板上に、少なくともｎ型窒化物半導体層、活性層、及びｐ型窒化物半導体層を有する素子構造を有する窒化物半導体素子。
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