JP4543894B2 - エピタキシャルウエハを作製する方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャルウエハ、エピタキシャルウエハを作製する方法およびIII族窒化物半導体素子に関する。

特許文献１には、１０^６ｃｍ^−２以下の低転位のＧａＮ単結晶を製造する方法が記載されている。この方法では、気相成長の成長表面が平面でなく、三次元的なファセット構造を持つようにＧａＮ単結晶厚膜を成長する。ファセット構造を保ったまま成長させることにより単結晶窒化ガリウムが成長される。その後、単結晶ＧａＮ基板を形成するために、機械的な加工により単結晶ＧａＮ基板に平坦にし、さらに加工表面の研磨により単結晶ＧａＮ基板の鏡面を得る。この単結晶ＧａＮ基板は、成長面に対してほぼ垂直に線状の多数の高転位領域を有しており、その線状欠陥領域の密度が１０^５ｃｍ^−２以下である。

特許文献２には、単結晶窒化ガリウム基板およびその成長方法が記載されている。下地基板の上に規則的な絶縁膜のパターンを設ける。この基板上にファセットよりなるピットを形成すると共に、該ピットを維持しながらＧａＮをファセット成長する。ファセット成長により、ファセット面よりなるピット底部に高転位領域が形成される一方で、該領域へ転位を集めてその周囲に低転位領域が形成される。この結晶を用いて窒化ガリウムウエハを得る。

特許文献３には、寿命の長い窒化物半導体レーザダイオードが記載されている。レーザダイオードは、窒化物半導体基板とその上に形成された複数の窒化物半導体層より成る。基板は、規則的に配置されたドット状の高転位領域と該高転位領域を除いた領域である低転位領域とを有する。窒化物半導体層はストライプ状のレーザ光導波領域を構成する。レーザ光導波領域は低転位領域上に設けられており、周期的に並ぶ複数の転位集中領域と平行または垂直である。レーザ光導波領域と最近接の高転位領域との間隔は３０マイクロメートル以上である。

特許文献４には、高密度欠陥領域を周期的に有する窒化ガリウム基板を利用した窒化物系化合物半導体素子及びその作製方法が記載されている。ＧａＮ系半導体レーザダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板上に半導体領域を備え、この半導体領域は、ｎ型ＧａＮ層、ｎ型ＡｌＧａＮクラッド層、活性層、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ光導波層、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層、及びｐ型ＧａＮコンタクト層を含む。ＧａＮ基板の高密度欠陥領域のコア部には、直径５０マイクロメートルの貫通孔３２が設けられ、高抵抗層３４、例えばＳｉＯ₂層又はＳｉＮ_Ｘ 層で埋め込まれている。ｎ領域用電極は、貫通孔間に位置する。高抵抗層が発光領域を挟み電流ブロック層として作用して、注入された電流を発光領域に閉じ込める。
特開２００１−１０２３０７号公報 特開２００３−１６５７９９号公報 特開２００４−１４６４２０号公報 特開２００３−２２９６２３号公報

特許文献３に記載されたレーザダイオードでは、キャリアの再結合により光を発生するレーザ光導波領域は、ＧａＮ基板の表面の限定されたエリア上に設けられている。また、特許文献４に記載されたレーザダイオードでは、キャリアの再結合により光を発生する発光領域は、ＧａＮ基板の表面の限定されたエリア上に設けられている。なぜなら、これらのレーザダイオードに用いられているＧａＮ基板では、高転位エリアおよび高密度欠陥エリアは周期的に配列されているからである。また、レーザ光導波領域および発光領域は、作製されたレーザダイオードの半導体領域の表面に現れる転位集中エリアまたは高密度欠陥エリアの位置を避けて配置されている。基板表面における転位集中エリアまたは高密度欠陥エリアの数は、基板表面における転位集中エリアまたは高密度欠陥エリアの数と実質的に同じである。

利用可能な窒化ガリウム基板は、高転位エリアと該高転位エリアを囲む低転位エリアを有している。また、高転位エリアが規則的に配列された基板だけでなく、高転位エリアが不規則に分布する基板もある。つまり、望まれていることは、窒化ガリウム膜の表面における高転位エリアの数を、窒化ガリウム基板の表面の高転位エリアの数よりも減らすことである。

本発明は、上記の事項を鑑みて為されたものであり、窒化ガリウム基板の表面の高転位エリアの数よりも少ない高転位エリアを表面に有する窒化ガリウム膜を含むエピタキシャルウエハおよびIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とし、またこのエピタキシャルウエハを作製する方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面によれば、エピタキシャルウエハは、（ａ）複数の高欠陥エリアおよび該高欠陥エリアを囲む低欠陥エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板と、（ｂ）前記III族窒化物基板の主面上に設けられボイドを有する窒化ガリウム系半導体領域とを備え、前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアにおける欠陥密度は前記低欠陥エリアの欠陥密度より大きく、前記ボイドは、前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアのいずれかのエリア上に位置している。

このエピタキシャルウエハでは、ボイドがIII族窒化物基板の高欠陥エリアのいずれかの上に位置するので、該ボイドは、高欠陥エリアからの欠陥の少なくとも一部が窒化ガリウム系半導体領域を伝搬することを阻止できる。

本発明の別の側面によれば、エピタキシャルウエハは、（ａ）複数の高欠陥エリアおよび該高欠陥エリアを囲む低欠陥エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板と、（ｂ）前記III族窒化物基板の主面上に設けられた窒化ガリウム系半導体領域とを備え、前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアにおける欠陥密度は前記III族窒化物基板の前記低欠陥エリアの欠陥密度より大きく、前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアは前記主面において欠陥エリア面密度Ｄ（Ｓ）で分布しており、前記窒化ガリウム系半導体領域の表面は、複数の高欠陥エリアおよび該高欠陥エリアを囲む低欠陥エリアを含んでおり、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記高欠陥エリアは前記表面において欠陥エリア面密度Ｄ（Ｅ）で分布しており、前記欠陥エリア面密度Ｄ（Ｅ）は前記欠陥エリア面密度Ｄ（Ｓ）より小さく、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記高欠陥エリアの各々は、前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアのいずれかのエリア上に位置している。

このエピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム膜の表面における高転位エリアの数を、窒化ガリウム基板の表面の高転位エリアの数よりも少ない。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記窒化ガリウム系半導体領域は該ボイドにおいて終端する複数の貫通転位を含む。このエピタキシャルウエハによれば、III族窒化物基板の高欠陥エリアに関連する貫通転位をボイドを用いて終端できる。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記窒化ガリウム系半導体領域は、前記III族窒化物基板上に設けられた第１の窒化ガリウム系半導体層と、前記第１の窒化ガリウム系半導体層上に設けられた第２の窒化ガリウム系半導体層とを含み、前記ボイドは、前記第１の窒化ガリウム系半導体層と前記第２の窒化ガリウム系半導体層との接合領域に位置している。

このエピタキシャルウエハによれば、第１の窒化ガリウム系半導体層はピットを提供すると共に、第２の窒化ガリウム系半導体層は、該ピットを埋めること無く該ピットを利用してボイドを形成する。

本発明に係るエピタキシャルウエハは、前記と前記III族窒化物基板との間に設けられたＡｌＧａＮ層を含み、前記III族窒化物基板はＧａＮから成り、前記窒化ガリウム系半導体領域はＧａＮから成る。

ＡｌＧａＮは、III族窒化物基板の表面上だけでなくこの表面上に付着している汚染物質上にも成長して、ＡｌＧａＮ膜の表面は平坦になる。これ故に、このエピタキシャルウエハによれば、ＡｌＧａＮ膜の平坦な表面上に設けられた窒化ガリウム膜を含むことができる。

本発明の更なる別の側面は、エピタキシャルウエハを作製する方法である。この方法は、（ａ）III族窒化物基板上にＡｌＧａＮ膜を成長する工程と、（ｂ）前記ＡｌＧａＮ膜の成長の後に、窒化ガリウム系半導体を前記III族窒化物基板の主面上に堆積して、複数のピットを有する表面を持つ第１の窒化ガリウム系半導体膜を形成する工程と、（ｃ）前記第１の窒化ガリウム系半導体膜上に第２の窒化ガリウム系半導体膜を成長して、前記ピットを用いて前記第１の窒化ガリウム系半導体膜と前記第２の窒化ガリウム系半導体膜との接合領域にボイドを形成する工程とを備え、前記第１の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮから成り、前記III族窒化物基板の前記主面は、複数の高欠陥エリアおよび該高欠陥エリアを囲む低欠陥エリアを含んでおり、前記高欠陥エリアは前記低欠陥エリア内に分布しており、前記窒化ガリウム系半導体領域の前記ボイドの各々は、前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアのいずれか一つと対応している。前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアにおける欠陥密度は前記III族窒化物基板の前記低欠陥エリアの欠陥密度より大きく、前記高欠陥エリアのうちのいずれかから前記第１の窒化ガリウム系半導体膜内を伸びる複数の貫通転位の少なくとも一部は、該対応するボイドにおいて終端し、前記第１の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮ膜であり、このＧａＮ膜の成長では、成長温度が摂氏１１００度未満であり、III族原料濃度に対するＶ族原料濃度のモル比（Ｖ族原料モル濃度／III族原料モル濃度）が４０００未満であり、成長速度が３μｍ／ｈ未満である。

ピットは、III族窒化物基板の高欠陥エリアからの転位に起因して第１の窒化ガリウム系半導体膜の表面に形成される。ピットを用いて第１の窒化ガリウム系半導体膜と第２の窒化ガリウム系半導体膜との接合領域にボイドを形成できる。

本発明に係る方法では、前記第１の窒化ガリウム系半導体膜内を前記高欠陥エリアのうちのいずれかから伸びる複数の貫通転位の少なくとも一部は、該対応するボイドにおいて終端する。ボイドによって終端された貫通転位は、第１の窒化ガリウム系半導体膜に伸びていかない。

本発明に係る方法では、前記第１の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮ膜であり、前記ＧａＮ膜の成長では、成長温度が摂氏１１００度未満であり、［Ｖ族原料モル濃度］／［III族原料モル濃度］が４０００未満であり、成長速度が３μｍ／ｈ未満である。この条件によれば、高転位エリアに起因して第１の窒化ガリウム系半導体膜の表面にピットが形成されやすい。

本発明に係る方法では、前記第２の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮ膜であり、前記ＧａＮ膜の成長では、成長温度が摂氏１１００度以上であり、［Ｖ族原料モル濃度］／［III族原料モル濃度］が４０００以上であり、成長速度が３μｍ／ｈ以上である。この条件によれば、第１の窒化ガリウム系半導体膜の成長条件に比べて、横方向の成長速度が大きくできるので、ピットを埋めることなくボイドを形成しやすい。

本発明に係る方法では、前記第１の窒化ガリウム系半導体膜の成長に先だって、前記III族窒化物基板上にＡｌＧａＮ膜を成長する工程をさらに備え、前記第１の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮから成る。

この方法によれば、ＡｌＧａＮは、III族窒化物基板の表面上だけでなくこの表面上に付着している汚染物質上にも成長して、ＡｌＧａＮ膜の表面は平坦になる。これ故に、窒化ガリウム膜の成長にために好適な下地を提供できる。

本発明の更なる別の側面は、III族窒化物半導体素子である。III族窒化物半導体素子は、（ａ）複数の高欠陥エリアおよび該高欠陥エリアを囲む低欠陥エリアを含む主面を有するIII族窒化物基板と、（ｂ）前記III族窒化物基板の主面上に設けられボイドを含む窒化ガリウム系半導体領域と、（ｃ）前記窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第１の電極と、（ｄ）前記III族窒化物基板の前記主面の反対側の裏面上に設けられた第２の電極とを備え、前記III族窒化物支持基体の前記高欠陥エリアにおける欠陥密度は前記低欠陥エリアの欠陥密度より大きく、前記ボイドは、前記III族窒化物支持基体の前記高欠陥エリアのいずれかのエリア上に位置している。

このIII族窒化物半導体素子では、ボイドがIII族窒化物支持基体の高欠陥エリアのいずれかの上に位置するので、該ボイドは、高欠陥エリアからの欠陥の少なくとも一部が窒化ガリウム系半導体領域を伝搬することを阻止できる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、窒化ガリウム基板の表面の高転位エリアの数よりも少ない高転位エリアを表面に有する窒化ガリウム膜を含むエピタキシャルウエハおよびIII族窒化物半導体素子が提供される。また、本発明によれば、窒化ガリウム基板の表面の転位の数より少ない転位の数を有する窒化ガリウム膜を含むエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のエピタキシャルウエハおよびエピタキシャルウエハを作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

（第１の実施の形態）
図１は、エピタキシャルウエハを作製する方法を説明する図面である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）および図２（Ｃ）は、エピタキシャルウエハを作製する方法を説明する図面である。図１を参照すると、準備された窒化ガリウム基板１５といったIII族窒化物基板が成膜装置１１のサセプタ１３上に置かれている。III族窒化物基板としてはＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ（０≦Ｘ≦１）基板を使用できる。引き続く説明では、III族窒化物基板として、窒化ガリウム基板１５を参照しながら行われる。成膜装置１１としては、例えば、有機金属気相成長装置を使用できる。

破線ＢＯＸで示されたIII族窒化物基板の一部が、図１の破線ＣＩＲＣＬＥ内に拡大されている。III族窒化物半導体素子のための窒化ガリウム基板１５は、破線ＣＩＲＣＬＥに示されるような構造を有する。窒化ガリウム基板１５の主面１５ａには、後の工程においてIII族窒化物が堆積される。破線ＣＩＲＣＬＥを参照すると、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板１５における高転位領域１５ｃおよび低転位領域１５ｄの一配置が示されている。高転位領域１５ｃの各々は低転位領域１５ｄに囲まれており、窒化ガリウム基板１５の主面１５ａから裏面１５ｂへ伸びている。窒化ガリウム基板１５の主面１５ａは、比較的大きい貫通転位密度を有しており高転位領域１５ｃが現れた高転位エリア１５ｅと、比較的小さい貫通転位密度を有しており低転位領域１５ｄが現れた低転位エリア１５ｆとを有する。高転位領域１５ｃは低転位領域１５ｄに囲まれているので、主面１５ａにおいて、高転位エリア１５ｅは、低転位エリア１５ｆ内にドット状に分布している。窒化ガリウム基板１５の高転位エリア１５ｅにおける欠陥密度は低転位エリア１５ｆの欠陥密度より大きい。高転位領域１５ｃにおいて、多数の貫通転位は窒化ガリウム基板１５の主面１５ａから裏面１５ｂへ伸びている。窒化ガリウム基板１５の高転位エリアは主面１５ａにおいて欠陥エリア面密度Ｄ（Ｓ）で分布している。

窒化ガリウム基板１５では、全体として貫通転位密度は、例えば１×１０^８ｃｍ^−２以下である。例えば、高転位領域１５ｃは、窒化ガリウム基板１５において不規則（ランダム）に配置されていている。基板１５の主面１５ａにおける高転位領域１５ｃの転位エリア面密度Ｄ（Ｈ）は、例えば１００個／ｃｍ^２以上１×１０^５個／ｃｍ^２以下である。また、窒化ガリウム基板１５の主面１５ａの面積に占める高転位エリア１５ｅの表面積の割合は、例えば１パーセント以下である。高転位領域１５ｃにおける転位密度は、例えば３×１０^７ｃｍ^−２以下であり、低転位領域１４ｄにおける転位密度は、例えば５×１０^６ｃｍ^−２以下である。この窒化ガリウム基板１５の転位密度が小さいので、その上に成長されるエピタキシャル層中の転位が減少する。

図２（Ａ）を参照すると、窒化ガリウム基板１５の主面１５ａに高欠陥エリア１５ｅ（例示的に２５個の高欠陥エリア）がドットにより示されている。図２（Ｂ）を参照すると、窒化ガリウム基板１５上に窒化ガリウム膜１７が本実施の形態に係る条件で堆積されている。ＧａＮ膜１７の表面１７ａには、ピット面密度Ｄ（Ｐ）でピット２１が形成される。個々のピット２１は、図示されていないが複数のファセットからなり、またＧａＮ基板１５の主面１５ａの高欠陥エリア１５ｅと対応している。また、図２（Ｃ）を参照すると、図２（Ａ）に示された窒化ガリウム基板１５上に、ＧａＮ膜１９およびＧａＮ膜１７が堆積されている。ＧａＮ膜１９は、高転位領域と、高転位領域の各々を囲む低転位領域とを含む。ＧａＮ膜１９の高転位領域は、窒化ガリウム基板１５の主面１５ａの高欠陥エリア１５ｅに対応している。また、ＧａＮ膜１９の高転位領域のいくつかでは、ＧａＮ膜１９の表面１９ａにピット２３が形成される。ピット２３は、ピット２１と同様に複数のファセットからなる。

図２（Ｃ）に示されているように、エピタキシャルウエハＥ１は、窒化ガリウム基板１５と、窒化ガリウム系半導体領域２７とを含む。窒化ガリウム系半導体領域２７の高欠陥エリア２７ｂは該表面２７ａにおいて欠陥エリア面密度Ｄ（Ｅ）で分布している。また、高欠陥エリア２７ｂのいくつかにはピット２３が形成されている。欠陥エリア面密度Ｄ（Ｅ）は欠陥エリア面密度Ｄ（Ｓ）より小さい。窒化ガリウム系半導体領域２７の高欠陥エリア２７ｂは、窒化ガリウム基板１５の高転位エリア１５ｅに関連づけられている。このエピタキシャルウエハによれば、窒化ガリウム系半導体領域２７の表面２７ａにおける高転位エリアの数を、窒化ガリウム基板１５の主面１５ａの高転位エリアの数よりも少ない。

図２（Ｃ）を参照すると、ＧａＮ半導体領域２７中のボイド２５が欠陥エリア面密度Ｄ（Ｅ）を低減させている。貫通転位群３０ａがボイド２５まで伸びているが、窒化ガリウム膜１９の表面には到達していない。一方、貫通転位群３０ｂが、窒化ガリウム膜１９の表面には到達して、ピット２３を形成している。また、貫通転位群３０ｃが、窒化ガリウム膜１９の表面には到達して、高転位エリアを形成している。

また、窒化ガリウム膜１７の成長に先立って、窒化ガリウム基板１５の主面１５ａ上にＡｌ_ＸＧａ_１−ＸＮ膜（０＜Ｘ≦１）２９を成長することが好ましい。ＡｌＧａＮは、窒化ガリウム基板１７の表面１７ａ上だけでなくこの表面１７ａ上に付着している汚染物質上にも成長して、ＡｌＧａＮ膜２９の表面２９ａは良好なモフォロジを示す。これ故に、窒化ガリウム膜１７の成長のために好適な下地を提供できる。

図３（Ａ）は、窒化ガリウム基板の一断面を示す拡大図であり、図３（Ｂ）は窒化ガリウム基板とこの基板上の窒化ガリウム膜との一断面を示す拡大図であり、図３（Ｃ）は窒化ガリウム基板とこの基板上の窒化ガリウム半導体領域との一断面を示す拡大図である。図３（Ａ）を参照すると、既に説明したように、代表的な２つの高欠陥エリア１５ｅおよび該高欠陥エリア１５ｅを囲む低欠陥エリア１５ｆが示されている。高欠陥エリア１５ｅには、多数の貫通転位３１が伸びている。低欠陥エリア１５ｆにも、いくつかの貫通転位３１が伸びている。図３（Ｂ）を参照すると、窒化ガリウム基板１５上には、窒化ガリウム膜１７が設けられている。窒化ガリウム膜１７の表面１７ａには、一方の高欠陥エリア１５ｅに対応してピット２１が形成されている。ピット２１のファセット面には、高欠陥エリア１５ｅの貫通転位３１が到達している。一方、低欠陥エリア１５ｆの貫通転位３１は、窒化ガリウム膜１７中を伸びている。図３（Ｃ）を参照すると、窒化ガリウム膜１７上に、窒化ガリウム膜１９が設けられている。窒化ガリウム系半導体領域３３にはボイド３５が形成されている。ボイド３５は、窒化ガリウム基板１５の高欠陥エリア１５ｅのいずれか一つに関連しており、窒化ガリウム膜１９の各高欠陥エリア１９ｅは窒化ガリウム基板１５の高欠陥エリア１５ｅの一つに関連づけられている。また、図３（Ｃ）に示されるように、窒化ガリウム基板１５の高欠陥エリア１５ｅ上に形成されたボイド３５は、高欠陥エリア１５ｅの欠陥が窒化ガリウム膜１９に伝搬することを阻止している。
窒化ガリウム膜１７の膜厚が２μｍ以上であれば、ピット２１の直径が高欠陥エリア１５ｅの直径よりも大きくなり、貫通転位３１の伝播を効率良く阻止できるという利点がある。窒化ガリウム膜１９の膜厚が２μｍ以上であれば、ピット２１の上部を効率良く繋げることが可能であり、効率良くボイド３５を形成できるという利点がある。

窒化ガリウム系半導体領域３３内のボイド３５は、窒化ガリウム半導体層１７と窒化ガリウム系半導体層１９との接合を横切って位置している。窒化ガリウム半導体層１７はピット２１を提供すると共に、窒化ガリウム半導体層１９は、該ピット２１を埋めること無く該ピット２１の成長を阻止してボイド３５を形成する。

（実施例１）
トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニアを用いる有機金属気相成長法により窒化ガリウム系半導体領域を成長し、高欠陥エリアの分布を調べる。ＧａＮ（０００１）基板を有機金属気相成長装置のサセプタ上に配置し、炉内圧力を１０１ｋＰａにコントロールしながら炉内にアンモニア（ＮＨ_３）と水素（Ｈ_２）を導入し、摂氏１０５０度の基板温度でＧａＮ基板の表面に１０分間の予備クリーニングを行う。次いで、装置内圧力を１０１ｋＰａに保持したまま、摂氏１０５０度の基板温度で、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、アンモニアを導入して、厚さ５０ｎｍのｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ膜を成長する。その後、基板温度が摂氏１０５０度、装置内圧力が１０１ｋＰａ、［Ｖ族原料のモル濃度］／［III族原料のモル濃度］が１０００であり成長速度が２μｍ／ｈである条件で、２０００ｎｍの厚さのｎ型ＧａＮ膜を成長する。試料を装置から取り出して、ＧａＮ膜の表面を微分干渉顕微鏡で観測すると、径０．５μｍ以上５μｍ以下のピットが５×１０^５ｃｍ^−２の密度で該表面に存在する。試料を装置に戻す。摂氏１１３０度の基板温度、装置内圧力を１０１ｋＰａ、［Ｖ族原料のモル濃度］／［III族原料のモル濃度］が４０００であり成長速度が９μｍ／ｈである条件で５０００ｎｍの厚さのｎ型ＧａＮ膜を成長する。再び試料を装置から取り出して、ＧａＮ膜の表面を微分干渉顕微鏡で観測すると、径０．５μｍ以上５μｍ以下のピットが１×１０^３ｃｍ^−２の密度で表面に存在する。
上記の試料を再び装置に戻し、基板温度を摂氏８００度に上げ、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アンモニアを導入して、厚さ６０ｎｍのＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ膜を成長する。その後、試料を炉内から取り出し、走査型電子顕微鏡により表面を観察する。ＩｎＧａＮ膜表面では、貫通転位上に直径２００ｎｍ以下のＶ状ピットが形成されるため、貫通転位の分布を調べることが可能である。上記ボイドを形成した試料の高欠陥エリア上部において、Ｖ状ピットの密度は５×１０^６ｃｍ^−２以下である。

（第２の実施の形態）
図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）および図４（Ｄ）は、エピタキシャルウエハおよび窒化物半導体素子を作製する方法を説明するための図面である。図４（Ａ）に示されるように、III族窒化物基板４１の主面４１ａ上に窒化ガリウム系半導体を堆積して、窒化ガリウム系半導体膜４３を形成する。窒化ガリウム系半導体膜４３の表面４３ａには、複数のピット４５が形成されている。III族窒化物基板４１は図１に示された構造を有する。

III族窒化物基板４１としては、ＧａＮ基板であることができる。窒化ガリウム系半導体膜４３はＧａＮ膜であることができる。ＧａＮ膜の表面のピット４５は、ＧａＮ基板の高欠陥エリア４１ｅ上に形成されている。好適な実施例のＧａＮ膜の成長では、成長温度が摂氏１１００度未満であり、［Ｖ族原料のモル濃度］／［III族原料のモル濃度］が４０００未満であり、成長速度が３μｍ／ｈ未満である。この条件によれば、窒化ガリウム膜４３の表面にピットが形成されやすい。

必要な場合には、窒化ガリウム系半導体膜４３の成長に先だって、基板４１上にＡｌＧａＮ膜４７を成長する。ＡｌＧａＮ膜４７は、窒化ガリウム膜４３の成長にために好適な下地を提供できる。

図４（Ｂ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体膜４３上に窒化ガリウム系半導体膜４９を成長して、ピット４５を用いて窒化ガリウム系半導体膜４３と窒化ガリウム系半導体膜４９との接合領域５１にボイド５３を形成する。この結果、エピタキシャル基板Ｅ２が提供される。

III族窒化物基板４１の高欠陥エリア４１ｅからの転位５７に起因して窒化ガリウム系半導体膜４３の表面４３ａに形成されたピットを用いて、窒化ガリウム系半導体膜４３と窒化ガリウム系半導体膜４９との接合領域５１にボイド５３を形成できる。基板４１の高欠陥エリア４１ｅからの貫通転位５７の一部は、該対応するボイド５３において終端する。ボイド５３を形成することによって、複数の貫通転位５７を含む高転位領域の成長を停止させることができる。

窒化ガリウム系半導体膜４９はＧａＮ膜であることができる。好適な実施例のＧａＮ膜の成長では、成長温度が摂氏１１００度以上であり、［Ｖ族原料のモル濃度］／［III族原料のモル濃度］が４０００以上であり、成長速度が３μｍ／ｈ以上である。この条件によれば、窒化ガリウム系半導体膜４３の成長条件に比べて、窒化ガリウム系半導体膜４９の横方向の成長速度が大きくできる。これ故に、ピットを用いてボイドを形成するために好適である。

図４（Ｃ）に示されるように、引き続いて、窒化ガリウム系半導体領域を形成する。窒化ガリウム膜４５上には、量子井戸構造を有する活性領域６９、ｐ型窒化ガリウム系半導体膜７１およびｐ型コンタクト膜７３を順に成長する。活性領域６９は井戸層６９ａおよび障壁層６９ｂを含む。この結果、エピタキシャル基板Ｅ３が提供される。エピタキシャル基板Ｅ３では、基板の高転位エリアに起因してｐ型コンタクト層７３の表面に現れる高欠陥エリアの数が減少している。つまり、活性領域６９を横切る貫通転位の数が少なくなっている。

図４（Ｄ）に示されるように、アノードのための第１の電極膜７５をｐ型コンタクト層７３上に形成するとともに、カソードのための第２の電極膜７７を基板４１の裏面４１ｂに形成する。この結果、基板生産物７９が提供される。基板生産物７９を切断して、III族窒化物半導体素子の多数のチップを作製する。III族窒化物半導体素子は、III族窒化物支持基体と、この支持基体の主面上に設けられボイドを含む窒化ガリウム系半導体領域と、窒化ガリウム系半導体領域上に設けられた第１の電極と、支持基体の主面上に設けられた第２の電極とを含む。ボイドにより高転位エリアの数が低減される。

（実施例２）
トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シラン、シクロペンタジエニルマグネシウムを用いた有機金属気相成長法により青色発光ダイオード構造を作製する。実施例１と同様に、予備クリーニングを行うと共に、ｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ膜を成長する。その後、基板温度を摂氏１０５０度、圧力１０１ｋＰａで、成長速度２μｍ／ｈで厚さ３０００ｎｍのｎ型ＧａＮ膜を成長する。ｎ型ＧａＮ膜の表面には、直径１０μｍ以下のピットが形成される。次に、基板温度を摂氏１１３０度に上昇し、成長速度９μｍ／ｈで厚さ２０００ｎｍのｎ型ＧａＮ膜を成長する。ピットを覆うように窒化物が周囲から成長して空隙を形成できる。空隙は、ＧａＮ基板の表面の高欠陥領域４１ｅと対応しており、高欠陥領域４１ｅ上に位置している。基板温度を摂氏８００度まで下げ、１５ｎｍのＩｎＧａＮ障壁層、３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸層からなる６周期の多重量子井戸構造の発光層を成長する。その後、基板温度を摂氏１０００度に上昇させ、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層を成長した後、トリメチルインジウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長する。ＧａＮ基板を有機金属気相成長装置から取り出し、ｐ型ＧａＮ層上に半透明アノード電極を形成すると共に、ＧａＮ基板の裏面にカソード電極を形成する。こうして作製した青色発光ダイオードに電圧を印加し、電流−電圧特性を測定する。ＧａＮ基板に高欠陥領域を含むチップにおいても、電圧−電流特性の理想因子ｎは１．２となり、貫通転位の影響が大きく現れない。また、青色発光ダイオードのベアチップに連続電流印加を行ったとき、電流値２０ｍＡで波長４５０ｎｍで光出力が６ｍＷである。

（比較例１）
実施例１と同様に、予備クリーニングを行うと共に、ｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ膜を成長する。その後、基板温度を摂氏１１３０度、成長速度９μｍ／ｈで厚さ５０００ｎｍのｎ型ＧａＮ膜を成長する。次に、基板温度を摂氏８００度に下げ、６０ｎｍのＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ｎ膜を成長する。その後、試料を炉内から取り出し、走査型電子顕微鏡により表面を観察したとき、直径２００ｎｍ以下のＶ状ピットの密度は高欠陥エリアの上部において１×１０^７ｃｍ^−２以上である。

（比較例２）
実施例２と同様に、予備クリーニングを行うと共に、ｎ型Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ膜を成長する。その後、基板温度を摂氏１１３０度、成長速度９μｍ／ｈで厚さ５０００ｎｍのｎ型ＧａＮ膜を成長する。次に、基板温度を摂氏８００度に下げ、１５ｎｍのＩｎＧａＮ障壁膜、３ｎｍのＩｎＧａＮ井戸膜からなる６周期の多重量子井戸構造の発光層を成長する。その後、基板温度を摂氏１０００度に上昇させ、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、厚さ２０ｎｍのＭｇドープＡｌ_０．１２Ｇａ_０．８８Ｎ層を成長した後、トリメチルインジウム、アンモニア、シクロペンタジエニルマグネシウムを導入して、厚さ５０ｎｍのｐ型ＧａＮ層を成長する。ＧａＮ基板を有機金属気相成長装置から取り出し、ｐ型ＧａＮ層上に半透明アノード電極を形成すると共に、ＧａＮ基板の裏面にカソード電極を形成する。こうして作製した青色発光ダイオードに電圧を印加し、電流−電圧特性を測定する。ＧａＮ基板に高欠陥領域を含むチップにおいても、電圧−電流特性の理想因子ｎは２以上となり、貫通転位の影響が現れている。また、青色発光ダイオードのベアチップに連続電流印加を行ったとき、電流値２０ｍＡで波長４５０ｎｍで光出力が１ｍＷである。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。例えば、本実施の形態では半導体発光素子を例示的に説明したけれども、本発明は半導体発光素子に限定されるものではなく、半導体素子は、他の窒化物半導体素子でもよい。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、エピタキシャルウエハを作製する方法を説明する図面である。 図２（Ａ）は、エピタキシャルウエハを作製するための窒化ガリウムウエハを示す図面である。図２（Ｂ）は、下側の窒化ガリウム膜を形成する工程を説明する図面である。図２（Ｃ）は、上側の窒化ガリウム膜を形成する工程を説明する図面である。 図３（Ａ）は、窒化ガリウム基板の一断面を示す拡大図であり、図３（Ｂ）は窒化ガリウム基板とこの基板上の窒化ガリウム膜との一断面を示す拡大図であり、図３（Ｃ）は窒化ガリウム基板とこの基板上の窒化ガリウム半導体領域との一断面を示す拡大図である。 図４（Ａ）は、ピットを有する窒化ガリウム系半導体膜を基板上に形成する工程を示す図面である。図４（Ｂ）は、ボイドを有する窒化ガリウム系半導体膜を基板上に形成する工程を示す図面である。図４（Ｃ）は、残りの窒化ガリウム系半導体膜を形成する工程を示す図面である。図４（Ｄ）は、電極を形成する工程を示す図面である。

符号の説明

１１…成膜装置、１３…サセプタ、１５…窒化ガリウム基板、１５ｃ…高転位領域、１５ｄ…低転位領域、１５ｅ…高転位エリア、１５ｆ…低転位エリア、Ｄ（Ｓ）…欠陥エリア面密度、Ｄ（Ｐ）…ピット面密度、１７、１９…ＧａＮ膜、２１…ピット、２３…ピット、Ｅ１…エピタキシャルウエハ、２７…窒化ガリウム系半導体領域、２７ａ…表面、２７ｂ…高欠陥エリア、２９…ＡｌＧａＮ膜、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ…貫通転位群、３１…貫通転位、３５…ボイド、４１…III族窒化物基板、４３…窒化ガリウム系半導体膜、４５…ピット、４７…ＡｌＧａＮ膜、４９…窒化ガリウム系半導体膜、５１…接合領域、５３…ボイド、Ｅ２、Ｅ３…エピタキシャル基板、４１ｅ…高欠陥エリア、５７…貫通転位、６９…活性領域、７１…ｐ型窒化ガリウム系半導体層、７３…ｐ型コンタクト層、７５…第１の電極膜、７７…第２の電極膜、７９…基板生産物

Claims (10)

1. エピタキシャルウエハを作製する方法であって、
   III族窒化物基板上にＡｌＧａＮ膜を成長する工程と、
   前記ＡｌＧａＮ膜の成長の後に、窒化ガリウム系半導体を前記III族窒化物基板の主面上に堆積して、複数のピットを有する表面を持つ第１の窒化ガリウム系半導体膜を形成する工程と、
   前記第１の窒化ガリウム系半導体膜上に第２の窒化ガリウム系半導体膜を成長して、前記ピットを用いて前記第１の窒化ガリウム系半導体膜と前記第２の窒化ガリウム系半導体膜との接合領域にボイドを形成する工程と
   を備え、
   前記第１の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮから成り、
   前記III族窒化物基板の前記主面は、複数の高欠陥エリアおよび該高欠陥エリアを囲む低欠陥エリアを含んでおり、前記高欠陥エリアは前記低欠陥エリア内に分布しており、
   前記ボイドの各々は、前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアのいずれか一つと対応し、
   前記III族窒化物基板の前記高欠陥エリアにおける欠陥密度は前記III族窒化物基板の前記低欠陥エリアの欠陥密度より大きく、
   前記高欠陥エリアのうちのいずれかから前記第１の窒化ガリウム系半導体膜内を伸びる複数の貫通転位の少なくとも一部は、該対応するボイドにおいて終端し、
   前記第１の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮ膜であり、このＧａＮ膜の成長では、成長温度が摂氏１１００度未満であり、III族原料濃度に対するＶ族原料濃度のモル比（Ｖ族原料モル濃度／III族原料モル濃度）が４０００未満であり、成長速度が３μｍ／ｈ未満である、ことを特徴とする方法。
2. 前記第２の窒化ガリウム系半導体膜はＧａＮ膜であり、このＧａＮ膜の成長では、成長温度が摂氏１１００度以上であり、III族原料濃度に対するＶ族原料濃度のモル比（Ｖ族原料モル濃度／III族原料モル濃度）が４０００以上であり、成長速度が３μｍ／ｈ以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記高欠陥エリアにおける転位密度は、３×１０^７ｃｍ^−２以下である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された方法。
4. 前記低欠陥エリアにおける転位密度は、５×１０^６ｃｍ^−２以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
5. 前記III族窒化物基板の主面において、前記高欠陥エリアは欠陥エリア面密度Ｄ（Ｈ）で分布しており、
   前記欠陥エリア面密度Ｄ（Ｈ）は、１００個／ｃｍ^２以上１×１０^５個／ｃｍ^２以下であり、
   前記第２の窒化ガリウム系半導体膜における欠陥エリア面密度は前記欠陥エリア面密度Ｄ（Ｈ）より小さい、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
6. 前記III族窒化物基板の主面において、前記高欠陥エリアの表面積の割合は１％以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
7. 前記第２の窒化ガリウム系半導体膜の表面にはピットが形成され、
   前記第２の窒化ガリウム系半導体膜のピット密度は、前記第１の窒化ガリウム系半導体膜のピット密度より小さく、
   前記第１及び第２の窒化ガリウム系半導体膜の前記ピット密度は、径０．５μｍ以上５μｍ以下のピットにより規定される、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
8. 前記第２の窒化ガリウム系半導体膜の厚さは２μｍ以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
9. 前記第１の窒化ガリウム系半導体膜の厚さは２μｍ以上であり、
   前記第１の窒化ガリウム系半導体膜において、前記ピットの径は前記高欠陥エリアの径より大きい、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
10. 前記第２の窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体領域を形成する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された方法。

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