JP4757586B2 - 化合物半導体基板、化合物半導体デバイス及び化合物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体基板、化合物半導体デバイス及び化合物半導体基板の製造方法に関する。

従来から、窒化化合物半導体を用いたデバイスが着目されている。

特許文献１（特開２０００−２４４０６１号公報）に記載の窒化化合物半導体の成長方法では、窒化化合物半導体と異なる材料よりなる異種基板上に、第１窒化化合物半導体を成長させ、この第１窒化化合物半導体に部分的に凹凸を形成して凹部側面に窒化化合物半導体の横方向の成長が可能な面を露出させた後、凹凸を有する第１窒化化合物半導体上に第２窒化化合物半導体を成長させている。また、得られた第２窒化化合物半導体を基板とし、この上に素子構造として少なくともＮ型窒化化合物半導体、活性層、Ｐ型窒化化合物半導体を積層成長させている。

同公報によれば、基板結晶表面に周期的に凹凸面を構成するストライプ溝を形成した後に、横方向成長による埋め込み成長を用いることで、溝部の領域において欠陥密度を低減することができ、これにより、転位が少なく結晶性が良好な窒化化合物半導体を得ることができるとされている。

通常、凹凸における溝部の底面と山部の頂面はそれぞれ平坦に作製することが期待される。特許文献２（特開平８−２９３４８９号公報）によれば、窒化ガリウム系化合物半導体をＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法でドライエッチングする場合、エッチングガスとしてＣｌ₂とＳｉＣｌ₄の混合ガス、またはＣｌ₂とＳｉＣｌ₄とＮ₂の混合ガスを用いている。この方法によれば、平坦性に優れたエッチング面、及び垂直性、平坦性に優れたエッチング端面を得ることができるとされている。

また、エッチングされた面を平坦にする技術として、特許文献３（特開２００３−２８２５４３号公報）に記載のものが知られている。同公報によれば、窒化ガリウム系化合物半導体をドライエッチングする場合、不活性なガス種を含むガスをエッチングガスとして用い、その後、酸化を生じる雰囲気（大気、酸素含有ガス中等）に晒すことなく、塩素系のガスをエッチングガスとしてドライエッチングを行う。窒化ガリウム系化合物半導体のドライエッチングにおいては、化合物半導体柱が生じ、素子の特性を劣化させる傾向があるが、同公報の方法によれば、平坦なエッチング面を得ることができるとされている。

エッチングされた面を平坦にする技術として、特許文献４（特開２００４−６３６５８号公報）に記載のものも知られている。同公報に記載の方法によれば、真空容器内にハロゲンガスを含むガスを供給しつつ、真空容器内部の気体を排気し、容器内部を所定の圧力に制御しながらコイルから電力を供給することで、プラズマを発生させ、真空容器内の基板電極に載置された化合物材料から成る被加工物を発生したプラズマでドライエッチングしている。

供給ガスにはＳｉ含有ガスが添加される。また、被加工物の周囲にＳｉを配設しても良く、また被加工物の周囲に露出している石英やアルミナなどから部材の表面をＳｉで覆っても良い。この方法によれば、ハロゲンガスを用いて化合物材料からなる被加工物を処理する際に、柱状残渣が発生せず、レジストに対する選択比が向上するとされている。

平坦にエッチングする手法は、特許文献５（特開２００３−４５８５２号公報）にも記載されている。同公報によれば、エッチング室の内部には、正負一対の電極が設けられ、下方の電極の上面に、ゲルマニウムウエハとIII族窒化物半導体とが載置されている。この状態で、エッチング室の内部に塩素ガスを流入させながら、高周波電源２によりプラズマを発生させてエッチングを行うと、平滑なエッチング面が得られ、良好な再現性をもってエッチングできると記載されている。
また、上述の化合物半導体柱をナノメートルオーダーで制御して製造することで、量子力学的な効果を有するデバイスへの応用も期待されている。特許文献６（特開２００３−１０１０６９号公報）によれば、ドライエッチングにおいて、下方の電極の上面に、石英基板と窒化化合物半導体とを載置した状態でエッチングを行うことにより、窒化化合物半導体の上面に化合物半導体柱を形成している。この化合物半導体柱の隙間を新たな窒化化合物半導体で充填して充填層を形成すると、ＩＩＩ族窒化物量子ドットが製造できる。同公報に記載の方法によれば、窒化化合物半導体からなる量子ドットを良好に製造することができるとされている。

化合物半導体柱の製造方法としては、非特許文献１に記載の方法が知られている。非特許文献１に記載の方法によれば、塩素プラズマを用いたＲＩＥによってＧａＮのナノ構造の化合物半導体柱を形成することができる旨が開示されている。

化合物半導体柱の用途としては、非特許文献２に記載のものが知られている。非特許文献２によれば、ＧａＮのナノ構造の化合物半導体柱からの電界放出が可能であることが開示されている。

化合物半導体柱の用途としては、非特許文献３に記載のものも知られている。非特許文献３によれば、塩素プラズマを用いたＲＩＥによってＧａＮのナノ構造の化合物半導体柱を形成することができる旨が開示され、光の波長よりも短い周期で配列した針の微細構造が、反射防止機能を有することが開示されている。

このように、上述の従来技術においては、窒化化合物半導体基板の溝部の底面と山部の頂面は、それぞれ平坦に作製することが期待されている。なお、上述の従来技術において、化合物半導体柱の製造方法は知られているものの、電界放出素子や反射防止構造体への応用のみが検討されている。
特開２０００−２４４０６１号公報 特開平８−２９３４８９号公報 特開２００３−２８２５４３号公報 特開２００４−６３６５８号公報 特開２００３−４５８５２号公報 特開２００３−１０１０６９号公報 Harumasa Yoshida, et. al, 「Formation of GaN self-Organized Nanotips by Reactive Ion Etching」, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.40 (2001),pp.L1301-L1304 Yuusuke TERADA, et. el, 「Field Emission from GaN self-OrganizedNanotips」, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41 (2002), pp.L1194-L1196 Hatumasa YOSHIDA, et. al, 「Antireflection Effect of Self-OrganizedGaN Nanotip Structure from UV to VIS Region」，Jpn. J. Appl. Phys. Vol.41 (2002),pp.L1134-L1136

しかしながら、上述の凹凸表面を有する窒化化合物半導体基板を製造する場合、通常、低欠陥領域の溝部の幅は数〜数十μｍ程度であり、この溝部上に精度良くストライプ構造を有する光半導体素子を形成する場合には、高精度にフォトマスクを形成する必要がある。しかしながら、顕微鏡で確認しても、窒化化合物半導体基板の低欠陥領域と高欠陥領域とを識別することは困難であり、したがって、フォトリソグラフィ技術を用いて、溝部上に光半導体素子のストライプ構造を形成することは困難であった。高欠陥領域上に光半導体素子の活性領域が形成されている場合、これらを含む窒化化合物半導体基板及び窒化化合物半導体デバイスの特性が劣化する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、特性劣化が抑制される素子を精密に形成することができる凹凸表面を有する化合物半導体基板、化合物半導体デバイス及び化合物半導体基板の製造方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明に係る化合物半導体基板は、化合物半導体基板において、凹凸表面を有する第１化合物半導体層と、凹凸表面の凹部の底面上又は凸部の頂面上に立設した１つの材料からなる化合物半導体柱と、化合物半導体柱が埋設されるよう凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層と、を備え、第１化合物半導体層、第２化合物半導体層及び化合物半導体柱は、窒化化合物半導体からなり、第１化合物半導体層は、ＧａＮからなり、第２化合物半導体層は、ＡｌＮ系化合物半導体からなる、ことを特徴とする。

「化合物半導体柱」とは、径方向の寸法よりも、その高さの寸法の方が大きい柱形状の化合物半導体のことであり、その先端部が尖っている針形状のものを含む。

また、本発明に係る化合物半導体デバイスは、凹凸表面を有する第１化合物半導体層と、凹凸表面の凹部の底面上又は凸部の頂面上に立設した化合物半導体柱と、化合物半導体柱が埋設されるよう凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層と、凹部上に成長し、電流通過領域を有する第３化合物半導体層とを備えることを特徴とする。

化合物半導体デバイスは、電流通過領域を含んでおり、この領域の結晶性が改善されることで、当該領域内を効率的に電流が通過することとなる。化合物半導体デバイスの種類は様々であるが、これが発光素子である場合には、電流通過領域は、電流注入用の電極から導入される活性領域（発光領域）となる。受光素子の場合には、光電変換領域が電流通過領域となる。他の化合物半導体デバイス、例えば、ＭＥＳＦＥＴの場合には、ゲート電極直下のチャネル領域が電流通過領域となる。

本発明に係る化合物半導体デバイスは、電流通過領域の厚み方向の上下に設けられた２つのクラッド層と、凹部の長手方向に沿って延びており電流通過領域に電流を注入するための電極とを更に備えることが好ましい。この場合、電極から電流通過領域に注入された電流に応じて、電流通過領域が発光し、上下の２つのクラッド層間に上下方向の発光とキャリアが閉じ込められるため、化合物半導体デバイスは発光素子として機能する。この電流通過領域の結晶性は高いため、発光素子の発光効率は改善する。

凹凸表面上に第２化合物半導体層を成長させる場合、凹部上で第２化合物半導体層は、横方向へ成長するが、この横方向の埋め込み成長の過程においては、転位等の欠陥が横方向に曲げられるため、第２化合物半導体層内の欠陥密度を低減させることができる。また、凹部の底面上又は凸部の頂面上には化合物半導体柱が形成されているため、第２化合物半導体層を介して化合物半導体柱を顕微鏡などで確認することができる。

すなわち、化合物半導体柱の形成されている底面又は頂面の位置を識別することができる。凹部内に化合物半導体柱が形成されている場合、化合物半導体柱の形成領域内では欠陥密度が小さいため、この低欠陥領域上に素子の電流通過領域が位置するようにマスクを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて電流通過領域を形成する。電流通過領域の結晶性は、下地となる凹部内の第２化合物半導体層の結晶性に依存するため、凹部上に位置する電流通過領域の結晶性は改善され、特性劣化が抑制された素子が形成できる。

第１化合物半導体層、第２化合物半導体層及び化合物半導体柱は、窒化化合物半導体からなることが好ましい。すなわち、窒化化合物半導体は、凹部内の横方向結晶成長を利用することで結晶性を改善することができるが、この場合には、凸部において結晶性は改善されないので、凹部位置の識別判定が重要となる。結晶成長技術の観点から、第１及び第２化合物半導体層は、共に窒化化合物半導体であることが好ましく、化合物半導体柱は第１化合物半導体層上に成長し、且つ、エッチングによって針状に残留可能なものであり、また、第２化合物半導体層とも横方向で接触するため、結晶成長技術の観点からも化合物半導体柱は窒化化合物半導体からなることが好ましい。

第１化合物半導体層は、ＧａＮからなることが好ましい。すなわち、短波長の発光素子は、ＧａＮ系の化合物半導体から製造されるが、下地としてＧａＮを用いた場合には、このようなデバイスが容易に製造することができ、また、ＧａＮを下地とする第１化合物半導体層、第２化合物半導体層及び化合物半導体柱を用いて形成された化合物半導体基板を用いて製造された化合物半導体デバイスは、電流通過領域の結晶性が良好となり、発光効率などの特性が改善された。

第２化合物半導体層は、ＡｌＮ系化合物半導体からなることが好ましい。ＧａＮ上のＡｌＮ系化合物半導体の成長では、良好な結晶性のＡｌＮ系化合物半導体層が形成される。

「ＡｌＮ系化合物半導体」とは、ＡｌＮを含む結晶格子を構成する化合物半導体であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮＰ又はＡｌＩｎＮＡｓ等である。

化合物半導体柱は、ＧａＮからなることが好ましい。すなわち、化合物半導体柱は、下地のＧａＮに対して格子整合し、下地となる第１化合物半導体層と同一の材料、すなわち、ＧａＮからなることが好ましい。

また、本発明に係る第１の化合物半導体基板の製造方法は、凹凸表面形成前の第１化合物半導体層上にストライプ状の開口を有するマスクを形成する工程と、マスクを介して第１化合物半導体層を所定条件でドライエッチングして凹凸表面を形成すると共に、凹凸表面の凹部の底面上に１つの材料からなる化合物半導体柱を残留させる工程と、化合物半導体柱が埋設されるよう凹凸表面上に第２化合物半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。

この製造方法によれば、凹凸表面上に第２化合物半導体を形成する場合、凹部内では横方向に第２化合物半導体層が成長するため、転位等の欠陥が横方向に曲げられ、第２化合物半導体層内の欠陥密度を低減させることができる。また、凹部の底面上にはドライエッチングで残留した化合物半導体柱が形成されているため、第２化合物半導体層を介して化合物半導体柱を顕微鏡などで確認することができる。

この低欠陥領域上に素子の電流通過領域が位置するようにマスクを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて電流通過領域を形成する場合、電流通過領域の結晶性は、下地となる凹部内の第２化合物半導体層の結晶性に依存するため、凹部上に位置する電流通過領域の結晶性は改善され、特性劣化が抑制された素子を形成することができる。

また、本発明に係る第２の化合物半導体基板の製造方法は、凹凸表面の凸部の頂面上に化合物半導体柱を形成するものである。この製造方法は、第１化合物半導体層上にストライプ状の開口を有する第１マスクを形成する工程と、第１マスクを介して第１化合物半導体層をエッチングして凹凸表面を形成する工程と、第１マスクを除去する工程と、凹凸表面の凹部の底面を覆い凸部の頂面が露出した第２マスクを形成する工程と、第２マスクを介して第１化合物半導体層を所定条件でドライエッチングし、凹凸表面の凸部の頂面上に１つの材料からなる化合物半導体柱を残留させる工程と、第２マスクを除去する工程と、第２マスクの除去後に、化合物半導体柱が埋設されるよう凹凸表面上に第２化合物半導体層を形成する工程とを備えることを特徴とする。

この製造方法においても、凹部内では横方向に第２化合物半導体層が成長するため、転位等の欠陥が横方向に曲げられ、第２化合物半導体層内の欠陥密度を低減させることができる。また、凸部の頂面上にはドライエッチングで残留した化合物半導体柱が形成されているため、第２化合物半導体層を介して化合物半導体柱を顕微鏡などで確認することができる。化合物半導体柱の形成領域間の領域が低欠陥領域となる。

この低欠陥領域上に素子の電流通過領域が位置するようにマスクを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて電流通過領域を形成する場合、電流通過領域の結晶性は、下地となる凹部内の第２化合物半導体層の結晶性に依存するため、凹部上に位置する電流通過領域の結晶性は改善され、特性劣化が抑制された素子が形成できる。

本発明は、化合物半導体デバイスにおいて、凹凸表面を有する第１化合物半導体層と、
前記凹凸表面の凹部の底面上又は凸部の頂面上に立設した１つの材料からなる化合物半導体柱と、前記化合物半導体柱が埋設されるよう前記凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層と、前記凹部上に成長し、活性層としての電流通過領域を有する第３化合物半導体層と、を備えることを特徴とする。また、第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層及び前記化合物半導体柱は、窒化化合物半導体からなることを特徴とする。
なお、第１化合物半導体、第２化合物半導体及び化合物半導体柱の好適な材料は上述の通りである。

本発明の化合物半導体基板によれば、特性劣化が抑制される素子を凹凸表面上に精密に形成することができ、本発明の化合物半導体デバイスによれば、素子の特性劣化が抑制され、本発明の化合物半導体基板の製造方法によれば、特性劣化が抑制される素子を凹凸表面上に精密に形成することができる化合物半導体基板を提供することができる。

以下、実施の形態に係る化合物半導体基板、化合物半導体デバイス及び化合物半導体基板の製造方法について、添付の図面に基づき説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は、第1の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。

化合物半導体基板１００は、下地基板１１０上にバッファ層１１１を介して形成された第１化合物半導体層１を備えている。第１化合物半導体層１は凹凸表面を有している。化合物半導体基板１００は、第１化合物半導体層１の凹凸表面の凹部Ｄの底面１Ｄ上（又は凸部Ｐの頂面１Ｐ：図７参照）上に立設した複数の化合物半導体柱３と、化合物半導体柱３が埋設されるよう凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層２とを備えている。

第２化合物半導体層２は、凹凸表面上に順次積層された中間層２ａ、クラック防止層２ｂ及び結晶層２ｃからなる。

「化合物半導体柱」とは、径方向の寸法よりも、その高さの寸法の方が大きい柱形状の化合物半導体のことであり、その先端部が尖っている針形状のものを含む。本例の化合物半導体柱３は、針状突起を構成している。

各要素の材料／厚みの好適範囲の好適範囲は以下の通りである。
・下地基板１１０：サファイア／ ５０〜１０００μｍ
・バッファ層１１１：ＧａＮ／ ５〜１００ｎｍ
・第１化合物半導体層１：ＧａＮ／ ０．１〜２０μｍ
・中間層２ａ：ＡｌＮ／ ５〜１００ｎｍ
・クラック防止層２ｂ：ＡｌＧａＮ／５〜１０００ｎｍ
・結晶層２ｃ：ＡｌＧａＮ／ ０．１〜２０μｍ

上記のように、第１化合物半導体層１、第２化合物半導体層２及び化合物半導体柱３は、窒化化合物半導体からなる。窒化化合物半導体は、凹部Ｄ内の横方向結晶成長を利用することで結晶性を改善することができるが、この場合には、凸部Ｐにおいて結晶性は改善されないので、凹部Ｄの位置の識別判定が重要となる。結晶成長技術の観点から、第１化合物半導体層１及び第２化合物半導体層２は、共に窒化化合物半導体とされている。化合物半導体柱３は、第１化合物半導体層１上に成長し、且つ、エッチングによって柱状（針状）に残留可能な材料からなり、また、第２化合物半導体層２とも横方向で接触するため、結晶成長技術の観点からも、化合物半導体柱３の材料は窒化化合物半導体とされている。

第１化合物半導体層１の凹凸表面上に、第２化合物半導体層２を成長させる場合、凹部Ｄ上で第２化合物半導体層２は、横方向へ成長する。この横方向の埋め込み成長の過程においては、転位等の欠陥が横方向に曲げられるため、第２化合物半導体層２内の欠陥密度は低減する。凹部Dの底面１Ｄ上には、化合物半導体柱３が立設して形成されているため、第２化合物半導体層２を介して化合物半導体柱３を顕微鏡などで確認することができる。

図２は、図１に示した化合物半導体基板１００の平面図である。

なお、上部の第２化合物半導体層２は記載を省略してあるが、第２化合物半導体層２を記載した場合においても、化合物半導体柱３は第２化合物半導体層２を透視して観察することができる。すなわち、化合物半導体柱３の形成されている底面１Ｄの位置を上方から識別することができる。第２化合物半導体層２は可視光を透過させることができる。

底面１Dを有する凹部D内に化合物半導体柱３が形成されている場合、化合物半導体柱３の形成領域内では中心領域を除いて欠陥密度が小さいため、本例では、この低欠陥領域上に素子の電流通過領域が位置するようにマスクを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、リッジ構造などを作製し、電流通過領域を形成する。例えば、凹部DはＸＹＺ三次元座標系のＹ方向に沿って延びている。この時、化合物半導体基板１００の第２化合物半導体層２上に成長させる半導体層が不透明層である場合は、予め第２化合物半導体層２から観察される凸部Ｐをイメージセンサで撮像し、凸部Ｐの画像間に位置する凹部Ｄの二次元位置を記憶装置内に記憶する。

しかる後、複数の半導体層を第２化合物半導体層２上に順次成長させた後、最上層の半導体層上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術によって、フォトレジストの特定領域を開口する。この特定領域は、第２化合物半導体層２上に成長させた半導体層が透明であった場合、凸部Ｐおよび凹部Ｄの二次元位置を顕微鏡などで直接確認することができ、第２化合物半導体層２上に成長させる半導体層が不透明層であった場合、予め記憶装置内に記憶された凹部Ｄの二次元位置を含むものである。この開口内に電極を形成すると、電極下の半導体層の領域に電流を流すことができる。この電流通過領域の結晶性は、下地となる凹部内の第２化合物半導体層２の結晶性に依存するため、凹部Ｄ上に位置する電流通過領域の結晶性は改善され、特性劣化が抑制された素子が形成できる。

なお、材料に関し、化合物半導体デバイスとしての短波長の発光素子（レーザダイオード）は、ＧａＮ系の化合物半導体から製造される。下地としてＧａＮを用いた場合には、このようなデバイスを容易に製造することができる。ＧａＮからなる第１化合物半導体層１と、第２化合物半導体層２及び化合物半導体柱３を用いて形成された化合物半導体基板１００を用いて、短波長の発光素子を製造すると、電流通過領域の結晶性が良好となり、発光効率などの特性が改善される。

ＧａＮ上のＡｌＮ系化合物半導体の成長では、良好な結晶性のＡｌＮ系化合物半導体層２を形成することができる。

「ＡｌＮ系化合物半導体」とは、ＡｌＮを含む結晶格子を構成する化合物半導体であり、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮＰ又はＡｌＩｎＮＡｓ等である。化合物半導体柱３は、下地となる第１化合物半導体層１と同一の材料、すなわち、ＧａＮからなるため、下地のＧａＮに対して格子整合している。

図３は、図１に示した化合物半導体基板１００を用いた化合物半導体デバイスの縦断面図である。

化合物半導体基板１００上に、下部コンタクト層４、下部クラッド層５、下部ガイド層６、活性層７、キャリアブロック層８、上部ガイド層９、上部クラッド層１０が順次積層されている。上部クラッド層１０は、Ｙ方向に沿って延びた凸部を有しており、この凸部上に上部コンタクト層１１が形成されている。上部クラッド層１０上は、凸部の頂面上に位置する上部コンタクト層１１を除いて絶縁層１２で被覆されており、上部コンタクト層１１の上部表面にはＹ方向に延びた上部電極１３が接触している。上部電極１３はＹ方向に沿って上部コンタクト層１１に接触しつつ絶縁層１２上に位置する。下部コンタクト層４は、Ｚ方向に垂直な露出面を有しており、この露出面上に下部電極１４が接触している。

各要素の材料／厚みの好適範囲／導電型／キャリア濃度の好適範囲は以下の通りである。
下部コンタクト層4:AlGaN/1〜5μm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
下部クラット゛層5:AlGaN/ 0.2〜1.5μm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
下部カ゛イト゛層6:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
活性層7:AlGaN井戸層/1〜5nm/I型
活性層7:AlGaN障壁層/1〜15nm/N型/3×10¹⁷〜3×10¹⁹cm^-3
キャリアフ゛ロック層8:AlGaN/5〜300nm/P(I)型/3×10¹⁶〜6×10¹⁷cm^-3
上部カ゛イト゛層9:AlGaN/ 0.05〜0.2μm/I型
上部クラット゛層10:AlGaN/0.2〜1.5μm/P型/3×10¹⁶〜3×10¹⁸cm^-3
上部コンタクト層11:AlGaN/5〜50nm/P型/5×10¹⁶〜5×10¹⁸cm^-3

この化合物半導体デバイスは発光素子であって、凹凸表面を有する第１化合物半導体層１と、凹凸表面の凹部の底面上（又は凸部Ｐの頂面１Ｐ：図７参照）上に立設した化合物半導体柱３と、化合物半導体柱が埋設されるよう凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層２と、凹部上に成長した電流通過領域ＡＣＴを有する第３化合物半導体層（活性層７）とを備えている。

この発光素子は、電流通過領域ＡＣＴの厚み方向（Ｚ方向）の上下に設けられた２つのクラッド層５，１０と、凹部Ｄの長手方向（Ｙ方向）に沿って延びており電流通過領域ＡＣＴに電流を注入するための上部電極１３とを備えている。上部電極１３と下部電極１４との間に駆動電圧を印加すると、上部電極１３直下のコンタクト層１１、上部クラッド層１０、上部ガイド層９、キャリアブロック層８、活性層７、下部ガイド層６、下部クラッド層５を介してコンタクト層４に電流が流れ、コンタクト層４を介して下部電極１４に流れる。

上部電極１３と下部電極１４とはＸ方向に沿って離隔している。また、凹部Ｄ上の低欠陥領域ＬＲ凹部の中心線ＣＬを含む領域には欠陥が集まるため、電流通過領域とならないように、活性層７内の電流通過領域ＡＣＴは中心線ＣＬのＸ方向位置よりも上部電極１３側にシフトさせる。活性層７内の電流通過領域ＡＣＴは、活性領域を構成しており、凹部Ｄ上の低欠陥領域ＬＲ内に位置する。上部電極１３から電流通過領域ＡＣＴに注入された電流に応じて、電流通過領域ＡＣＴは発光し、上下方向の発光と注入されたキャリアは上下の２つのクラッド層５，１０間に閉じ込められる。この化合物半導体デバイスは発光素子として機能する。電流通過領域ＡＣＴは凹部Ｄ上の低欠陥領域ＬＲ内に位置するため、結晶性が高く、したがって、発光素子の発光効率は改善する。

上述のように、化合物半導体デバイスは、電流通過領域ＡＣＴを含んでおり、この領域の結晶性が改善されることで、当該領域内を効率的に電流が通過することとなる。化合物半導体デバイスの種類は様々であるが、発光素子の場合には、電流通過領域ＡＣＴは、電流注入用の上部電極１３から導入される活性領域（発光領域）となる。受光素子の場合には、光電変換領域が電流通過領域となる。他の化合物半導体デバイス、例えば、ＭＥＳＦＥＴの場合には、ゲート電極直下のチャネル領域が電流通過領域となる。また、素子によっては高欠陥領域を電流が通過する場合もある。

図４は、図１に示した化合物半導体基板１００の製造方法を説明するための図である。

化合物半導体基板の製造における結晶成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いる。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ_３）、アルミニウム（Ａｌ）原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いる。キャリアガスとして、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を用いる。すなわち、ＧａＮの成長には、ＴＭＧａとＮＨ_３を原料として用い、ＡｌＧａＮの成長にはＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＮＨ_３を原料として用いる。なお、本例では、結晶成長にＭＯＣＶＤ法を用いるが、本発明はこれに限定されるものではなく、分子線成長法（ＭＢＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いることも可能である。

以下、諸説する。
（Ｉ）第１化合物半導体層の形成

下地となる基板１１０にはサファイア（０００１）を用いた。基板をＭＯＣＶＤ成長装置に導入後、水素雰囲気中で、１０５０℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。

その後、図４（ａ）に示すように、基板温度を４７５℃に降温し、基板１１０上にＧａＮからなるバッファ層１１１を厚さが２５ｎｍになるまで堆積する。なお、成長圧力は常圧（１.０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａの供給量は４６μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量は５ＳＬＭとした。

ＧａＮからなるバッファ層１１１の堆積後、基板を１０７５℃まで昇温し、バッファ層１１１上にＧａＮからなる第１化合物半導体層１を、厚さが約４μｍになるまで成長させる。なお、第１化合物半導体層１の成長圧力は常圧（１.０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａの供給量は９２μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は８ＳＬＭとした。
（ＩＩ）マスク形成

次に、図４（ｂ）に示すように、サファイア(０００１)上に第１化合物半導体層１を成長した基板を成長装置から取り出し、これをプラズマＣＶＤ装置に導入して、第１化合物半導体層１上に絶縁層（ＳｉＯ_２）１５を、厚さが３００ｎｍになるまで堆積する。絶縁層１５の成膜条件は、温度４００℃、圧力９３Ｐａ（０．７Ｔｏｒｒ）、シラン（ＳｉＨ_４）流量１０ＳＣＣＭ、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）供給量３５０ＳＣＣＭ、アルゴン（Ａｒ）流量１８０ＳＣＣＭとした。

なお、本例では、絶縁層１５の堆積にプラズマＣＶＤを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子線（ＥＢ）蒸着法やスパッタ法などを用いても構わない。

次に、絶縁層１５の堆積後、フォトリソグラフィにより周期ストライプ（矩形開口）にパターニングしたフォトレジストマスクを形成する。ストライプの長手方向はサファイア基板１１０の［１１-２０］方向（ＧａＮ結晶の［１-１００］方向（Ｙ方向：図２参照））である。ストライプの幅（Ｘ方向）は１４μｍ、周期は２８μｍである。

しかる後、図４（ｃ）に示すように、周期的に位置するストライプ状の開口を有するようにパターニングしたレジストをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて絶縁層１５をドライエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー１５０Ｗ、５．３Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）、ＣＦ_４流量４５ＳＣＣＭ、酸素（Ｏ_２）流量５ＳＣＣＭとして、第１化合物半導体層１の表面に到達するまでエッチングを行う。その後、マスクとして用いたレジストを有機溶剤および酸素プラズマ処理をすることで除去して、Ｘ方向に沿って周期的に位置するストライプ状の開口を複数有するパターンを備える絶縁層１５に形成した。

なお、本例では、絶縁層１５のエッチングに反応性イオンエッチングを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、バッファード弗酸（ＢＨＦ）などの弗酸系溶液などを用いてエッチングを行うこともできる。
（ＩＩＩ）凹部及び化合物半導体柱の形成

次に、図４（ｄ）に示すように、形成した周期ストライプパターンの絶縁層１５をマスクとして、第１化合物半導体層１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いてドライエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー２８０Ｗ、圧力４．０Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）、塩素（Ｃｌ_２）流量５ＳＣＣＭ、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）流量２０ＳＣＣＭとして、第１化合物半導体層１を表面から約２μｍの深さまでエッチングする。なお、このときのエッチ面の化合物半導体柱３のＸＹ平面内の密度（個数／ｃｍ^２）は約５×１０^６ｃｍ^−２程度である。エッチング後、図４（ｅ）に示すように、バッファード弗酸（ＢＨＦ）溶液中で、マスクとして用いた絶縁層１５をエッチングして除去する。

本例では、ＧａＮのエッチングに反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）やＩＣＰドライエッチングなどのドライエッチングを用いることもできる。
（ＩＶ）第２化合物半導体層の形成

次に、凹凸加工を施した基板をＭＯＣＶＤ成長装置に再び導入し、水素およびアンモニア雰囲気中で１０７５℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。基板表面の清浄化を行った後、基板温度を５５０℃に降温し、図４（ｆ）に示すように、低温でＡｌＮからなる中間層２ａを、厚さが１０ｎｍになるまで成長させる。成長圧力は常圧（１.０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＡｌの供給量は４６μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量は５ＳＬＭとした。

ＡｌＮからなる中間層２ａの成長後、基板温度を１１２５℃に昇温し、ＡｌＧａＮからなるクラック防止層（Ａｌ組成比約６０％）２ｂを厚さ１２０ｎｍになるまで成長させた。成長圧力は１.０１３×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの混合気体の供給量は４６μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量は１ＳＬＭとした。

その後、図４（ｇ）に示すように、基板温度１１２５℃で結晶層２ｃ（ＡｌＧａＮ：Ａｌ組成比１２％）を厚さ８.４μｍ（平坦基板上の成長膜厚に換算）になるまで成長して、表面の平坦化を行った。成長圧力は１.０１３×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの混合気体の供給量は９２μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は３ＳＬＭとした。

なお、化合物半導体基板１００を用いたレーザ構造（図３参照）の形成についても説明しておく。

上述のように、ＡｌＧａＮからなる第２化合物半導体層２の埋め込み成長を行った後、レーザ構造の成長を行う。まず、Ｎ型の下部コンタクト層４として、基板温度１１２５℃でＳｉドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％）からなる下部コンタクト層４を化合物半導体基板１００上に厚さが２．８μｍになるまで成長させた。成長圧力は１.０１３×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの混合気体の供給量は９２μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量は５ＳＬＭとした。Ｓｉの濃度は約２×１０^１８／ｃｍ^３とした。なお、Ｓｉドーピングの原料にはシラン（ＳｉＨ_４）を用いた。

次に、基板温度を１０７５℃とし、Ｎ型の下部クラッド層５としてＳｉドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％、Ｓｉ濃度は約１．５×１０^１８／ｃｍ^３）を厚さが０.６μｍになるまで成長させた。次に、Ｎ型の下部ガイド層６として、ＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比５％）を厚さが０．１２μｍになるまで成長させた。しかる後、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造を有する活性層７を成長させ、続いて、キャリアブロック層８としてＭｇドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比４０％）を厚さが２０ｎｍになるまで成長させた。しかる後、Ｐ型の上部ガイド層９としてＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比５％）を厚さが０．１２μｍになるまで成長させ、次に、Ｐ型の上部クラッド層１０としてＭｇドープのＡｌＧａＮ（Ａｌ組成比１２％、Ｍｇ濃度は約３×１０^１９／ｃｍ^３）を厚さが０．５μｍになるまで成長させた。

成長圧力は４．０×１０^４Ｐａで、ＴＭＡｌとＴＭＧａの混合気体の供給量は２３〜４６μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は３ＳＬＭとした。なお、Ｍｇドーピングには、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）を用いた。

ＡｌＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造の活性層７における、ＧａＮの井戸層は３ｎｍ、ＡｌＧａＮの障壁層（Ａｌ組成比１５％）は８ｎｍであり、井戸数は３とした。また、ＡｌＧａＮ障壁層にのみＳｉをドーピングした。

最後に、Ｐ型の上部コンタクト層１１として、常圧（１.０１３×１０^５Ｐａ）、基板温度１０７５℃でＭｇドープのＧａＮ層を厚さが１５ｎｍになるまで成長させた。

レーザ素子は、ストライプ幅２μｍのリッジ構造とした。リッジ構造は、フォトリソグラフィ技術により、低欠陥領域ＬＲ上に電極１３と上部コンタクト層１１との接触領域を形成した。本手法では、低欠陥領域ＬＲと高欠陥領域（凸部Ｐ上の領域）を容易に識別できるため、精度良く位置合わせをすることができた。

なお、本例で示した結晶成長方法および条件、プロセス方法および条件は、レーザ構造など一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。

図５は、上述の製造方法において製造した化合物半導体基板の中間体（図４（ｄ）の状態）の電子顕微鏡写真である。

凹部の底面から延びた複数の化合物半導体柱３が観察できる。化合物半導体柱３の先端部は尖っており、針状突起を構成できることが分かる。

なお、化合物半導体柱３の密度は、エッチング条件（ＲＦパワー、ガス種、ガス流量、圧力など）やマスク材料を調整することで制御することが可能である。

図６に、Ｃｌ_２の流量に対する化合物半導体柱の密度の依存性を一例として示す。これにより、化合物半導体柱３の密度はＣｌ_２流量に大きく依存しており、Ｃｌ_２流量の増加とともに化合物半導体柱３の密度が増加していることが分かる。

経験的に、化合物半導体柱３の密度は約５×１０^６ｃｍ^−２以上が必要である。この場合には、凹部または凸部のストライプ幅は数μｍ〜数十μｍであり、１０μｍ^２の領域に少なくとも数個のピラーが存在することで、凹凸領域の弁別が容易となるという効果がある。

また、化合物半導体柱３が残留して形成される所定条件は、ＲＩＥ法の場合、以下の通りである。
＊マスク材料：ＳｉＯ_２、（Ｎｉなど）
＊第1化合物半導体層の材料：ＧａＮ
＊ガス種：Ｃｌ_２、ＳｉＣｌ_４、（Ａｒ添加しても良い）
＊塩素流量：Ｃｌ_２：５〜２０ＳＣＣＭ、ＳｉＣｌ_４：２０ＳＣＣＭ
＊ＲＦパワー：５０〜３００Ｗ
＊圧力：０．１〜２０Ｐａ

なお、塩素でエッチングされる第1化合物半導体層の材料としては、ＧａＮの他、ＡｌＧａＮなどのＧａＮ系の窒化物半導体を採用することもでき、塩素の流量は２．５ＳＣＣＭよりも大きく、シラン系ガスの流量は適宜設定することができる。

以上、説明したように、上記実施の形態に係る化合物半導体基板の製造方法は、第１化合物半導体層１上にストライプ状の開口を有するマスク（絶縁層）１５を形成する工程（図４（ｃ））と、マスク１５を介して第１化合物半導体層１を所定条件でドライエッチングし、凹凸表面の凹部Ｄの底面Ｄ１上に化合物半導体柱３を残留させる工程（図４（ｄ））と、化合物半導体柱３が埋設されるよう凹凸表面上に第２化合物半導体層２を形成する工程（図４（ｆ）、図４（ｇ））とを備えることを特徴とする。

この製造方法によれば、凹凸表面上に第２化合物半導体層２を形成する場合、凹部Ｄ内では横方向に第２化合物半導体層２が成長するため、転位等の欠陥が横方向に曲げられ、第２化合物半導体層２内の欠陥密度を低減させることができる。また、凹部Ｄの底面上には反応性イオンエッチングで残留した化合物半導体柱３が形成されているため、第２化合物半導体層２を介して化合物半導体柱３を顕微鏡などで確認することができる。

上述のように、この低欠陥領域上に素子の電流通過領域が位置するようにマスクを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて電流通過領域を形成する場合、電流通過領域の結晶性は、下地となる凹部内の第２化合物半導体層の結晶性に依存するため、凹部上に位置する電流通過領域の結晶性は改善され、特性劣化が抑制された素子を形成することができる。

図７は、第2の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。

本実施形態の化合物半導体基板１００は、図１に示したものと化合物半導体柱３の形成位置のみが異なる。

化合物半導体基板１００は、下地基板１１０上にバッファ層１１１を介して形成された第１化合物半導体層１を備えている。第１化合物半導体層１は凹凸表面を有している。化合物半導体基板１００は、第１化合物半導体層１の凹凸表面の凸部Ｐの頂面１Ｐ上に立設した複数の化合物半導体柱３と、化合物半導体柱３が埋設されるよう凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層２とを備えている。

第２化合物半導体層２は、凹凸表面上に順次積層された中間層２ａ、クラック防止層２ｂ及び結晶層２ｃからなる。

第１化合物半導体層１の凹凸表面上に、第２化合物半導体層２を成長させる場合、凹部Ｄ上で第２化合物半導体層２は、横方向へ成長する。この横方向の埋め込み成長の過程においては、転位等の欠陥が横方向に曲げられるため、第２化合物半導体層２内の欠陥密度は低減する。凸部Ｐの頂面１Ｐ上には、化合物半導体柱３が立設して形成されているため、第２化合物半導体層２を介して化合物半導体柱３を顕微鏡などで確認することができる。

図８は、図７に示した化合物半導体基板１００の平面図である。

なお、上部の第２化合物半導体層２は記載を省略してあるが、第２化合物半導体層２を記載した場合においても、化合物半導体柱３は第２化合物半導体層２を透視して観察することができる。すなわち、化合物半導体柱３の形成されている頂面１Ｐの位置を識別することができる。

頂面１Ｐを有する凸部Ｐ内に化合物半導体柱３が形成されている場合、化合物半導体柱３の形成領域の間の領域（凹部Ｄ）内では欠陥密度が小さいため、この低欠陥領域上に素子の電流通過領域が位置するようにマスクを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて電流通過領域（図３の領域ＡＣＴ）を形成する。例えば、凸部ＰはＸＹＺ三次元座標系のＹ方向に延びている。この時、化合物半導体基板１００の第２化合物半導体層２上に成長させる半導体層が不透明層である場合は、予め第２化合物半導体層２から観察される凸部Ｐをイメージセンサで撮像し、凸部Ｐの画像間に位置する凹部Ｄの二次元位置を記憶装置内に記憶する。

しかる後、複数の半導体層を第２化合物半導体層２上に順次成長させた後、最上層の半導体層上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術によって、フォトレジストの特定領域を開口する。この特定領域は、第２化合物半導体層２上に成長させた半導体層が透明であった場合、凸部Ｐおよび凹部Ｄの二次元位置を顕微鏡などで直接確認することができ、第２化合物半導体層２上に成長させる半導体層が不透明層であった場合、予め記憶装置内に記憶された凹部Ｄの二次元位置を含むものである。この開口内に電極を形成すると、電極下の半導体層の領域に電流を流すことができる。この電流通過領域の結晶性は、下地となる凹部内の第２化合物半導体層２の結晶性に依存するため、凹部Ｄ上に位置する電流通過領域の結晶性は改善され、特性劣化が抑制された素子が形成できる。

図９及び図１０は、図８に示した化合物半導体基板１００の製造方法を説明するための図である。

化合物半導体基板の製造における結晶成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いる。ガリウム（Ｇａ）原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、窒素（Ｎ）原料にはアンモニア（ＮＨ_３）、アルミニウム（Ａｌ）原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を用いる。キャリアガスとして、水素（Ｈ_２）および窒素（Ｎ_２）を用いる。すなわち、ＧａＮの成長には、ＴＭＧａとＮＨ_３を原料として用い、ＡｌＧａＮの成長にはＴＭＡ、ＴＭＧａ、ＮＨ_３を原料として用いる。なお、本例では、結晶成長にＭＯＣＶＤ法を用いるが、本発明はこれに限定されるものではなく、分子線成長法（ＭＢＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いることも可能である。

以下、諸説する。
（Ｉ）第１化合物半導体層の形成

下地となる基板１１０にはサファイア（０００１）を用いた。基板をＭＯＣＶＤ成長装置に導入後、水素雰囲気中で、１０５０℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。

その後、図９（ａ）に示すように、基板温度を４７５℃に降温し、基板１１０上にＧａＮからなるバッファ層１１１を２５ｎｍ堆積する。なお、成長圧力は常圧（１.０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａ供給量は４６μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量は５ＳＬＭとした。

ＧａＮからなるバッファ層１１１を基板１１０上に堆積後、１０７５℃まで昇温し、続いて、ＧａＮからなる第１化合物半導体層１をバッファ層１１１上に約６μｍ成長させる。なお、成長圧力は常圧（１.０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＧａの供給量は９２μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は８ＳＬＭとした。

本例では、結晶成長に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、分子線成長法（ＭＢＥ）やハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）などを用いても構わない。
（ＩＩ）マスク形成

次に、図９（ｂ）に示すように、第１化合物半導体層１を成長した基板を成長装置から取り出し、プラズマＣＶＤ装置に導入して、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１６を第１化合物半導体層１上に厚さ３００ｎｍになるまで堆積する。成膜条件は、温度４００℃、圧力９３Ｐａ（０.７Ｔｏｒｒ）、シラン（ＳｉＨ_４）流量１０ＳＣＣＭ、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）供給量３５０ＳＣＣＭ、アルゴン（Ａｒ）流量１８０ＳＣＣＭとした。

本例では、絶縁層１６の堆積にプラズマＣＶＤを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、電子線（ＥＢ）蒸着法やスパッタ法などを用いても構わない。

絶縁層１６の堆積後、フォトリソグラフィにより周期ストライプにパターニングしたフォトレジストマスクを絶縁層１６上に形成する。ストライプ方向はサファイアからなる基板１１０の［１１-２０］方向（第１化合物半導体層１を構成するＧａＮの［１-１００］方向）である。ストライプの幅は１４μｍ、周期は２８μｍである。

しかる後、図９（ｃ）に示すように、周期ストライプにパターニングしたレジストをマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、絶縁層１６をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー１５０Ｗ、圧力５．３Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）、ＣＦ_４流量４５ＳＣＣＭ、酸素（Ｏ_２）流量５ＳＣＣＭとして、第１化合物半導体層１の表面にまで到達するまで絶縁層１６のエッチングを行う。その後、マスクとして用いたレジストを有機溶剤および酸素プラズマ処理をすることで除去して、Ｘ方向に沿って周期的に位置するストライプ状の開口を複数有するパターンを絶縁層１６に形成した。

本例では、ＳｉＯ_２のエッチングに反応性イオンエッチングを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、バッファード弗酸（ＢＨＦ）などの弗酸系溶液などを用いることもできる。
（ＩＩＩ）凹部の形成

図９（ｄ）に示すように、形成した絶縁層１６の周期ストライプパターンをマスクとして、ＧａＮからなる第１化合物半導体層１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて一般的な条件で平滑にドライエッチングする

本例では、ＧａＮのエッチングに反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）やＩＣＰドライエッチングなどのドライエッチングを用いることもできる。

図９（ｅ）に示すように、第１化合物半導体層１のエッチング後、バッファード弗酸（ＢＨＦ）溶液中で、マスクとして用いた絶縁層１６をエッチングして除去する。

次に、図９（ｆ）に示すように、第１化合物半導体層１の周期ストライプ構造を形成した基板を、再びプラズマＣＶＤ装置に導入して、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１７を第１化合物半導体層１上に厚さ３００ｎｍになるまで堆積する。成膜条件は、温度４００℃、圧力９３Ｐａ（０.７Ｔｏｒｒ）、シラン（ＳｉＨ_４）流量１０ＳＣＣＭ、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）供給量３５０ＳＣＣＭ、アルゴン（Ａｒ）流量１８０ＳＣＣＭとした。

その後、フォトリソグラフィにより周期ストライプ構造の溝領域（凹部の底面１Ｄ）上にのみにレジストが残るようにパターニングした。パターニングしたレジストをマスクとして、図１０（ｇ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて、絶縁層１７をエッチングする。エッチング条件としては、ＲＦパワー１５０Ｗ、圧力５．３Ｐａ（４０ｍＴｏｒｒ）、ＣＦ_４流量４５ＳＣＣＭ、酸素（Ｏ_２）流量５ＳＣＣＭとして、第１化合物半導体層１の表面に到達するまで凸部Ｐ上の絶縁層１７をエッチングする。その後、マスクとして用いたレジストを有機溶剤および酸素プラズマ処理をすることで除去して、Ｘ方向に沿って周期的に位置するストライプ状の複数の開口を有するパターンを絶縁層１６内に形成した。

なお、化合物半導体柱３が形成されないように平坦に結晶層をエッチングするためには、図６に示したように、塩素の流量を２．５ＳＣＣＭ以下とする。

本例では、絶縁層１７のエッチングに反応性イオンエッチングを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、バッファード弗酸（ＢＨＦ）などの弗酸系溶液などを用いても構わない。
（ＩＶ）化合物半導体柱の形成

しかる後、図１０（ｈ）に示すように、形成した絶縁層１７の周期ストライプパターンをマスクとして、ＧａＮからなる第１化合物半導体層１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いてドライエッチングし、ＧａＮからなる複数の化合物半導体柱３を残留させて形成する。化合物半導体柱３の形成条件としては、ＲＦパワー２８０Ｗ、圧力４．０Ｐａ（３０ｍＴｏｒｒ）、塩素（Ｃｌ_２）流量５ＳＣＣＭ、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）流量２０ＳＣＣＭとした。なお、このときの化合物半導体柱３の密度（個数／ｃｍ^２）は約５×１０^６／ｃｍ^２程度である。エッチング後、図１０（ｉ）に示すように、バッファード弗酸（ＢＨＦ）溶液中で、マスクとして用いた絶縁層１７をエッチングする。

なお、化合物半導体柱３の密度は、エッチング条件（ＲＦパワー、ガス種、ガス流量、圧力、など）やマスク材料を調整することで制御することが可能である。Ｃｌ_２流量に対する化合物半導体柱３の密度の依存性は図６に示した通りである。
（Ｖ）第２化合物半導体柱の形成

次に、凹凸加工を施した基板をＭＯＣＶＤ成長装置に再び導入し、水素およびアンモニア雰囲気中で１０７５℃で５分間熱処理を行い、基板表面の清浄化を行う。基板表面の清浄化を行った後、基板温度を５５０℃に降温し、図１０（ｊ）に示すように、ＡｌＮからなる中間層２ａを低温で厚さ１０ｎｍになるまで成長させる。成長圧力は常圧（１.０１３×１０^５Ｐａ）であり、ＴＭＡｌ供給量は４６μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。

ＡｌＮからなる中間層２ａの成長後、基板温度を１１２５℃に昇温し、クラック防止層（ＡｌＧａＮ：Ａｌ組成比約６０％）２ｂを厚さ１２０ｎｍになるまで成長させた。成長圧力は１.０１３×１０^４Ｐａ（７６Ｔｏｒｒ）で、ＴＭＡｌとＴＭＧａの混合気体の供給量は４６μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は５ＳＬＭとした。

その後、図１０（ｋ）に示すように、基板温度１１２５℃で結晶層２ｃ（ＡｌＧａＮ：Ａｌ組成比１２％）を厚さ８.４μｍ（平坦基板上の成長膜厚に換算）になるまで成長して、表面の平坦化を行った。成長圧力は１.０１３×１０^４Ｐａであり、ＴＭＡｌとＴＭＧａの混合気体の供給量は９２μｍｏｌ/ｍｉｎ、ＮＨ_３供給量は３ＳＬＭとした。

以上、説明したように、第２実施形態に係る化合物半導体基板の製造方法は、凹凸表面の凸部Ｐの頂面１Ｐ上に化合物半導体柱３を形成するものである。この製造方法は、第１化合物半導体層１上にストライプ状の開口を有する絶縁層１６（第１マスク）を形成する工程（図９（ｃ））と、絶縁層１６を介して第１化合物半導体層１をエッチングする工程（図９（ｄ））と、絶縁層１６を除去する工程（図９（ｅ））と、凹凸表面の凹部Ｄの底面１Ｄを覆い凸部Ｐの頂面が露出した絶縁層１７（第２マスク）を形成する工程（図１０（ｆ），図１０（ｇ））と、絶縁層１７を介して第１化合物半導体層１を所定条件でドライエッチングし、凹凸表面の凸部Ｐの頂面１Ｐ上に化合物半導体柱３を残留させる工程（図１０（ｈ）と、絶縁層１７を除去する工程（図１０（ｉ））と、絶縁層１７の除去後に、化合物半導体柱３が埋設されるよう凹凸表面上に第２化合物半導体層２を形成する工程（図１０（ｊ），図１０（ｋ））とを備えている。

この製造方法においても、凹部Ｄ内では横方向に第２化合物半導体層２が成長するため、転位等の欠陥が横方向に曲げられ、第２化合物半導体層２内の欠陥密度を低減させることができる。また、凸部Ｐの頂面１Ｐ上には反応性イオンエッチングで残留した化合物半導体柱３が形成されているため、第２化合物半導体層２を介して化合物半導体柱３を顕微鏡などで確認することができる。

この低欠陥領域上に素子の電流通過領域が位置するようにマスクを形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて電流通過領域を形成する場合、電流通過領域の結晶性は、下地となる凹部Ｄ内の第２化合物半導体層２の結晶性に依存するため、凹部Ｄ上に位置する電流通過領域の結晶性は改善され、特性劣化が抑制された素子が形成できる。

なお、第１化合物半導体層１、第２化合物半導体層２及び化合物半導体柱３の好適な材料は上述の通りである。また、下地基板１１０はサファイアだけでなく、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）等の基板や、ＧａＮ等の窒化化合物半導体を用いることができる。また、凹凸表面の形状はストライプ以外の形状であってもよい。

図１１は、第３の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。

本実施形態の化合物半導体基板１００は、図１に示したものと凹部Ｄの深さ及び化合物半導体柱３が形成される深さのみが異なる。化合物半導体柱３は、下地基板１１０の表面上に立設している。換言すれば、凹部形成用のエッチング時間は第1の実施形態の時のエッチング時間よりも長く、このときの塩素流量は第1の実施形態の製造方法と同様に大きく、化合物半導体柱３が形成されつつ、凹部Ｄの最深部が下地基板１１０の表面に到達するまでエッチングが行われる。

化合物半導体基板１００は、下地基板１１０上にバッファ層１１１を介して形成された第１化合物半導体層１を備えている。第１化合物半導体層１は凹凸表面を有している。化合物半導体基板１００は、第１化合物半導体層１の凹凸表面の凹部Ｄの底面１Ｄ上に立設した複数の化合物半導体柱３と、化合物半導体柱３が埋設されるよう凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層２とを備えている。

第２化合物半導体層２は、凹凸表面上に順次積層された中間層２ａ、クラック防止層２ｂ及び結晶層２ｃからなる。

第１化合物半導体層１の凹凸表面上に、第２化合物半導体層２を成長させる場合、凹部上で第２化合物半導体層２は、横方向へ成長する。この横方向の埋め込み成長の過程においては、転位等の欠陥が横方向に曲げられるため、第２化合物半導体層２内の欠陥密度は低減する。凹部Ｄの底面１Ｄ上には、化合物半導体柱３が立設して形成されているため、第２化合物半導体層２を介して化合物半導体柱３を顕微鏡などで確認することができる。

図１２は、第４の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。

本実施形態の化合物半導体基板１００は、図７に示したものと凹部Ｄの深さのみが異なる。凹部形成用のエッチング時間は第２の実施形態の時のエッチング時間よりも長く、このときの塩素流量は第2の実施形態の製造方法と同様に小さく（２．５ＳＣＣＭ以下）、凹部Ｄの最深部が下地基板１１０の表面に到達して底面１Ｄが平滑になるまでエッチングが行われる。

化合物半導体基板１００は、下地基板１１０上にバッファ層１１１を介して形成された第１化合物半導体層１を備えている。第１化合物半導体層１は凹凸表面を有している。化合物半導体基板１００は、第１化合物半導体層１の凹凸表面の凸部Ｐの頂面１Ｐ上に立設した複数の化合物半導体柱３と、化合物半導体柱３が埋設されるよう凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層２とを備えている。

第２化合物半導体層２は、凹凸表面上に順次積層された中間層２ａ、クラック防止層２ｂ及び結晶層２ｃからなる。

第１化合物半導体層１の凹凸表面上に、第２化合物半導体層２を成長させる場合、凹部上で第２化合物半導体層２は、横方向へ成長する。この横方向の埋め込み成長の過程においては、転位等の欠陥が横方向に曲げられるため、第２化合物半導体層２内の欠陥密度は低減する。凸部Ｐの頂面１Ｐ上には、化合物半導体柱３が立設して形成されているため、第２化合物半導体層２を介して化合物半導体柱３を顕微鏡などで確認することができる。

図１３は、第５の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。

本実施形態の化合物半導体基板１００は、図１に示したものと比較して、基板１１０を用いていない点のみが異なる。この場合、化合物半導体基板１００は、第1化合物半導体層１を下地基板として用い、各層の成長を行う。

図１４は、第６の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。

本実施形態の化合物半導体基板１００は、図７に示したものと比較して、基板１１０を用いていない点のみが異なる。この場合、化合物半導体基板１００は、第1化合物半導体層１を下地基板として用い、各層の成長を行う。

以上の各実施形態に係る化合物半導体基板１００は、その上に上記レーザ構造を形成することができる。

なお、本発明は、上述の好適例に限定されるものでなく様々な変形が可能である。例えば、半導体デバイスとしてレーザダイオードの他に、発光ダイオードを採用することも可能であり、第２化合物半導体層或いはその上に形成された化合物半導体層内にＰ型及びＮ型の不純物を添加し、それぞれの導電型の半導体層に電極を接続すればホトダイオードとして機能する。また、光の入射に応答して電子を発生する化合物半導体光電陰極に利用することも可能である。

第1の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。 図１に示した化合物半導体基板１００の平面図である。 図１に示した化合物半導体基板１００を用いた化合物半導体デバイスの縦断面図である。 図１に示した化合物半導体基板１００の製造方法を説明するための図である。 化合物半導体基板の中間体（図４（ｄ）の状態）の電子顕微鏡写真の図である。 Ｃｌ_２の流量に対する化合物半導体柱の密度の関係を示すグラフである。 第2の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。 図７に示した化合物半導体基板１００の平面図である。 図８に示した化合物半導体基板１００の製造方法を説明するための図である。 図８に示した化合物半導体基板１００の製造方法を説明するための図である。 第３の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。 第４の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。 第５の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。 第６の実施形態に係る化合物半導体基板１００の縦断面図である。

符号の説明

１００…化合物半導体基板、１１０…下地基板、１１１…バッファ層、１…化合物半導体層、１Ｐ…頂面、１Ｄ…底面、２ｂ…・クラック防止層、２ｃ…・結晶層、２ａ…・中間層、２…第２化合物半導体層、３…化合物半導体柱、４…下部コンタクト層、５…下部クラッド層、６…下部ガイド層、７…活性層、８…キャリアブロック層、９…上部ガイド層、１０…上部クラッド層、１１…上部コンタクト層、１２…絶縁層、１３…上部電極、１４…下部電極、１５…絶縁層、１６…絶縁層、１７…絶縁層、ＡＣＴ…電流通過領域、D…凹部、Ｄ１…底面、ＬＲ…低欠陥領域、Ｐ…凸部、Ｐ１…頂面。

Claims (11)

1. 化合物半導体基板において、
   凹凸表面を有する第１化合物半導体層と、
   前記凹凸表面の凹部の底面上又は凸部の頂面上に立設した１つの材料からなる化合物半導体柱と、
   前記化合物半導体柱が埋設されるよう前記凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層と、を備え、
   前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層及び前記化合物半導体柱は、窒化化合物半導体からなり、
   前記第１化合物半導体層は、ＧａＮからなり、
   前記第２化合物半導体層は、ＡｌＮ系化合物半導体からなる、
   ことを特徴とする化合物半導体基板。
2. 前記化合物半導体柱は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
3. 請求項１又は２に記載の化合物半導体基板を製造する化合物半導体基板の製造方法において、
   前記凹凸表面形成前の前記第１化合物半導体層上にストライプ状の開口を有するマスクを形成する工程と、
   前記マスクを介して前記第１化合物半導体層を所定条件でドライエッチングして前記凹凸表面を形成すると共に、前記凹凸表面の凹部の底面上に１つの材料からなる化合物半導体柱を残留させる工程と、
   前記化合物半導体柱が埋設されるよう前記凹凸表面上に前記第２化合物半導体層を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
4. 化合物半導体デバイスにおいて、
   凹凸表面を有する第１化合物半導体層と、
   前記凹凸表面の凹部の底面上又は凸部の頂面上に立設した１つの材料からなる化合物半導体柱と、
   前記化合物半導体柱が埋設されるよう前記凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層と、
   前記凹部上に成長し、電流通過領域を有する第３化合物半導体層と、
   を備え、
   前記電流通過領域の厚み方向の上下に設けられた２つのクラッド層と、
   前記凹部の長手方向に沿って延びており前記電流通過領域に電流を注入するための電極と、
   を更に備えることを特徴とする化合物半導体デバイス。
5. 前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層及び前記化合物半導体柱は、窒化化合物半導体からなることを特徴とする請求項４に記載の化合物半導体デバイス。
6. 前記第１化合物半導体層は、ＧａＮからなることを特徴とする請求項４又は５に記載の化合物半導体デバイス。
7. 前記第２化合物半導体層は、ＡｌＮ系化合物半導体からなることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の化合物半導体デバイス。
8. 前記化合物半導体柱は、ＧａＮからなることを特徴とする４乃至７のいずれか１項に記載の化合物半導体デバイス。
9. 化合物半導体基板の製造方法において、
   第１化合物半導体層上にストライプ状の開口を有する第１マスクを形成する工程と、
   前記第１マスクを介して前記第１化合物半導体層をエッチングして凹凸表面を形成する工程と、
   前記第１マスクを除去する工程と、
   前記凹凸表面の凹部の底面を覆い凸部の頂面が露出した第２マスクを形成する工程と、
   前記第２マスクを介して第１化合物半導体層を所定条件でドライエッチングし、前記凹凸表面の凸部の頂面上に１つの材料からなる化合物半導体柱を残留させる工程と、
   前記第２マスクを除去する工程と、
   前記第２マスクの除去後に、前記化合物半導体柱が埋設されるよう前記凹凸表面上に第２化合物半導体層を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
10. 化合物半導体デバイスにおいて、
    凹凸表面を有する第１化合物半導体層と、
    前記凹凸表面の凹部の底面上又は凸部の頂面上に立設した１つの材料からなる化合物半導体柱と、
    前記化合物半導体柱が埋設されるよう前記凹凸表面上に形成された第２化合物半導体層と、
    前記凹部上に成長し、活性層としての電流通過領域を有する第３化合物半導体層と、
    を備えることを特徴とする化合物半導体デバイス。
11. 前記第１化合物半導体層、前記第２化合物半導体層及び前記化合物半導体柱は、窒化化合物半導体からなることを特徴とする請求項１０に記載の化合物半導体デバイス。
    

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