JP4900254B2 - 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を作製する方法、及びエピタキシャルウエハに関する。

特許文献１には、高出力発振下においても高い信頼性を示し５５０ｎｍ付近までの長波長化を実現する短波長半導体発光装置が記載されている。この半導体発光装置を形成するために、厚さ２０ｎｍ程度のＧａＮバッファ層をＣ面サファイア基板上に形成して、この後に、厚さ２μm程度のＧａＮ層を成長する。このＧａＮ層上に、パターン形成されたＳｉＯ_２層を形成する。この後に、厚さ２０μm程度のＩｎＧａＮを選択成長する。
特開２０００−２９９５３０号公報

発明者らの知見によれば、成長速度の速いＨＶＰＥ法によりＩｎＧａＮやＩｎＮを成長することが可能になってきており、ＩｎＧａＮやＩｎＮからなるバルク基板、或いは、ＩｎＧａＮやＩｎＮからなるテンプレートを利用できるようになってきた。

特許文献１では、ＩｎＧａＮ層の歪み低減するために、ＧａＮ上に形成されたＳｉＯ_２マスクを用いてＩｎＧａＮを横方向成長している。しかしながら、ＳｉＯ_２マスクの作製は煩雑である。上記のバルク基板或いはテンプレートを用いれば、特許文献１のようなマスク作成のためのフォトリソグラフィが不要になる。

バルク基板或いはテンプレートを用いるとき、エピタキシャル成長の初期の層には、結晶性の良い高温成長のＧａＮが望ましい。しかしながら、ＧａＮを堆積するとき、バルク基板表面及びテンプレート表面のＩｎＧａＮ（ＩｎＮ）がＧａＮの成長温度への昇温中に分解し、バルク基板及びテンプレート上にドロップレットを生じさせる。

ＩｎＧａＮ（ＩｎＮ）系半導体を用いることによって、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子が提供される。したがって、この作製のために、ドロップレットの発生を避けることが望まれている。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、ＩｎＧａＮ（ＩｎＮ）に起因するドロップレットの発生を避けて、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のため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し、またこのエピタキシャルウエハを提供することを目的とする。

本発明の一側面は、窒化物系半導体発光素子のための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）Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１≦１）からなる表面を有する基板上に、第１の温度でＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２≦１）層を成長する工程と、（ｂ）前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層上にＧａＮ層を第２の温度で成長する工程とを備える。前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層は前記基板の前記表面を覆っており、前記第１の温度は前記第２の温度よりも低い。

この発明によれば、良好な結晶品質のＧａＮ層を高温で成長するに先だって、低い温度でＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層を成長してＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ表面を覆う。故に、ＧａＮ層の成長に係る高温雰囲気においても、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解を避けることができ、ドロップレットを生じることがない。高温成長のＧａＮ層は、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム系半導体の引き続く成長のために良好な下地を提供する。

本発明に係る方法では、前記第１の温度は、摂氏５５０度以上摂氏８５０度以下であり、前記第２の温度は、摂氏９５０度以上摂氏１１５０度以下であることができる。

本発明に係る方法では、前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層の厚さは３ｎｍ以上であることが好ましい。この厚さのＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層によれば、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解を避けることができる。

本発明に係る方法では、前記ＧａＮの厚さは１００ｎｍ以上であることが好ましい。この厚さのＧａＮ層によれば、良好な結晶品質の下地層を提供できる。

本発明に係る方法では、成長炉に前記基板を配置した後に、前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層の成長に先立って、構成元素として少なくとも窒素を含むガスを該成長炉に流しながら前記第１の温度に前記基板の温度を上昇させる工程を更に備えることができる。前記ガスの水素分率は、ゼロ％以上５％以下であることが好ましい。この方法によれば、水素分率が５％以下であれば、水素雰囲気中によるＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ分解の促進が抑制される。

本発明に係る方法では、前記基板は、支持基体と、前記Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１≦１）からなる窒化物層とを含み、前記窒化物層は２０マイクロメートル以上であることが好ましい。この基板は、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための、インジウムを含む窒化物半導体層の成長に好適である。また、本発明に係る方法では、前記支持基体は、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＧａＡｓのいずれかの材料からなることができる。Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレートを用いて、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを提供できる。

本発明に係る方法では、前記基板はＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ基板であることができる。Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ表面はＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ基板によって提供される。バルクＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ基板を用いて、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製できる。

本発明に係る方法では、前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層はＡｌＧａＮからなることが好ましい。Ａｌ−Ｎ結合が強固なので、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解抑制作用が提供される。

本発明に係る方法では、前記ＧａＮ層上に活性層を成長する工程を更に備えることができる。この活性層は、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ表面上に形成される窒化ガリウム系半導体積層に含まれるので、長波長の窒化物系半導体発光素子のために好適である。

本発明に係る方法では、前記ＧａＮ層の成長の後であって前記活性層を成長する前に、ＩｎＧａＮ層を成長する工程を更に備えることができる。前記ＩｎＧａＮ層の厚さは前記ＧａＮ層の厚さより厚い。このＩｎＧａＮ層により、長波長の窒化物系半導体発光素子のために好適な活性層を成長できる。

本発明に係る方法では、前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層を成長するに先立って、ＨＶＰＥ法で前記Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなる窒化物厚膜を支持体上に堆積して、前記基板を作製する工程を更に備えることができる。前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層の成長は、ＨＶＰＥ法で行われ、前記ＧａＮ層の成長は、ＭＯＶＰＥ法で行われる。この方法によれば、ＨＶＰＥ法でＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなる窒化物厚膜を成長すると共に、その上にＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層を成長して、長波長の窒化物系半導体発光素子のための基板を形成する。このため、窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム系半導体を成長するも先だって、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層を成長することが不要になる。

本発明の別の側面は、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハである。このエピタキシャルウエハは、（ａ）Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１≦１）からなる基板と、（ｂ）前記基板の表面を覆うＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２≦１）層とを備える。或いは、このエピタキシャルウエハは、（ａ）支持基体と、（ｂ）前記支持基体上に設けられたＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１≦１）層と、（ｃ）前記Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ層の表面を覆うＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２≦１）層とを備える。前記支持基体は、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＧａＡｓのいずれかの材料からなる。このエピタキシャルウエハによれば、長波長の窒化物系半導体発光素子の作製に際して、ドロップレット等が発生することがない。

本発明に係るエピタキシャルウエハでは、前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎの厚さは３ｎｍ以上であることが好ましい。この厚さのＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層によれば、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解を避けることができる。

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、ＩｎＧａＮ（ＩｎＮ）に起因するドロップレットの発生を避けて、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。また、このエピタキシャルウエハが提供される。

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を作製する方法、及びエピタキシャルウエハ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。

図１は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の工程フローを示す図面である。図２は、図１本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。工程フロー１００を参照すると、工程Ｓ１０１では、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１≦１）からなる表面を有する基板１１を準備する。基板１１として、例えば、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレート及びＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎバルク基板等を用いることができる。バルクＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ基板及びＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレート等を用いて、窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製できる。好ましくは、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎは六方晶系結晶であり、基板１１の主面の法線は、Ｃ軸に実質的に直交するか、或いはＣ軸に対して僅かなオフ角で傾斜している。

図３は、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレートの構成例を示す図面である。図３（ａ）を参照すると、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレートの一例として基板１１ａが示されている。基板１１ａは、支持基体１３と、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなる最表面を有する窒化物層１５とを含む。支持基体１３は、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＧａＡｓ等のいずれかの材料からなることができる。支持基体１３上には、いわゆる低温ＧａＮ層１７ａを成長することが好ましく、窒化物層１５はＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなる。低温ＧａＮ層１７ａの成長温度は例えば摂氏５００度であり、膜厚は例えば２５ｎｍである。

図３（ｂ）を参照すると、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレートの一例として基板１１ｂが示されている。基板１１ｂは、基板１１ａと同様に、支持基体１３と、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなる最表面を有する窒化物層１５とを含む。支持基体１３上には、いわゆる低温ＧａＮ層１７ａと高温ＧａＮ層１７ｂを成長することが好ましい。高温ＧａＮ層１７ｂの成長温度は例えば摂氏１１５０度であり、膜厚は例えば５００ｎｍである。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されたテンプレート１１ａ、１１ｂでは、窒化物層１５は２０マイクロメートル以上であることが好ましい。この基板１１ａ、１１ｂは、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための、インジウムを含む窒化物半導体層の成長に好適である。また厚み２０マイクロメートル以上では、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの歪みを小さくでき、この層１５上に大きなインジウム組成のＩｎＧａＮ膜を成長するために好適である。

図２（ａ）に示されるように、基板１１を成長炉２１に配置する。成長炉２１としては、例えば有機金属気相成長炉を用いることができる。この後に、プロセスガスＧ０を流しながら成長炉２１の温度を室温から成長温度Ｔ１に向けて変更する。プロセスガスＧ０は、窒素及びアンモニアの少なくともいずれかを含むことができる。Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層の成長に先立つ昇温期間において、プロセスガスＧ０に水素が含まれていても良いが、水素分率は５％以下であることが好ましい。水素分率が５％以下であれば、水素雰囲気中におけるＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解促進が抑制される。水素分率がゼロであることが好ましい。雰囲気中の水素によるにＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ分解の可能性が生じない。

工程Ｓ１０２では、図２（ｂ）に示されるように、基板１１上に第１の温度Ｔ１でＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２≦１）層１９を成長する。Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９は、例えば厚さ１０ｎｍのｎ導電性のＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ層であることができる。原料ガスＧ１として、例えばＴＭＧａ、ＴＭＡｌ及びＮＨ_３を用いることができる。成長温度Ｔ１は、例えば摂氏８００度である。第１の温度Ｔ１は、例えば摂氏５５０度以上であることが好ましい。この温度以上であれば結晶品質を高めることができるからである。また、第１の温度Ｔ１は、例えば摂氏８５０度以下であることが好ましい。この温度以下であればＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層成長中に表面のＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎが分解することを抑制することができるからである。Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層がＡｌＧａＮからなるとき、強固なＡｌ−Ｎ結合が形成されるので、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解抑制作用が優れたものになる。或いは、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層がＧａＮからなるとき、III族元素を低温でＡｌよりマイグレーションしやすいＧａのみにすることで結晶品質が優れたものになる。このＧａＮ層によってＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解抑制作用が提供される。

Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９は基板１１の表面１０を覆っている。Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９の厚さＤ１は３ｎｍ以上であることが好ましい。この厚さのＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層によれば、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解を避けることができる。また、厚さＤ１は５０ｎｍ以下であることが好ましい。この厚さを超えると、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層の結晶品質の低下の原因になり得る。

工程Ｓ１０３では、図２（ｃ）に示されるように、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９上に第２の温度Ｔ２でＧａＮ層２３を成長する。ＧａＮ層２３は、例えばｎ導電性を有する。原料ガスＧ２として、例えばＴＭＧａ及びＮＨ_３を含むことができる。第２の温度Ｔ２は第１の温度Ｔ１よりも高い。具体的には、成長温度Ｔ２は、例えば摂氏１０００度である。第２の温度Ｔ２は、例えば摂氏９５０度以上であることが好ましい。この温度以上であれば結晶品質を高めることができるからである。また、第２の温度Ｔ２は、例えば摂氏１１５０度以下であることが好ましい。この温度より高いとＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの結晶内部において分解が進むおそれがあるからである。

この工程によれば、良好な結晶品質のＧａＮ層２３を高温で成長するに先だって、低い温度でＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９を成長してＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ表面を覆う。故に、ＧａＮ層２３の成長に係る高温雰囲気においても、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎの分解を避けることができ、ドロップレットを生じることがない。高温成長のＧａＮ層２３は、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のための引き続く窒化ガリウム系半導体の成長のために良好な下地を提供する。

この工程の後に成長を終了して、成長炉２１から基板１１を取り出す。長波長の発光素子のためのエピタキシャルウエハＥ０が提供される。エピタキシャルウエハＥ０は、以下の構造を有する。一の構造のエピタキシャルウエハＥ０は、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ基板と、この基板の表面を覆うＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層とを備える。別の構造のエピタキシャルウエハＥ０は、窒化ガリウム系材料と異なる異種材料の支持基体と、支持基体上に設けられたＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ層と、このＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ層の表面を覆うＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層とを備える。このエピタキシャルウエハＥ０によれば、長波長の窒化物系半導体発光素子の作製に際して、ドロップレット等が発生することがない。

本実施の形態に係る発明では、エピタキシャルウエハＥ０の作製に限定されることなく、以下の工程を引き続き行うことができる。次いで、図２（ｄ）に示されるように、この下地上に、クラッド層、活性層、電子ブロック層及びコンタクト層を順に成長炉２１で堆積する。

工程Ｓ１０４では、クラッド層のためのＩｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層２５をＧａＮ層２３上に成長する。Ｉｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層２５は、例えばｎ導電性を有する。原料ガスとして、例えばＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＮＨ_３を用いることができる。Ｉｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層２５の成長温度Ｔ３は、例えば摂氏８００度である。第３の温度Ｔ３は、例えば摂氏６５０度以上であることが好ましい。この温度以上であれば結晶品質を高めることができるからである。また、第３の温度Ｔ３は、例えば摂氏９００度以下であることが好ましい。この温度以下であれば所望のＩｎ組成が得られる。

工程Ｓ１０５では、図２（ｄ）に示されるように、活性層２７をＩｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層２５上に成長する。活性層２７は、４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲の長波長の発光が得られるように形成される。好適な実施例では、活性層２７は、量子井戸構造２９を有することができ、また交互に配置された障壁層３１及び井戸層３３を有することができる。井戸層３３は、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮからなることができる。また、障壁層３１は、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮからなることができる。井戸層３３の成長温度Ｔ_Ｗは、障壁層３１の成長温度Ｔ_Ｂより低いことが好ましい。工程Ｓ１０６において障壁層３１を成長する。成長温度Ｔ_Ｂは、例えば摂氏８００度である。工程Ｓ１０７において、井戸層３３を成長する。成長温度Ｔ_Ｗは、例えば摂氏７２０度である。４８０ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長範囲の長波長の発光を得るためには、井戸層／障壁層の組み合わせは、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ等であることが好ましい。多重量子井戸構造を形成するためには、工程Ｓ１０８において、障壁層３１及び井戸層３３の成長を繰り返すことができる。

工程Ｓ１０９では、活性層２７上に、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層３５を形成する。窒化ガリウム系半導体層３５は、例えば電子ブロック層またはクラッド層のために設けられる。窒化ガリウム系半導体層３５の導電性は、ｐ型であることが好ましい。本実施例の引き続く説明では、窒化ガリウム系半導体層３５は電子ブロック層のために形成される。窒化ガリウム系半導体層３５のバンドギャップは、障壁層３１のバンドギャップよりも大きい。窒化ガリウム系半導体層３５の厚さは、障壁層３１の厚さよりも大きく、また電子のトンネリングが生じない程度である。この層３５の厚さは、例えば２０ｎｍである。成長温度Ｔ_ＥＢは、例えば摂氏８００度である。窒化ガリウム系半導体層３５の材料は、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を用いることができる。

工程Ｓ１１０では、窒化ガリウム系半導体層３５上に、インジウムを含む窒化ガリウム系半導体層３７を形成する。窒化ガリウム系半導体層３７は、例えばコンタクト層のために設けられる。窒化ガリウム系半導体層３７の導電性は、ｐ型である。窒化ガリウム系半導体層３７のバンドギャップは、窒化ガリウム系半導体層３５のバンドギャップよりも小さい。メタル電極の対して良好なオーミック接触を提供できるように、ｐ型窒化ガリウム系半導体層３７に添加されているｐ型ドーパント量は比較的多い。この層３７の厚さは、例えば５０ｎｍである。成長温度Ｔ_ＣＯＮは、例えば摂氏８００度である。窒化ガリウム系半導体層３７の材料は、例えばＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等を用いることができる。

上記の作製方法を用いて、図４（ａ）に示されるように、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造のためのエピタキシャルウエハＥ１を作製した。エピタキシャルウエハＥ１に、アノード電及びカソード電極を作製して発光ダイオード素子を作製した。電流を印加すると、５３０ｎｍの発光を示した。

エピタキシャルウエハＥ１の一例を以下に示す。
Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ表面１１：
Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９：ＳｉドープＡｌ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｎ、１０ｎｍ
ＧａＮ層２３：ＳｉドープＧａＮ、１５０ｎｍ
Ｉｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層２５：ＳｉドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ、４μｍ
活性層２７
井戸層３３：アンドープＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ、３ｎｍ
障壁層３１：アンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ、１５ｎｍ
窒化ガリウム系半導体層３５：ＭｇドープＩｎ_０．０２Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９６Ｎ、２０ｎｍ
窒化ガリウム系半導体層３７：ＭｇドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９８Ｎ、５０ｎｍ。

比較のために、図４（ｂ）に示されるように、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造のためのエピタキシャルウエハＥ_Ｒを作製した。エピタキシャルウエハＥ_Ｒは、基板１１上に直接にＩｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層４５を成長した。エピタキシャルウエハＥ_Ｒでは、Ｉｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層４５上には、エピタキシャルウエハＥ１の作製と同様の成膜条件で、活性層４７、電子ブロック層５５、及びコンタクト層５７が作製された。活性層４７は障壁層５１及び井戸層５３を含む。
エピタキシャルウエハＥ_Ｒの一例を以下に示す。
Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ表面１１：
Ｉｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層４５：ＳｉドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ、４μｍ
活性層４７
井戸層５３：アンドープＩｎ_０．３Ｇａ_０．７Ｎ、３ｎｍ
障壁層５１：アンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ、１５ｎｍ
窒化ガリウム系半導体層５５：ＭｇドープＩｎ_０．０２Ａｌ_０．０２Ｇａ_０．９６Ｎ、２０ｎｍ
窒化ガリウム系半導体層５７：ＭｇドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９８Ｎ、５０ｎｍ。

エピタキシャルウエハＥ_Ｒの表面に比べて、エピタキシャルウエハＥ１の表面平坦性は優れていた。エピタキシャルウエハＥ１の優れた平坦性は、ＩｎＧａＮ層及びＩｎＡｌＧａＮ層が高温成長のＧａＮ層２３上に成長されることによって提供されると考えられる。エピタキシャルウエハＥ_Ｒの表面は、三次元的な成長のため荒れていた。低温で成長するＩｎＧａＮはマイグレーションを起こしにくく、これ故にＩｎＧａＮの三次元成長が生じやすいと考えられる。基板１１上に直接にＩｎＧａＮを成長すると、基板表面のわずかなコンタミネーションなどの影響により結晶成長が阻害され、この結果、三次元成長が生じると考えられる。一方、下地のＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９によりＧａＮ層２３が高温で成長可能である。このＧａＮ層２３は、優れたマイグレーション性を示し、また成長阻害部も埋め込んで平坦化な結晶表面を提供できる。

図５は、ＩｎＧａＮテンプレートを作製する手順を示す図面である。図６は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。図３に示されたＩｎＧａＮテンプレート１１ａ、１１ｂは、例えば、図５に示されるフローに従って作製される。ＩｎＧａＮテンプレート１１ａ、１１ｂにおける結晶成長のために、例えば有機金属気相成長法、ＨＶＰＥ法等を用いることができる。図６（ａ）に示されるように、テンプレート用の支持基体１３を準備する。支持基体１３としては、既に説明したように、サファイア等を用いることができる。工程Ｓ１２１では、図６（ｂ）に示されるように、支持基体１３を成長炉にセットして、プロセスガスＧ３を成長炉に供給して、支持基体１３のサーマルクリーニングを行う。工程Ｓ１２２では、図６（ｃ）に示されるように、原料ガスＧ４を成長炉に供給して、支持基体１３の全面に低温ＧａＮバッファ層１７ａを成長する。低温ＧａＮバッファ層１７ａの厚さは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。成長温度Ｔ_Ｌは、例えば摂氏４００度以上摂氏６００度以下である。必要な場合には、図６（ｄ）に示されるように、原料ガスＧ５を成長炉に供給して、低温ＧａＮバッファ層１７ａの全面に高温ＧａＮバッファ層１７ｂを成長する。高温ＧａＮバッファ層１７ｂの厚さは、例えば２００ｎｍ以上である。また、高温ＧａＮバッファ層１７ｂの厚さは、例えば５μｍ以下である。成長温度Ｔ_Ｈは、例えば摂氏９５０度以上摂氏１２００度以下である。

バッファ層１７ａ（或いはバッファ層１７ｂ）を成長した後に、工程Ｓ１２４では、原料ガスＧ６を成長炉に供給してＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ層１５を成長する。Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ層１５の厚さは、例えば２０μｍ以上１００μｍ以下である。成長温度は、例えば摂氏６５０度以上であり、摂氏９００度以下である。この後に、工程Ｓ１２５において、成長炉からＩｎＧａＮテンプレート１１ａ、１１ｂを取り出す。

或いは、工程Ｓ１２４の後に工程Ｓ１２６を行って、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ層１５上にＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９を成長することもできる。この後に、工程Ｓ１２７において、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層１９を含むＩｎＧａＮテンプレートを成長炉から取り出す。このＩｎＧａＮテンプレートを用いることによって、発光素子のためのエピタキシャル膜の成長の最初に、ドロップレットの発生防止のための工程が不要になり、またＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層上に直接に、発光素子のためのエピタキシャル積層を形成できる。

図７は、実施の形態に係るＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎバルク基板を作製する方法の主要な工程を示す図面である。工程フロー１０２を参照すると、工程Ｓ１３１では、支持基体を準備する。支持体としては、例えばＧａＡｓ基板、サファイア基板、ＧａＮ基板等を用いることができる。支持体は、必要に応じて、酸化膜マスク層を含むことができる。工程Ｓ１３２で、ＨＶＰＥ法で支持体上にＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ厚膜を成長する。この厚膜は、自立可能なバルク基板を得るためには、３００μｍ以上であることが好ましい。Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ厚膜を成長した後に、インジウム原料の供給を停止して、工程Ｓ１３３で、ＨＶＰＥ法でＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ厚膜上にＧａＮ膜を成長する。ＨＶＰＥ法で成長されたＧａＮ膜の厚さは、例えば５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましい。これらの工程によって、ＩｎＧａＮ厚膜及びＧａＮキャップ膜を含む結晶体と支持体とを有する結晶生産物が作製される。工程Ｓ１３４で、ＧａＮ膜を成長した後に、この結晶生産物をＨＶＰＥ成長炉から取り出す。必要な場合には、工程Ｓ１３５で、結晶生産物から支持体を除去して、独立した結晶体を得る。結晶体には、半導体基板の作製のための研磨、洗浄等が施されて、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎバルク基板が作製される。

Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎバルク基板の表面はＧａＮ膜で覆われている。Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎバルク基板を用いることによって、窒化物系半導体発光素子のための窒化ガリウム系半導体を成長するも先だって、Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層を成長することが不要になる。この作製方法により得られるＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ基板の表面上には、工程Ｓ１３６で、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、一又は複数のＧａＮ層を直接に成長するために摂氏１０００度近傍の温度に昇温可能である。この後に、一又は複数のＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮ層等を成長して、窒化ガリウム系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製した。このエピタキシャルウエハの表面平坦性は良好であった。

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。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。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、ドロップレットの発生に煩わされること無く、長波長の光を発生できる窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハが提供される。また、このエピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。

高いインジウム組成のＩｎ（Ｇａ）Ｎを用いて、緑色発光素子が作製可能である。その基板として、ＩｎＧａＮ基板やＩｎＮ基板が作製されている。ＧａＮバルク基板では、Ｈ_２を含む雰囲気で摂氏１０００度以上に昇温してクリーニング工程を行った後に、ＧａＮエピタキシャル膜を成長する。しかしながら、発明者の知見によれば、Ｉｎ（Ｇａ）Ｎバルク基板又はテンプレート上に窒化物系エピタキシャル膜を成長する方法では、ＧａＮバルク基板を用いる成長と異なるアプローチが必要である。

Ｉｎ（Ｇａ）Ｎ基板上に最初に成長されるエピタキシャル膜は、高温成長のＧａＮ膜であることが好ましい。Ｉｎ（Ｇａ）Ｎの格子定数はＧａＮの格子定数と異なるけれども、このＧａＮ膜の結晶品質は良好であり、また表面平坦性も良好である。しかしながら、Ｉｎ（Ｇａ）Ｎ及びＧａＮの成長温度の違いにより、ＧａＮ膜の成長中にＩｎ（Ｇａ）Ｎが分解して、金属ドロップレットが表面に発生する。

発明者の検討によれば、金属ドロップレットを避けるためには、ＧａＮ成長のための昇温雰囲気からＨ_２の比率を下げて、Ｎ_２を用いることが好ましい。

また、摂氏５５０度〜摂氏８５０度程度の範囲を越える高温には、Ｉｎ（Ｇａ）Ｎ表面をさらさないことが重要である。このために、インジウムを含まない窒化ガリウム系半導体からなる保護層でＩｎ（Ｇａ）Ｎ表面を覆った後に、上記の温度範囲を超える高温、例えば摂氏１０００度付近に昇温して、高品質なＧａＮを成長する。

或いは、インジウムを含まない窒化ガリウム系半導体でＩｎ（Ｇａ）Ｎ表面をキャップした基板上に、エピタキシャル成長を行うことが好ましい。

インジウムを含む窒化ガリウム系材料の基板表面に露出させないようにすることによって、昇温時にＩｎ（Ｇａ）Ｎｘの分解を抑制できる。故に、金属ドロップレットの発生が抑制される。

図１は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の工程フローを示す図面である。 図２は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図３は、Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレートの構成例を示す図面である。 図４は、ＬＥＤ構造のためのエピタキシャルウエハＥ１、Ｅ_Ｒの構造をしめす図面である。 図５は、ＩｎＧａＮテンプレートを作製する手順を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハを作製する方法の主要な工程を示す図面である。 図７は、実施の形態に係るＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎバルク基板を作製する方法の主要な工程を示す図面である。

符号の説明

１０…基板表面、１１…基板、１ａ、１１ｂ…Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎテンプレート基板１、１３…支持基体、１５…窒化物層、１７ａ…低温ＧａＮ層、１７ｂ…高温ＧａＮ層、１９…Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層、２１…成長炉、２３…ＧａＮ層、２５…Ｉｎ_Ｘ３Ｇａ_１−Ｘ３Ｎ層、２７…活性層、２９…量子井戸構造、３１…障壁層、３３…井戸層、３５…窒化ガリウム系半導体層、３７…窒化ガリウム系半導体層、Ｅ０、Ｅ１…エピタキシャルウエハ

Claims (8)

1. 窒化物系半導体発光素子のためのエピタキシャルウエハを作製する方法であって、
   Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ（０＜Ｘ１≦１）からなる表面を有する基板上に、第１の温度でＡｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ（０≦Ｘ２≦１）層を成長する工程と、
   前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層上にＧａＮ層を第２の温度で成長する工程と、
   を備え、
   前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層は前記基板の前記表面を覆っており、
   前記第１の温度は前記第２の温度よりも低く、
   前記第１の温度は、摂氏５５０度以上摂氏８５０度以下であり、
   前記第２の温度は、摂氏９５０度以上摂氏１１５０度以下であり、
   前記Ａｌ _Ｘ２ Ｇａ _１−Ｘ２ Ｎの厚さは３ｎｍ以上であり、
   前記ＧａＮの厚さは１００ｎｍ以上であり、
   当該方法は、成長炉に前記基板を配置した後に、前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層の成長に先立って、構成元素として少なくとも窒素を含むガスを該成長炉に流しながら前記第１の温度に前記基板の温度を上昇させる工程を更に備え、
   前記ガスの水素分率はゼロ％以上５％以下である、ことを特徴とする方法。
2. 前記基板は、支持基体と、前記支持基体上に設けられ前記Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなる窒化物層とを含み、
   前記窒化物層は２０マイクロメートル以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
3. 前記支持基体は、ＧａＮ、サファイア、ＳｉＣ、ＺｎＯ及びＧａＡｓのいずれかの材料からなる、ことを特徴とする請求項２に記載された方法。
4. 前記基板はＩｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎ基板である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
5. 前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層はＡｌＧａＮからなる、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ＧａＮ層上に活性層を成長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５のいずれか一項に記載された方法。
7. 前記ＧａＮ層の成長の後であって前記活性層を成長する前に、ＩｎＧａＮ層を成長する工程を更に備え、
   前記ＩｎＧａＮ層の厚さは前記ＧａＮ層の厚さより厚い、ことを特徴とする請求項６に記載された方法。
8. 前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層を成長するに先立って、ＨＶＰＥ法で前記Ｉｎ_Ｘ１Ｇａ_１−Ｘ１Ｎからなる窒化物厚膜を支持体上に堆積して、前記基板を作製する工程を更に備え、
   前記Ａｌ_Ｘ２Ｇａ_１−Ｘ２Ｎ層の成長は、ＨＶＰＥ法で行われ、
   前記ＧａＮ層の成長は、ＭＯＶＰＥ法で行われる、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。

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