JP5075318B2 - 窒化物半導体基板、半導体デバイス、半導体発光素子、半導体受光素子および窒化物半導体基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、窒化物半導体基板、半導体デバイス、半導体発光素子、半導体受光素子および窒化物半導体基板の製造方法に関する。

従来、この種の窒化物半導体基板として、図８に示すような窒化物半導体基板１が提案されている（例えば、特許文献１、参照。）。窒化物半導体基板１において、周期ストライプ状に起伏するＡｌＧａＮからなるシード結晶層８上に、ＡｌＮからなる低温堆積中間層５を形成し、さらに同低温堆積中間層５上にＡｌＧａＮからなる半導体層６を形成している。

かかる構成によれば、低温堆積中間層５が互いに格子定数の異なるシード結晶層８と半導体層６との間に介在するため、シード結晶層８と半導体層６との間の格子不整合に起因する内部応力を緩和することが可能であった。すなわち、この内部応力によって、半導体層６においてクラックが発生することを抑制することが可能であった。このように、半導体層６に発生するクラックを抑制することにより、最終的には半導体層６の平坦表面が得ることができる。従って、各種半導体発光素子や半導体受光素子の作製に好適な窒化物半導体基板を得ることが可能となっていた。

一方、同窒化物半導体基板においてシード結晶層８は周期ストライプ状に起伏し面方位が（１−１０１）である斜面を有している。このようにすることにより、半導体層６の成長において成長方向に貫通する転位Ｄの伝播を横方向とすることができる。従って、半導体層６においてはシード結晶層８の各起伏部の中央位置に転位を集中させることができ、極めて転位の少ない半導体層６表面を得ることができる。

このように極めて転位の少ない半導体層６表面上に半導体発光素子を作製すると非発光再結合を抑制することができるため、同半導体発光素子においては高い量子効率を得ることが可能であった。従って、発光効率の良い半導体発光素子を作製することが可能であった。また、同様の理由により、半導体層６表面上に半導体受光素子を形成することによって、高耐圧、低暗電流性の優れた半導体受光素子を作製することが可能であった。
国際公開第０３／０２５２６３号パンフレット

しかしながら、上述した窒化物半導体基板において、応力緩和効果が良好な低温堆積中間層５を形成するためにはその成長温度を５００〜６００℃に制御しなければならず、高度の温度制御が要求されるという課題があった。なお、５００℃以下の温度で低温堆積中間層５を成長させると半導体層６の結晶品質が低下し、６００℃以上の温度で低温堆積中間層５を成長させると低温堆積中間層５の格子不整合緩和効果が低下する。

さらに、半導体層６におけるＡｌＮモル分率が２０％を超える場合には半導体層６とシード結晶層８との格子不整合が著しいものとなり、低温堆積中間層５の応力緩和効果が良好なものであっても半導体層６におけるクラックを抑制することができないという課題があった。すなわち、ＡｌＮモル分率が２０％を超えるような半導体層６を形成することができないという課題があった。

一方、半導体層６のＡｌＮモル分率が２０％よりも高く、かつ、半導体層６の表面にクラックのない窒化物半導体基板が作製できると、同半導体層６の表面上にＡｌＮモル分率の高い半導体構造を形成することが可能となる。半導体層６のＡｌＮモル分率が高ければ、その上に形成するＡｌＮモル分率の高い半導体構造との構成整合性が良くなり、クラックが発生することを防止できるからである。また、クラックを発生させることなくＡｌＮモル分率の高い半導体構造の膜厚を大きくすることも可能となる。

ＡｌＮモル分率の高い半導体構造はワイドギャップを有しているため、近年、ＡｌＮモル分率の高い半導体構造がクラックフリーで積層可能な窒化物半導体の実現が望まれている。例えば、窒化物半導体基板上にＡｌＮモル分率の高いＡｌＧａＮクラッド層を積層した場合、波長が３４０〜３５０ｎｍ程度の深紫外線領域の短波長光も発光させることが可能な半導体発光素子を作製することも可能となる。このような短波長光の発光が実現すると、外部光源によって色味が変動しない白色照明や液晶パネルのバックライト等の作製や、酸化チタン等の光触媒を励起させて有機物を分解するための光源を作製することが可能となる。また、ＡｌＧａＮクラッド層の膜厚を大きくすることができるため、同クラッド層にて光の閉じ込めを行うことが可能となり半導体レーザの作製に利用することも可能となる。

また、このような窒化物半導体基板を半導体受光素子の作製に利用すると、ＡｌＮモル分率の高いワイドギャップ光吸収層を形成することが可能となり、波長が３００ｎｍ以下の短波長領域でも動作可能な半導体受光素子を作製することが可能となる。このように、ＡｌＮモル分率の高い半導体構造がクラックフリーで積層可能な窒化物半導体の実現は、今後の半導体発光・半導体受光素子の作製において極めて重要な課題となっている。

本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、作製が容易、かつ、ＡｌＮモル分率の高い半導体構造がクラックフリーで積層可能な窒化物半導体、および、同窒化物半導体を利用した半導体デバイス、半導体発光素子、半導体受光素子および窒化物半導体基板の製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するため請求項１にかかる発明は、表面が周期ストライプ状に起伏するＧａＮから成るシード結晶層と、上記シード結晶層上に形成され表面が平坦な（０００１）面 Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．１≦ａ≦０．３）からなる半導体層とを備え、上記シード結晶層の格子定数が上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きく、上記半導体層の内部には、上記半導体層の成長過程で上記半導体層と上記シード結晶層との格子不整合により上記半導体層の内部に発生して結晶成長の継続により上記半導体層の表面側が終端したクラックが形成され、該クラックの終端により上記半導体層の表面が平坦とされている構成としてある。

上記のように構成した請求項１の発明において、シード結晶層は表面が周期ストライプ状に起伏するＧａＮから構成され、同シード結晶層上に半導体層が形成される。この半導体層は、表面が平坦な（０００１）面 Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．１≦ａ≦０．３）で構成されるとともに、内部にクラックを備える。上記クラックは上記半導体層の成長過程で上記半導体層と上記シード結晶層との格子不整合により上記半導体層の内部に発生して結晶成長の継続により上記半導体層の表面側が終端する。すなわち、上記クラックは上記半導体層の表面まで到達しない。従って、上記半導体層の表面を平坦に形成することができる。また、上記半導体層内部に蓄積された内部応力を上記隙間により緩和することができる。従って、内部応力によりクラックが発生することを防止することができる。

また、上記シード結晶層の格子定数を上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、上記クラックを発生しやすくすることができる。すなわち、上記シード結晶層と上記半導体層との間の格子不整合により上記半導体層を引き延ばそうとする内部応力を蓄積させることができるため、同蓄積した内部応力により上記半導体層に上記クラックを発生させることができる。

また、上記シード結晶層を周期ストライプ状に起伏させることにより、その上に形成される上記半導体層の転位の伝播方向を横方向とすることができる。すなわち、上記半導体層の内部に生成する転位を同半導体層の表面に到達させにくくするとともに、表面到達転位を各シード結晶層の中央位置に集中させることができる。

また、上記シード結晶層の具体的形状の一例として、請求項２にかかる発明は、上記シード結晶層の起伏部は上記半導体層の表面に対して傾斜する斜面を有する構成としてある。
上記のように構成した請求項２の発明において、上記シード結晶層の起伏部に上記半導体層の表面に対して傾斜する斜面を形成することにより、上記斜面上に成長する上記半導体層における転位の伝播方向を上記半導体層の表面に対して傾斜させることができる。これによって、転位を上記半導体層の表面に到達させにくくすることができ、上記半導体層の表面における転位密度を低減することができる。

一方、上記シード結晶層の形成手段の一例として、請求項３にかかる発明は、上記シード結晶層は、（０００１）面 ＧａＮからなるベース半導体層上にストライプ状の周期マスクを形成し、その後、ＧａＮを成長させる構成としてある。

上記のように構成した請求項３の発明において、（０００１）面 ＧａＮで構成されるベース半導体層を形成しておき、同ベース半導体層上にストライプ状の周期マスクを形成する。そして、このストライプ状の周期マスクが形成された上記ベース半導体層上に（０００１）面 ＧａＮを成長させることにより、上記シード結晶層を形成する。

また、上記シード結晶層の形成手段の別の一例として、請求項４にかかる発明は、上記シード結晶層は、周期ストライプ状に起伏する単結晶基板にＧａＮを成長させることにより形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項４の発明において、周期ストライプ状に起伏する単結晶基板に対して、ＧａＮを成長させることによっても周期ストライプ状の上記シード結晶層を形成することもできる。

また、上記シード結晶層の具体的形状の一例として、請求項５にかかる発明は、上記斜面は、（１−１０１）面である構成としてある。
上記のように構成した請求項５の発明において、上記斜面を（１−１０１）面とすることにより、上記半導体層における転位の伝播方向を横方向とすることができる。

さらに、上記シード結晶層の具体的形状の別の一例として、請求項６にかかる発明は、上記斜面は、（１１−２２）面である構成としてある。
上記のように構成した請求項６の発明において、上記斜面を（１１−２２）面とすることにより、上記半導体層における転位の伝播方向を横方向とすることができる。

一方、上記単結晶基板の素材の例として、請求項７にかかる発明は、上記単結晶基板は、サファイアまたは炭化珪素または珪素またはＺｒＢ₂で形成される構成としてある。
上記のように構成した請求項７の発明において、ＧａＮの成長に好適な上記単結晶基板の素材としてサファイアまたは炭化珪素または珪素またはＺｒＢ₂を適用することができる。

上述の窒化物半導体基板は単独で存在する場合もあるし、あるデバイスに組み込まれた状態で利用されることもあるなど、発明の思想としては、各種の態様を含むものである。その一例として、請求項８に記載した発明では半導体デバイスとして発明を特定し、請求項９に記載した発明では半導体発光素子として発明を特定し、請求項１０に記載した発明では半導体受光素子として発明を特定している。また、一次複製品、二次複製品などの複製段階については全く問う余地無く同等である。さらに、これらの半導体デバイスおよび半導体発光素子および半導体受光素子において上記請求項２〜請求項７に対応した構成にすることも可能である。

以上説明したように請求項１および請求項８から請求項１１の発明によれば作製が容易、かつ、ＡｌＮモル分率が高く表面にクラックのない半導体層を有する窒化物半導体基板、半導体デバイス、半導体発光素子、半導体受光素子および窒化物半導体基板の製造方法を提供することができる。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）第一の実施形態：
（２）第二の実施形態：
（３）第三の実施形態：
（４）第四の実施形態：
（５）第五の実施形態：

（１）第一の実施形態：
図１は、本発明の第一の実施の形態にかかる低転位３族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を模式的に示している。同図（ａ）において、窒化物半導体基板１０は、（０００１）サファイアで形成された単結晶基板１１と、ＡｌＮ低温バッファ層１２と、ＧａＮ（Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ，ｘ＝０，ｙ＝０）で形成されたベース半導体層１３と、アモルファスＳｉＯ₂で形成された周期マスク１４と、ＧａＮ（Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ，ｘ＝０，ｙ＝０）で形成されたシード結晶層１５と、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（Ａｌ_aＧａ_1-a-bＩｎ_bＮ，ａ＝０．２５，ｂ＝０）で形成された半導体層１６とから構成されている。また、半導体層１６は内部に隙間１７を有している。また、ベース半導体層１３とシード結晶層１５と半導体層１６には線状の転位Ｄが複数形成されている。

図１（ｃ）において、有機金属化合物気相成長法により単結晶基板１１上に約５００℃で低温バッファ層１２を成長させ、さらに同低温バッファ層１２上に約１０００℃でベース半導体層１３を成長させている。ベース半導体層１３には上方に向かって伝播する多数の転位Ｄが存在しており、ベース半導体層１３の表面まで到達している。一般にベース半導体層１３の表面まで到達する転位Ｄの密度は、１０⁹ｃｍ^-2程度にも達する。

図１（ｂ）において、上記のように低温バッファ層１２とベース半導体層１３とを形成した窒化物半導体基板１０を一旦成長装置から取り出し、例えば結晶方位＜１１−２０＞に沿って幅３μｍの周期マスク１４を６μｍ周期で形成する。そして、その上に適切な条件でＧａＮの選択成長を行うと、結晶方位＜１１−２０＞に沿って周期ストライプ状に起伏するシード結晶層１５を形成することができる。このシード結晶層１５の外縁は、頂点にて交差する二面の（１−１０１）斜面で構成されている。これにより、シード結晶層１５に対して下地のベース半導体層１３から伝播した転位Ｄを、シード結晶層１５の内部で略水平方向に屈曲させることができる。ただし、シード結晶層１５のＡｌＮモル分率が高いと周期マスク１４上への多結晶の析出が顕著となり、好ましくない。そのため、ＡｌＮモル分率が１０％以下となるようにシード結晶層１５を形成するのが好ましい。

さらに、図１（ａ）において上記のように形成した窒化物半導体基板１０に対してＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させることより、半導体層１６を形成している。半導体層１６を形成するにあたっては、例えば低成長圧力、高温、低５族−４族比といった横方向への成長速度が上がる条件においてＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させている。また、半導体層１６を構成するＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎに対してシード結晶層１５を構成するＧａＮはＡｌＮモル分率が低いため、シード結晶層１５の格子定数は半導体層１６の格子定数よりも０．１％以上大きくなっている。

このような格子不整合により、半導体層１６に引っ張り方向の内部応力を蓄積させることができる。この内部応力は半導体層１６の膜厚の増加とともに増加し、結晶固有の限界値を超えたところで図２に示すようなクラックＣを発生させる。同時に、クラックＣの発生により、同内部応力を緩和させることができる。そして、クラックＣの発生後も横方向への成長速度が上がる条件において半導体層１６の結晶成長を継続すると、クラックＣの上方開口がＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎの結晶により再結合される。さらに、半導体層１６の結晶成長を継続すると最終的に平坦な半導体層１６の表面を形成することができる。

上述のとおり一度発生したクラックＣの上方開口は再結合させられているため、同クラックは半導体層１６の表面まで到達しない。すなわち、クラックＣを半導体層１６の表面側から終端させることにより、クラックＣのない半導体層１６の平坦表面を得ることができる。一般に、半導体層１６の表面までクラックＣが到達すると、同半導体層１６の表面上に各種半導体構造を積層して高性能デバイスを作製することはできないが、表面までクラックＣを到達させないようにすることにより問題なく高性能デバイスを作製することができる。なお、シード結晶層１５に沿った方向に対して半導体層１６の結晶構造が冗長となるため、同方向に剥離するように面状のクラックＣが発生する。

一方、シード結晶層１５の内部で略水平方向に伝播した転位Ｄは、半導体層１６においても引き続き略水平方向に伝播する。そして、隣接し合うシード結晶層１５同士の中央位置にて消失するか、再び成長方向に屈曲され表面に向かって伝播する。従って、半導体層１６の表面まで到達する転位Ｄの密度を１０⁸ｃｍ^-2以下と極めて小さいものとすることができるとともに、同到達した転位Ｄをシード結晶層１５の中央位置に集中させることができる。このように低転位かつ平坦な表面を有する半導体層１６上に半導体発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるため、高い量子効率が得ることができる。また、同低転位基板上に半導体受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現することができる。

なお、本実施の形態ではシード結晶層１５の格子定数を半導体層１６の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、クラックＣを発生させるようにしたが、他の手法でクラックＣを発生させても良い。例えば、半導体層１６としてＳｉを添加したｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層を適用しても良い。この場合、より早期にクラックＣの発生と終端が起こるため薄い膜厚で半導体層１６の結晶成長を完了させることができる。また、シード結晶層１５の格子定数が半導体層１６の格子定数よりも０．１％以上大きければ良く、この条件において両者の組成を変更することも可能である（ただし、０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５，０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１が満足される）。

また、クラックＣは少なくとも表面側が消失していれば良く、表面側の一部のみが再結合させられるものに限られない。例えば、クラックＣの発生後に成長した結晶により、クラックＣ全体が埋められるものであっても良いし、その他の部分が部分的に再結合するものであっても良い。いずれにしても、一度クラックが発生した時点で、それ以前に蓄積した内部応力を解放することができるため、最終的に半導体層１６を低内部応力状態とすることができる。

さらに、本実施形態では、＜１１−２０＞方向に沿った周期マスク１４を用いることによりシード結晶層１５の斜面を（１−１０１）面としたものを例示したが、＜１−１００＞方向の周期マスク１４を用いてシード結晶層１６の斜面を（１１−２２）面としても同様の効果を得ることができる。むろん、単結晶基板１１としても（０００１）サファイア基板に限られるものではなく、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉやＺｒＢ₂等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（２）第二の実施形態：
図３および図４は、本発明の第二の実施の形態にかかる低転位３族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を模式的に示している。図３（ａ）において、窒化物半導体基板１１０は、（０００１）サファイアで形成された単結晶基板１１１と、ＡｌＮ低温バッファ層１１２と、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ，ｘ＝０．１，ｙ＝０）で形成されたストライプ半導体層１１３ａと、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ，ｘ＝０．１，ｙ＝０）で形成されたシード結晶層１１５と、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（Ａｌ_aＧａ_1-a-bＩｎ_bＮ，ａ＝０．２５，ｂ＝０）で形成された半導体層１１６とから構成されている。また、半導体層１１６は内部に隙間１１７を有している。また、ベース半導体層１１３とシード結晶層１１５と半導体層１１６には線状の転位Ｄが複数形成されている。

図４（ｂ）において、有機金属化合物気相成長法により単結晶基板１１１上に約５００℃で低温バッファ層１１２を成長させ、さらに同低温バッファ層１１２上に約１０００℃でベース半導体層１１３を成長させている。ベース半導体層１１３には上方に向かって伝播する多数の転位Ｄが存在しており、ベース半導体層１１３の表面まで到達している。一般にベース半導体層１１３の表面まで到達する転位Ｄの密度は、１０⁹ｃｍ^-2程度にも達する。

上記のように低温バッファ層１１２とベース半導体層１１３とを形成した窒化物半導体基板１１０を一旦成長装置から取り出し、ベース半導体層１１３上に例えば結晶方位＜１１−２０＞に沿って図示しない周期レジストマスクを６μｍ周期で形成する。そして、同周期レジストマスクを形成した窒化物半導体基板１１０に例えばイオンエッチングを行うことにより、図４（ａ）に示すようなストライプ半導体層１１３ａを形成することができる。そして、その上に適切な条件でＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの成長を行うと、図３（ｂ）に示すように結晶方位＜１１−２０＞に沿って周期ストライプ状に起伏するシード結晶層１１５を形成することができる。このシード結晶層１１５の外縁は、頂点にて交差する二面の（１−１０１）斜面で構成されている。これにより、シード結晶層１１５に対して下地のストライプ半導体層１１３ａから伝播した転位Ｄを、シード結晶層１１５の内部で略水平方向に屈曲させることができる。

さらに、図３（ａ）において、上記のように形成した窒化物半導体基板１１０に対してＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させることより、半導体層１１６を形成している。半導体層１１６を形成するにあたっては、例えば低成長圧力、高温、低５族−４族比といった横方向への成長速度が上がる条件においてＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させている。また、半導体層１１６を構成するＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎに対してシード結晶層１１５を構成するＧａＮはＡｌＮモル分率が低いため、シード結晶層１１５の格子定数は半導体層１１６の格子定数よりも０．１％以上大きくなっている。

このような格子不整合により、半導体層１１６に引っ張り方向の内部応力を蓄積させることができる。この内部応力は半導体層１１６の膜厚の増加とともに増加し、結晶固有の限界値を超えたところで図２に示すようなクラックＣを発生させる。同時に、クラックＣの発生により、同内部応力を緩和させることができる。そして、クラックＣの発生後も横方向への成長速度が上がる条件において半導体層１１６の結晶成長を継続すると、クラックＣの上方開口がＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎの結晶により再結合される。さらに、半導体層１１６の結晶成長を継続すると最終的に平坦な半導体層１１６の表面を形成することができる。

上述のとおり一度発生したクラックＣの上方開口は再結合させられているため、同クラックは半導体層１１６の表面まで到達しない。すなわち、クラックＣを半導体層１１６の表面側から終端させることにより、クラックＣのない半導体層１１６の平坦表面を得ることができる。一般に、半導体層１１６の表面までクラックＣが到達すると、同半導体層１１６の表面上に各種半導体層を積層して高性能デバイスを作製することはできないが、表面までクラックＣを到達させないようにすることにより問題なく高性能デバイスを作製することができる。なお、シード結晶層１５に沿った方向に対して半導体層１６の結晶構造が冗長となるため、同方向に剥離するように面状のクラックＣが発生する。

一方、シード結晶層１１５の内部で略水平方向に伝播した転位Ｄは、半導体層１１６においても引き続き略水平方向に伝播する。そして、隣接し合うシード結晶層１１５同士の中央位置にて消失するか、再び成長方向に屈曲され表面に向かって伝播する。従って、半導体層１１６の表面まで到達する転位Ｄの密度を１０⁸ｃｍ^-2以下と極めて小さいものとすることができるとともに、同到達した転位Ｄをシード結晶層１１５の中央位置に集中させることができる。このように低転位かつ平坦な表面を有する半導体層１１６上に半導体発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるため、高い量子効率が得ることができる。また、同低転位基板上に半導体受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現することができる。

なお、本実施の形態ではシード結晶層１１５の格子定数を半導体層１１６の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、クラックＣを発生させるようにしたが、他の手法でクラックＣを発生させても良い。例えば、半導体層１１６としてＳｉを添加したｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層を適用しても良い。この場合、より早期にクラックＣの発生と終端が起こるため薄い膜厚で半導体層１１６の結晶成長を完了させることができる。また、シード結晶層１１５の格子定数が半導体層１１６の格子定数よりも０．１％以上大きければ良く、この条件において両者の組成を変更することも可能である（ただし、０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５，０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１が満足される）。

また、クラックＣは少なくとも表面側が消失していれば良く、表面側の一部のみが再結合させられるものに限られない。例えば、クラックＣの発生後に成長した結晶により、クラックＣ全体が埋められるものであっても良いし、その他の部分が部分的に再結合するものであっても良い。いずれにしても、一度クラックが発生した時点で、それ以前に蓄積した内部応力を解放することができるため、最終的に半導体層１１６を低内部応力状態とすることができる。

さらに、本実施形態では、＜１１−２０＞方向に沿ったストライプ半導体層１１３ａを形成することによりシード結晶層１１５の斜面を（１−１０１）面としたものを例示したが、＜１−１００＞方向に沿ったストライプ半導体層１１３ａを形成することによりシード結晶層１１５の斜面を（１１−２２）面としても同様の効果を得ることができる。むろん、単結晶基板１１１としても（０００１）サファイア基板に限られるものではなく、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉやＺｒＢ₂等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（３）第三の実施形態：
図５は、本発明の第三の実施の形態にかかる低転位３族窒化物半導体基板の構造、および作製方法を模式的に示している。同図（ａ）において、窒化物半導体基板２１０は、（０００１）サファイアで形成された単結晶基板２１１と、ＡｌＮ低温バッファ層２１２と、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ（Ａｌ_xＧａ_1-x-yＩｎ_yＮ，ｘ＝０．１，ｙ＝０）で形成されたシード結晶層２１５と、Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（Ａｌ_aＧａ_1-a-bＩｎ_bＮ，ａ＝０．２５，ｂ＝０）で形成された半導体層２１６とから構成されている。また、半導体層２１６は内部に隙間２１７を有している。また、シード結晶層２１５と半導体層２１６には線状の転位Ｄが複数形成されている。

図５（ｃ）において、単結晶基板２１１に例えばサファイアの結晶方位＜１−１００＞に沿って幅３μｍの周期溝を６μｍ周期で形成している。すなわち、単結晶基板２１１を周期ストライプ状に起伏させている。そして、この単結晶基板２１１上に例えば有機金属化合物気相成長法により約５００℃で低温バッファ層２１２を成長させている。

図５（ｂ）において、上記のように低温バッファ層２１２を形成した窒化物半導体基板２１０の上に適切な条件でＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎの成長を行っている。このようにすることにより、サファイアの結晶方位＜１−１００＞に沿って周期ストライプ状に起伏するシード結晶層２１５を形成することができる。このシード結晶層２１５の外縁は、頂点にて交差する二面の（１−１０１）斜面で構成されている。これにより、シード結晶層２１５において生成した転位Ｄを、シード結晶層２１５の内部で略水平方向に屈曲させることができる。

さらに、図５（ａ）において上記のように形成した窒化物半導体基板２１０に対してＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させることより、半導体層２１６を形成している。半導体層２１６を形成するにあたっては、例えば低成長圧力、高温、低５族−４族比といった横方向への成長速度が上がる条件においてＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎを成長させている。また、半導体層２１６を構成するＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎに対してシード結晶層２１５を構成するＡｌ_0.1Ｇａ_0.9ＮはＡｌＮモル分率が低いため、シード結晶層２１５の格子定数は半導体層２１６の格子定数よりも０．１％以上大きくなっている。

このような格子不整合により、半導体層２１６に引っ張り方向の内部応力を蓄積させることができる。この内部応力は半導体層２１６の膜厚の増加とともに増加し、結晶固有の限界値を超えたところで図２に示すようなクラックＣを発生させる。同時に、クラックＣの発生により、同内部応力を緩和させることができる。そして、クラックＣの発生後も横方向への成長速度が上がる条件において半導体層２１６の結晶成長を継続すると、クラックＣの上方開口がＡｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎの結晶により再結合される。さらに、半導体層２１６の結晶成長を継続すると最終的に平坦な半導体層２１６の表面を形成することができる。

上述のとおり一度発生したクラックＣの上方開口は再結合させられているため、同クラックは半導体層２１６の表面まで到達しない。すなわち、クラックＣを半導体層２１６の表面側から終端させることにより、クラックＣのない半導体層２１６の平坦表面を得ることができる。一般に、半導体層２１６の表面までクラックＣが到達すると、同半導体層２１６の表面上に各種半導体層を積層して高性能デバイスを作製することはできないが、表面までクラックＣを到達させないようにすることにより問題なく高性能デバイスを作製することができる。なお、シード結晶層１５に沿った方向に対して半導体層１６の結晶構造が冗長となるため、同方向に剥離するように面状のクラックＣが発生する。

一方、シード結晶層２１５の内部で略水平方向に伝播した転位Ｄは、半導体層２１６においても引き続き略水平方向に伝播する。そして、隣接し合うシード結晶層２１５同士の中央位置にて消失するか、再び成長方向に屈曲され表面に向かって伝播する。従って、半導体層２１６の表面まで到達する転位Ｄの密度を１０⁸ｃｍ^-2以下と極めて小さいものとすることができるとともに、同到達した転位Ｄをシード結晶層２１５の中央位置に集中させることができる。このように低転位かつ平坦な表面を有する半導体層２１６上に半導体発光素子を作製すると、非発光再結合が極めて抑制されるため、高い量子効率が得ることができる。また、同低転位基板上に半導体受光素子を作製すると、高耐圧、低暗電流の優れた特性が実現することができる。

なお、本実施の形態ではシード結晶層２１５の格子定数を半導体層２１６の格子定数よりも０．１％以上大きくすることにより、クラックＣを発生させるようにしたが、他の手法でクラックＣを発生させても良い。例えば、半導体層２１６としてＳｉを添加したｎ型Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ層を適用しても良い。この場合、より早期にクラックＣの発生と終端が起こるため薄い膜厚で半導体層２１６の結晶成長を完了させることができる。また、シード結晶層２１５の格子定数が半導体層２１６の格子定数よりも０．１％以上大きければ良く、この条件において両者の組成を変更することも可能である（ただし、０≦ｘ≦０．３，０≦ｙ≦０．５，０．１≦ａ≦１，０≦ｂ≦１が満足される）。

また、クラックＣは少なくとも表面側が消失していれば良く、表面側の一部のみが再結合させられるものに限られない。例えば、クラックＣの発生後に成長した結晶により、クラックＣ全体が埋められるものであっても良いし、その他の部分が部分的に再結合するものであっても良い。いずれにしても、一度クラックが発生した時点で、それ以前に蓄積した内部応力を解放することができるため、最終的に半導体層２１６を低内部応力状態とすることができる。

さらに、本実施形態では、単結晶基板２１１にサファイアの結晶方位＜１−１００＞に沿った周期溝を形成することによりシード結晶層２１５の斜面を（１−１０１）面としたものを例示したが、＜１１−２０＞方向の周期溝を形成してシード結晶層２１５の斜面を（１１−２２）面としても同様の効果を得ることができる。むろん、単結晶基板２１１としても（０００１）サファイア基板に限られるものではなく、他の面方位のサファイア基板、あるいはＳｉＣやＳｉやＺｒＢ₂等の他の単結晶基板を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

（４）第四の実施形態：
図６は、本発明の第四の実施の形態にかかる窒化物半導体基板を利用した紫外半導体発光素子の素子構造を示している。同図において、第二の実施形態の窒化物半導体基板１１０上に引き続き有機金属化合物気相成長法を行うことにより半導体発光素子１５０を形成している。これにより、窒化物半導体基板１１０上には順に第一のクラッド層１２１と、多重量子井戸活性層１２２と、キャップ層１２３と、第二のクラッド層１２４と、コンタクト層１２５とが形成されている。第一のクラッド層１２１は、ｎ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（Ａｌ_cＧａ_1-c-dＩｎ_dＮ，ｃ＝０．２５，ｄ＝０）で構成されている。多重量子井戸活性層１２２は、例えば厚さ３ｎｍのＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ井戸層と、厚さ９ｎｍのＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎバリア層によって構成することができる。

キャップ層１２３はｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎで構成されており、第二のクラッド層１２４はｐ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ｎ（Ａｌ_eＧａ_1-e-fＩｎ_fＮ，ｅ＝０．２５，ｆ＝０）で構成されている。そして、これらの層を成長させた後にコンタクト層１２５上に金属薄膜により構成されたオーム性半透明電極１２６を形成し、さらにその上にはボンディングパッド電極１２７を形成している。一方、多重量子井戸活性層１２２とキャップ層１２３と第二のクラッド層１２４とコンタクト層１２５を部分的にエッチングすることにより第一のクラッド層１２１を露出させ、同露出した第一のクラッド層１２１の表面にｎ型電極１２８を形成している。

かかる構成において、ボンディングパッド電極１２７およびｎ型電極１２８間に電圧を印可し、電流を流すことにより、多重量子井戸活性層１２２に電子および正孔が注入され、そのバンドギャップに相当する約３３０ｎｍの波長の光を放出することができる。半導体発光素子１５０を構成する各層は、前述のように低転位の半導体層１１６上に積層されるため、多重量子井戸活性層１２２も同様に低転位となっている。これにより、非発光再結合の割合は極めて少なくすることができるため、大部分の電子−正孔対を光の放出を伴って再結合させることができる。従って、非常に高い量子効率が実現できる。

また、半導体層１１６における隙間１１７により内部応力が一度緩和されているため、半導体層１１６を低応力状態とすることができる。従って、半導体層１１６上に成長させられる第一のクラッド層１２１と多重量子井戸活性層１２２とキャップ層１２３と第二のクラッド層１２４とコンタクト層１２５において蓄積される内部応力も小さいものとすることができる。従って、半導体層１１６上に成長させられる第一のクラッド層１２１と多重量子井戸活性層１２２とキャップ層１２３と第二のクラッド層１２４とコンタクト層１２５においてもクラックを防止することが可能となっている。

すなわち、第一のクラッド層１２１および第二のクラッド層１２４等のように格子不整合に起因して内部応力が蓄積しやすい高ＡｌＮモル分率半導体を窒化物半導体基板１１０上に成長させても、クラックを発生させることなく半導体発光素子１５０を作製することができる。高ＡｌＮモル分率半導体によれば、ワイドギャップを得ることができるため、波長が３４０〜３５０ｎｍ程度の深紫外線領域の短波長光も発光させることが可能な半導体発光素子１５０を作製することも可能となる。さらに、同様の理由により、クラックを発生させることなくクラッド層の膜厚を大きくすることができるため、同クラッド層にて光の閉じ込めを行うことが可能となり半導体レーザの作製に利用することも可能となる。

（５）第五の実施形態
図７は、本発明の第五の実施の形態にかかる窒化物半導体基板を利用した紫外半導体受光素子の素子構造を示している。同図において、第一の実施形態の窒化物半導体基板１０上に引き続き有機金属化合物気相成長法を行うことにより半導体受光素子５０を形成している。これにより、窒化物半導体基板１０上には順に第一の導電型半導体層２１と、第二の導電型半導体層としての光吸収層２２が形成されている。第一の導電型半導体層２１はｎ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ（Ａｌ_gＧａ_1-g-hＩｎ_hＮ，ｇ＝０．４，ｈ＝０）で構成されており、光吸収層２２はｎ^-−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ（Ａｌ_iＧａ_1-i-jＩｎ_jＮ，０．ｉ＝０．６，ｊ＝０）で構成されている。

そして、これらの層を成長させた後に光吸収層２２上に金属薄膜により構成されたショットキー半透明電極２３を形成し、さらにその上にはボンディングパッド電極２４を形成している。一方、光吸収層２２を部分的にエッチングすることにより第一の導電型半導体層２１を露出させ、同露出した第一の導電型半導体層２１の表面にｎ型電極２５を形成している。なお、本実施形態において半導体層１６の組成は、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ｎ（Ａｌ_aＧａ_1-a-bＩｎ_bＮ，ａ＝０．４，ｂ＝０）としている。

かかる構成において、ボンディングパッド電極２４およびｎ型電極２５間に逆バイアス電圧を印可しておくことにより、ショットキー半透明電極２３を通して光吸収層２２に入射された波長３３０ｎｍ以下の光に応じて光吸収層２２の内部にて電子−正孔対を生じさせることができる。そして、この電子−正孔対は逆バイアス電圧により加速させられるため、電子をｎ型電極２５に移動させるとともに、正孔をボンディングパッド電極２４に移動させることができる。すなわち、ｎ型電極２５とボンディングパッド電極２４間の光電流として外部に取り出すことが可能となる。従って、半導体受光素子５０によって波長３３０ｎｍ以下の深紫外光を検出することが可能となっている。

本実施形態においても、前述のように低転位の半導体層１６上に積層されるため、光吸収層２２も同様に低転位となっている。従って、量子効率が高く、暗電流の極めて少ない半導体受光素子５０を作製することができる。特に、暗電流低減の効果は絶大であり、１０Ｖの逆バイアス電圧において１０ｐＡ／ｃｍ₂以下であった。これは、従来の転位の多い窒化物半導体基板上を利用して形成した半導体受光素子と比較した場合、約８桁の低減に相当する。

また、本実施形態においても半導体層１６における隙間１７により内部応力が一度緩和されているため、半導体層１６を低応力状態とすることができる。従って、半導体層１６上に成長させられる第一の導電型半導体層２１と光吸収層２２において蓄積される内部応力も小さいものとすることができる。従って、半導体層１６上に成長させられる第一の導電型半導体層２１と光吸収層２２においてもクラックを防止することが可能となっている。

すなわち、格子不整合に起因して内部応力が蓄積しやすい高ＡｌＮモル分率半導体を第一の導電型半導体層２１と光吸収層２２等として成長させても、クラックを発生させることなく半導体受光素子５０を作製することができる。高ＡｌＮモル分率半導体によれば、波長３３０ｎｍ以下の深紫外光に対応するワイドギャップを得ることができるため、波長が３３０ｎｍ以下の深紫外線領域の短波長光も検出可能な半導体受光素子５０を作製することも可能となる。

なお、本実施の形態では紫外半導体受光素子としてショットキー型フォトダイオードを示したが、ｐｉｎ型フォトダイオード、フォトトランジスタ、等の他の構造についても適用可能である。さらに、これらを２次元アレイに集積したイメージセンサー等への応用にも使用できる。

第一の実施の形態にかかる窒化物半導体基板の構造と作製方法を示す図である。 第一の実施の形態にかかる窒化物半導体基板におけるクラックを示す図である。 第二の実施の形態にかかる窒化物半導体基板の構造と作製方法を示す図である。 第二の実施の形態にかかる窒化物半導体基板の構造と作製方法を示す図である。 第三の実施の形態にかかる窒化物半導体基板の構造と作製方法を示す図である。 第四の実施の形態にかかる半導体発光素子の構造を示す図である。 第五の実施の形態にかかる半導体受光素子の構造を示す図である。 従来例にかかる窒化物半導体基板の構造を示す図である。

符号の説明

１，１０，１１０，２１０…窒化物半導体基板
５…低温堆積中間層
６，１６，１１６，２１６…半導体層
８，１５，１１５，２１５…シード結晶層
１１，１１１，２１１…単結晶基板
１２，１１２，２１２…低温バッファ層
１３…ベース半導体層
１１３ａ…ストライプ半導体層
１４…周期マスク
１７，１１７，２１７…隙間
２１…第一の導電型半導体層
２２…光吸収層（第一の導電型半導体層）
２３…ショットキー半透明電極
２４，１２７…ボンディングパッド電極
２５，１２８…ｎ型電極
５０…半導体受光素子
１２１…第一のクラッド層
１２２…多重量子井戸活性層
１２３…キャップ層
１２４…第二のクラッド層
１２５…コンタクト層
１２６…オーム性半透明電極
１５０…半導体発光素子
Ｃ…クラック
Ｄ…転位

Claims (11)

1. 表面が周期ストライプ状に起伏するＧａＮから成るシード結晶層と、
   上記シード結晶層上に形成され表面が平坦な（０００１）面 Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．１≦ａ≦０．３）からなる半導体層とを備え、
   上記シード結晶層の格子定数が上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きく、
   上記半導体層の内部には、上記半導体層の成長過程で上記半導体層と上記シード結晶層との格子不整合により上記半導体層の内部に発生して結晶成長の継続により上記半導体層の表面側が終端したクラックが形成され、
   該クラックの終端により上記半導体層の表面が平坦とされていることを特徴とする窒化物半導体基板。
2. 上記シード結晶層の起伏部は上記半導体層の表面に対して傾斜する斜面を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
3. 上記シード結晶層は、
   （０００１）面 ＧａＮからなるベース半導体層上にストライプ状の周期マスクを形成し、その後、ＧａＮを成長させることにより形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体基板。
4. 上記シード結晶層は、
   周期ストライプ状に起伏する単結晶基板にＧａＮを成長させることにより形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体基板。
5. 上記斜面は、（１−１０１）面であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板。
6. 上記斜面は、（１１−２２）面であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物半導体基板。
7. 上記単結晶基板は、サファイアまたは炭化珪素または珪素またはＺｒＢ₂で形成されることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体基板。
8. 表面が周期ストライプ状に起伏するＧａＮから成るシード結晶層と、上記シード結晶層上に形成され表面が平坦な（０００１）面 Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．１≦ａ≦０．３）からなる半導体層とを備え、上記シード結晶層の格子定数が上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きく、上記半導体層の内部には、上記半導体層の成長過程で上記半導体層と上記シード結晶層との格子不整合により上記半導体層の内部にて発生して結晶成長の継続により上記半導体層の表面側が終端したクラックが形成され、該クラックの終端により上記半導体層の表面が平坦とされている窒化物半導体基板と、
   上記窒化物半導体基板上に形成された半導体ヘテロ構造とを具備することを特徴とする半導体デバイス。
9. 表面が周期ストライプ状に起伏するＧａＮから成るシード結晶層と、上記シード結晶層上に形成され表面が平坦な（０００１）面 Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．１≦ａ≦０．３）からなる半導体層とを備え、上記シード結晶層の格子定数が上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きく、上記半導体層の内部には、上記半導体層の成長過程で上記半導体層と上記シード結晶層との格子不整合により上記半導体層の内部にて発生して結晶成長の継続により上記半導体層の表面側が終端したクラックが形成され、該クラックの終端により上記半導体層の表面が平坦とされている窒化物半導体基板と、
   上記窒化物半導体基板上に形成された導電型Ａｌ_cＧａ_1-cＮ（０．１≦ｃ≦１）により形成される第一のクラッド層と、
   上記窒化物半導体基板上において上記第一のクラッド層よりもバンドギャップの小さい導電型Ａｌ_eＧａ_1-eＮ（０．１≦ｅ≦１）により形成される第二のクラッド層とを具備することを特徴とする半導体発光素子。
10. 表面が周期ストライプ状に起伏するＧａＮから成るシード結晶層と、上記シード結晶層上に形成され表面が平坦な（０００１）面 Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０．１≦ａ≦０．３）からなる半導体層とを備え、上記シード結晶層の格子定数が上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きく、上記半導体層の内部には、上記半導体層の成長過程で上記半導体層と上記シード結晶層との格子不整合により上記半導体層の内部にて発生して結晶成長の継続により上記半導体層の表面側が終端したクラックが形成され、該クラックの終端により上記半導体層の表面が平坦とされている窒化物半導体基板と、
    上記窒化物半導体基板上において導電型Ａｌ_gＧａ_1-gＮ（０．１≦ｇ≦１）により形成される第一の導電型半導体層と、
    上記窒化物半導体基板上において導電型Ａｌ_iＧａ_1-iＮ（０．１≦ｉ≦１）により形成される第二の導電型半導体層とを具備することを特徴とする半導体受光素子。
11. 表面が周期ストライプ状に起伏するＧａＮから成るシード結晶層と、
    上記シード結晶層上に形成され表面が平坦な（０００１）面 Ａｌ _a Ｇａ _1-a Ｎ（０．１≦ａ≦０．３）からなる半導体層とを備える窒化物半導体基板の製造方法であって、
    上記シード結晶層の格子定数を上記半導体層の格子定数よりも０．１％以上大きくし、
    上記半導体層の成長過程で上記半導体層と上記シード結晶層との格子不整合により上記半導体層の内部にクラックを発生させ、結晶成長の継続により該クラックを上記半導体層の表面側で終端させて上記半導体層の表面を平坦にすることを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。

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