JP6573154B2 - 窒化物半導体構造、窒化物半導体構造を備えた電子デバイス、窒化物半導体構造を備えた発光デバイス、および窒化物半導体構造を製造する方法 - Google Patents

窒化物半導体構造、窒化物半導体構造を備えた電子デバイス、窒化物半導体構造を備えた発光デバイス、および窒化物半導体構造を製造する方法 Download PDF

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Description

本願は、半極性面を主面とする窒化物半導体構造、窒化物半導体構造を備えた電子デバイス、窒化物半導体構造を備えた発光デバイス、および窒化物半導体構造を製造する方法に関する。
窒化物半導体は、現在、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの光デバイス、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）などのパワーデバイスや電子デバイス等、種々の半導体デバイスの材料として応用されている。
窒化物半導体結晶では、六方晶系のウルツ鉱構造が安定な結晶構造である。このため、実用化されている光電子デバイスのほとんどすべては、六方晶系の＋ｃ面を主面とした構造を備えている。
図１Ａおよび図１Ｂに、ウルツ鉱構造を有する窒化物半導体の結晶構造を示す。図１Ｂにおいて、ａ1、ａ2、ａ3、ｃ軸、＋ｃ面、ｍ面は、結晶軸や結晶面の方位を示している。＋ｃ面（（０００１））はｃ軸を法線とする結晶面である。窒化物半導体は、ｃ軸方向に反転対称性を持たない。つまり、ｃ軸方向に表と裏が存在し、＋ｃ面への結晶成長では、他の面方位に比べて、良質な結晶が得られやすいと考えられている。そのため、例えば、ＬＥＤにおいては、ｃ面を主面とするサファイア基板上に、電子デバイスにおいては、（１１１）面を主面とするＳｉ基板上に、半導体レーザにおいては、＋ｃ面を主面とするＧａＮバルク基板上に、＋ｃ面を主面とする窒化物半導体構造を積層し、光電子デバイスを作製することが主流となっている。
このように、＋ｃ面を主面とした窒化物半導体結晶成長は、比較的高品質な結晶が得られやすい。このため、主な窒化物半導体系光電子デバイスの作製方法として、また、高品質なＧａＮバルク基板の育成方法として、＋ｃ面が主に用いられている。
一方、＋ｃ面に成長した窒化物半導体積層構造には、ｃ軸方向の非対称性に起因した特性が発現されることも知られている。具体的には、分極特性が発現する。前述したように、ｃ軸方向の非対称性は、Ｇａ原子のカチオンとＮ原子のアニオンの分布に偏りがあるために発生する（図１Ａ）。このイオンの偏りがｃ軸方向に分極を発生する要因となる。
この分極は、自発分極およびピエゾ分極を含む。特にピエゾ分極は、結晶内の歪と強い相関がある。例えばＧａＮ層上のＩｎＧａＮ井戸層であれば、Ｉｎ組成が大きくなるに従い、歪量も大きくなり、分極も大きくなる。分極の結果、活性層におけるＩｎＧａＮの量子井戸にはｃ軸方向に沿って、内部電界が発生する。このような内部電界（主にピエゾ電界）が活性層に発生すると、キャリアの量子閉じ込めシュタルク効果により活性層内における電子およびホールの分布に位置ずれが生じるため、内部量子効率が低下する。このため、半導体レーザであれば、しきい値電流の増大が引き起こされる。ＬＥＤであれば、消費電力の増大や発光効率の低下が引き起こされる。また、注入キャリア密度の上昇と共にピエゾ電界のスクリーニングが起こり、発光波長の変化も生じる。
このように、＋ｃ面を主面とする結晶成長は、良質な結晶構造が得やすい成長面ではあるものの、自発分極やピエゾ分極による影響が課題となる場合がある。このように、分極が生じる成長面であるｃ面を、極性面と呼ぶ。
このような課題を解決するために、＋ｃ面以外の面を主面とした窒化物半導体結晶構造やその成長方法が提案されている。例えば、図１Ｂに示すように、窒化物半導体の成長方向として、ａ軸方向やｍ軸方向を選択すれば、前述した分極は発生しない。
ａ軸やｍ軸方向に結晶成長させた場合、つまりａ面やｍ面を主面とする場合、これらの面の法線方向に分極は発生しない。これらの面においてはＧａ原子と窒素原子は同一原子面上に存在するからである。その結果、例えば、ｍ面に半導体積層構造を形成すれば、ピエゾ電界も発生しない。例えばこのような非極性面を主面とするＬＥＤは、従来のｃ面を主面とするＬＥＤに比べて発光効率の向上が実現できる。このような分極が生じない結晶面を非極性面と呼ぶ（無極性面と呼ぶ場合もある）。なお、ｍ面は、（１−１００）面、（−１０１０）面、（１０−１０）面、（−１１００）面、（０１−１０）面、（０−１１０）面の総称である。このように、極性面であるｃ面を主面とした窒化物半導体結晶構造において発生する分極は、非極性面であるａ面やｍ面を主面とした窒化物半導体結晶構造においては生じない。
一方、非特許文献１は、非極性面であるａ面やｍ面を主面とした窒化物半導体結晶構造以外でも、極性面であるｃ面を主面とした構造と比較して、分極を低減できることを開示している。非特許文献１は、膜厚が３ｎｍのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ／ＧａＮ積層構造においては、（１１−２４）面や（１０−１２）面を主面とした窒化物半導体結晶構造においても、非極性面と同等の分極低減効果が得られることを示している。ここで、（１１−２４）面は、主面の面方位が、ｃ軸からａ軸方向に３９度傾斜した面であり、（１０−１２）面は、主面の面方位が、ｃ軸からｍ軸方向に４３度傾斜した面である。このように、極性面であるｃ面や、非極性面であるａ面やｍ面から傾斜した面を、総じて半極性面と呼ぶ。
このように、非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体結晶構造は、極性面であるｃ面を主面とする構造において存在する分極効果を低減することができることがわかっている。
しかし、これらの非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体構造は、一般的に、従来の極性面である＋ｃ面を主面とする構造に比べて、結晶成長が困難であり、結晶欠陥を低減し、高品質な結晶を得ることが難しい。
特許文献１は、故意にミスカットした基板（つまり傾斜基板）上に半極性面を主面とする窒化物半導体薄膜を成膜する方法を開示する。半極性面を主面とする窒化物半導体構造において、成長用基板として、低指数の結晶方位から故意に傾斜をつけた基板を用意し、傾斜の方向と大きさを適宜制御することにより、結晶欠陥密度を低減し、結晶性を改善することができると開示している。特許文献１によれば、傾斜の大きさの望ましい範囲は、０．５度から２０度の範囲であり、さらに望ましい範囲は、０．５度以上３．０度以下である。特許文献１は、実施例において、半極性面である（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体を（１−１００）面を主面とするｍ面サファイア基板上に形成した結果を示している。このとき、傾斜したｍ面サファイア基板の方向と大きさは、ｍ軸からｃ軸方向に−０．５度から１．０度までの範囲で検討されており、傾斜角度を大きくすることで、結晶性（（１１−２２）面の窒化物半導体からのＸ線回折半値幅で評価）が改善し、１．０度場合がもっともよい結果となると開示している。一方、１度を越える範囲についての実施例はない。
特願２００８−５５１４６５ 特許第４７４３２１４号
Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３９ （２０００） ｐｐ．４１３−４１６
上述の従来技術では、非極性面や半極性面を有し、良好な結晶品質を備えた窒化物半導体構造が求められていた。
本開示の窒化物半導体構造は、主面を有する窒化物半導体層を備え、前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲で傾斜している。
本開示の窒化物半導体構造によれば、半極性面を主面とする窒化物半導体積層構造の結晶成長において、その主面の法線を、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度から１７度の範囲に設定することで、結晶欠陥である転位の結晶成長中の屈曲を促進し、成長表面へ伝播する転位の数を減らすことが可能である。よって、窒化物半導体層における転位密度が例えば、１×１０8ｃｍ-2以下である良質な半極性面窒化物半導体積層構造を実現することができる。
ＧａＮの単位格子を模式的に示す斜視図である。 ウルツ鉱型結晶構造の基本ベクトルａ1、ａ2、ａ3、ｃを示す斜視図である。 本実施形態における窒化物半導体積層構造の断面模式図を示す。 本実施形態における転位の屈曲メカニズムの模式図を示す。 （１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層の主面方位と｛１０−１１｝面ファセットの関係を示す。 （１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層の主面方位と｛１０−１１｝面ファセットの関係を示す。 本実施形態における傾斜角度αを持つ窒化物半導体層の主面方位と｛１０−１１｝面ファセットの関係を示す。 参考例１に用いたサファイア基板１００の結晶方位の模式図を示す。 参考例１におけるサファイア基板１００と窒化物半導体層３００の結晶方位の関係図を示す。 参考例２、３および実施例４〜８に用いた傾斜角度αを持つサファイア基板１００の結晶方位の説明図を示す。 参考例２、３および実施例４〜８における前記サファイア基板１００上に成長した傾斜角度αを持つ窒化物半導体層３００の結晶方位の説明図を示す。 参考例１の窒化物半導体層３００において得られた（１１−２２）回折のロッキングカーブ測定結果を示す。 参考例１の窒化物半導体層３００において得られた（０００２）回折のロッキングカーブ測定結果を示す。 Ｘ線回折測定時の（１１−２２）回折におけるＸ線入射方向に関する説明図を示す。 Ｘ線回折測定時の（０００２）回折におけるＸ線入射方向に関する説明図を示す。 実施例５の窒化物半導体層３００において得られた（１１−２２）回折のロッキングカーブ測定結果を示す。 実施例５の窒化物半導体層３００において得られた（０００２）回折のロッキングカーブ測定結果を示す。 傾斜角度のない参考例１における窒化物半導体の面方位とｃ面の関係図を示す。 傾斜角度α＝１０度の実施例５における窒化物半導体の面方位とｃ面の関係図を示す。 参考例１〜６における傾斜角度αと（０００２）回折測定時のあおり角度の関係を示す。 参考例１〜３および実施例４〜８における（１１−２２）回折のロッキングカーブ半値幅の傾斜角度α依存性を示す。 参考例１〜３および実施例４〜７における（０００２）回折のロッキングカーブ半値幅の傾斜角度α依存性を示す。 参考例１による窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 参考例２による窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 参考例３による窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 実施例４による窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 実施例５による窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 実施例６による窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 実施例８による窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 参考例１〜３および実施例４〜８における窒化物半導体層３００の表面粗さと傾斜角度αの関係を示す。 参考例３および実施例４〜８における窒化物半導体層３００の傾斜角度αと｛１０−１１｝面ファセットの傾きの関係を示す。 参考例１による窒化物半導体層３００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す。 参考例２による窒化物半導体層３００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す。 参考例３による窒化物半導体層３００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す。 実施例４による窒化物半導体層３００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す。 実施例５による窒化物半導体層３００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す。 実施例６による窒化物半導体層３００の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とカソードルミネッセンス（ＣＬ）像を示す。 参考例３における断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す。 参考例３における断面ＴＥＭ像の電子線入射方向の説明図を示す。 実施例５における断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す。 実施例５における断面ＴＥＭ像の電子線入射方向の説明図を示す。 実施例５における断面ＴＥＭ像のＧａＮ／サファイア基板界面の拡大図を示す。 実施例４における窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 実施例９における窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを示す。 サファイア基板の表面方向から観察した、実施例１０における選択成長に用いたマスク層１３０と基板１００の模式図を示す。 サファイア基板のａ軸方向から観察した、実施例１０における選択成長に用いたマスク層１３０と基板１００の模式図を示す。 実施例１０における窒化物半導体積層構造の断面模式図を示す。 実施例１０における窒化物半導体構造の断面ＳＥＭ像を示す。 実施例１０における窒化物半導体構造の表面ＳＥＭ像を示す。 実施例１０における窒化物半導体構造の表面ＣＬ像を示す。 発光素子の実施形態を示す模式的な断面図である。 光源の実施形態を示す模式的な断面図である。
本願発明者は、半極性面を主面とする窒化物半導体構造の結晶品質を向上させる方法を詳細に検討した。その結果、半極性面を主面とする窒化物半導体構造において、主面を所定の結晶軸から所定の角度で傾けることによって、転位を抑制し、従来よりも結晶品質の高い窒化物半導体構造を得られることを見出した。
転位は、窒化物半導体結晶中に存在する欠陥のひとつであり、線欠陥の一種である。転位は、バーガーズベクトルの方向の違いにより、刃状転位、らせん転位、混合転位などに分類できる。一方、窒化物半導体結晶中には、積層欠陥も発生する。積層欠陥は面欠陥である、主にｃ面に形成されやすい。一般的に、転位は屈曲するが、積層欠陥は面欠陥であるため屈曲はしない。従来の極性面である＋ｃ面を主面とする窒化物半導体構造は、積層欠陥が発生したとしても、この面欠陥は、成長方向に対して垂直方向に主に存在し、成長方向に伝播することはない。よって、極性面を主面とする窒化物半導体構造の形成においては、積層欠陥が窒化物半導体構造全体の結晶品質に及ぼす影響は少ない。
一方、非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体の場合、ｃ面が成長主面に対して、垂直もしくは斜めに存在するため、成長方向に積層欠陥が伝播する。よって、積層欠陥の存在の有無が、窒化物半導体構造の結晶品質全体に影響を及ぼし、また、この窒化物半導体構造を用いて作製したデバイスの特性に影響を与え得る。このように、線欠陥である転位と、面欠陥である積層欠陥とは区別されるものである。
非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体積層構造においては、従来の＋ｃ面を主面とする窒化物半導体積層構造に比べて、転位密度の低減が不十分である。また、前述した積層欠陥の影響も受けるため、非極性面や半極性面を主面とする窒化物半導体構造を用いたデバイスを実現するためには、こうした転位および積層欠陥を低減させることが重要である。本開示の窒化物半導体構造は、これら２つの欠陥のうち、主面の傾斜角度の制御により、主として、転位密度の低減を実現し得る。
本開示の窒化物半導体構造、電子デバイス、発光デバイスおよび窒化物半導体構造の製造方法の概要は以下のとおりである。
本開示の窒化物半導体構造は、主面を有する窒化物半導体層を備え、前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲で傾斜している。これにより、結晶中の欠陥が低減された半極性面を主面とする窒化物半導体構造が得られる。
前記窒化物半導体構造は、主面を有し、前記主面において、前記窒化物半導体層を支持する基板をさらに備え、前記基板は、ＧａＮ、サファイアまたはＳｉによって構成されていてもよい。
前記基板は、ｍ面サファイア基板によって構成され、前記基板の前記主面の法線が、ｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲で傾斜していてもよい。
前記窒化物半導体構造は、前記窒化物半導体層と前記基板との間に位置するバッファ層をさらに備え、前記バッファ層はアルミニウムを含まない窒化物半導体によって構成されていてもよい。
前記基板は、窒化物半導体によって構成され、前記基板の前記主面の法線が、前記基板の前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲の角度で傾斜していてもよい。
前記基板は、シリコンによって構成され、前記基板の前記主面の法線が、前記シリコンの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４１度以上５３度以下の角度で傾斜していてもよい。
前記窒化物半導体層の転位密度は、ＴＥＭ測定で１×１０8ｃｍ-2以下であってもよい。
前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の（１１−２２）面の法線から、＋ｃ軸方向に、１０度以上１７度以下の範囲で傾斜していてもよい。
前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲で傾斜していてもよい。
前記基板は、ｍ面サファイア基板によって構成され、前記基板の前記主面の法線が、ｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲で傾斜していてもよい。
前記基板は、窒化物半導体によって構成され、前記基板の前記主面の法線が、前記基板の前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲の角度で傾斜していてもよい。
前記基板は、シリコンによって構成され、前記基板の前記主面の法線が、前記シリコンの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４３度以上５３度以下の角度で傾斜していてもよい。
前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の（１１−２２）面の法線から、＋ｃ軸方向に、１０度以上１５度以下の範囲で傾斜していてもよい。
本開示の電子デバイスは、上記いずれかに規定される窒化物半導体構造を備える。
本開示の発光デバイスは、上記いずれかに規定される窒化物半導体構造と、前記窒化物半導体構造上に位置している窒化物半導体積層構造であって、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層とを含む、窒化物半導体積層構造と、前記ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｎ側電極と、前記ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｐ側電極とを備える。
本開示の窒化物半導体構造を製造する方法は、主面を有する基板上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体構造を製造する方法であって、前記基板は、前記主面の法線が、前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲の角度で傾斜している窒化物半導体基板、前記主面の法線が、ｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲で傾斜しているｍ面サファイア基板、または、前記主面の法線が、Ｓｉの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４１度以上５３度以下の角度で傾斜したＳｉ基板である。
前記窒化物半導体層のエピタキシャル成長中の成長面が｛１０−１１｝面ファセットを含んでいてもよい。
前記基板は、前記主面の法線が、前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲の角度で傾斜している窒化物半導体基板、前記主面の法線が、ｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲で傾斜しているｍ面サファイア基板、または、前記主面の法線が、Ｓｉの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４１度以上５３度以下の角度で傾斜したＳｉ基板であってもよい。
（第1の実施形態）
以下図面を参照しながら本開示の窒化物半導体構造の実施の形態を説明する。図２は、本実施形態による窒化物半導体構造の断面図を示す。図２に示されるように、本実施形態による窒化物半導体構造１１は、基板１００と窒化物半導体積層構造１２０を備える。本実施形態では、窒化物半導体積層構造１２０は、バッファ層２００および窒化物半導体層３００を含む。窒化物半導体積層構造１２０は少なくとも窒化物半導体層３００を含んでいればよく、バッファ層２００を含んでいなくてもよい。窒化物半導体積層構造１２０は、基板１００の主面の結晶性を利用して形成されたエピタキシャル半導体積層構造である。本明細書において「窒化物半導体」とは、ＡｌxＩｎyＧａzＮ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の組成を有する半導体を意味する。また、Ｂを一部含んでいてもよい。以下、各構成要素を詳細に説明する。
（基板１００）
基板１００は、窒化物半導体積層構造１２０を支持する。また、窒化物半導体積層構造１２０に含まれる窒化物半導体層３００が、所望の半極性面を主面としてエピタキシャル成長することが可能なように、結晶面を提供する。例えば、基板１００は、単結晶の窒化物半導体によって構成され、主面１００ａを有する。主面１００ａの法線（面方位）は、窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度から１７度、望ましくは５度以上１５度以下の範囲の角度で傾斜している。
基板１００は、単結晶のサファイアによって構成されていてもよい。この場合、主面１００ａは、基板１００を構成するサファイアの結晶のｍ面から傾斜した面であってもよい。ｍ面は、（１−１００）面およびそれと等価な面である（−１１００）、（０１−１０）、（０−１１０）、（１０−１０）、（−１０１０）面を含む。主面１００ａの法線はｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下の角度で傾斜している。本明細書において、ミラー指数の数字に付す「バー」は、その数字の前にマイナス「−」の符号を付すことによって代用する。例えば、（−１１００）は、（イチバー、イチ、ゼロ、ゼロ）を意味している。
基板１００は単結晶のサファイアによって構成され、主面１００ａからｍ軸方向に４１度以上５３度以下、望ましくは４３度以上５３度以下の角度傾斜したｃ面を有していてもよい。この場合、主面１００ａにドライエッチングなどによって、ストライプ状の凹凸構造を形成し、凹凸構造の側面において、主面１００ａに対して傾斜したサファイアのｃ面が露出していてもよい。
基板１００は単結晶のＳｉによって構成されていてもよい。Ｓｉの（１１１）面に、ｃ面を主面とする窒化物半導体の成長が可能である。よって、基板１００はＳｉによって構成され、主面の法線が、Ｓｉの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４１度以上５３度以下、望ましくは４３度以上５３度以下の角度で傾斜していてもよい。この場合も、主面１００ａにドライエッチングなどによって、ストライプ状の凹凸構造を形成し、凹凸構造の側面において、主面１００ａに対して傾斜したＳｉの（１１１）が露出していてもよい。
このような基板１００を用いることにより、以下において詳細に説明するように、窒化物半導体層３００の主面３００ａの法線が、窒化物半導体層３００を構成する窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下の範囲の角度αで傾斜した窒化物半導体積層構造１２０が得られる。得られる窒化物半導体層３００は、欠陥が抑制されており、高い結晶品質を備える。なお、基板１００が単結晶のサファイアによって構成される場合、主面１００ａに凹凸構造を設けてもよい。これにより、より結晶品質の高い窒化物半導体層３００を得ることが可能である。後述する実施例１０では、サファイア基板表面にマスクを形成し、選択成長させることで結晶性が改善できる結果を示している。上述したように、傾斜の角度αは、主面３００ａの面方位（法線方向）が、窒化物半導体の［１１−２２］軸を基準とし、そこから＋ｃ軸方向への傾斜した角度で定義される。
（バッファ層２００）
バッファ層２００は、窒化物半導体によって構成され、基板１００の主面１００ａを被覆するように、基板１００に形成される。バッファ層２００は、主面２００ａを有し、基板１００の主面１００ａの結晶性を主面２００ａに反映させることによって主面２００ａ上に窒化物半導体層３００をエピタキシャル成長させる。バッファ層２００自体も基板１００上にエピタキシャル成長することによって形成される。
図２に示すように、バッファ層２００の主面２００ａの法線は、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下の範囲で傾斜している。バッファ層２００は、窒化物半導体層３００とは異なる条件で成長させてもよい。またホウ素（Ｂ）を含んでいてもよい。例えば、バッファ層２００は、ＡｌＮによって構成されて、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有していてもよい。成長温度は、５００℃以上７００℃以下であってもよい。また、バッファ層２００は、アルミニウムを含まない窒化物半導体によって構成されていてもよい。例えば、バッファ層２００は、ＧａＮによって構成されており、窒化物半導体層３００よりも、低い圧力（例えば、１００Ｔｏｒｒ）で成長してもよい。上述したように、バッファ層２００は設けなくてもよい。
（窒化物半導体層３００）
窒化物半導体層３００は、基板１００上に位置するバッファ層２００の主面２００ａを被覆し、バッファ層２００を介して基板１００に支持されている。バッファ層２００がない場合には、窒化物半導体層３００は基板１００の主面１００ａ上に直接位置する。窒化物半導体層３００は窒化物半導体によって構成されている。ｐ型またはｎ型の不純物を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。窒化物半導体層３００はエピタキシャル層である。
図２に示すように、窒化物半導体層３００の主面３００ａの法線（面方位）は、バッファ層２００と同じく、窒化物半導体層３００を構成している窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度から１７度、望ましくは５度以上１５度以下の範囲で傾斜している。この角度範囲内において、窒化物半導体層３００の主面３００ａの法線、つまり、窒化物半導体層３００の成長方向を制御することにより、結晶欠陥である転位を成長中に屈曲させ、減少させることが可能となる。この傾斜角度範囲は、窒化物半導体の＋ｃ軸を基準として設定する場合、＋ｃ軸から［１１−２２］軸方向に、４１度から５３度、望ましくは４３度から５３度の範囲となる。つまり、窒化物半導体の［１１−２２］軸を基準とした５〜１７度の範囲と、＋ｃ軸を基準とした４１〜５３度の範囲は等価である。また、窒化物半導体の［１１−２２］軸を基準とした５〜１５度の範囲と、＋ｃ軸を基準とした４３〜５３度の範囲は等価である。以下、本明細書では、［１１−２２］軸を基準とし、＋ｃ軸方向に５〜１７度または５〜１５度の表記に統一して、説明する。
［１１−２２］軸および＋ｃ軸を含む平面において、［１１−２２］軸と＋ｃ軸とは５８度の角度をなしている。また、この平面において、［１１−２２］軸と直交する軸は、［−１−１２３］軸であり、［１１−２２］軸および［−１−１２３］軸と直交する軸は、［-１１００］軸（ｍ軸）である。
窒化物半導体層３００の主面３００ａの法線は、［-１１００］軸（ｍ軸）方向には傾斜していないほうが望ましい。主面３００ａの傾斜角度の制御による転位密度の低減効果は、主面３００ａの法線が、窒化物半導体層の［１１−２２］軸とｃ軸とで形成される面内に存在する場合に最も大きく得られるからである。ただし、主面３００ａの法線の傾きが［１１−２２］軸および＋ｃ軸を含む平面から小さければ、実質的な転位密度の低減効果を得ることが可能である。具体的には、主面３００ａの法線は、［１１−２２］軸および＋ｃ軸を含む平面と垂直であり、ｍ軸を含む平面において、［１１−２２］軸から±５度以下の角度で傾いていてもよく、より望ましくは±１度以下の角度で傾いていてもよい。
本明細書において、「転位の屈曲」とは、転位の伝播方向が変化することをいう。窒化物半導体層３００の成長中、結晶内で転位が屈曲することによって、成長表面まで転位が伝播しにくくなる。このため、窒化物半導体層３００の表面付近では、転位密度が減少し、結晶性が改善する。屈曲した転位が他の転位と接触すると２つの転位は結合する場合がある。これにより、転位の数が減少すする。
転位の屈曲は、窒化物半導体層３００の主面３００ａの法線の傾斜角度に依存する。具体的には、転位の屈曲は、主面３００ａの法線が、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、１度以上の角度αで傾斜していることにより促進される。以下において詳細に説明するように、角度αが、１度である場合、転位の屈曲角度はおよそ１０度前後である。ここで、屈曲角度は、主面２００ａの法線方向を基準とし、その方向からの転位線の傾斜角である。角度αが１度程度の場合、転位の屈曲による、窒化物半導体層３００の成長表面付近での結晶性の改善効果は十分ではない。一方、角度αが５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下である場合、転位の屈曲角度は３０度以上になる。このため、比較的大きな角度で、転位が屈曲し、成長表面付近における転位密度の低減効果が大きく、結晶性を改善することができる。角度αが５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下である場合、本実施形態の窒化物半導体層における転位密度は、１×１０8ｃｍ-2以下である。
転位密度は、次のように計測する。即ち、窒化物半導体層の断面をＴＥＭ測定するため、まず、断面に垂直な方向の窒化物半導体層の厚みが約０．１μｍとなるようにスライスする。次に、窒化物半導体層に垂直な断面のＴＥＭ画像を撮影する。撮影した窒化物半導体層のＴＥＭ画像において、サファイア基板と平行で所定の長さを有する基準線を想定し、この基準線を通過する転位線の数をカウントする。カウントした転位線の数を測定領域の面積（即ち、前記所定の長さ×断面に垂直な方向の窒化物半導体層の厚み約０．１μｍ）で割ることにより、転位密度を得ることができる。前記基準線は、窒化物半導体層の成長方向の主面から３μｍ以内の高さに位置し、前記基準線の所定の長さは、１０μｍ以上である。
転位密度は、窒化物半導体層の成長奉公の主面におけるカソードルミネッセンス測定によって得ることもできる。カソードルミネッセンス測定においては、貫通転位が存在する箇所は非発光領域となることが知られている。つまり、カソードルミネッセンス測定によれば、窒化物半導体層表面における貫通転位は暗点として観測される。そのカソードルミネッセンス像において、１０μｍ2以上の領域内にある暗点の数をカウントし、カウントした暗点の数を該領域の面積で割った値を転位密度としてもよい。
本実施形態の窒化物半導体構造１１が窒化物半導体によって構成されるバッファ層２００を含む場合、バッファ層２００においても、同様の理由から転位密度を低減させることができる。
（転位屈曲のメカニズム）
前述したように、本実施形態における転位の屈曲は、成長する窒化物半導体の主面の法線が、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、１度以上傾斜していることにより発生する。転位の屈曲する方向は、主面の面内において、ｍ軸方向成分を含む。図３を参照しながら、本実施形態における転位の屈曲メカニズムを説明する。
本実施形態において、転位の屈曲は、半極性面を主面とする窒化物半導体構造の主面の面内におけるｍ軸に垂直方向から観測することができる。例えば、基板１００上に形成した窒化物半導体層３００のが結晶方位が図３に示す方向であった場合、紙面に対して垂直方向において転位の屈曲が観測しやすい。したがって、例えば、窒化物半導体層３００のこの方向における断面を透過型電子顕微鏡で観察した場合、転位の屈曲を観測することができる。
一方、図３の方向とは９０度異なる方向、つまり図３のｍ軸方向から断面透過型電子顕微鏡観察を行った場合、転位の屈曲の観測は困難である。
これは、半極性面窒化物半導体構造中の転位は、主にｃ面内に存在し、その面内において屈曲が起こっているとためと考えられる。
前述したように、半極性面窒化物半導体の主面の傾斜角度が０度であるの場合、前述のｍ軸に垂直方向から見た転位の屈曲はほぼ０度であり、傾斜角度が１度の場合、転位の屈曲角度は１０度前後であり、傾斜角度が５度以上の場合、転位の屈曲角度は３０度以上になる。
また、半極性面の主面の面方位を望ましい角度に傾斜させることによって、転位の屈曲を促進し、転位が成長表面に到達しにくくすることができる。その結果、成長表面付近の転位密度を減少させ、＋ｃ面に比べて結晶成長が困難と考えられている半極性面窒化物半導体構造の高品質化を実現する。このような転位の屈曲には、図３に示したように、成長時のファセットの形成も重要な役割を担っていると考えられる。具体的には、転位の屈曲を促進するファセット面は主に｛１０−１１｝面であると考えられる。｛１０−１１｝面ファセットは、ｍ面がｍ軸方向からｃ軸方向に傾斜した面である。
ここで、｛１０−１１｝面ファセットとは、（１０−１１）、（０１−１１）、（１−１００）、（−１１００）、（−１０１０）、（０−１１０）の総称である。
図４Ａ、図４Ｂおよび図４ＣにＧａＮ半導体層における、（１１−２２）面と｛１０−１１｝面との位置関係を示す。窒化物半導体層の主面が（１１−２２）面、つまり、主面の傾斜角度α＝０の場合、（１０−１１）面およびそれと等価な面である（０１−１１）面が、［−１１００］軸に垂直であり、［１１−２２］軸を含む面に対して対称に位置する。
特許文献２では、＋ｃ面の窒化物半導体成長において、マスクを用いた成長手法により、｛１０−１１｝面ファセットを用いて、転位を屈曲させ、転位密度を低減できると説明している。
本願発明者の検討によれば、主面の面方位を望ましい角度に傾斜させた半極性面窒化物半導体成長においても、成長中に｛１０−１１｝面ファセットが形成されることにより、転位の屈曲が促進され、転位密度が低減されていると考えられる。
理由は明らかではないが、図４Ａに示すように、窒化物半導体層の主面が（１１−２２）面である場合には、窒化物半導体層中に、｛１０−１１｝面ファセットが形成されるものの、｛１０−１１｝面における転位の屈曲はほとんど生じない。角度αが０度以上１度以下でも同様である。
これに対して図４Ｃに示すように、窒化物半導体層の主面の法線（面方位）が、（１１−２２）面（窒化物半導体の［１１−２２］軸）から、１度より大きく傾くと｛１０−１１｝面において、転位が１０度未満の角度で屈曲する。さらに、５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下の角度αで傾斜している場合、３０度以上の転位の屈曲が生じる。これにより、主面への転位の伝播を抑制する効果が十分に得られる。また、２以上の転位が結合し転位密度が減少する効果を得ることができる。
一方、傾斜角度αが２０度になると、半極性面窒化物半導体の結晶性は著しく低下する。これは、傾斜角度が大きくなりすぎると、｛１０−１１｝面ファセットの形成が困難になるためと考えられる。また、｛１０−１１｝面ファセットにおける転位の屈曲の角度も１０度未満となる。
このように、本実施形態においては、半極性面窒化物半導体の構造の主面の面方位を望ましい角度に傾斜させ、かつ、｛１０−１１｝面ファセットを積極的に発生させ、転位の屈曲を促進させることで成長表面付近での転位密度を低減している。図３に示すように、転位は、ファセット面において屈曲、ファセット同士が作る凹部（谷の部分。図３参照）に集まる。このため、２以上の転位の結合が促進する。
転位の屈曲を促進させるためには、｛１０−１１｝面ファセットが形成されるような成長条件で半極性面を主面とする窒化物半導体層を形成することが望ましい。この場合、成長終了後の表面には、｛１０−１１｝面ファセットが存在し、そのファセット同士が作る凹部に転位が終端されることで、低転位密度の成長表面が実現される。
一方、成長表面のモフォロジーは、成長条件によって制御可能である。前述したような｛１０−１１｝面ファセットが形成されるような成長を行った後、成長条件を変化させることで、ファセットがないフラットな成長表面を得ることが可能である。よって、本実施形態においては、成長中に｛１０−１１｝面ファセットを形成し、転位の屈曲を促進させるような成長が、窒化物半導体層３００の形成中の一部において実施されていればよい。
本実施形態の窒化物半導体構造１１が窒化物半導体によって構成されるバッファ層２００を含む場合、同様の理由によって、バッファ層２００においても、転位を屈曲させ、転位密度を低減させることができると考えられる。
また、窒化物半導体層３００およびバッファ層２００の厚さが大きいほど、転位の屈曲による転位密度の低減の効果を得ることができる。例えば、バッファ層２００および窒化物半導体層３００の合計厚さは５００ｎｍ以上あることが望ましい。合計の厚さが５００ｎｍよりも小さい場合、転位が屈曲する前に窒化物半導体層３００の成長表面まで到達してしまい、大きな転位密度低減効果を得ることができない場合があるからである。バッファ層２００および窒化物半導体層３００の合計の厚さは、例えば、５００ｎｍ以上３ｍｍ以下である。
バッファ層２００および窒化物半導体層３００の合計の望ましい厚さは、窒化物半導体構造１１に求められる転位密度や基板１００の材料、窒化物半導体層３００およびバッファ層２００に依存する。例えば、基板１００として、傾斜したｍ面を有するサファイア基板を用いた場合、サファイアの格子定数は、窒化物半導体の格子定数と異なる。この場合、バッファ層２００には、基板１００とバッファ層２００との材料の差異によって、高密度の欠陥や転位が発生する。また、基板１００として、同じ結晶である窒化物半導体基板を用いた場合でも、基板１００の表面処理や表面状態に起因して、バッファ層２００には、高密度の欠陥や転位が発生する。このような場合には、バッファ層２００の成長時の転位密度に応じて、バッファ層２００および窒化物半導体層３００の厚さを決定してもよい。
本実施形態の窒化物半導体構造は、窒化物半導体光素子（ＬＥＤ、受光素子、太陽電池）、窒化物半導体レーザおよび窒化物半導体電子素子（トランジスタやパワーデバイス）用の下地構造として用いられ得る。また、窒化物半導体バルク結晶の下地構造としても用いられる。この場合、窒化物半導体構造の基板１００は除去されてもよい。
（製造方法）
本実施形態による窒化物半導体積層構造は、基板１００上に、主面３００ａの面方位が、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度から１７度、望ましくは５度以上１５度以下の範囲に設定された、窒化物半導体層３００をエピタキシャル成長させる一般的な方法によって製造され得る。よって、基板１００は、これらの面方位の傾斜を制御することができる窒化物半導体構造が実現できる範囲で適宜選択することができる。具体的には、前述した基板１００を用いることができる。
窒化物半導体層３００およびバッファ層２００を含む窒化物半導体積層構造１２０の形成方法は、例えば、有機金属気相成長法（以後、ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法、ハイドライド気相成長法などである。また、バルク基板成長などに用いられる、厚膜の窒化物半導体液相成長方法を用いてもよい。例えば、アモノサーマル法、Ｎａフラックス法などである。特にハイドライド気相成長法や、バルク基板の液層成長などは数ｍｍオーダーの厚膜の成長が可能であり、本実施形態の転位密度の低減を実現する上では望ましい成長手法である。
（実施例）
以下、本実施形態の窒化物半導体構造を作製し、特性を測定した結果を説明する。本実施例では、窒化物半導体としてＧａＮを用いた。
１．試料の作製
（参考例１）傾斜角度α＝０度
まず、ｍ面を主面とするサファイア基板１００が準備された。ｍ面サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。図５Ａに参考例１において用いたｍ面サファイア基板の模式図を示す。
参考例１において用いたｍ面サファイア基板の傾斜角度αは０度である。傾斜角度αは図５Ａにおいて、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。サファイア基板１００の直径はおよそ２インチ、厚さは０．４３ｍｍであった。
（サファイア基板の洗浄）
サファイア基板１００は、摂氏１００度に加熱された洗浄液を用いて１０分間、洗浄された。洗浄液は、１：１の体積比を有する硫酸およびリン酸から構成されていた。続いて、サファイア基板１００は、水を用いて洗浄された。
なお、このサファイア基板の洗浄工程は、必須のプロセスではなかった。この洗浄工程を省いた場合でも、半極性面を主面とした窒化物半導体積層構造の形成は可能であり、結晶性などの特性に大きな違いはなかった。
（バッファ層２００および窒化物半導体層３００の成長）
ｍ面サファイア基板１００上に窒化物半導体がエピタキシャル成長される場合、その窒化物半導体は、成長初期過程の制御により、（１１−２２）面の主面を有した。図５Ｂに、ｍ面サファイアと（１１−２２）面ＧａＮの結晶方位の関係を示す。サファイアのｍ軸とＧａＮの［１１−２２］軸が、サファイアのａ軸とＧａＮのｍ軸が、サファイアのｃ軸とＧａＮの［−１−１２３］軸が平行になる。ＧａＮの［１１−２２］軸は、ＧａＮのｃ軸から５８度傾斜している。よって、本参考例１ではα＝０度であった。
（ＧａＮ層の成長）
サファイア基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされた。ＭＯＣＶＤ装置内では、水素および窒素がキャリアガスとして用いられた。
サファイア基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内で加熱された。サファイア基板１００の温度が５００度になったときに、アンモニアガスが供給され始めた。このアンモニアガスは、サファイア基板１００の表面を窒化したと考えられた。
なお、本実施形態においては、窒化物半導体層成長前に、アンモニアを含まない雰囲気（水素と窒素の混合ガス雰囲気、もしくはそのいずれかを含む雰囲気）下での９００度以上の高温熱処理は行わなかった。一般的には、窒化物半導体層成長前に、成長炉内において、サファイア基板表面を熱処理によりクリーニングすることがある。しかし、本実施例においては、サファイア基板の熱処理を行うと、特に傾斜角度αが大きい場合に、所望の窒化物半導体層３００が得られなかった。特に、サファイア熱処理工程を行うと、傾斜角度αが１０度以上２０度以下の傾斜サファイア基板を用いた場合、［１１−２２］軸が＋ｃ軸方向に１０度〜２０度傾斜した半極性面窒化物半導体が得られなかった。そこで本実施例においては、傾斜角度に拠らず、アンモニアを含まない雰囲気下での９００度以上のサファイア高温熱処理工程は用いなかった。
サファイア基板１００の温度が、摂氏９５０度に到達した後、１分の時間が経過した。その後、トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」という）およびアンモニアがＭＯＣＶＤ装置に供給され、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層３００を、ｍ面サファイア基板１００の表面に成長した。このようにして、ＧａＮから形成される窒化物半導体積層構造を得た。
窒化物半導体層３００が、サファイア基板１００の表面に成長される間、サファイア基板１００は、３ｒｐｍの回転速度で回転された。表１は、窒化物半導体層３００の成長条件を示す。
Figure 0006573154
なお、本参考例１では、バッファ層２００は成長しなかった。バッファ層２００は、一般的な方法によって基板上に窒化物半導体層が形成される際に、基板と窒化物半導体層との間に形成され得る。
（参考例２）傾斜角度α＝０．５度
図６Ａに示される傾斜角度αが０．５度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること以外は、参考例１と同様の実験が行われた。サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。傾斜角度αは図６Ａに示したように、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。
同様に、このサファイア基板１００上に参考例１と同じ手法で成長した半極性面窒化物半導体の主面の面方位は、図６Ｂに示した傾斜角度αが、ＧａＮの［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に約０．５度となった。
（参考例３）傾斜角度α＝１．０度
図６Ａに示される傾斜角度αが１．０度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること以外は、参考例１と同様の実験が行われた。サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。傾斜角度αは図６Ａに示したように、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。
同様に、このサファイア基板１００上に参考例１と同じ手法で成長した半極性面窒化物半導体の主面の面方位は、図６Ｂに示した傾斜角度αが、ＧａＮの［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に約１．０度となった。
（実施例４）傾斜角度α＝５度
図６Ａに示される傾斜角度αが５度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること以外は、参考例１と同様の実験が行われた。サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。傾斜角度αは図６Ａに示したように、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。
同様に、このサファイア基板１００上に参考例１と同じ手法で成長した半極性面窒化物半導体の主面の面方位は、図６Ｂに示した傾斜角度αが、ＧａＮの［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に約５度となった。
（実施例５）傾斜角度α＝１０度
図６Ａに示される傾斜角度αが１０度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること以外は、参考例１と同様の実験が行われた。サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。傾斜角度αは図６Ａに示したように、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。
同様に、このサファイア基板１００上に参考例１と同じ手法で成長した半極性面窒化物半導体の主面の面方位は、図６Ｂに示した傾斜角度αが、ＧａＮの［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に約１０度となった。つまり、実施例５の窒化物半導体層３００の主面は、（１１−２３）面であった。
（実施例６）傾斜角度α＝１５度
図６Ａに示される傾斜角度αが１５度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること以外は、参考例１と同様の実験が行われた。サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。傾斜角度αは図６Ａに示したように、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。
同様に、このサファイア基板１００上に参考例１と同じ手法で成長した半極性面窒化物半導体の主面の面方位は、図６Ｂに示した傾斜角度αが、ＧａＮの［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に約１５度となった。
（実施例７）傾斜角度α＝１７度
図６Ａに示される傾斜角度αが１７度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること以外は、参考例１と同様の実験が行われた。サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。傾斜角度αは図６Ａに示したように、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。
同様に、このサファイア基板１００上に参考例１と同じ手法で成長した半極性面窒化物半導体の主面の面方位は、図６Ｂに示した傾斜角度αが、ＧａＮの［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に約１７度となった。
（実施例８）傾斜角度α＝２０度
図６Ａに示される傾斜角度αが２０度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること以外は、参考例１と同様の実験が行われた。サファイア基板１００は、京セラ株式会社より入手した。傾斜角度αは図６Ａに示したように、サファイア基板のｍ面の方位であるｍ軸からｃ軸方向の傾斜角度で定義される。この場合、ａ軸が回転軸となる。
同様に、このサファイア基板１００上に参考例１と同じ手法で成長した半極性面窒化物半導体の主面の面方位は、図６Ｂに示した傾斜角度αが、ＧａＮの［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に約２０度となった。つまり、実施例８の窒化物半導体層３００の主面は、（１１−２４）面であった。
２．特性の測定および評価
（Ｘ線回折測定結果）
図７Ａおよび図７Ｂに参考例１による窒化物半導体層３００のＸ線回折プロファイルを示す。結晶性の評価、転位密度の評価は、Ｘ線のロッキングカーブの半値幅で評価することができる。
図８Ａおよび図８Ｂに示すように、半極性面窒化物半導体の主面に近い（１１−２２）回折および、ｃ面である（０００２）回折により、結晶性を評価した。（１１−２２）回折を評価する場合は、窒化物半導体層主面内のｍ軸方向および、そこから同じ面内において９０度回転させた二つの方向（図８Ａ参照。Ｘ線入射方向１および２）から、Ｘ線を入射し、ロッキングカーブを評価した。
傾斜角度αが０ではない、参考例２〜３および実施例４〜８のサンプルを評価する場合は、Ｘ線入射方向２の測定では、傾斜角度αによって、角度を調整し、ロッキングカーブ測定を行った。図７Ａに示した結果は、Ｘ線入射方向２において得られた（１１−２２）回折結果である。
（０００２）回折を評価する場合は、窒化物半導体層主面内のｍ軸方向からＸ線を入射した。この場合、傾斜角度αが０度の参考例１においても、角度を調節する必要がある。（１１−２２）面ＧａＮ結晶の場合、ｃ面は約５８度傾斜している。よって、Ｘ線回折装置のサンプル配置角度（以後、あおり角度と表記する）を約５８度傾斜させて、ロッキングカーブ測定を行った。
図７Ａから、参考例１の窒化物半導体層３００の回折ピークは、３４．５度であった。この角度は、（１１−２２）面ＧａＮの回折とほぼ一致しており、本実施例による窒化物半導体層３００の成長方法が、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層３００をエピタキシャル成長させることを可能とすることを意味する。
図７Ａおよび図７ＢのＸ線ロッキングカーブの半値幅はそれぞれ、１２３７秒および２３００秒であった。ｃ面サファイア基板上の従来の極性面である＋ｃ面のＧａＮ層の場合、（０００２）面のロッキングカーブ半値幅の値は、１０００秒未満であり、成長手法や条件にもよるが、数百秒のオーダーであった。この結果と比較すると明らかなように、傾斜角度αが０である参考例１の半極性面窒化物半導体の結晶性は非常に悪かった。これは、前述した＋ｃ面成長と比較して、半極性面窒化物半導体の結晶成長の困難性に起因するものであると考えられる。参考例１の断面ＴＥＭを評価し、転位密度を見積もった結果、およそ１０10ｃｍ-2以上であった。
図９Ａおよび図９Ｂに実施例５による窒化物半導体層３００のＸ線回折プロファイルを示す。本実施例の傾斜角度αは１０度であった。図８ＡのＸ線入射方向２において測定した（１１−２２）回折および、図８Ｂに示す（０００２）回折のロッキングカーブ結果である。図９Ａに示すように、（１１−２２）回折のピークは、傾斜角度αにより、参考例１の図７Ａの結果と比較してシフトした。その回折角度は４４．２度であり、参考例１に対しておよそ１０度近くシフトした。
このように、本実施形態の実施例においては、傾斜角度αに対して、得られる窒化物半導体層３００の面方位は多少の誤差を含んでいた。その誤差範囲はおよそ±１度であった。
つまり、基板１００の傾斜角度αと同等の、半極性面窒化物半導体における主面の面方位の傾斜が確認された。
一方、図９Ｂにおいて、（０００２）回折は、あおり角度を４８．８度に設定することで得られた。この結果は、実施例５の窒化物半導体層３００において、ｃ面が主面から４８．８度傾斜して存在していることを示している。
図１０Ａおよび図１０Ｂに傾斜角度と窒化物半導体層の面方位との関係について示す。図１０Ａは、参考例１における（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層３００のａ面およびｃ面の模式図である。参考例１では、窒化物半導体層３００の結晶内のｃ面は、主面から５８度傾斜して存在している。つまり、この角度が、図７Ｂのあおり角度となる。一方、実施例５の傾斜角度α＝１０度の場合、図９Ｂのあおり角度は４８度付近であった。つまり、傾斜したサファイア基板１００上に成長した場合、［１１−２２］軸から１０度傾斜した方向に主面方位が位置する半極性面窒化物半導体が成膜できることがわかった。
図１１に、傾斜角度αと参考例１〜３および実施例４〜７の（０００２）回折測定時のあおり角度の関係を示す。傾斜角度αの増大に伴い、窒化物半導体層３００内のｃ面傾斜角度（あおり角度）は減少していくことがわかった。この結果から、傾斜したｍ面サファイア基板１００を用いることによって、（１１−２２）面が＋ｃ軸方向に傾斜した面を主面とする、窒化物半導体層３００が得られることがわかった。
ｍ面サファイアの主面と窒化物半導体層の（１１−２２）面が平行だと仮定すると、窒化物半導体層のｃ面の角度は５８．４度となる。図１１の点線は、この５８．４度からサファイア基板の傾斜角度を引いた値である。サファイア基板の傾斜角度と、窒化物半導体層のｃ面傾斜角度はほぼ対応していることがわかった。つまり、サファイア基板の傾斜角度の制御によって、半極性面の主面の結晶面方位を制御できることがわかった。ただし、前述したように最大で約±１度の誤差は生じた。例えば、実施例７においては、傾斜角度は１７度であったが、実際に得られた窒化物半導体層のｃ面傾斜角度は１８．１度であった。
なお、ｃ面のあおり角度が４８度および３９度は、それぞれ（１１−２３）面および（１１−２４）面を主面とする半極性面窒化物半導体層であり、本実施形態において、これらの半極性面成長制御が可能であることがわかった。
図９Ａおよび図９Ｂに示した実施例５による窒化物半導体層３００のロッキングカーブの半値幅は、（１１−２２）回折と（０００２）回折、それぞれ５７０秒および５９８秒であった。図７に示した傾斜のないサファイア基板１００上の参考例１に比べて、ロッキングカーブ半値幅の値が大幅に減少し、５００秒台の値を示した。実施例５の結果に示されるように、傾斜角度αを制御することで、半極性面窒化物半導体の結晶性が大幅に改善し、ロッキングカーブ半値幅が１０００秒を大きく下回る結晶成長が実現できることがわかった。
図１２Ａおよび図１２Ｂに参考例１〜３および実施例４〜８における、窒化物半導体層３００の傾斜角度αとロッキングカーブ半値幅の比較結果を示す。図１２Ａは、図８Ａに示したＸ線入射方向１および２の条件下で測定した、（１１−２２）回折の結果を、図１２Ｂには、（０００２）回折の結果を示す。
まず、図１２Ａの（１１−２２）回折の傾斜角度α依存性について説明する。傾斜角度αが１度以上になると、半値幅が急激に減少し、結晶性が改善することがわかった。また、１度以上の傾斜角度の範囲では、半値幅の低減効果は飽和し、同等の結晶性改善効果が、１度≦α≦１７度、望ましくは１度≦α≦１５度の範囲で実現できることがわかった。一方、傾斜角度が２０度の場合、ロッキングカーブ半値幅が急激に増加した。なお、図中には、２つのＸ線入射方向において測定したロッキングカーブ半値幅の結果を示したが、ロッキングカーブ半値幅が小さく、結晶性が比較的高い実施例においては、Ｘ線入射方向２の測定条件の差が少ないことがわかった。ただし、Ｘ線入射方向２の条件下で、半値幅は低くなる傾向であった。
図１２Ｂでは、図１２Ａと若干異なる傾向が得られた。（０００２）回折の半値幅は、傾斜角度の増加に伴い減少するが、α＝１度の場合は減少傾向にあるものの、１０００秒以上の大きな値であった。一方、５度≦α≦１７度、望ましくは５度≦α≦１５度の範囲においては、５００秒台付近の良好なロッキングカーブ半値幅の値が得られた。傾斜角度が２０度の場合は、（０００２）回折ピークが観測できなかった。これは、（１１−２２）回折の半値幅も極めて大きい（図１２Ａ）ことから、傾斜角度の増加による結晶性の悪化が要因と考えられる。
特許文献１では、ミスカットした基板を用いて、その傾斜角度を０．５度以上２０度以下、もしくは０．５度以上３度以下に制御することが望ましいと報告していた。しかし、本発明者らの検討によれば、半極性面を主面とする窒化物半導体の傾斜角度αの制御において、５度≦α≦１７度、望ましくは５度≦α≦１５度の範囲において、（１１−２２）回折および（０００２）回折の明確なロッキングカーブ半値幅の低減が実現された。この範囲において制御された傾斜角度αを有する半極性面窒化物半導体層のロッキングカーブ半値幅は、５００秒付近であり、極性面である＋ｃ面窒化物半導体の結晶性と同等レベルを実現することができることを確認できた。
傾斜角度αが２０度の場合に結晶性が著しく悪化した原因について考察する。
従来、傾斜角度α＝０度であるｍ面サファイア基板上に（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層が成長可能であることは知られていた。
また、ｍ面サファイア基板をｍ軸からｃ軸方向に３２度傾斜させた、（１０−１２）面（ｒ面とも呼ぶ）サファイア基板上にａ面を主面とする窒化物半導体層が成長可能であることも知られていた。
図５Ｂから明らかなように、（１１−２２）面窒化物半導体層は、その主面法線を同じく窒化物半導体層のｍ軸を回転軸とし、［−１−１２３］軸方向に３２度回転させれば、その主面はａ面と等価である。
よって、本実験を開始する前は、傾斜角度αを持つｍ面サファイア基板を用いて半極性面窒化物半導体構造の結晶成長を行えば、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体層は、ａ面を主面とする窒化物半導体層へ近づくと考えていた。
しかし、本実施形態において得られる結果は逆であり、傾斜角度αを持つｍ面サファイア基板を用いた半極性面窒化物半導体層の主面は、それとは逆の+ｃ面に近づく方向に傾
斜することがわかった。
つまり、本実施形態の傾斜角度αを有するｍ面サファイア上半極性面窒化物半導体層の実験においては、傾斜角度αを増加させても、ｒ面サファイア上ａ面窒化物半導体層のエピタキシーに近いモードでの結晶成長は起こらないことがわかった。
傾斜角度αが２０度と大きくなると、ｒ面サファイア上ａ面窒化物半導体層のエピタキシー条件に近づく。つまり、窒化物半導体層がｒ面サファイアから１２度傾斜した場合の結果と同じである。よって、このような条件下では、上述した二つのエピタキシー関係が混在することになり、結晶性が著しく悪化したのではないかと考えられる。
（表面モフォロジーとカソードルミネッセンス測定結果）
図１３Ａから図１３Ｇに参考例１〜３および実施例４〜８の表面モフォロジーの光学顕微鏡像を示す。また、図１４にレーザ顕微鏡測定により求めた表面粗さ（ｒｏｏｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ， Ｒｑ）の傾斜角度α依存性を示す。
図１３Ａから図１３Ｇおよび図１４に示されるように、傾斜角度αの増大に伴い、表面モフォロジーが変化した。特に５度以上になると、表面粗さが急激に増大し、それ以上の傾斜角度ではほとんど飽和した。すべての表面モフォロジーにおいて、窒化物半導体層の主面方位からｃ軸方向に傾斜する方向（傾斜角度αの方向、窒化物半導体の主面内ｍ軸と垂直方向）に、筋状に延伸する形状が見られた。傾斜角度αが０度および０．５度では、平坦性が高く、面内のｍ軸方向に凹凸はほとんど見られなかった。
一方、αが１度以上になると、面内のｍ軸方向の凹凸がはっきりと観測され、一定の距離を持つ、筋状のグレインが、窒化物半導体層の主面方位からｃ軸方向に傾斜する方向（傾斜角度αの方向）に観測された。さらに、この筋状のグレインは、傾斜角度α増大とともに短くなった。このグレインは２つの相対する｛１０−１１｝面ファセットによって形成されていることが、表面モフォロジーの測定からわかった。
図４Ｃを参照して説明したように、もし｛１０−１１｝面ファセットが表面に形成されていれば、傾斜角度αの増加に伴い、｛１０−１１｝面ファセットも同じ角度傾斜することになる。図１５は、傾斜角度αと、図１３の表面モフォロジーから求めた主面内ｍ軸方向と垂直方向の｛１０−１１｝面ファセットの傾きの関係を示す。｛１０−１１｝面ファセットが形成されているなら、傾斜角度に伴い、そのファセット面も傾斜するので、グレインは短くなる（図４Ｃ参照）。｛１０−１１｝面ファセット形状が確認できた傾斜角度α＝１度以上の結果において、ほぼ傾斜角度αと同様の、｛１０−１１｝面ファセットの傾斜が確認できた。
以上の結果から、傾斜角度αの制御と｛１０−１１｝面ファセットの形成に相関があることが明らかになった。つまり、図１４と図１５の関係から、傾斜角度α＝１度以下の条件においては、｛１０−１１｝面ファセットの形成が促進されておらず、転位の低減効果が十分ではなかったと考えられた。一方、傾斜角度αが１７度以上になると、傾斜角度αと｛１０−１１｝面ファセットの傾きの差が増加した。特に、傾斜角度α＝２０度の実施例８においては、傾斜角度αとファセットの傾きの差が約５度となった。
図１２Ａで、実施例８の半極性面の主面方位は、傾斜角度α＝２０度分、［１１−２２］軸から傾斜していることは確認していた。よって、実施例８で見られた表面のファセットは｛１０−１１｝面以外のファセットが形成されている可能性が高いことがわかった。
つまり、傾斜角度αが２０度の場合は、｛１０−１１｝面ファセットが形成されにくいため、転位密度の低減効果が促進されなかったものと考えられる。この結果、図１２Ａに示したＸ線ロッキングカーブ半値幅が増加したものと考えられる。
図１６Ａから図１６Ｆに走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像とカソードルミネセンス（ＣＬ）像の傾斜角度α依存性を示す。図中、右側が１万倍のＳＥＭ像であり、左側が同じ場所で測定したＣＬ像である。いずれの測定も室温下で行っており、ＣＬ像についてはパンクロマティック像（非分光）を示した。図１６Ａ〜図１６ＦのＣＬ像に見られる暗点は、螺旋転位や混合転位によるものであることは、ｃ面ＧａＮの研究結果でわかっている。つまり、この暗点の数が少ないということは、転位密度が小さく、結晶性が高いことを意味する。
図１６Ａから図１６ＦのＣＬ測定結果は、図１２Ｂの（０００２）回折のロッキングカーブ半値幅の傾斜角度α依存性の傾向と強い関連性があった。
図１６Ａおよび図１６Ｂは、参考例１および２（傾斜角度αが０度、０．５度）の結果である。参考例１および２では、図１３で見られた結果と同様、ＳＥＭ像で見られる表面は比較的平坦であったが、ＣＬ像は、ほぼ暗点で埋め尽くされ、発光領域がほとんどない状態であった。これは図１２Ａおよび図１２Ｂで見られたように、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅の増加を反映しており、極めて高い密度の転位（＞１０10ｃｍ-2）が存在していることを示唆した結果であった。
図１６Ｃの参考例３（傾斜角度α＝１度）では、図４で説明した｛１０−１１｝面ファセット形状がＳＥＭ像において観測された。ＣＬ像では、発光している領域も多く観測され、暗点密度つまり転位密度が参考例１および２と比較して低減されていることがわかった。
図１６Ｄ、図１６Ｅ、図１６Ｆは、実施例４、５、６（傾斜角度α＝５，１０，１５度）の結果である。傾斜角度αが５度以上になると、表面の｛１０−１１｝面ファセット形状がさらに明確に確認できた。また、それに伴い、ＣＬ像における暗点密度が参考例３と比べても、大幅に減少していることがわかった。暗点の他に、窒化物半導体層の主面方位からｃ軸方向に傾斜する方向（傾斜角度αの方向）に延びる暗線も同時に確認された。これらの暗線は、｛１０−１１｝面ファセット間の凹部（つまり谷部）に相当することがわかった（図３参照）。この暗線は、多数の暗点が集中して形成されていると考えられることから、｛１０−１１｝面ファセット間に形成される凹部に転位が集中していると考えられる。
つまり、図１６Ａから図１６Ｆの結果から、傾斜角度αの制御による、｛１０−１１｝面ファセット形成過程が、転位密度の低減を促進していることがわかった。図１６Ａから図１６Ｆにおける、暗点密度の減少は、傾斜角度αが１度以上の実施例において観測されたが、傾斜角度αが５度以上１５度以下の範囲で、より顕著な暗点密度、暗線の低減が確認できた。この結果から、傾斜角度α＝１度と５度以上の実施例における結晶性に大きな差異が存在することがわかった。この傾向は、前述したＸ線ロッキングカーブの結果において、図１２Ａの（１１−２２）回折の半値幅の依存性よりも、図１２Ｂの（０００２）回折の半値幅の依存性が、より転位密度の低減効果を反映していることを示している。
よって、（０００２）回折結果を考慮すると、傾斜角度α＝１７度においても同等の暗点密度低減効果が得られていると考えられる。
以上の結果から、傾斜角度αの制御による転位密度低減効果は、１度≦α≦１７度の範囲において得られるが、望ましい範囲は１度≦α≦１５度または５度≦α≦１７度、より望ましくは５度≦α≦１５度であることが確認された。
（断面ＴＥＭによる転位低減メカニズムの検証）
傾斜角度αの制御による転位密度の低減メカニズムを断面ＴＥＭにより評価した。図１７Ａに傾斜角度α＝１度の参考例３の結果を示す。窒化物半導体層３００を、膜厚１００ｎｍ程度まで薄片化した。図６Ｂに示した窒化物半導体層のｍ軸［１−１００］方向に対して垂直方向の断面を測定するため、この方向の膜厚を、約１００ｎｍまで薄膜化した。
図１７Ａに示したＴＥＭ像は、明視野像であり、転位の挙動を調べるために、電子線の入射方向は、薄片化した表面の法線方向から、若干傾斜させた。実際の像観察時の電子線入射角度を図１７Ｂに示す。ここでは、電子線の入射角度を基板であるサファイアの結晶軸方向と比較して説明している。
図１７Ａでは、サファイア基板１００とその上に成長した窒化物半導体層３００が確認された。窒化物半導体層３００には、基板１００との界面で高密度の転位が発生し、それが成長とともに窒化物半導体層３００の表面付近まで延伸していることがわかった。これらの転位は、成長方向に対して、約１０度前後傾きながら表面に向かって延伸していることがわかった。このような転位の屈曲は、参考例１および２の傾斜角度が０度および０．５度の窒化物半導体層３００では見られなかった。つまり、このような転位の屈曲は、傾斜角度αを１度以上に制御することにより実現可能であることがわかった。
図１７Ａでは、転位の屈曲が起こることにより、転位同士が結びつき、成長表面付近での転位密度が、界面付近よりも減少していることが確認された。図１７Ａの左側に示した矢印の位置における転位の数を数え、転位密度を算出した。転位の数は１０本であり、薄片化の膜厚を１００ｎｍとであるので、転位密度はおよそ１．３×１０9ｃｍ-2であった。この値は、傾斜角度が０度である参考例１に比べると約一桁低い値であった。また、図１７Ａの成長表面付近では、｛１０−１１｝面ファセットの形成が確認された。さらに、これらのファセット同士が作る凹部に転位が終端されていることも確認された。このことから、本実施形態における転位密度の低減においては、傾斜角度αの制御とともに、｛１０−１１｝面ファセット制御も重要であることが確認できた。
図１８Ａに傾斜角度α＝１０度の実施例５の結果を示す。窒化物半導体層３００を、膜厚１００ｎｍ程度まで薄片化した。図６Ｂに示した窒化物半導体層のｍ軸方向に対して垂直方向の断面を測定するため、この方向の膜厚を、約１００ｎｍまで薄膜化した。また、図１８Ａに示したＴＥＭ像は、明視野像であり、転位の挙動を調べるために、電子線の入射方向は、薄片化した表面法線方向から、若干傾斜させた。実際の像観察時の電子線入射角度を図１８Ｂに示す。ここでは、電子線の入射角度を基板であるサファイアの結晶軸方向と比較して説明している。
図１８Ａにおいても、図１７Ａで示したように、界面付近で多数の転位が発生し、成長方向に向かって減少しながら、延伸する様子が確認された。図１７Ａと明らかに異なるのは、転位の屈曲角度である。図１８Ａでは、屈曲角度が３０度を超えるものも数多く観測された。このように転位の屈曲角度が大きくなったのは、傾斜角度αを１０度と大きくした結果であると考えられ、表面付近での転位密度の低減効果も明らかに促進された。
図１８Ａの左側に示した矢印の位置における転位の数を数え、転位密度を算出した結果、およそ５．４×１０8ｃｍ-2であり、図１７Ａの傾斜角度１度の場合と比較すると半分以下、傾斜角度が０度である参考例１に比べると約２桁低い値であった。また、図１８Ａの成長表面付近においても、｛１０−１１｝面ファセットの形成が確認され、これらのファセット同士が作る凹部に転位が終端されていることも確認された。このことから、本実施形態における転位密度の低減においては、傾斜角度αの制御とともに、｛１０−１１｝面ファセット制御も重要であることが確認できた。
図１８Ｃに、傾斜角度α＝１０度の実施例５の界面付近の断面ＴＥＭ像を示す。界面付近においても、転位の屈曲は観測され、屈曲が促進されることにより、表面付近において転位密度が低減できることが再度確認された。この図から、転位密度の低減効果を得るには、一定以上の膜厚が必要であることがわかった。望ましい膜厚は、５００ｎｍ以上であり、これ以上の膜厚であれば、転位同士が結びつき、表面付近の転位密度が低減できることがわかった。
表２は、傾斜角度αと（１１−２２）回折および（０００２）回折のロッキングカーブ半値幅、断面ＴＥＭから見積もった転位密度の結果を示す。
Figure 0006573154
Ｘ線ロッキングカーブと断面ＴＥＭの転位密度、そして前述した図１６Ａから図１６ＣのＣＬ像による暗点密度の結果から、転位密度の情報を強く反映しているのは、（１１−２２）回折の結果ではなく、（０００２）回折の結果であると考えられ、これらの結果を踏まえると、望ましい傾斜角度αの範囲は５度以上１７度以下、より望ましくは５度以上１５度以下であることがわかった。このような傾斜角度範囲で制御された半極性面窒化物半導体構造は、（１１−２２）回折、（０００２）回折それぞれの値が、５００秒付近であり、極性面である＋ｃ面窒化物半導体のヘテロ成長膜の結晶性とも比較し得るレベルであった。つまり、本実施形態によれば、結晶成長が困難であると考えられていた半極性面窒化物半導体成長においても、高い結晶品質、１０8ｃｍ-2以下の低い転位密度を有する構造が実現できることがわかった。
（実施例９）減圧成長による表面モフォロジーの制御
実施例４〜７において、傾斜角度αを５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下に制御することで、転位密度の低減が可能であることを述べたが、この転位密度の低減機構には、｛１０−１１｝面ファセットが重要な役割を担っていることを説明した。
本実施形態においては、この｛１０−１１｝面ファセットの形成とその転位密度低減効果は、窒化物半導体構造の一部に含まれていればよい。つまり、実施例４〜７に示したように、成長表面に｛１０−１１｝面ファセットが形成されるような成長条件下で窒化物半導体層３００を形成した後、成長条件を変化させることで、表面をフラットにしてもよい。よって、本実施形態の効果は、必ずしも窒化物半導体積層構造完成後の成長表面に｛１０−１１｝面ファセットが形成されることを必要としない。
以下、窒化物半導体層３００の表面モフォロジーを平坦化できる実施例について説明する。実施例９では、図６Ａに示される傾斜角度αが５度の主面を成長面とする、サファイア基板を、基板１００として用いること、そして表１に示される条件に代えて、表３に示される成長条件が採用されたこと以外は、参考例１と同様の実験が行われた。
Figure 0006573154
図１９Ｂに成長後の表面モフォロジーを示す。比較のため、前述した実施例４の傾斜角度αが同じ角度の場合の結果を図１９Ａに示す。成長条件を表３の条件にすることで表面平坦性が大幅に向上し、実施例４で見られた｛１０−１１｝面ファセット形状はほとんど見られなかった。表面粗さは、実施例４の場合の４８２ｎｍに対し、実施例９では、４３ｎｍまで低減した。
実施例９は表面平坦性においては改善が見られたが、結晶性は傾斜角度が０度の場合と比較すると大幅な改善は見られなかった。実施例９の（１１−２２）回折のロッキングカーブ半値幅（Ｘ線入射方向２）は９４６秒であり、同じ傾斜角度の実施例４に比べると倍近い値となった。つまり、この結果から、｛１０−１１｝面ファセットの形成が転位密度の低減に繋がっていることが再確認された。
一方、表面平坦性を向上させる目的では、表３の条件を用いた実施例９は有用であるので、表１と表３の成長条件を組み合わせればよく、１段階目の成長条件として表１を、２段階目の成長条件として表３を用いれば、転位密度が低く、表面平坦性に優れた半極性面窒化物半導体層３００が得られることがわかった。
よって、本実施形態においては、｛１０−１１｝面ファセットを形成するような成長過程を一部に含んでいれば、転位密度の低減効果が得られ、必ずしも成長後の表面に｛１０−１１｝面ファセットが形成されていることは必要ないことが確認された。
（実施例１０）傾斜角度α＝１０度における、選択成長による積層欠陥密度の低減
参考例１〜３および実施例４〜８において説明した傾斜角度αの制御による結晶性改善効果は、主に、転位密度の低減によるものであった。一般的に、半極性面窒化物半導体の結晶成長においては、転位とともに積層欠陥密度の低減も重要な課題であった。実施例４〜７では、転位密度低減効果は得られるが、積層欠陥密度の低減についてはその効果は十分でないと考えられる。
転位密度とともに、積層欠陥密度については、選択成長手法を用いて大幅に低減できることが知られている。よって、本実施形態は、積層欠陥密度を減らすための選択成長法に、さらに傾斜角度αの制御を行うことで、実施されてもよい。
実施例１０では、傾斜角度α＝１０度における選択成長によって得られた窒化物半導体積層構造について説明する。
図２０Ａおよび図２０Ｂに、本実施例で用いた選択成長用のサファイア基板１００の構造を示す。
本実施例では、サファイア基板１００の表面にストライプ状のマスク層１３０を形成した。図２０Ａは、サファイア基板１００の主面方位方向から見た表面図である。サファイア基板１００の表面には、ストライプ状、つまりライン状に形成されたマスク層１３０（ライン部分と呼ぶ）と、マスク層１３０に覆われず、サファイア基板１００の表面が露出した部分（スペース部分と呼ぶ）が形成された。
なお、ライン部分の延伸する方向は、窒化物半導体層のｍ軸［１−１００］、サファイア基板のａ軸と平行とした。このマスク層は誘電体から形成されており、本実施例ではＳｉＯ2膜を用いたが、窒化シリコンやＡｌ2Ｏ3膜、ＴｉＯ2膜、ＨｆＯ2膜などの酸化膜でも同様に選択成長が可能であった。マスク層１３０の厚さは１００ｎｍとし、スパッタ装置により形成した。
図２０Ａに示したライン部分とスペース部分の幅はそれぞれ５μｍに設定した。
なお、ライン部分とスペース部分の幅については、適宜選択することができ、その幅によっては転位密度や積層欠陥密度の増減値が変化する。これらのそれぞれの幅は１００ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲で制御することができ、ライン部分とスペース部分の幅は異なっていてもよい。
図２０Ｂは、図２０Ａに含まれる直線Ｌ−Ｌ’にそってマスク層１３０が切断されることによって現れる断面図である。図２１は、実施例１０において作製した窒化物半導体構造の模式図である。
マスク層１３０をサファイア基板１００の表面に形成後、ＧａＮからなるバッファ層２００と、ＧａＮからなる窒化物半導体層３００を連続的に成長した。
図２０Ａおよび図２０Ｂに示す基板上に窒化物半導体層を成長すると、マスクが形成されていないスペース部分のみから選択的に窒化物半導体層の成長が起こり、転位密度および積層欠陥密度が低減できた。バッファ層２００は、表３に示される成長条件において、成長時間のみを１．５時間に変更したこと意外は同様の実験が行われた。窒化物半導体層３００は、表１に示される成長条件下で実験が行われた。
図２２Ａおよび図２２Ｂに成長後の断面および表面ＳＥＭ像を示す。断面ＳＥＭ像では、ＳｉＯ2マスクが形成されていないスペース部分から選択的に窒化物半導体層が成長している様子が確認された。ただし、スペース部分から選択成長された窒化物半導体膜は、ＧａＮの結晶軸の［−１−１２３］方向に非対称に結晶成長が起こっていた。さらに、結晶成長はＳｉＯ2マスクを覆うように進行していた。
本実施例の結果では、それぞれのスペース部分から成長した窒化物半導体膜は完全に結合していなかった。これは成長時間を長くするなど成長条件を最適化すれば容易に解決できる。
図２２Ｂの表面ＳＥＭ像では、ｍ軸方向に延伸した、結合していない空隙部分が観測された。転位密度や積層欠陥密度の低減においては、選択成長時に発生した図２２Ａに見られる空隙が重要な役割を果たした。（１１−２２）面を主面とする半極性窒化物半導体層の結晶成長では、主にｃ面に積層欠陥が発生することが知られている。本実施例においては、スペース部分の選択成長領域界面には、高密度の転位や積層欠陥が発生している。このうち積層欠陥は、主にｃ面に存在し、図中のａ軸方向に延伸する。よって、図２２Ａの断面ＳＥＭ像において、このａ軸方向に空隙が存在するため、スペース部分の界面で発生した積層欠陥は、この空隙において終端される。結果として、選択成長手法を用いることで、積層欠陥密度を低減することが可能であり、さらに傾斜角度制御により、転位密度の低減効果も得られることがわかる。
図２３は、室温のＣＬ像を示す。ＣＬ測定条件は図１６を撮影した条件と同じである。暗点の数から見積もった転位密度は、２．７×１０7ｃｍ-2であった。つまり、転位密度は、実施例５に比べて、さらに一桁低減しており、転位密度も低減していることがわかった。
実施例１０の結晶性評価結果を表４にまとめた。
Figure 0006573154
Ｘ線回折のロッキングカーブ半値幅の値は、３００秒前後であり、選択成長手法を本実施形態に取り入れることで、結晶性を大幅に改善できることがわかった。
本実施例の結果から、選択成長手法に加えて、傾斜角度αの制御を取り入れることで、転位密度の更なる低減と結晶品質の飛躍的な向上が実現できることが確認された。
（第２の実施形態）
第１の実施形態にかかる窒化物半導体構造は、発光素子やパワーデバイス等電子素子の窒化物半導体バルク基板として使用してもよい。
図２４は、本実施形態の発光素子１２を模式的に示している。図２４に示す発光素子１２には、第１の実施形態の窒化物半導体構造１１を用いることができる。
発光素子１２は、窒化物半導体構造１１と窒化物半導体構造１１上に位置している窒化物半導体構造３０とを備える。窒化物半導体構造３０は、ｎ型窒化物半導体層３２と、ｐ型窒化物半導体層３５と、ｎ型窒化物半導体層３２およびｐ型窒化物半導体層３５に挟まれた活性層３４とを含む。ｐ型窒化物半導体層３５の活性層３４側にアンドープの窒化物半導体層３６が設けられていてもよい。
窒化物半導体構造３０にはｎ型窒化物半導体層の一部を露出する凹部５２が設けられ、凹部５２の底部に、ｎ型窒化物半導体層３２に接し、かつ、電気的に接続されたｎ側電極５０が設けられている。また、ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｐ側電極３７が設けられている。
窒化物半導体構造３０はＡｌxＧａyＩｎzＮ（０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）によって構成される。ｎ型ドーパントにはＳｉを用い、ｐ型ドーパントにはＭｇを用いることができる。また、窒化物半導体構造３０は、窒化物半導体構造１１と同様に種々のエピタキシャル成長技術を用いて形成することができる。
窒化物半導体構造３０の各半導体層の主面は、窒化物半導体構造１１の窒化物半導体層と同じ面方位の主面を有する。したがって、本実施形態によれば、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下、望ましくは５度以上１５度以下の範囲で傾斜している主面を備えた活性層３４を備えた発光素子を実現することができる。この活性層３４における転位密度は１×１０8ｃｍ-2以下であり、転位欠陥密度が低減されている。
窒化物半導体構造１１における窒化物半導体層３００（図３）の主面あるいは窒化物半導体積層構造１２０の主面の法線は、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、１０度以上１７度以下、望ましくは１０度以上１５度以下の範囲で傾斜していてもよい。これにより、発光素子１２における活性層３４の主面の法線も、窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、１０度以上１７度以下、望ましくは１０度以上１５度以下の範囲で傾斜し、ピエゾ分極による内部電界を小さくすることができる。よって、発光素子１２におけるピエゾ分極による課題を抑制することができ、優れた発光特性を実現し得る。
（第３の実施形態）
第２の実施形態に係る発光素子１２は、そのまま光源として用いることができる。しかし、第２の実施形態に係る発光素子は、波長変換のための蛍光物質を備える樹脂などと組み合わせれば、波長帯域の拡大した光源として使用され得る。
図２５は、光源１３の一例を示す模式図である。図２５の光源は、第２の実施形態の発光素子１２と、この発光素子１２から放射された光の波長を、他の波長帯域の光に変換する蛍光体が分散された樹脂層２０００とを備えている。発光素子１２は、表面に配線パターンが形成された支持部材２２００上に搭載されており、支持部材２２００上には発光素子１２を取り囲むように反射部材２４００が配置されている。樹脂層２０００は、発光素子１２を覆うように形成されている。
本発明にかかる半極性面窒化物半導体構造は、窒化物半導体光素子（ＬＥＤ、受光素子、太陽電池）、窒化物半導体レーザおよび窒化物半導体電子素子（トランジスタやパワーデバイス）用の下地構造として用いられ得る。また、窒化物半導体バルク結晶の下地構造としても用いられる。
１００ 基板
１２０ 窒化物半導体積層構造
１３０ マスク層
２００ バッファ層
３００ 窒化物半導体層
４００ 転位
５００ ｛１０−１１｝面ファセット
１００ａ、２００ａ、３００ａ 主面

Claims (18)

  1. 主面を有する窒化物半導体層を備え、
    前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲で傾斜しており、
    前記窒化物半導体層の前記主面は、{１０−１１}面ファセットを含んでいる、窒化物半導体構造。
  2. 主面を有し、前記主面において、前記窒化物半導体層を支持する基板をさらに備え、
    前記基板は、窒化物半導体、サファイアまたはＳｉによって構成されている請求項１に記載の窒化物半導体構造。
  3. 前記基板は、前記サファイアを含むサファイア基板によって構成され、
    前記基板の前記主面の法線が、前記サファイアのｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲で傾斜している、請求項２に記載の窒化物半導体構造。
  4. 前記窒化物半導体層と前記基板との間に位置するバッファ層をさらに備え、
    前記バッファ層はアルミニウムを含まない窒化物半導体によって構成されている請求項３に記載の窒化物半導体構造。
  5. 前記基板は、前記窒化物半導体によって構成され、
    前記基板の前記主面の法線が、前記基板の前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲の角度で傾斜している、請求項２に記載の窒化物半導体構造。
  6. 前記基板は、前記シリコンによって構成され、
    前記基板の前記主面の法線が、前記シリコンの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４１度以上５３度以下の角度で傾斜している、請求項２に記載の窒化物半導体構造。
  7. 前記窒化物半導体層の転位密度は、ＴＥＭ測定で１×１０８ｃｍ−２以下である請求項１から６のいずれかに記載の窒化物半導体構造。
  8. 前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の（１１−２２）面の法線から、＋ｃ軸方向に、１０度以上１７度以下の範囲で傾斜している、請求項１から７のいずれかに記載の窒化物半導体構造。
  9. 前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の［１１−２２］軸から、＋ｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲で傾斜している、請求項１に記載の窒化物半導体構造。
  10. 前記基板は、前記サファイアを含むサファイア基板によって構成され、
    前記基板の前記主面の法線が、前記サファイアのｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲で傾斜している、請求項２に記載の窒化物半導体構造。
  11. 前記基板は、前記窒化物半導体によって構成され、
    前記基板の前記主面の法線が、前記基板の前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲の角度で傾斜している、請求項２に記載の窒化物半導体構造。
  12. 前記基板は、前記シリコンによって構成され、
    前記基板の前記主面の法線が、前記シリコンの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４３度以上５３度以下の角度で傾斜している、請求項２に記載の窒化物半導体構造。
  13. 前記窒化物半導体層の前記主面の法線は、前記窒化物半導体層を構成する窒化物半導体の（１１−２２）面の法線から、＋ｃ軸方向に、１０度以上１５度以下の範囲で傾斜している、請求項１に記載の窒化物半導体構造。
  14. 前記{１０−１１}面ファセットを埋めるように前記窒化物半導体層の前記主面上に位置する半導体層をさらに備え、
    前記半導体層の表面はフラットである、請求項１から１３のいずれかに記載の窒化物半導体構造。
  15. 請求項１から１４のいずれかに規定される窒化物半導体構造を備えた電子デバイス。
  16. 請求項１から１４のいずれかに規定される窒化物半導体構造と、
    前記窒化物半導体構造上に位置している窒化物半導体積層構造であって、ｎ型窒化物半導体層と、ｐ型窒化物半導体層と、前記ｎ型窒化物半導体層および前記ｐ型窒化物半導体層に挟まれた活性層とを含む、窒化物半導体積層構造と、
    前記ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｎ側電極と、
    前記ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ、電気的に接続されたｐ側電極と、
    を備えた発光デバイス。
  17. 主面を有する基板上に、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることにより、窒化物半導体構造を製造する方法であって、
    前記基板は、前記主面の法線が、前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲の角度で傾斜している窒化物半導体基板、前記主面の法線が、ｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１７度以下の範囲で傾斜しているｍ面サファイア基板、または、前記主面の法線が、Ｓｉの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４１度以上５３度以下の角度で傾斜したＳｉ基板であり、
    前記窒化物半導体層のエピタキシャル成長中の成長面が｛１０−１１｝面ファセットを含む、窒化物半導体構造を製造する方法。
  18. 前記基板は、前記主面の法線が、前記窒化物半導体の［１１−２２］軸から＋ｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲の角度で傾斜している窒化物半導体基板、前記主面の法線が、ｍ軸からｃ軸方向に、５度以上１５度以下の範囲で傾斜しているｍ面サファイア基板、または、前記主面の法線が、Ｓｉの（１１１）面から、［１−１０］軸方向に４３度以上５３度以下の角度で傾斜したＳｉ基板である、請求項１７に記載の窒化物半導体構造を製造する方法。

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