JPH11251253A - 窒化物半導体基板の製造方法および窒化物半導体基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶性の良い窒化物半導体基板の製造方法
と、窒化物半導体基板を提供する。 【構成】 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種基板
上に、まず第１の窒化物半導体よりなる下地層を成長さ
せ、その下地層の上に表面に窒化物半導体が成長しない
か、若しくは成長しにくい性質を有する保護膜を部分的
に形成する第１の工程と、第１の工程後、有機金属気相
成長法により、下地層から前記保護膜上部に至るまで、
第２の窒化物半導体を成長させる第２の工程と、第２の
工程後、ハイドライド気相成長法により、第２の窒化物
半導体層の上に、その第２の窒化物半導体層よりも厚い
膜厚で第３の窒化物半導体を成長させる第３の工程とを
具備することにより、窒化物半導体基板の結晶欠陥が成
長途中で止まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は窒化物半導体よりなる
（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）
基板の製造方法と、窒化物半導体基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体を基板上に成長させる際、
成長させる半導体と格子整合した基板を用いると半導体
の結晶欠陥が少なくなって結晶性が向上することが知ら
れている。しかし、窒化物半導体は格子整合する基板が
現在世の中に存在しないことから、一般にサファイア、
スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子整合
しない異種基板の上に成長されている。

【０００３】一方、窒化物半導体と格子整合するＧａＮ
バルク結晶を作製する試みは、様々な研究機関において
成されているが、未だに数ミリ程度のものしか得られた
という報告しかされておらず、実用化には程遠い状態で
ある。

【０００４】ＧａＮ基板を作製する技術として、例えば
特開平７−２０２２６５号公報、特開平７−１６５４９
８号に、サファイア基板の上にＺｎＯよりなるバッファ
層を形成して、そのバッファ層の上に窒化物半導体を成
長させた後、バッファ層を溶解除去する技術が記載され
ている。しかしながらサファイア基板の上に成長される
ＺｎＯバッファ層の結晶性は悪く、そのバッファ層の上
に厚膜で窒化物半導体を成長させても、結晶全体の結晶
欠陥が１０⁸個／cm²以上もあり、良質の窒化物半導体結
晶を得ることは難しい。さらに、薄膜のＺｎＯよりなる
バッファ層の上に、基板となるような厚膜の窒化物半導
体を連続して成長させることも難しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＬＥＤ素子、ＬＤ素
子、受光素子等の数々の電子デバイスに使用される窒化
物半導体素子を作製する際、窒化物半導体よりなる基板
を作製することができれば、その基板の上に新たな窒化
物半導体を成長させて、格子欠陥が少ない窒化物半導体
が成長できるので、それら素子の結晶性が飛躍的に良く
なり、従来実現されていなかった素子が実現できるよう
になる。従って本発明の目的とするところは、結晶性の
良い窒化物半導体基板の製造方法と、窒化物半導体基板
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の窒化物半導体基
板の製造方法は、窒化物半導体と異なる材料よりなる異
種基板上に、まず第１の窒化物半導体よりなる下地層を
成長させ、その下地層の上に表面に窒化物半導体が成長
しないか、若しくは成長しにくい性質を有する保護膜を
部分的に形成する第１の工程と、第１の工程後、有機金
属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy:以
下、ＭＯＶＰＥという。）により、下地層から前記保護
膜上部に至るまで、第２の窒化物半導体を成長させる第
２の工程と、第２の工程後、ハイドライド気相成長法
（Hydride Vapor Phase Epitaxy:以下、ＨＶＰＥとい
う。）により、第２の窒化物半導体層の上に、その第２
の窒化物半導体層よりも厚い膜厚で第３の窒化物半導体
を成長させる第３の工程とを具備することを特徴とす
る。

【０００７】前記第２の工程、または第３の工程の少な
くとも一方の工程において、窒化物半導体にｎ型不純物
をドープすることを特徴とする。ドープするｎ型不純物
としてはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のIV族元素を用い、好
ましくはＳｉ、Ｓｎをドープする。

【０００８】また、前記第２の工程、または前記第３の
工程の内の少なくとも一方の工程において、窒化物半導
体層中のｎ型不純物に濃度勾配を設けることを特徴とす
る。濃度勾配とはｎ型不純物濃度に傾斜があることであ
り、連続的に傾斜が設けられていても良いし、またステ
ップ状に傾斜が設けられていても良い。

【０００９】さらに、前記濃度勾配は異種基板から離れ
るに従ってｎ型不純物濃度が小さくなるように調整され
ていることを特徴とする。これは主面に接近するに従っ
てｎ型不純物濃度が小さくなるようにしてあれば、後に
ｎ電極を設ける際に、どこの窒化物半導体基板を露出さ
せても、高濃度にｎ型不純物をドープした第２、第３の
窒化物半導体層側をコンタクト層とすることできるた
め、素子のＶｆを低下させ、出力を向上させる上で望ま
しいからである。また、窒化物半導体基板上に成長させ
た半導体層側からエッチングして、エッチング面に電極
を設けても、ｎ型不純物を高濃度にドープした第２の窒
化物半導体層または、第３の窒化物半導体層を電極形成
層とすることが同理由において望ましい。

【００１０】本発明では、前記第３の窒化物半導体成長
後、少なくとも異種基板、下地層、および保護膜を除去
する第４の工程を具備することを特徴とする。この工程
を行うことにより、窒化物半導体基板単体、つまり半導
体層を積層するためのウェーハとできる。なお、この基
板を用いて半導体を基板の表面に成長させる場合、第３
の窒化物半導体層面側を成長面とする方が、結晶欠陥が
少ないので、結晶性の良い半導体層が積層成長できる。

【００１１】また本発明の窒化物半導体基板は、ハイド
ライド気相成長法により成長され、第１の主面と第２の
主面とを有する窒化物半導体基板であって、前記第１の
主面、若しくは第２の主面近傍の結晶欠陥が１×１０⁵
個／cm²以下であることを特徴とする。主面上に次に成
長させる半導体層の結晶欠陥を少なくするには、望まし
くは５×１０⁴個／cm²以下、さらに望ましくは１×１０
⁴個／cm²以下、最も望ましくは１×１０³個／cm²以下の
主面近傍の結晶欠陥を有する窒化物半導体基板を選択す
る。なお主面近傍は主面表面から５μｍ以内とし、その
５μｍ以内の結晶欠陥の数はＴＥＭ（透過型電子顕微
鏡）により計測できる。結晶欠陥はＴＥＭにより平面観
察（plan-view）を行い、その欠陥密度の平均を指すも
のとする。

【００１２】さらに本発明の窒化物半導体基板は、ｎ型
不純物がドープされていることを特徴とする。好ましく
はそのｎ型不純物は窒化物半導体基板内で濃度勾配を有
し、さらに好ましくは窒化物半導体基板の第１の主面若
しくは第２の主面のいずれか一方の面に接近するに従っ
て、ｎ型不純物濃度が小さくなるようにされていること
が望ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１乃至図５は、本発明の製造方
法の各工程を順を追って説明するための、窒化物半導体
基板の構造を示す模式断面図である。なお、図において
窒化物半導体層内部に示す細線は結晶欠陥の方向、およ
び数を模式的に示している。図１に示すように第１の工
程では、異種基板１上に、まず第１の窒化物半導体より
なる下地層２を成長させ、その下地層２の上に、表面に
窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性
質を有する保護膜を部分的に形成する。

【００１４】異種基板１は窒化物半導体と異なる材料よ
りなる基板であればどのようなものでも良く、例えば、
サファイアＣ面の他、Ｒ面、Ａ面を主面とするサファイ
ア、スピネル（ＭｇＡ１₂Ｏ₄）のような絶縁性基板、Ｓ
ｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃを含む）、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｇ
ａＡｓ、Ｓｉ、及び窒化物半導体と格子整合する酸化物
基板等、従来知られている窒化物半導体と異なる基板材
料を用いることができる。さらに前記基板材料の主面を
オフアングルさせた基板も用いることもできる。

【００１５】下地層２の成長方法は特に問うものではな
く、ＭＯＶＰＥ、ＭＢＥ、ＨＶＰＥ等、窒化物半導体を
成長させるのに知られている従来の方法で成長できる。
この下地層２は異種基板１と材料が異なるために、結晶
欠陥が非常に多く、通常１０ ⁸個／cm²以上あり、窒化物
半導体基板とはならない。下地層にはアンドープのＧａ
Ｎを成長させることが最も好ましい。

【００１６】保護膜１０の材料としては その保護膜表
面に窒化物半導体が成長しないか、若しくは成長しにく
い性質を有する材料を選択し、例えば酸化ケイ素（Ｓｉ
Ｏ_X）、窒化ケイ素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ_X）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_X）等の酸化物、窒化
物、またこれらの多層膜の他、１２００℃以上の融点を
有する金属等を用いることができる。これらの保護膜材
料は、窒化物半導体の成長温度６００℃〜１１００℃の
温度にも耐え、その表面に窒化物半導体が成長しない
か、成長しにくい性質を有している。保護膜を部分的
（＝選択的）に形成するためには、例えばフォトリソグ
ラフィー技術を用いて、所定の形状を有するフォトマス
クを作製し、そのフォトマスクを介して、前記材料を気
相製膜することにより、所定の形状を有する保護膜を形
成できる。保護膜１０の形状は特に問うものではなく、
例えばドット、ストライプ、碁盤面状の形状で形成で
き、好ましくはストライプ状の形状で形成することが望
ましい。図１では下地層２の上に例えばストライプ状の
保護膜を形成し、そのストライプに対して垂直な方向で
ウェーハを切断した際の部分的な断面図を示している。
特に図１に示すように部分的に形成した保護膜１０の露
出部分（窓部）の面積を、保護膜の面積よりも小さくす
ると、下地層から転位する結晶欠陥の数が少なくなり、
さらに結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板が成長できる
ため、特に望ましい。

【００１７】保護膜１０をストライプ状に形成する場
合、窓部の幅は１０μｍ以下、さらに好ましくは５μｍ
以下、最も好ましくは３μｍ以下に調整する。１０μｍ
よりも広いと保護膜上部に成長させる結晶欠陥の数が多
くなる傾向にある。さらに、結晶欠陥の少ない窒化物半
導体基板を得るためには、窓部の幅（Ｗｗ）と保護膜の
幅（Ｗｓ）の比Ｗｓ／Ｗｗは、１より大きく〜２０以下
とすることが望ましく、好ましくは１０以下とする。

【００１８】次に、本発明の第２の工程ではＭＯＶＰＥ
を用い、図２に示すように下地層から前記保護膜上部に
至るまで、第２の窒化物半導体３を成長させる。第２の
窒化物半導体３は結晶欠陥の少ない窒化物半導体を得る
上で、アンドープのＧａＮ若しくはｎ型不純物をドープ
したＧａＮを成長させることが最も好ましい。

【００１９】図２に示すように、保護膜１０を形成した
下地層２の上に、第２の窒化物半導体３を成長させる
と、保護膜１０の上には窒化物半導体が成長せず、窓部
の下地層の上に第２の窒化物半導体３が最初に選択成長
される。さらに成長を続けると、第２の窒化物半導体が
保護膜１０の上で横方向に成長する。横方向に成長する
窒化物半導体は、下地層のように縦方向に成長する窒化
物半導体と異なり、結晶欠陥が保護膜１０によって覆わ
れているため、結晶欠陥が転位しない。結晶欠陥は保護
膜の上部において、横方向に伸びてくるが途中で止まる
傾向にある。さらに窓部から転位する結晶欠陥も第２の
窒化物半導体層表面に現れてくるものもあるが、途中で
止まりやすい傾向にある。なお、この工程をＨＶＰＥで
行うと第２の窒化物半導体層の結晶欠陥が多くなる傾向
にあるため好ましくなく、本発明ではＭＯＶＰＥで行
う。

【００２０】本発明の方法において、図２に示すように
保護膜１０の表面において、保護膜の平面に対してほぼ
垂直に第２の窒化物半導体層を横方向に成長させる具体
的手段として、例えばＭＯＶＰＥによると、窒化物半導
体を成長させる際に、３族源のガスに対する、窒素源の
ガスのモル比（窒素源／３族源）を２０００以下に調整
することが望ましい。好ましいモル比としては１８００
以下、さらに望ましくは１５００以下に調整する。下限
は化学量論比以上であれば特に限定しないが、望ましく
は１０以上、さらに好ましくは３０以上、最も好ましく
は５０以上に調整する。このモル比の値が２０００より
も大きいと、窓部から三角形状の窒化物半導体が成長
し、それに従って結晶欠陥が伸びていくので、結晶欠陥
が途中で止まることが少なく、結晶欠陥の数が多くな
る。しかし、このようにガス流量を調整すると、保護膜
水平面に対して垂直に窒化物半導体が成長して、その垂
直な面が壁のようになって保護膜上で繋がるため、保護
膜の上部において、結晶欠陥が成長途中で止まりやす
い。また、窓部から伸びる結晶欠陥も途中で止まりやす
い。従って、結晶欠陥の少ない第２の窒化物半導体層が
成長できる。図３、図４で示すように、保護膜のほぼ中
央部に三角形の空洞があるのは、横方向に対して垂直に
第２の窒化物半導体層が伸びてきて繋がった形跡であ
る。

【００２１】ＭＯＶＰＥ法で成長させる際、窒素源のガ
スには、例えばアンモニア、ヒドラジン等の水素化物ガ
スを用い、３族源のガスには、ＴＭＧ（トリメチルガリ
ウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）等の有機Ｇａガ
ス、ＴＭＡ、ＴＭＩ等の有機Ａｌ、有機Ｉｎガスを用い
る。

【００２２】またこの第２の窒化物半導体層成長中に前
記したＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物をドープすることもで
きる。ｎ型不純物濃度は５×１０¹⁶／cm³〜５×１０²¹
／cm³の範囲でドープすることが望ましい。５×１０¹⁶
／cm³よりも少ないと第２の窒化物半導体層のキャリア
濃度が不十分となるので、抵抗率が高くなる傾向にあ
る。５×１０²¹／cm³よりも多いと、不純物濃度が大き
いために、結晶性が悪くなり、結晶欠陥が増大する傾向
にある。好ましい範囲としては、１×１０¹⁷／cm³〜１
×１０²⁰／cm³である。

【００２３】さらに、第２の窒化物半導体にｎ型不純物
をドープする場合、ｎ型不純物に濃度勾配を設けること
が望ましい。特に、濃度勾配は異種基板から離れるに従
ってｎ型不純物濃度が小さくなるように調整されている
ことが望ましい。これは異種基板、下地層、保護膜を除
去し、第２の窒化物半導体層にｎ電極を設ける際に、ど
のような面が露出していても、その面は他の部分と比較
して、ｎ型不純物が高濃度にドープされた層となるの
で、ｎ＋、ｎの構造となり、窒化物半導体基板上に例え
ば発光素子構造を積層した場合、発光素子のＶｆを低下
させ、出力を向上させる。

【００２４】次に、図３に示すように、第２の窒化物半
導体層３の成長を続けると、保護膜の上で横方向に成長
する第２の窒化物半導体層が繋がり、一体となる。この
第２の窒化物半導体は結晶欠陥が前述の下地層に比べ
て、結晶欠陥の数が１桁以上少なく窒化物半導体基板と
なる。しかし下地層に比べて膜厚が薄いので異種基板を
つけた状態では基板となるが、異種基板を除去すると、
第２の窒化物半導体がバラバラに割れてしまい基板とは
なりにくい傾向にある。

【００２５】第２の窒化物半導体層の成長膜厚は、保護
膜１０の形成幅にもよるが、１μｍ以上、好ましくは５
μｍ以上、最も好ましくは１０μｍ以上で成長させる。
これは、保護膜の上部を第２の窒化物半導体層で覆うた
めの膜厚の範囲であり、１μｍよりも少ないと、第２の
窒化物半導体層が保護膜の上を横方向に成長しにくい傾
向にあるので、第２の窒化物半導体層の上に成長させる
第３の窒化物半導体層の結晶欠陥が多くなる傾向にあ
る。横方向に成長しないと結晶欠陥を減らすことが難し
い。なお上限については特に限定しないが、７０μｍ以
下とすることが望ましい。７０μｍより厚く成長させる
と、成長時間が長時間になって窒化物半導体層の表面が
荒れ、また保護膜が分解しやすい傾向にあるため、あま
り好ましいとは言えない。

【００２６】次に、第３の工程では、第２の窒化物半導
体層３の上に、その第２の窒化物半導体層よりも厚い膜
厚で、ＨＶＰＥにより、第３の窒化物半導体４を成長さ
せる。図４は成長後の状態を示している。ＭＯＶＰＥで
ＧａＮを厚膜で成長させると、ＧａＮ表面が粗くなる傾
向にある。これは長時間成長していることにより、異種
基板との歪みにより面が荒れてくるものと思われる。さ
らに長時間成長していると保護膜（例えばＳｉＯ₂）が
分解する傾向にあり、保護膜上部に成長する窒化物半導
体にピットが現れる傾向にある。一方ＨＶＰＥでは、成
長速度がＭＯＶＰＥに比較して数倍以上速いので、例え
ば３００μｍの成長が数時間でできる。このため異種基
板による歪みの影響を受けにくく、また保護膜の分解を
押さえることができるので、表面が均一な第３の窒化物
半導体を成長できる。なお、本発明の第３の工程は、図
３に示す第２の窒化物半導体層３を保護膜上部全てに成
長させた後、その第２の窒化物半導体層の上に成長させ
ることが望ましいが、図２に示すように、第２の窒化物
半導体層で保護膜の上が一部覆われた状態でも、第３の
工程を行うこともでき、本発明の請求項の範囲内であ
る。

【００２７】ＨＶＰＥでは、ＧａメタルにＨＣｌガスを
流し、一方別のガス配管でアンモニアガスを流して、基
板上でそれらのガスを混合して、 ＧａＣｌ＋ＮＨ₃→ＧａＮ＋ＨＣｌ＋Ｈ₂ なる反応が行われる。このように結晶欠陥の少ない第２
の窒化物半導体の上に、ＨＶＰＥにより厚膜で第３の窒
化物半導体を成長させると、縦方向に伸びる結晶欠陥が
ほとんどなくなり、全体に結晶欠陥が非常に少ない窒化
物半導体が成長できる。その第３の窒化物半導体層の結
晶欠陥は、第２の窒化物半導体よりもさらに少なくな
り、例えば最終的な表面近傍が１×１０⁵／cm²以下の結
晶欠陥を有する基板が得られる。

【００２８】この第３の窒化物半導体層成長中に前記し
たＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物をドープすることもでき
る。ｎ型不純物濃度は第２の窒化物半導体層の場合と同
様に５×１０¹⁶／cm³〜５×１０²¹／cm³の範囲、好まし
くは１×１０¹⁷／cm³〜１×１０²⁰／cm³とする。

【００２９】さらに好ましい態様として、第３の窒化物
半導体にｎ型不純物をドープする場合、ｎ型不純物に濃
度勾配を設けることが望ましい。特に、濃度勾配は異種
基板から離れるに従ってｎ型不純物濃度が小さくなるよ
うに調整されていることが望ましい。作用は第２の窒化
物半導体層と同じであるので省略する。

【００３０】第３の窒化物半導体層の膜厚は１０μｍ以
上、好ましくは５０μｍ以上、さらに好ましくは１００
μｍ以上成長させることが望ましい。１０μｍよりも少
ないと、結晶欠陥の数が少なくなりにくい傾向にある。
上限は特に限定しないが、１ｍｍ以下とすることが望ま
しい。１ｍｍより厚く成長させると、窒化物半導体と異
種基板との熱膨張係数差により、ウェーハ全体が反って
しまい、均一な膜厚で第３の窒化物半導体層が成長しに
くい傾向にあるからである。

【００３１】次に、本発明の第４の工程では、第３の窒
化物半導体３成長後、少なくとも異種基板１、下地層
２、保護膜１０を除去する。図５では第２の窒化物半導
体層３も除去した後の構造を示しているが、例えば第２
の窒化物半導体層２を２０μｍ以上の膜厚で成長させた
場合、異種基板、下地層、保護膜を除去して、第２の窒
化物半導体３も残すこともできる。このように異種基板
側を除去して、窒化物半導体のみよりなる基板の２つの
主面を露出させた場合、元あった異種基板側には、若干
の縦方向に伸びる結晶欠陥が残る場合があるが、第３の
窒化物半導体層側には、縦方向に伸びる結晶欠陥はほと
んどなく、全体の結晶欠陥も、例えば１×１０⁵／cm²以
下と非常に少なくなっている。その第３の窒化物半導体
層４の上に他の半導体層を積層しても縦方向の結晶欠陥
がないため、結晶欠陥の貫通転位がなく、非常に良好な
半導体を積層できる。従って窒化物半導体を基板とする
場合、異種基板側を除去した面と反対側の面を成長面と
することが望ましい。異種基板等を除去するには研磨、
エッチング等の手法があるが、異なる材料を積層してい
るため、研磨で除去することが最も好ましい。

【００３２】また本発明の窒化物半導体基板は、ＨＶＰ
Ｅにより成長され、第１の主面と第２の主面とを有する
窒化物半導体基板であって、第１の主面、若しくは第２
の主面近傍の結晶欠陥が１×１０⁵個／cm²以下であるこ
とを特徴とするものであるが、成長方法は特に問うもの
ではなく、前述した方法によって得られた基板であるこ
とが望ましい。このように、表面近傍の結晶欠陥が１×
１０⁵個／cm²以下の窒化物半導体基板の上に他の窒化物
半導体を積層して素子構造とすると、内部に結晶欠陥が
ない信頼性に優れた長寿命な素子ができる。特にレーザ
素子を作製した場合、窒化物半導体基板は従来のサファ
イアに比べて熱伝導性が非常に優れているため、基板と
ヒートシンクとを接すると、放熱性が良くなり、長寿命
なレーザが実現できる。

【００３３】好ましい態様として、前記窒化物半導体基
板にｎ型不純物がドープされており、さらに好ましく
は、そのｎ型不純物は窒化物半導体基板内で濃度勾配を
有しており、最も好ましくはその窒化物半導体基板の第
１の主面若しくは第２の主面のいずれか一方の面に接近
するに従って、ｎ型不純物濃度が小さくなるようにされ
ていることが望ましい。

【００３４】

【実施例】［実施例１］以下、図１〜図５を元に本発明
の実施例について説明する。 （第１の工程）２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイ
アよりなる異種基板１をＭＯＶＰＥ反応容器内にセット
し、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、アンモニア（ＮＨ₃）を用い、ＧａＮよりなるバ
ッファ層（図示せず。）を２００オングストロームの膜
厚で成長させる。バッファ層成長後、温度を１０５０℃
にして、同じくＧａＮよりなる下地層２を４μｍの膜厚
で成長させる。

【００３５】下地層２成長後、ウェーハを反応容器から
取り出し、この下地層の表面に、ストライプ状のフォト
マスクを形成し、ＣＶＤ装置によりストライプ幅１０μ
ｍ、ストライプ間隔（窓部）２μｍのＳｉＯ₂よりなる
保護膜１０を０．５μｍの膜厚で形成する。保護膜形成
後のウェーハの構造を図１に示す。

【００３６】（第２の工程）保護膜１０形成後、ウェー
ハを再度ＭＯＶＰＥの反応容器内にセットし、温度を１
０５０℃にして、アンモニアを０．２７mol／min、ＴＭ
Ｇを２２５μmol／min（Ｖ／III比＝１２００）でアン
ドープＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層３を３０μ
ｍの膜厚で成長させる。このようなモル比で成長させる
と、図２に示すように端面が保護膜水平面に対してほぼ
垂直な形状で第２の窒化物半導体３が成長でき、結晶欠
陥が非常に少なくなる。成長後の第２の窒化物半導体層
は図３のように均一な膜厚で成長できており、表面近傍
をＴＥＭで観察すると、窓部から伸びた結晶欠陥は第２
の窒化物半導体層の途中で止まっており、表面にまで現
れているものはほとんどなかった。

【００３７】（第３の工程）第２の窒化物半導体層３成
長後、ウェーハをＨＶＰＥ装置に移送し、原料としてＧ
ａメタル、ＨＣｌガス、アンモニアを用い、アンドープ
ＧａＮよりなる第３の窒化物半導体層４を２００μｍの
膜厚で成長させる。成長後のウェーハの構造を図４に示
す。成長後その第３の窒化物半導体層の表面近傍の結晶
欠陥の数をＴＥＭにより観察すると１×１０⁴個／cm²以
下と、非常に良好な基板が得られていることが判明し
た。さらに極わずかな結晶欠陥でも平面に対しほぼ水平
な結晶欠陥しか残っていなかった。

【００３８】（第４の工程）次に、ウェーハを研磨装置
に移送し、ダイヤモンド研磨剤を用いて、異種基板１、
下地層２、保護膜１０、第２の窒化物半導体層３を除去
し、図５に示すように第３の窒化物半導体層４の裏面を
露出させ、総膜厚１９５μｍの窒化物半導体基板とす
る。なお裏面側の結晶欠陥も１×１０⁵個／cm²以下と少
なかった。

【００３９】［実施例２］実施例１の第３の工程におい
て、ＨＶＰＥの原料ガスにシランガスを加え、最初にＳ
ｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしながらＧａＮを成長さ
せ、成長させるに従って、シランガスの流量を少なくし
て、最後にＳｉを５×１０¹⁶／cm³ドープしたＧａＮと
して、Ｓｉ濃度勾配を設けたＧａＮを２００μｍの膜厚
で成長させる。その他は実施例１と同様にして、窒化物
半導体基板を得たところ、Ｓｉ量の少ない面は実施例１
とほぼ同等の結晶欠陥数を有する窒化物半導体基板が得
られた。

【００４０】［実施例３］実施例１の第２の工程におい
て、ＭＯＶＰＥの原料ガスにシランガスを加え、最初に
Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしながらＧａＮを成長さ
せ、成長させるに従って、シランガスの流量を少なくし
て、最後にＳｉを１×１０¹⁷／cm³ドープしたＧａＮと
して、Ｓｉ濃度勾配を設けたＧａＮを２０μｍの膜厚で
成長させる。続いて第３の工程において、Ｓｉを１×１
０¹⁷／cm³ドープしたＧａＮを２００μｍの膜厚で成長
させる。その後、第４の工程において、異種基板、下地
層、保護膜、および第１の窒化物半導体層を１５μｍ除
去する。以上のようにして得られた窒化物半導体基板
は、第３の窒化物半導体層の主面は実施例１とほぼ同等
であったが、第２の窒化物半導体側の結晶欠陥は、第３
の窒化物半導体に比較して１桁ぐらい多かった。

【００４１】［実施例４］実施例１の窒化物半導体基板
の異種基板を除去していない側の主面を上にし、この面
に次のようにして窒化物半導体積層成長させて図６に示
すレーザ素子を得る。

【００４２】実施例１で得られた窒化物半導体基板４の
上に （ｎ側コンタクト層２１）アンモニアとＴＭＧ、不純物
ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉを３×
１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト
層５を４μｍの膜厚で成長させる。

【００４３】（クラック防止層２２）次に、ＴＭＧ、Ｔ
ＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温
度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラッ
ク防止層２２を０．１５μｍの膜厚で成長させる。な
お、このクラック防止層は省略可能である。

【００４４】（ｎ側クラッド層２３）続いて、１０５０
℃でＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＡ
ｌ_{0. 16}Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５オングストロームの
膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止めて、シランガスを
流し、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープしたｎ型ＧａＮよ
りなる層を２５オングストロームの膜厚で成長させる。
それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総膜厚
１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層２３を成長
させる。

【００４５】（ｎ側光ガイド層２４）続いて、シランガ
スを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ側
光ガイド層８を０．１μｍの膜厚で成長させる。このｎ
側光ガイド層２４にはｎ型不純物をドープしても良い。

【００４６】（活性層２５）次に、温度を８００℃にし
て、アンドープＩｎ_0.01Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を１
００オングストロームの膜厚で成長させ、続いて同一温
度で、アンドープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層を４
０オングストロームの膜厚で成長させる。障壁層と井戸
層とを３回交互に積層し、最後に障壁層で終わり、総膜
厚５２０オングストロームの多重量子井戸構造（ＭＱ
Ｗ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例のように
アンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／又はｐ型
不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、障壁層両
方にドープしても良く、いずれか一方にドープしてもよ
い。さらに積層順としては、井戸層から積層して井戸層
で終わっても、井戸層から積層して障壁層で終わって
も、あるいは障壁層から積層して井戸層で終わっても良
い。

【００４７】（ｐ側キャップ層２６）次に、温度を１０
５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ2Ｍ
ｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇ
を１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ｎよ
りなるｐ側キャップ層２６を３００オングストロームの
膜厚で成長させる。

【００４８】（ｐ側光ガイド層２７）Ｃｐ2Ｍｇ、ＴＭ
Ａを止め、Ｍｇを５×１０¹⁶／cm³ドープしたＧａＮよ
りなるｐ側光ガイド層２７を０．１μｍの膜厚で成長さ
せる。

【００４９】（ｐ側クラッド層２８）続いて、アンドー
プＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５オングストロー
ムの膜厚で成長させ、続いてＭｇを１×１０¹⁹／cm³ド
ープしたＧａＮよりなる層を２５オングストロームの膜
厚で成長させ、それらを交互に積層し、総膜厚０．６μ
ｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層２８を成長させ
る。

【００５０】（ｐ側コンタクト層２９）最後に、Ｍｇを
１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コ
ンタクト層２９を１５０オングストロームの膜厚で成長
させる。

【００５１】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コン
タクト層２９の表面にＳｉＯ₂よりなる保護膜を形成し
て、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ
₄ガスによりエッチングし、図６に示すように、ｎ電極
を形成すべきｎ側コンタクト層２１の表面を露出させ
る。

【００５２】次に、最上層のｐ側コンタクト層２９に所
定の形状のマスクをかけ、ｐ側コンタクト層２９、およ
びｐ側クラッド層２８をエッチングして、１μｍの幅を
有するリッジストライプを形成後、リッジの側面にＺｒ
Ｏ₂よりなる絶縁膜３０を形成し、その絶縁膜３０を介
して、ｐ側コンタクト層と電気的に接続したｐ電極３１
を形成する。一方先ほど露出させたｎ側コンタクト層の
表面はｎ電極３２を形成する。

【００５３】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハの窒化物半導体基板を研磨して薄くした
後、窒化物半導体基板を劈開してその劈開面にレーザ素
子の共振面を形成する。劈開後、チップ状にに分離し
て、窒化物半導体基板側をヒートシンクに設置し、レー
ザ素子としたところ、室温でレーザ発振を示し、閾値電
流密度１．５ｋＡ／cm²において室温連続発振を示し、
２０ｍＷの出力において１０００時間以上の寿命を示し
た。

【００５４】なお、本実施例では実施例１で得られた基
板を用いてレーザ素子を作製したが、同一面側からｎ、
ｐ両方の電極を取り出す構造とする場合でも、実施例
２、および実施例３で得られたｎ型不純物に濃度勾配を
設けた窒化物半導体基板を用いることができる。この場
合、ｎ側コンタクト層２１は不要となり、エッチングに
より濃度勾配を設けた第２の窒化物半導体層３、若しく
は第３の窒化物半導体層を露出させ、その露出面にｎ電
極３２を形成すればよい。

【００５５】［実施例５］実施例２で得られた窒化物半
導体基板の上（異種基板除去面と反対側の面）に、実施
例４と同様にして、クラック防止層２２、ｎ側クラッド
層２３、ｎ側光ガイド層２４、活性層２５、ｐ側キャッ
プ層２６、ｐ側光ガイド層２７、ｐ側クラッド層２８、
ｐ側コンタクト層２９を積層する。

【００５６】続いて、実施例４と同様にして、ｐ側コン
タクト層２９、ｐ側クラッド層に、１μｍ幅のリッジス
トライプを作製して、絶縁膜３０を形成する。絶縁膜形
成後濃度勾配の設けられた窒化物半導体基板を劈開でき
る厚さまで研磨した後、実施例４と同様にして劈開し、
レーザ素子とした。実施例５では窒化物半導体基板を研
磨しても濃度勾配が設けられているため、露出する面は
常に窒化物半導体基板の中で高濃度にｎ型不純物がドー
プされた層となる。そして、図７に示すように基板側に
ｎ電極、リッジ側にｐ電極を形成してレーザ素子とした
ところ、実施例４とほぼ同等の特性を有するレーザ素子
が得られた。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の方法による
と、従来では得られなかった結晶性の非常に良い窒化物
半導体基板が得られる。この窒化物半導体基板に上に窒
化物半導体を成長させると、完全に格子整合するので、
結晶欠陥の非常に少ない素子ができる。そのため、その
素子は貫通転位が活性層にまで及ばす、例えば最も過酷
な条件で使用されるレーザ素子を実現しても、長寿命で
信頼性の高い素子が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の工程を説明する窒化物半導体
基板の構造を示す模式断面図。

【図２】 本発明の第２の工程を説明する窒化物半導体
基板の構造を示す模式断面図。

【図３】 本発明の第２の工程を説明する窒化物半導体
基板の構造を示す模式断面図。

【図４】 本発明の第３の工程を説明する窒化物半導体
基板の構造を示す模式断面図。

【図５】 本発明の第４の工程を説明する窒化物半導体
基板の構造を示す模式断面図。

【図６】 本発明の一実施例に係る基板を用いたレーザ
素子の構造を示す模式断面図。

【図７】 本発明の他の実施例に係る基板を用いたレー
ザ素子の構造を示す模式断面図。

【符号の説明】

１・・・異種基板 ２・・・下地層 ３・・・第２の窒化物半導体層 ４・・・第３の窒化物半導体層 １０・・・保護膜 ２１・・・ｎ側コンタクト層 ２２・・・クラック防止層 ２３・・・ｎ側クラッド層 ２４・・・ｎ側光ガイド層 ２５・・・活性層 ２６・・・ｐ側キャップ層 ２７・・・ｐ側光ガイド層 ２８・・・ｐ側クラッド層 ２９・・・ｐ側コンタクト層 ３０・・・絶縁膜 ３１・・・ｐ電極 ３２・・・ｎ電極

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物半導体と異なる材料よりなる異種
   基板上に、まず第１の窒化物半導体よりなる下地層を成
   長させ、その下地層の上に表面に窒化物半導体が成長し
   ないか、若しくは成長しにくい性質を有する保護膜を部
   分的に形成する第１の工程と、 第１の工程後、有機金属気相成長法により、下地層から
   前記保護膜上部に至るまで、第２の窒化物半導体を成長
   させる第２の工程と、 第２の工程後、ハイドライド気相成長法により、第２の
   窒化物半導体層の上に、その第２の窒化物半導体層より
   も厚い膜厚で第３の窒化物半導体を成長させる第３の工
   程とを具備することを特徴とする窒化物半導体基板の製
   造方法。
2. 【請求項２】 前記第２の工程、または第３の工程の少
   なくとも一方の工程において、窒化物半導体にｎ型不純
   物をドープすることを特徴とする請求項１に記載の窒化
   物半導体基板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第２の工程、または前記第３の工程
   の内の少なくとも一方の工程において、窒化物半導体層
   中のｎ型不純物に濃度勾配を設け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の製造方法。
4. 【請求項４】 前記濃度勾配は異種基板から離れるに従
   ってｎ型不純物濃度が小さくなるように調整されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の窒化物半導体基板の
   製造方法。
5. 【請求項５】 前記第３の窒化物半導体成長後、少なく
   とも異種基板、下地層、および保護膜を除去する第４の
   工程を具備することを特徴とする請求項１乃至４の内の
   いずれか１項に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
6. 【請求項６】 ハイドライド気相成長法により成長さ
   れ、第１の主面と第２の主面とを有する窒化物半導体基
   板であって、前記第１の主面、若しくは第２の主面近傍
   の結晶欠陥が１×１０⁵個／cm²以下であることを特徴と
   する窒化物半導体基板。
7. 【請求項７】 前記窒化物半導体基板にｎ型不純物がド
   ープされていることを特徴とする請求項６に記載の窒化
   物半導体基板。
8. 【請求項８】 前記ｎ型不純物は窒化物半導体基板内で
   濃度勾配を有することを特徴とする請求項７に記載の窒
   化物半導体基板。
9. 【請求項９】 前記窒化物半導体基板の第１の主面若し
   くは第２の主面のいずれか一方の面に接近するに従っ
   て、ｎ型不純物濃度が小さくなるようにされていること
   を特徴とする請求項８に記載の窒化物半導体基板。