WO2011007776A1 - Iii族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びiii族窒化物半導体素子を作製する方法 - Google Patents

Iii族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びiii族窒化物半導体素子を作製する方法 Download PDF

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iii nitride
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nitride semiconductor
epitaxial
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陽平 塩谷
祐介 善積
孝史 京野
隆道 住友
秋田　勝史
上野　昌紀
中村　孝夫
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a group III nitride semiconductor device, an epitaxial substrate, and a method for manufacturing a group III nitride semiconductor device.
  • Non-Patent Document 1 describes the effect of miscutting in an m-plane GaN substrate. The experiment is performed using a (1-100) plane GaN substrate having a miscut angle in the [000-1] direction. The miscut angles were 0.45, 0.75, 5.4 and 9.6 degrees. The surface morphology improves as the miscut angle increases.
  • Non-Patent Document 2 describes pyramid-shaped hill rocks on m-plane GaN. If the miscut angle is changed from zero to 10 degrees in the direction from the a-axis to the c - axis, the hill rock is reduced.
  • Non-Patent Document 3 describes the tilt of the crystal axis of the GaN substrate with respect to the optical characteristics of the InGaN / GaN light-emitting diode fabricated on the m-plane GaN substrate.
  • Non-Patent Document 4 describes an InGaN / GaN quantum well structure formed on a semipolar (11-22) plane GaN substrate.
  • the surface morphology of a GaN film epitaxially grown on the semipolar plane GaN of a group III gallium nitride semiconductor substrate such as GaN is not good. According to the knowledge of the inventors, the epitaxial growth on the semipolar gallium nitride based semiconductor shows a different aspect from the growth on the crystal plane of the plane orientation such as c-plane, m-plane and a-plane.
  • relatively large recesses such as pits appear in the surface morphology of the epitaxial film of the semipolar gallium nitride semiconductor.
  • the pits on the semipolar plane have a different shape from the pits on the c plane.
  • the shape of the pits on the semipolar plane of the epitaxial film has no symmetry, and the shape of the opening is a horizontally long or vertically long shape having a large aspect ratio. Therefore, pits on the semipolar plane affect a large area on the epitaxial film surface.
  • the pits on the semipolar plane increase the leakage current in the semiconductor element.
  • the electrode is formed on the surface morphology epitaxial film including the pits described above, leakage occurs due to this morphology abnormality in voltage application in the forward and reverse directions.
  • the half-value width of light emission increases.
  • An object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor device including a semipolar epitaxial film having a good surface morphology, and to provide an epitaxial substrate for the group III nitride semiconductor device. Furthermore, an object of the present invention is to provide a method for producing the group III nitride semiconductor device.
  • a group III nitride semiconductor device includes (a) a group III nitride semiconductor, and is orthogonal to a reference axis inclined at a predetermined angle ALPHA with respect to the c axis of the group III nitride semiconductor.
  • a support base having a main surface extending along a first reference plane; and (b) an epitaxial semiconductor region provided on the main surface of the support base.
  • the epitaxial semiconductor region includes a plurality of gallium nitride based semiconductor layers, and the reference axis is 10 in the direction from the c-axis to the first crystal axis of either the m-axis or the a-axis of the group III nitride semiconductor.
  • the reference axis is inclined at a first angle ALPHA1 in the range of not less than 80 degrees and less than 80 degrees, and the reference axis extends from the c-axis of the group III nitride semiconductor to the first crystal axis that is the other of the m-axis and the a-axis.
  • the morphology of the outermost surface of the epitaxial semiconductor region includes a plurality of pits, and the pit density of the pits is 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 or less.
  • the epitaxial substrate is made of (a) a group III nitride semiconductor and extends along a first reference plane orthogonal to a reference axis inclined at a predetermined angle ALPHA with respect to the c-axis of the group III nitride semiconductor. And (b) an epitaxial semiconductor region provided on the main surface of the substrate.
  • the epitaxial semiconductor region includes a plurality of gallium nitride based semiconductor layers, and the reference axis is 10 in the direction from the c-axis to the first crystal axis of either the m-axis or the a-axis of the group III nitride semiconductor.
  • the reference axis is inclined at a first angle ALPHA1 in the range of not less than 80 degrees and less than 80 degrees, and the reference axis extends from the c-axis of the group III nitride semiconductor to the second crystal axis that is the other of the m-axis and the a-axis.
  • the morphology of the outermost surface of the epitaxial semiconductor region includes a plurality of pits, and the pit density of the pits is 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 or less.
  • the value of the second angle ALPHA2 is in the range of not less than ⁇ 0.30 degrees and not more than +0.30 degrees.
  • the epitaxial semiconductor region provided on the lower surface of the semipolar surface pit generation and expansion due to slight displacement of the inclination direction of the c-axis with respect to the crystal axis is suppressed. Therefore, the epitaxial semiconductor region provides a good surface morphology for the semipolar epitaxial film.
  • Yet another aspect of the present invention is a method of fabricating a group III nitride semiconductor device.
  • This method comprises (a) a group III nitride semiconductor and extends along a first reference plane perpendicular to a reference axis inclined at a predetermined angle ALPHA with respect to the c-axis of the group III nitride semiconductor.
  • the epitaxial semiconductor region includes a plurality of gallium nitride based semiconductor layers, and the reference axis is 10 in the direction from the c-axis to the first crystal axis of either the m-axis or the a-axis of the group III nitride semiconductor.
  • the reference axis is inclined at a first angle ALPHA1 in the range of not less than 80 degrees and less than 80 degrees, and the reference axis extends from the c-axis of the group III nitride semiconductor to the second crystal axis that is the other of the m-axis and the a-axis.
  • the value of the second angle ALPHA2 is in the range of not less than ⁇ 0.30 degrees and not more than +0.30 degrees.
  • the second reference plane defined by the c-axis of the group III nitride semiconductor and the first crystal axis is defined by the intersection of the pit.
  • the first opening width in one direction is smaller than the second opening width in a second direction orthogonal to the first direction.
  • the pits on the semipolar plane have a different shape from the pits on the c plane.
  • the shape of the pits on the semipolar plane of the epitaxial film does not have symmetry, and forms a horizontally long or vertically long shape having a large aspect ratio. Therefore, since pits on the semipolar plane affect a large area on the surface of the epitaxial film, reduction of the pit density is effective for expanding the surface of a good morphology.
  • the thickness of the epitaxial semiconductor region is 2 ⁇ m or more.
  • the pits on the semipolar plane are considered to be caused by a growth abnormality caused by crystal defects such as threading dislocations.
  • the frequency of growth abnormality affects the increase in pit density.
  • Many of the growth anomalies cause a morphology anomaly on the outermost surface of the epitaxial semiconductor region. For example, threading dislocations are inherited from the underlying nitride region.
  • some of the plurality of pits have a depth of 100 nm or more.
  • the pit is generated when a growth abnormality is inherited to the surface of the epitaxial semiconductor region during the growth. Deep pits affect the electrical characteristics of the semiconductor element.
  • the first angle may be not less than 63 degrees and less than 80 degrees.
  • the pit density tends to increase on the surface of the epitaxial semiconductor region in the above angle range as compared with other angle ranges.
  • the first angle is preferably in a range of ⁇ 0.10 degrees or more and +0.10 degrees or less. According to the present invention, when the first angle is in the above range, it is good for reducing the pit density.
  • the pit density may be 5 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or less.
  • an epitaxial semiconductor region having a good pit density is provided.
  • the epitaxial semiconductor region may include an InGaN layer, and the first angle may be not less than 70 degrees and less than 80 degrees.
  • the present invention an InGaN layer having a high In composition can be produced, and the pit density can be reduced in this InGaN layer.
  • the first angle may be not less than 72 degrees and less than 78 degrees.
  • an InGaN layer having a high In composition and a low In segregation can be produced, and the pit density can be reduced in the InGaN layer.
  • the group III nitride semiconductor device can further include an electrode in contact with the epitaxial semiconductor region. According to the present invention, an electrode capable of reducing the leakage current caused by the pits can be provided to the group III nitride semiconductor device.
  • the epitaxial semiconductor region includes a first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer, a second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer, and a light emitting layer, and the light emitting layer includes the first conductivity type. It may be provided between the gallium nitride based semiconductor layer and the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer.
  • the pit is constituted by a facet surface, and the gallium nitride based semiconductor for the epitaxial semiconductor region is not only on the original growth surface but on the pit facet surface. Will also grow.
  • the incorporation of the constituent elements on the facet plane is different from the incorporation of the constituent elements on the original growth plane, a displacement occurs in the composition of the constituent elements in the vicinity of the pits.
  • the incorporation of the constituent element (for example, indium) at the facet surface is different from the incorporation at the original growth surface. Increase the full width at half maximum at.
  • the group III nitride semiconductor of the support base or the substrate is preferably GaN.
  • the epitaxial semiconductor region can be provided on the GaN region, and the deterioration of the crystal quality other than the pit density can be reduced.
  • the dislocation density of the support base or the substrate is preferably 1 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less. According to the present invention, the generation of pits due to the dislocation density of the base can be reduced.
  • the method for manufacturing a group III nitride semiconductor device may further include a step of forming an electrode that is in contact with the epitaxial semiconductor region. According to this method, since the pit density is reduced, the number of pits located immediately below the electrodes can be reduced.
  • an object of the present invention is to provide a group III nitride semiconductor device including a semipolar epitaxial film having a good surface morphology, and to provide an epitaxial substrate for the group III nitride semiconductor device.
  • an object of the present invention is to provide a method for producing the group III nitride semiconductor device.
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing common elements of a group III nitride semiconductor device and an epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a drawing schematically showing a structure of a light emitting device as a group III nitride semiconductor device.
  • FIG. 3 is a drawing showing a process flow including main processes in the method of manufacturing the group III nitride semiconductor device according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a drawing schematically showing main steps in the method for producing a group III nitride semiconductor device according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a drawing showing pits appearing on the outermost surface of a GaN epitaxial film on a semipolar substrate.
  • FIG. 6 is a drawing showing pits appearing on the outermost surface of a GaN epitaxial film on a semipolar substrate.
  • FIG. 7 is a drawing showing the surface morphology of a GaN epitaxial film grown on a main-surface GaN substrate having several second angles.
  • FIG. 8 is a drawing showing a surface distribution of light emission in a gallium nitride-based epitaxial semiconductor region including an InGaN layer.
  • FIG. 9 is a drawing showing the surface morphology of the GaN epitaxial film when the growth temperature is changed.
  • FIG. 10 is a drawing schematically showing the growth of GaN on a semipolar plane such as a (20-21) plane inclined at an angle of 75 degrees from the c-axis to the m-axis direction.
  • FIG. 11 is a drawing schematically showing main steps in the method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present embodiment.
  • FIG. 12 is a drawing schematically showing a semiconductor laser in Example
  • FIG. 1 is a drawing schematically showing common elements of a group III nitride semiconductor device and an epitaxial substrate according to the present embodiment.
  • the group III nitride semiconductor device 11 a includes a support base 13 and an epitaxial semiconductor region 15, and the substrate 14 is used in place of the support base 13 in the epitaxial substrate 11 b.
  • the group III nitride semiconductor device 11a and the epitaxial substrate 11b will be described with reference to the group III nitride semiconductor device 11a.
  • the support base 13 is made of a group III nitride semiconductor, and can be made of, for example, GaN, InGaN, AlGaN, AlN, or the like.
  • the support base 13 has a main surface 13a and a back surface 13b, and the back surface 13b is a surface opposite to the main surface 13a.
  • the main surface 13a of the support base 13 extends along a first reference plane R SUB orthogonal to the reference axis Ax inclined at a predetermined angle ALPHA with respect to the c-axis of the group III nitride semiconductor.
  • the reference axis Ax is a range of 10 degrees or more and less than 80 degrees in the direction from the c axis of the group III nitride semiconductor to the first crystal axis (for example, the m axis) of either the m axis or the a axis. Tilt at an angle ALPHA1 of 1.
  • the reference axis Ax is in the range of not less than ⁇ 0.30 degrees and not more than +0.30 degrees in the direction from the c-axis of the group III nitride semiconductor to the crystal axis of the other of the m-axis and a-axis (for example, the a-axis).
  • the second reference plane RCM is defined by the c-axis and crystal axis (for example, m-axis) of the group III nitride semiconductor.
  • a representative c-plane Sc is drawn, and a c-axis vector VC indicating the c-axis direction is also drawn.
  • the reference axis Ax extends in the normal direction of the main surface 13a and is shown together with the normal vector VN.
  • the epitaxial semiconductor region 15 is provided on the main surface 13 a of the support base 13.
  • the morphology of the outermost surface 15a of the epitaxial semiconductor region 15 includes a plurality of pits, and the pit density of the pits is 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 or less.
  • the reference axis Ax extends in the normal direction of the outermost surface 15a.
  • the epitaxial semiconductor region 15 can include, for example, a plurality of gallium nitride based semiconductor layers 16a, 16b, and 16c.
  • the gallium nitride based semiconductor layer 16a forms a junction J1 with the support base 13
  • the gallium nitride based semiconductor layer 16b forms a junction J2 with the gallium nitride based semiconductor layer 16a
  • the gallium nitride based semiconductor layer 16c includes the gallium nitride based semiconductor layer 16b.
  • join J3 The gallium nitride based semiconductor layers 16a, 16b, and 16c are epitaxial films grown in order on the support base 13.
  • the value of the second angle ALPHA2 is in the range of not less than ⁇ 0.30 degrees and not more than +0.30 degrees.
  • the epitaxial semiconductor region 15 on the lower surface of the semipolar plane pit generation due to a slight displacement of the inclination direction of the c axis with respect to the crystal axis is suppressed. Therefore, a good surface morphology is provided on the surface 15a of the semipolar epitaxial film in the manufacture of the group III nitride semiconductor device 11a and the epitaxial substrate 11b.
  • the group III nitride semiconductor of the support base 13 is preferably GaN.
  • An epitaxial semiconductor region can be provided on the GaN region, and deterioration in crystal quality other than the pit density can be reduced.
  • the dislocation density of the support base 13 is preferably 1 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less. According to the present invention, the generation of pits due to the dislocation density of the base can be reduced.
  • FIG. 2 is a drawing schematically showing the structure of a light emitting device as the group III nitride semiconductor device 11a.
  • the light emitting element can be, for example, a laser diode or a light emitting diode.
  • the group III nitride semiconductor device 11a is a light emitting device, as shown in FIG. 2, the epitaxial semiconductor region 15 includes a first conductivity type gallium nitride semiconductor layer 17, a second conductivity type gallium nitride semiconductor layer 19, and The light emitting layer 21 is included.
  • the light emitting layer 21 can be provided between the first conductivity type gallium nitride semiconductor layer 17 and the second conductivity type gallium nitride semiconductor layer 19.
  • the first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer 17 can include, for example, an n-type cladding layer, and the n-type cladding layer can be made of, for example, GaN, AlGaN, InAlGaN, or the like.
  • the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer 19 can include a p-type cladding layer, and the p-type cladding layer can be made of, for example, GaN, AlGaN, InAlGaN, or the like.
  • the light emitting layer 21 can include, for example, an active layer 23 having a quantum well structure.
  • the light emitting layer 21 is provided between the first conductivity type gallium nitride based semiconductor layer 17 and the active layer 23.
  • the light guide layer 25 may include, for example, a GaN layer and / or an InGaN layer.
  • the light emitting layer 21 can include a light guide layer 27 provided between the second conductivity type gallium nitride based semiconductor layer 19 and the active layer 23.
  • the light guide layer 27 is formed of, for example, a GaN layer and / or an InGaN layer.
  • the active layer 23 may include barrier layers 23a and well layers 23b that are alternately arranged in the direction of the reference axis Ax.
  • the well layer 23b can be made of, for example, an InGaN layer
  • the barrier layer 23a can be made of, for example, a GaN or InGaN layer.
  • the pit is composed of a facet surface, and the gallium nitride semiconductor for the epitaxial semiconductor region 15 is grown not only on the original growth surface but also on the facet surface of the pit.
  • the incorporation of the constituent elements on the facet plane is different from the incorporation of the constituent elements on the original growth plane, a displacement occurs in the composition of the constituent elements in the vicinity of the pits.
  • the composition of the constituent element is displaced in the vicinity of the pit. Increase the full width at half maximum in the spectrum.
  • Group III nitride semiconductor element 11 a includes an electrode 29 a provided on surface 15 a of epitaxial semiconductor region 15, and electrode 29 a is an anode that is in contact with a contact layer constituting uppermost layer 15 a of epitaxial semiconductor region 15. Can do. Since the pit density is reduced, it is possible to provide the group 29 nitride semiconductor element 11a with an electrode 29a that reduces the leakage current caused by the pits. In addition, an epitaxial substrate capable of providing the group 29 nitride semiconductor element 11a with the electrode 29a capable of reducing the leakage current caused by the pits can be provided. The uppermost layer 15a of the epitaxial semiconductor region 15 exhibits a good surface morphology that can reduce the leakage current.
  • the group III nitride semiconductor device 11a includes an electrode 29b provided on the back surface 13b of the support base 13, and the electrode 29b can be a cathode.
  • the first aperture width in the first direction defined by the intersection between the pit and the reference plane R CM is the perpendicular to the first direction 2 Smaller than the second opening width in the direction of.
  • the pits on the semipolar plane have a different shape from the pits on the c plane.
  • the shape of the pits on the semipolar plane of the epitaxial film has no symmetry and forms a horizontally long or vertically long shape having a large aspect ratio greater than 1. Therefore, since pits on the semipolar plane affect a large area on the surface of the epitaxial film, reduction of the pit density is effective for expanding the surface of a good morphology.
  • the film thickness of the epitaxial semiconductor region 15 is 2 ⁇ m or more.
  • the pits on the semipolar plane are considered to be caused by growth abnormalities that originate from crystal defects such as threading dislocations.
  • the frequency of growth abnormality affects the increase in pit density.
  • Many of the growth abnormalities cause a morphology abnormality on the outermost surface 15 a of the epitaxial semiconductor region 15. For example, threading dislocations are inherited from the underlying nitride region.
  • Some of the pits have a depth of 100 nm or more.
  • the pit is generated when a growth abnormality is inherited to the surface 15a of the epitaxial semiconductor region 15 during the growth. Deep pits affect the electrical characteristics of the semiconductor element.
  • the first angle ALPHA1 can be not less than 63 degrees and less than 80 degrees. On the surface 15a of the epitaxial semiconductor region 15 in this angular range, the pit density tends to increase as compared with other angular ranges. Further, the epitaxial semiconductor region can include an InGaN layer such as a well layer. The first angle ALPHA1 can be 70 degrees or more and less than 80 degrees. A high In composition InGaN layer can be produced, and the pit density can be reduced in this InGaN layer. Further, the first angle ALPHA1 can be not less than 72 degrees and less than 78 degrees. An InGaN layer having a high In composition and a low In segregation can be produced, and the pit density can be reduced in the InGaN layer.
  • the second angle ALPHA2 is preferably in the range of not less than ⁇ 0.10 degrees and not more than +0.10 degrees. When this angle is in the above range, it is good for reducing the pit density. In addition, when the pit density is 5 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or less, the epitaxial semiconductor region 15 having a good pit density is provided.
  • FIG. 3 is a drawing showing a process flow including main processes in the method of manufacturing the group III nitride semiconductor device according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a drawing schematically showing main steps in the method for producing a group III nitride semiconductor device according to the present embodiment.
  • a substrate 51 is prepared as shown in part (a) of FIG.
  • the substrate 51 is made of a group III nitride semiconductor.
  • the main surface 51a of the substrate 51 extends along a reference plane orthogonal to the reference axis Ax inclined with respect to the c-axis of the group III nitride semiconductor.
  • the reference axis Ax is inclined at the first angle ALPHA1 in the direction from the c-axis of the group III nitride semiconductor to one of the crystal axes of the m-axis and the a-axis, and the first angle ALPHA1 is 10 degrees. It is in the range of less than 80 degrees.
  • the reference axis Ax is inclined at a second angle ALPHA2 in the direction from the c-axis of the group III nitride semiconductor to the other crystal axis of the m-axis and the a-axis, and the second angle ALPHA2 is , In the range of not less than ⁇ 0.30 degrees and not more than +0.30 degrees.
  • substrate 51 a GaN substrate
  • step S102 after the substrate 51 is placed in the growth furnace 10, the GaN substrate 51 is thermally cleaned using the growth furnace 10 as shown in FIG. A heat treatment for 10 minutes is performed while flowing a gas G0 containing NH 3 and H 2 through the growth reactor 10 at a temperature of 1050 degrees Celsius.
  • a plurality of gallium nitride-based semiconductor layers are grown on the substrate 51 by using a metal organic vapor phase epitaxy method to produce an epitaxial substrate.
  • Trimethylgallium (TMG), trimethylaluminum (TMA), trimethylindium (TMI), and ammonia (NH 3 ) were used as raw materials.
  • Silane (SiH 4 ) and biscyclopentadienyl magnesium (CP 2 Mg) were used as dopant gases.
  • an epitaxial semiconductor region 53 is grown on the main surface 51a of the substrate 51, as shown in part (c) of FIG.
  • the epitaxial semiconductor region 53 can include, for example, one or a plurality of gallium nitride based semiconductor layers.
  • the morphology of the outermost surface 53a of the epitaxial semiconductor region 53 includes a plurality of pits, and the pit density of the pits is 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 or less.
  • the epitaxial substrate 11b for a group III nitride semiconductor device includes a substrate 14 and an epitaxial semiconductor region 15.
  • the substrate 14 is made of a group III nitride semiconductor, and its main surface 14a is along a reference plane R SUB orthogonal to the reference axis Ax inclined at a predetermined angle ALPHA with respect to the c axis of the group III nitride semiconductor.
  • Epitaxial semiconductor region 15 is provided on main surface 14 a of substrate 14.
  • the reference axis Ax is inclined at a first angle ALPHA1 in the range from 10 degrees to less than 80 degrees in the direction from the c axis of the group III nitride semiconductor to the first crystal axis of either the m axis or the a axis. ing.
  • the reference axis Ax is a second axis in the range from ⁇ 0.30 degrees to +0.30 degrees in the direction from the c-axis to the second crystal axis of the other of the m-axis and the a-axis of the group III nitride semiconductor. It is inclined at an angle ALPHA2.
  • the morphology of the outermost surface 15a of the epitaxial semiconductor region 15 includes a plurality of pits, and the pit density of the pits is 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 or less.
  • FIG. 5 is a drawing showing pits appearing on the outermost surface of the GaN epitaxial film on the semipolar substrate.
  • the pit morphology is shown with a 200 ⁇ m scale.
  • a concave morphology abnormality that grows asymmetrically in one direction with a lattice defect such as a dislocation as a base point is observed.
  • a scale of 100 ⁇ m is shown on the vertical axis and the horizontal axis. The size of the opening of the pit is about several tens of ⁇ m to several hundreds of ⁇ m.
  • FIG. 6 is a drawing showing pits appearing on the outermost surface of the GaN epitaxial film on the semipolar substrate.
  • FIG. 6A the shape of the cross section of the pit that appears on the outermost surface of the epitaxial film is shown. This cross section is taken along the line CS shown in FIG. The depth of this pit is 100 nm or more, and a deeper pit of about several ⁇ m is also observed. Since the opening of the pit has a large aspect ratio, the pit formed in the epitaxial film on the semipolar plane causes defects due to the pit over a wide range of the surface as compared with the pit formed in the epitaxial film on the c-plane.
  • FIG. 7 is a diagram showing the surface morphology of a GaN epitaxial film grown on a main-surface GaN substrate having several second angles.
  • Three types of GaN substrates S1, S2, and S3 were prepared. These GaN substrates have a GaN main surface inclined at an angle of 75 degrees from the c-plane in the m-axis direction in hexagonal GaN, and this inclined surface is shown as a (20-21) plane. All main surfaces are mirror-polished. Appearance photo, GaN substrate, second angle, first angle -75.09. (A-axis direction), (c-axis to m-axis). Part (a) of FIG. 7, GaN substrate S1: -0.26, -0.40. Part (b) of FIG. 7, GaN substrate S2: ⁇ 0.12, +0.40. Part (c) of FIG. 7, GaN substrate S3: ⁇ 0.03, +0.03. The unit of angle is “degree”.
  • the second angle ALPHA2 can be in the range of not less than ⁇ 0.30 degrees and not more than +0.30 degrees.
  • this angle is in the above range, the pit density is reduced.
  • the pit density is 5 ⁇ 10 4 cm ⁇ 2 or less, a gallium nitride based epitaxial semiconductor region having an outermost surface with a low pit density is provided.
  • the second angle ALPHA2 is preferably in the range of not less than ⁇ 0.10 degrees and not more than +0.10 degrees. When this angle is in the above range, it is good for reducing the pit density. Further, when the pit density is 5 ⁇ 10 3 cm ⁇ 2 or less, a gallium nitride based epitaxial semiconductor region having an outermost surface with a good pit density is provided.
  • FIG. 8 is a drawing showing a surface distribution of light emission in a gallium nitride-based epitaxial semiconductor region including an InGaN layer. Referring to part (a) of FIG. 8, it is shown that a slight difference in emission wavelength occurs on the surface of the gallium nitride-based epitaxial semiconductor region, and the emission unevenness coincides with the position of the horizontally long pit. Part (b) of FIG. 8 is a drawing schematically showing a cross section of the pit PIT. The side surface of the pit concave portion is formed of some facet surfaces F1 and F2.
  • the emission wavelength differs between the normal part and the abnormal part of the surface morphology. Therefore, the half width of the emission wavelength in the emission spectrum is increased. In addition, the emission wavelength varies depending on the facet surface even in the concave portion of the pit. Therefore, the half width of the emission wavelength in the emission spectrum is further increased.
  • the film thickness of the epitaxial semiconductor region is 2 ⁇ m or more, the generation of the pits on the semipolar plane becomes remarkable. However, even if the film thickness is less than 2 ⁇ m, the generation of pits is not completely eliminated.
  • the film thickness of the epitaxial semiconductor region 15 is about the above value, it is considered that the frequency of growth abnormality affects the increase in pit density. Many of the growth anomalies cause a morphology anomaly on the outermost surface of the epitaxial semiconductor region. For example, threading dislocations are inherited from the underlying nitride region.
  • the dislocation density of the GaN substrate in this example is 1 ⁇ 10 6 cm ⁇ 2 or less.
  • FIG. 10 is a drawing schematically showing the growth of GaN on a semipolar plane such as a (20-21) plane inclined at an angle of 75 degrees in the m-axis direction from the c-axis.
  • a semipolar plane such as a (20-21) plane inclined at an angle of 75 degrees in the m-axis direction from the c-axis.
  • the kink extends in the ⁇ 11-20> direction or the ⁇ -1-120> direction.
  • the growth is such that the step extends in the ⁇ 1-100> direction.
  • the direction in which the kink extends during the growth becomes almost random.
  • part (b) of FIG. 10 growth to a semipolar plane with a somewhat large angle ALPHA2 is shown.
  • the kink selectively extends in the direction of inclination of the a-axis.
  • the growth abnormality if a growth abnormality occurs starting from a crystal defect such as threading dislocation from the substrate, the growth abnormality also becomes a selective growth and the pits extend in one direction. For this reason, morphological anomalies due to pits occur.
  • the kink and step extending directions exemplified in the above description change, but a morphology abnormality occurs in the same mechanism.
  • the growth in the semipolar plane is sensitive to the inclination of the angle ALPHA2, and the pits caused by the relatively large inclination of the angle ALPHA2 are specific to the semipolarity.
  • FIG. 11 is a drawing schematically showing main steps in the method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to the present embodiment.
  • a method for manufacturing a semiconductor light emitting element will be described with reference to FIG.
  • the epitaxial semiconductor region 53 is grown on the main surface 51a of the substrate 51.
  • step S103-1 as shown in FIG. 11A, an n-type gallium nitride based semiconductor region 55 is formed.
  • an n-type nitride based semiconductor region 55 for example, an n-type cladding layer and / or a buffer layer is grown.
  • the n-type cladding layer can be Si-doped AlGaN, InAlGaN, GaN, or the like.
  • the buffer layer can be made of InGaN or the like.
  • a light emitting layer 57 is formed as shown in part (b) of FIG.
  • an active layer having a quantum well structure is grown.
  • the well layer of the quantum well structure can be made of, for example, InGaN
  • the barrier layer of the quantum well structure can be made of, for example, GaN or InGaN.
  • a light guide layer can be formed prior to the formation of the active layer.
  • the light guide layer can include, for example, a GaN layer and an InGaN layer, and if necessary, an n-type dopant can be added to a part of the light guide layer.
  • an optical guide layer Prior to the formation of the p-type gallium nitride based semiconductor region 59, an optical guide layer can be formed.
  • the light guide layer can include, for example, a GaN layer and an InGaN layer, and a p-type dopant can be added to a part of the light guide layer if necessary.
  • an electron block layer can be provided in the light guide layer.
  • a p-type gallium nitride based semiconductor region 59 is formed as shown in part (c) of FIG.
  • an electron block layer, a p-type cladding layer, and a p-type contact layer are grown.
  • the electron blocking layer can be composed of an AlGaN layer.
  • the p-type cladding layer can be made of Mg-doped AlGaN, InAlGaN, or the like.
  • the p-type contact layer can be made of Mg-doped AlGaN, Mg-doped GaN, or the like.
  • step S104 an anode and a cathode are formed on the epitaxial substrate E.
  • an electrode that contacts the p-type contact layer is formed, and an electrode that contacts the polished surface is formed after the back surface of the substrate 51 is polished.
  • Example 2 An epitaxial substrate having a laser diode structure (LD1) was fabricated on a GaN substrate having a semipolar main surface. Use as a raw material for epitaxial growth, trimethyl gallium (TMG), trimethyl indium (TMI), trimethyl aluminum (TMA), ammonia (NH 3), silane (SiH 4), biscyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg) It was.
  • TMG trimethyl gallium
  • TMI trimethyl indium
  • TMA trimethyl aluminum
  • NH 3 ammonia
  • SiH 4 silane
  • Cp 2 Mg biscyclopentadienyl magnesium
  • a GaN substrate 120 corresponding to an inclination angle within a range of an inclination angle of 63 degrees to less than 80 degrees was prepared.
  • the GaN substrate 120 has a main surface inclined at an angle of 75 degrees from a plane orthogonal to the c-axis in the m-axis direction in hexagonal GaN, and this inclined surface is shown as a (20-21) plane.
  • the main surface is inclined at an angle of 0.05 degrees in the a-axis direction. This main surface is also mirror-polished. Epitaxial growth was performed on the substrate 120 under the following conditions.
  • the GaN substrate 120 was installed in a growth furnace. A heat treatment was performed for 10 minutes while flowing NH 3 and H 2 at a temperature of 1050 degrees Celsius and an in-furnace pressure of 27 kPa. By this surface modification by the heat treatment, a terrace structure defined by an off angle is formed on the surface of the GaN substrate 120. After this heat treatment, a GaN-based semiconductor region is grown. After growing the buffer layer 121a, for example, at 1050 degrees Celsius, TMG, TMA, NH 3 , and SiH 4 were supplied to the growth reactor to grow the n-type cladding layer 121b.
  • the n-type cladding layer 121b is, for example, a Si-doped AlGaN layer.
  • the thickness of the AlGaN layer was, for example, 2 micrometers, and the Al composition thereof was, for example, 0.04.
  • the light guide layer 122a is made of, for example, an undoped GaN layer and has a thickness of 50 nm.
  • the light guide layer 122b is made of, for example, an undoped InGaN layer and has a thickness of 65 nm.
  • the active layer 123 is grown.
  • TMG and NH 3 were supplied to the growth reactor at a substrate temperature of 870 degrees Celsius, and the barrier layer 123a of the GaN-based semiconductor was grown at this barrier layer growth temperature.
  • the barrier layer 123a is, for example, undoped GaN, and its thickness is 15 nm.
  • the growth is interrupted and the substrate temperature is changed from 870 degrees Celsius to 750 degrees Celsius.
  • TMG, TMI, and NH 3 were supplied to the growth reactor to grow the undoped InGaN well layer 123b. Its thickness is 3 nm.
  • the substrate temperature was changed from 750 degrees Celsius to 870 degrees Celsius while the supply of TMI was stopped and TMG and NH 3 were supplied to the growth reactor. During this change, a part of the undoped GaN barrier layer is grown. After the temperature change was completed, the remainder of the undoped GaN barrier layer was grown. The thickness of the GaN barrier layer 123b is 15 nm. Subsequently, the growth of the barrier layer, the temperature change, and the growth of the well layer were repeated to form the InGaN well layer 123b and the GaN barrier layer 123a.
  • TMG, TMI, and NH 3 were supplied to the growth reactor to grow optical guide layers 124 a and 124 b on the active layer 123.
  • the light guide layer 124b is made of an undoped InGaN layer.
  • the thickness of the light guide layer 124b was 65 nm, and its In composition was 0.02.
  • the light guide layer 124a is made of an undoped GaN layer.
  • the thickness of the light guide layer 124a was 50 nm.
  • the optical guide layer 124b was grown, the supply of TMG and TMI was stopped, and the substrate temperature was raised to 1000 degrees Celsius.
  • the electron block layer 125 was, for example, AlGaN.
  • the thickness of the electron block layer 125 was 20 nm, for example, and the Al composition was 0.12.
  • a GaN-based semiconductor region is grown on the light guide layer 124a.
  • the supply of TMG and TMI was stopped, and the substrate temperature was raised to 1000 degrees Celsius.
  • TMG, TMA, NH 3 , and Cp 2 Mg were supplied to the growth reactor to grow the p-type cladding layer 126.
  • the p-type cladding layer 126 was, for example, Al 0.06 Ga 0.94 N.
  • the thickness of the p-type cladding layer 126 is 400 nm, for example, and its Al composition is 0.06.
  • the supply of TMA was stopped and a p-type contact layer was grown.
  • the p-type contact layer 127 is made of, for example, GaN, and the thickness thereof is, for example, 50 nm. After the film formation, the temperature of the growth furnace was lowered to room temperature to produce an epitaxial substrate. The outermost surface of the epitaxial substrate had a desired morphology.
  • An electrode was formed on this epitaxial substrate.
  • an insulating film such as a silicon oxide film was deposited, and a contact window was formed on the insulating film 128 by photolithography and etching.
  • the contact window has a stripe shape, for example, and has a width of, for example, 10 micrometers.
  • a p-electrode (Ni / Au) 129a was formed on the p-type GaN contact layer. Thereafter, a p-pad electrode (Ti / Au) was formed.
  • An n-electrode (Ti / Al) 129b was formed on the back surface of the epitaxial substrate.
  • a substrate product was prepared by an electrode annealing procedure (eg, 550 degrees Celsius for 1 minute).
  • FIG. 12 is a drawing schematically showing a semiconductor laser in Example 2.
  • the semiconductor laser shown in FIG. 12 is as follows.
  • GaN substrate 120 (20-21) plane;
  • n-type buffer layer 121a Si-doped GaN, growth temperature 1050 ° C., thickness 1.5 ⁇ m.
  • n-type cladding layer 121b Si-doped AlGaN, growth temperature 1050 ° C., thickness 500 nm, Al composition 0.04.
  • Optical guide layer 122a undoped GaN, growth temperature 840 degrees, thickness 50 nm.
  • Optical guide layer 122b undoped InGaN, growth temperature 840 degrees, thickness 65 nm, In composition 0.03.
  • p-type cladding layer 126 Mg-doped AlGaN, growth temperature 1000 ° C., thickness 400 nm, Al composition 0.06.
  • p-type contact layer 127 Mg-doped GaN, growth temperature 1000 ° C., thickness 50 nm.
  • the substrate product produced by these steps was cleaved on the a-plane at 800 ⁇ m intervals.
  • a reflective film made of a SiO 2 / TiO 2 multilayer film was formed on the a-plane cleavage plane for the resonator, and a gain guide type laser diode was manufactured.
  • the reflectance of the front end face was 80%, and the reflectance of the rear end face was 95%.
  • the threshold current was 20 kA / cm 2 and the operating voltage (current value: 1600 mA) was 7.2 volts.
  • a group III nitride semiconductor device having a good surface morphology of a semipolar epitaxial film is provided.
  • an epitaxial substrate for the group III nitride semiconductor device is provided.
  • a method for producing the group III nitride semiconductor device and the epitaxial substrate is provided.
  • a group III nitride semiconductor device including a semipolar epitaxial film having a good surface morphology is provided.
  • an epitaxial substrate for the group III nitride semiconductor device is provided.
  • a method for producing the group III nitride semiconductor device is provided.

Abstract

良好な表面モフォロジを有する半極性のエピタキシャル膜を含むIII族窒化物半導体素子を提供する。III族窒化物半導体からなる支持基体１３の主面１３ａは、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸Ａｘに直交する基準平面ＲＳＵＢに沿って延在する。基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲内の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜する。主面１３ａは半極性を示す。基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からａ軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲内の第２の角度ＡＬＰＨＡ２にある。基準軸Ａｘは主面１３ａの法線方向に延在する。エピタキシャル半導体領域１５の最表面１５ａのモフォロジは複数のピットを含み、該ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である。

Description

III族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びIII族窒化物半導体素子を作製する方法
　本発明は、III族窒化物半導体素子、エピタキシャル基板、及びIII族窒化物半導体素子を作製する方法に関する。
　非特許文献１には、ｍ面ＧａＮ基板におけるミスカットの影響について記載されている。実験は、［０００－１］方向にミスカット角度を持つ（１－１００）面ＧａＮ基板を用いて行われる。ミスカット角は、０．４５、０．７５、５．４及び９．６度であった。表面モフォロジは、ミスカット角度の増大するにつれて改善される。
　非特許文献２には、ｍ面ＧａＮ上でのピラミッド形状のヒルロックについて記載されている。ミスカット角をゼロから１０度にａ軸からｃ－軸への方向に変更すると、ヒルロックが低減される。
　非特許文献３には、ｍ面ＧａＮ基板上に作製されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ発光ダイオードの光学特性に関して、ＧａＮ基板の結晶軸の傾斜について記載されている。
　非特許文献４には、半極性（１１－２２）面ＧａＮ基板上に形成されたＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸構造が記載されている。
Hisashi　Yamada　et　al.,　Jpn.　J.　Appl.　Phys.　Vol.46,　No.46,　(2007),　pp.L1117-Ｌ1119 A.　Hirai　et　al.,　Appl.　Phys.　Lett.　91,　191906　(2007) Hisashi　Yamada　et　al.,　J.　Crystal　Growth,　310,　(2008),　pp.4968-4971 M.　Ueda　et　al.,　Appl.　Phys.　Lett.　89　211907(2006)
　ＧａＮといったIII族窒化ガリウム系半導体基板の半極性面ＧａＮ上にエピタキシャルに成長されたＧａＮ膜では、その表面モフォロジが良好ではない。発明者らの知見によれば、半極性窒化ガリウム系半導体上へのエピタキシャル成長は、ｃ面、ｍ面、ａ面といった面方位の結晶面への成長と異なる様相を示す。
　発明者らの実験によれば、半極性窒化ガリウム系半導体のエピタキシャル膜の表面モフォロジには、ピットといった比較的大きな凹部が現れる。半極性面におけるピットはｃ面におけるピットと異なる形状を有する。エピタキシャル膜の半極性面におけるピットの形状が対称性を持たず、開口の形状は大きなアスペクト比を示す横長或いは縦長の形状を成す。これ故に、半極性面におけるピットは、エピタキシャル膜表面において大きなエリアに影響を与える。
　発明者らの検討によれば、半極性面におけるピットは、半導体素子においてリーク電流を増加させる。また、電極が、上記のピットを含む表面モフォロジのエピタキシャル膜上に形成されると、順方向及び逆方向への電圧印加において、このモフォロジ異常に起因してリークが生じる。さらに、発光素子では、発光の波長半値幅が増大する。
　本発明は、良好な表面モフォロジを有する半極性のエピタキシャル膜を含むIII族窒化物半導体素子を提供することを目的とし、またこのIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的とし、さらに該III族窒化物半導体素子を作製する方法を提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係るIII族窒化物半導体素子は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸に直交する第１の基準平面に沿って延在する主面を有する支持基体と、（ｂ）前記支持基体の前記主面上に設けられたエピタキシャル半導体領域とを備える。前記エピタキシャル半導体領域は、複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１結晶軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜しており、前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の第１結晶軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲の第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜しており、前記所定の角度、前記第１の角度及び前記第２の角度はＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有し、前記エピタキシャル半導体領域の最表面のモフォロジは複数のピットを含み、前記ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である。
　本発明の別の側面は、III族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板である。このエピタキシャル基板は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸に直交する第１の基準平面に沿って延在する主面を有する基板と、（ｂ）前記基板の前記主面上に設けられたエピタキシャル半導体領域とを備える。前記エピタキシャル半導体領域は、複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１結晶軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜しており、前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の第２結晶軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲の第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜しており、前記所定の角度、前記第１の角度及び前記第２の角度はＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有し、前記エピタキシャル半導体領域の最表面のモフォロジは複数のピットを含み、前記ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である。
　上記の側面におけるIII族窒化物半導体素子及びエピタキシャル基板では、第２の角度ＡＬＰＨＡ２の値が－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲にある。半極性面の下地上に設けられるエピタキシャル半導体領域において、上記の結晶軸に対してｃ軸の傾斜方向が僅かに変位することに起因するピット生成とその拡大が抑制される。これ故に、エピタキシャル半導体領域は、半極性のエピタキシャル膜に良好な表面モフォロジが提供される。
　本発明の更なる別の側面は、III族窒化物半導体素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸に直交する第１の基準平面に沿って延在する主面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）前記基板の前記主面上に、複数の窒化ガリウム系半導体層を含むエピタキシャル半導体領域を成長する工程とを備える。前記エピタキシャル半導体領域は、複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１結晶軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜しており、前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の第２結晶軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲の第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜しており、前記所定の角度、前記第１の角度及び前記第２の角度はＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有し、前記エピタキシャル半導体領域の最表面のモフォロジは複数のピットを含み、前記ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である。
　この側面によれば、第２の角度ＡＬＰＨＡ２の値が－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲にある。エピタキシャル半導体領域が半極性面の下地上への成長において、上記の結晶軸に対してｃ軸の傾斜方向が僅かに変位することに起因するピット生成及びその拡大が抑制される。これ故に、III族窒化物半導体素子の作製において半極性のエピタキシャル膜に良好な表面モフォロジが提供される。
　上記の側面に係る発明では、前記ピットの開口において、該III族窒化物半導体のｃ軸と前記第１結晶軸とにより規定される第２の基準平面と該ピットとの交差により規定される第１の方向に関する第１の開口幅は、該第１の方向に直交する第２の方向に関する第２の開口幅より小さい。この発明によれば、半極性面におけるピットはｃ面におけるピットと異なる形状を有する。エピタキシャル膜の半極性面におけるピットの形状が対称性を持たず、大きなアスペクト比を示す横長或いは縦長の形状を成す。これ故に、半極性面におけるピットはエピタキシャル膜表面において大きなエリアに影響を与えるので、ピット密度の低減は、良好なモフォロジの表面を拡大するために有効である。
　上記の側面に係る発明では、前記エピタキシャル半導体領域の膜厚は２μｍ以上である。この発明によれば、半極性面における上記ピットは、貫通転位といった結晶欠陥を起点として起きる成長異常が原因と考えられる。エピタキシャル半導体領域の膜厚が上記の値程度になると、成長異常の頻度がピット密度の増大に影響するようになる。成長異常の多くは、エピタキシャル半導体領域の最表面にモフォロジ異常を引き起こす。貫通転位は例えば下地の窒化物領域から引き継ぐものがある。
　上記の側面に係る発明では、前記複数のピットのうち一部は１００ｎｍ以上の深さを有する。この発明によれば、ピットは、成長異常が成長中にエピタキシャル半導体領域の表面まで引き継がれて生じる。深いピットは、半導体素子の電気的特性に影響する。
　上記の側面に係る発明では、前記第１の角度は６３度以上８０度未満であることができる。この発明によれば、上記の角度範囲のエピタキシャル半導体領域の表面において、他の角度範囲に比べて、ピット密度が増加する傾向にある。
　上記の側面に係る発明では、前記第１の角度は－０．１０度以上＋０．１０度以下の範囲にあることが良い。この発明によれば、第１の角度が上記の範囲にあるとき、ピット密度の低減に良い。
　上記の側面に係る発明では、前記ピット密度は５×１０３ｃｍ－２以下であることができる。この発明によれば、良好なピット密度のエピタキシャル半導体領域が提供される。
　上記の側面に係る発明では、前記エピタキシャル半導体領域は、ＩｎＧａＮ層を含み、前記第１の角度は７０度以上８０度未満であることができる。この発明によれば、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層を作製でき、このＩｎＧａＮ層においてピット密度を低減できる。
　上記の側面に係る発明では、前記第１の角度は７２度以上７８度未満であることができる。この発明によれば、高Ｉｎ組成及び低Ｉｎ偏析のＩｎＧａＮ層を作製でき、このＩｎＧａＮ層においてピット密度を低減できる。
　上記の側面に係るIII族窒化物半導体素子では、前記エピタキシャル半導体領域に接触を成す電極を更に備えることができる。この発明によれば、上記ピットに起因するリーク電流を低減可能な電極をIII族窒化物半導体素子に提供できる。
　上記の側面に係る発明では、前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層、第２導電型窒化ガリウム系半導体層、及び発光層を含み、前記発光層は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられることができる。この発明によれば、エピタキシャル半導体領域の成長中に、ピットは、あるファセット面から構成されており、エピタキシャル半導体領域のための窒化ガリウム系半導体は、本来の成長面だけでなくピットのファセット面上にも成長される。ファセット面における構成元素の取り込みは、本来の成長面における該構成元素の取り込みと異なるので、ピットの近傍では、構成元素の組成に変位が生じる。特に、発光層の成長中では、ファセット面における構成元素（例えばインジウム）の取り込みが本来の成長面における取り込みと異なるので、ピットの近傍では、構成元素の組成に変位が生じて、これは発光スペクトルにおける半値全幅を増加させる。
　上記の側面に係る発明では、前記支持基体又は基板の前記III族窒化物半導体はＧａＮであることが良い。この発明によれば、ＧａＮ領域上にエピタキシャル半導体領域を設けることができ、ピット密度以外の結晶品質の低下を低減できる。
　上記の側面に係る発明では、前記支持基体又は基板の転位密度は１×１０６ｃｍ－２以下であることが良い。この発明によれば、下地の転位密度に起因するピットの生成を低減できる。
　本発明の更なる別の側面に係るIII族窒化物半導体素子の作製方法は、前記エピタキシャル半導体領域に接触を成す電極を形成する工程を更に備えることができる。この方法によれば、ピット密度が低減されているので、電極直下に位置するピットの数を低減できる。
　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。
　本発明によれば、良好な表面モフォロジを有する半極性のエピタキシャル膜を含むIII族窒化物半導体素子を提供することを目的と、またこのIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板を提供することを目的とし、さらに該III族窒化物半導体素子を作製する方法を提供することを目的とする。
図１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子及びエピタキシャル基板の共通要素を概略的に示す図面である。 図２は、III族窒化物半導体素子として発光素子の構造を概略的に示す図面である。 図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子を作製する方法における主要な工程を含む工程フローを示す図面である。 図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図５は、半極性基板上のＧａＮエピタキシャル膜の最表面に現れたピットを示す図面である。 図６は、半極性基板上のＧａＮエピタキシャル膜の最表面に現れたピットを示す図面である。 図７は、いくつかの第２の角度を有する主面のＧａＮ基板上に成長されたＧａＮエピタキシャル膜の表面モフォロジを示す図面である。 図８は、ＩｎＧａＮ層を含む窒化ガリウム系エピタキシャル半導体領域の発光の面分布を示す図面である。 図９は、成長温度を変化させた場合のＧａＮエピタキシャル膜の表面モフォロジを示す図面である。 図１０は、ｃ軸からｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した（２０－２１）面といった半極性面上におけるＧａＮの成長を模式的に示す図面である。 図１１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１２は、実施例２における半導体レーザを概略的に示す図面である。
　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III族窒化物半導体素子及びエピタキシャル基板、並びにIII族窒化物半導体素子及びエピタキシャル基板を作製する方法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III族窒化物半導体素子及びエピタキシャル基板の共通要素を概略的に示す図面である。III族窒化物半導体素子１１ａは支持基体１３及びエピタキシャル半導体領域１５を備え、またエピタキシャル基板１１ｂでは支持基体１３の替わりに基板１４が用いられる。引き続く説明では、III族窒化物半導体素子１１ａを参照しながら、III族窒化物半導体素子１１ａ及びエピタキシャル基板１１ｂを説明する。支持基体１３は、III族窒化物半導体からなり、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等からなることができる。支持基体１３は主面１３ａ及び裏面１３ｂを有しており、裏面１３ｂは主面１３ａの反対側の面である。支持基体１３の主面１３ａは、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸Ａｘに直交する第１の基準平面ＲＳＵＢに沿って延在する。基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１の結晶軸（例えばｍ軸）への方向に１０度以上８０度未満の範囲内の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜する。これ故に、主面１３ａは半極性を示す。基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の結晶軸（例えばａ軸）への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲内の第２の角度ＡＬＰＨＡ２にある。第２の基準平面ＲＣＭはIII族窒化物半導体のｃ軸と結晶軸（例えばｍ軸）とによって規定される。図１には、代表的なｃ面Ｓｃが描かれており、ｃ軸方向を示すｃ軸ベクトルＶＣも描かれている。本実施例では、基準軸Ａｘは主面１３ａの法線方向に延在し、法線ベクトルＶＮと共に示される。
　エピタキシャル半導体領域１５は支持基体１３の主面１３ａ上に設けられている。エピタキシャル半導体領域１５の最表面１５ａのモフォロジは複数のピットを含み、該ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である。本実施例では、基準軸Ａｘは最表面１５ａの法線方向に延在する。本実施例では、エピタキシャル半導体領域１５は、例えば複数の窒化ガリウム系半導体層１６ａ、１６ｂ、１６ｃを含むことができる。窒化ガリウム系半導体層１６ａは支持基体１３と接合Ｊ１を成し、窒化ガリウム系半導体層１６ｂは窒化ガリウム系半導体層１６ａと接合Ｊ２を成し、窒化ガリウム系半導体層１６ｃは窒化ガリウム系半導体層１６ｂと接合Ｊ３を成す。窒化ガリウム系半導体層１６ａ、１６ｂ、１６ｃは支持基体１３上に順に成長されたエピタキシャル膜である。
　III族窒化物半導体素子１１ａでは、第２の角度ＡＬＰＨＡ２の値が－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲にある。半極性面の下地上へのエピタキシャル半導体領域１５の成長において、上記の結晶軸に対してｃ軸の傾斜方向が僅かに変位することに起因するピット生成が抑制される。これ故に、III族窒化物半導体素子１１ａ及びエピタキシャル基板１１ｂの作製において半極性のエピタキシャル膜の表面１５ａに良好な表面モフォロジが提供される。
　III族窒化物半導体素子１１ａでは、支持基体１３（これと同様にエピタキシャル基板の基板）のIII族窒化物半導体はＧａＮであることが良い。ＧａＮ領域上にエピタキシャル半導体領域を設けることができ、ピット密度以外の結晶品質の低下を低減できる。また、支持基体１３（これと同様にエピタキシャル基板の基板）の転位密度は１×１０６ｃｍ－２以下であることが良い。この発明によれば、下地の転位密度に起因するピットの生成を低減できる。
　図２は、III族窒化物半導体素子１１ａとして発光素子の構造を概略的に示す図面である。発光素子は、例えばレーザダイオード、発光ダイオードであることができる。III族窒化物半導体素子１１ａが発光素子であるとき、図２に示されるように、エピタキシャル半導体領域１５は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層１７、第２導電型窒化ガリウム系半導体層１９及び発光層２１を含む。発光層２１は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層１７と第２導電型窒化ガリウム系半導体層１９との間に設けられることができる。第１導電型窒化ガリウム系半導体層１７は、例えばｎ型クラッド層を含むことができ、ｎ型クラッド層は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。第２導電型窒化ガリウム系半導体層１９はｐ型クラッド層を含むことができ、ｐ型クラッド層は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ及びＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。発光層２１は、例えば量子井戸構造の活性層２３を含むことができ、必要な場合には、発光層２１は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層１７と活性層２３との間に設けられた光ガイド層２５を含むことができ、光ガイド層２５は例えばＧａＮ層及び／又はＩｎＧａＮ層からなることができる。発光層２１は、第２導電型窒化ガリウム系半導体層１９と活性層２３との間に設けられた光ガイド層２７を含むことができ、光ガイド層２７は例えばＧａＮ層及び／又はＩｎＧａＮ層からなることができる。活性層２３は、基準軸Ａｘの方向に交互に配列された障壁層２３ａ及び井戸層２３ｂを含むことができる。井戸層２３ｂは例えばＩｎＧａＮ層からなることができ、障壁層２３ａは例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ層からなることができる。
　エピタキシャル半導体領域１５の成長中に、ピットは、あるファセット面から構成されており、エピタキシャル半導体領域１５のための窒化ガリウム系半導体は、本来の成長面だけでなくピットのファセット面上にも成長される。ファセット面における構成元素の取り込みは、本来の成長面における該構成元素の取り込みと異なるので、ピットの近傍では、構成元素の組成に変位が生じる。特に、発光層２１の成長中では、ファセット面における構成元素（例えばインジウム）の取り込みが本来の成長面における取り込みと異なるので、ピットの近傍では、構成元素の組成に変位が生じて、これは発光スペクトルにおける半値全幅を増加させる。
　III族窒化物半導体素子１１ａは、エピタキシャル半導体領域１５の表面１５ａに設けられた電極２９ａを含み、電極２９ａは、エピタキシャル半導体領域１５の最上層１５ａを構成するコンタクト層に接触を成すアノードであることができる。ピット密度が低減されているので、上記ピットに起因するリーク電流を低減する電極２９ａをIII族窒化物半導体素子１１ａに提供できる。また、ピットに起因するリーク電流を低減可能な電極２９ａをIII族窒化物半導体素子１１ａに提供できるエピタキシャル基板を提供できる。エピタキシャル半導体領域１５の最上層１５ａは、リーク電流を低減可能な良好な表面モフォロジを示す。
　III族窒化物半導体素子１１ａは、支持基体１３の裏面１３ｂに設けられた電極２９ｂを含み、電極２９ｂは、カソードであることができる。
　エピタキシャル半導体領域１５の最上層１５ａにおけるピットの開口において、該ピットと基準平面ＲＣＭとの交差により規定される第１の方向に関する第１の開口幅は、該第１の方向に直交する第２の方向に関する第２の開口幅より小さい。半極性面におけるピットはｃ面におけるピットと異なる形状を有する。エピタキシャル膜の半極性面におけるピットの形状が対称性を持たず、１より大きい大きなアスペクト比を示す横長或いは縦長の形状を成す。これ故に、半極性面におけるピットはエピタキシャル膜表面において大きなエリアに影響を与えるので、ピット密度の低減は、良好なモフォロジの表面を拡大するために有効である。
　エピタキシャル半導体領域１５の膜厚は２μｍ以上である。半極性面における上記ピットは、貫通転位といった結晶欠陥を起点として起きる成長異常が原因と考えられる。エピタキシャル半導体領域１５の膜厚が上記の値程度になると、成長異常の頻度がピット密度の増大に影響するようになる。成長異常の多くは、エピタキシャル半導体領域１５の最表面１５ａにモフォロジ異常を引き起こす。貫通転位は例えば下地の窒化物領域から引き継ぐものがある。
　複数のピットのうち一部は１００ｎｍ以上の深さを有する。ピットは、成長異常が成長中にエピタキシャル半導体領域１５の表面１５ａまで引き継がれて生じる。深いピットは、半導体素子の電気的特性に影響する。
　第１の角度ＡＬＰＨＡ１は６３度以上８０度未満であることができる。この角度範囲のエピタキシャル半導体領域１５の表面１５ａにおいて、他の角度範囲に比べて、ピット密度が増加する傾向にある。また、エピタキシャル半導体領域は、井戸層といったＩｎＧａＮ層を含むことができる。第１の角度ＡＬＰＨＡ１は７０度以上８０度未満であることができる。高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ層を作製でき、このＩｎＧａＮ層においてピット密度を低減できる。さらに、第１の角度ＡＬＰＨＡ１は７２度以上７８度未満であることができる。高Ｉｎ組成及び低Ｉｎ偏析のＩｎＧａＮ層を作製でき、このＩｎＧａＮ層においてピット密度を低減できる。
　第２の角度ＡＬＰＨＡ２は－０．１０度以上＋０．１０度以下の範囲にあることが良い。この角度が上記の範囲にあるとき、ピット密度の低減に良い。また、ピット密度は５×１０３ｃｍ－２以下であるとき、良好なピット密度のエピタキシャル半導体領域１５が提供される。
　図３は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子を作製する方法における主要な工程を含む工程フローを示す図面である。図４は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
　工程Ｓ１０１では、図４の（ａ）部に示されるように、基板５１を準備する。基板５１は、III族窒化物半導体からなる。基板５１の主面５１ａは、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して傾斜した基準軸Ａｘに直交する基準平面に沿って延在する。基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の結晶軸への方向に第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜しており、第１の角度ＡＬＰＨＡ１は１０度以上８０度未満の範囲にある。また、基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の結晶軸への方向に第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜しており、第２の角度ＡＬＰＨＡ２は、－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲にある。所定の角度ＡＬＰＨＡ、第１の角度ＡＬＰＨＡ１及び第２の角度はＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有する。引き続く説明では、基板５１の一例としてＧａＮ基板（引き続く説明では「基板５１」として参照する）を用いる。
　工程Ｓ１０２では、基板５１を成長炉１０に配置した後に、図４の（ｂ）部に示されるように、ＧａＮ基板５１のサーマルクリーニングを成長炉１０を用いて行う。摂氏１０５０度の温度で、ＮＨ３とＨ２を含むガスＧ０を成長炉１０に流しながら、１０分間の熱処理を行う。
　引き続き有機金属気相成長法を用いて、基板５１上に複数の窒化ガリウム系半導体層を成長して、エピタキシャル基板を作製する。原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、アンモニア（ＮＨ３）を用いた。ドーパントガスとして、シラン（ＳｉＨ４）及びビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ＣＰ２Ｍｇ）を用いた。
　工程Ｓ１０３では、図４の（ｃ）部に示されるように、基板５１の主面５１ａ上にエピタキシャル半導体領域５３を成長する。エピタキシャル半導体領域５３は例えば一又は複数の窒化ガリウム系半導体層を含むことができる。引き続く説明から理解されるように、エピタキシャル半導体領域５３の最表面５３ａのモフォロジは複数のピットを含み、ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である。
　これらの工程により、III族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板１１ｂが作製される。このエピタキシャル基板１１ｂは、図１に示されるように、基板１４及びエピタキシャル半導体領域１５を備える。基板１４はIII族窒化物半導体からなり、またその主面１４ａは、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸Ａｘに直交する基準平面ＲＳＵＢに沿って延在する。エピタキシャル半導体領域１５は、基板１４の主面１４ａ上に設けられる。基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１結晶軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜している。基準軸Ａｘは、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の第２結晶軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲の第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜している。所定の角度、第１の角度及び第２の角度はＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有する。エピタキシャル半導体領域１５の最表面１５ａのモフォロジは複数のピットを含み、該ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である。
　図５は、半極性基板上のＧａＮエピタキシャル膜の最表面に現れたピットを示す図面である。図５の（ａ）部を参照すると、２００μｍのスケールと共にピットのモフォロジが示されている。図５の（ｂ）部に示されるように、転位といった格子欠陥を基点とした片方向に非対称に成長した凹状のモフォロジ異常が観察される。図５の（ｂ）部には、縦軸及び横軸に１００μｍのスケールが示されている。ピットの開口のサイズは、数１０μｍから数１００μｍm程度である。
　図６は、半極性基板上のＧａＮエピタキシャル膜の最表面に現れたピットを示す図面である。図６の（ａ）部を参照すると、エピタキシャル膜の最表面に現れたピットの断面の形状が示されている。この断面は、図６の（ｂ）部に示されたラインＣＳに沿って取られている。このピットの深さは１００ｎｍ以上であり、数μm程度更に深いピットも観察される。ピットの開口が大きなアスペクト比を有するので、半極性面上のエピタキシャル膜に形成されるピットは、ｃ面上エピタキシャル膜に形成されるピットに比べて、ピットによる不具合を表面の広範囲に及ぼす。
　（実施例１）
図７は、いくつの第２の角度を有する主面のＧａＮ基板上に成長されたＧａＮエピタキシャル膜の表面モフォロジを示す図面である。３種類のＧａＮ基板Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を準備した。これらのＧａＮ基板は、六方晶系ＧａＮにおけるｍ軸方向にｃ面から７５度の角度で傾斜したＧａＮ主面を有しており、この傾斜面は（２０－２１）面として示される。いずれの主面も鏡面研磨されている。
外観写真、　　ＧａＮ基板、　　第２の角度、　第１の角度－７５．０９。
　　　　　　　　　　　　　　　（ａ軸方向）、（ｃ軸からｍ軸）。
図７の（ａ）部、ＧａＮ基板Ｓ１：－０．２６、－０．４０。
図７の（ｂ）部、ＧａＮ基板Ｓ２：－０．１２、＋０．４０。
図７の（ｃ）部、ＧａＮ基板Ｓ３：－０．０３、＋０．０３。
角度の単位が「度」である。
　図７に示されたＧａＮエピタキシャル膜の実験に加えて様々な実験は、ａ軸方向のわずかな角ずれが小さいほどモフォロジが良好になることを示している。また、ＧａＮの表面モフォロジは、ａ軸方向のわずかな角ずれと同じ程度のｃ軸方向の角度ずれには敏感ではない。
　発明者らの実験によれば、第２の角度ＡＬＰＨＡ２は－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲にあることができる。この角度が上記の範囲にあるとき、ピット密度が低減される。また、ピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下であるとき、低いピット密度の最表面を有する窒化ガリウム系エピタキシャル半導体領域が提供される。
　発明者らの実験によれば、第２の角度ＡＬＰＨＡ２は－０．１０度以上＋０．１０度以下の範囲にあることが良い。この角度が上記の範囲にあるとき、ピット密度の低減に良い。また、ピット密度は５×１０３ｃｍ－２以下であるとき、良好なピット密度の最表面を有する窒化ガリウム系エピタキシャル半導体領域が提供される。
　図８は、ＩｎＧａＮ層を含む窒化ガリウム系エピタキシャル半導体領域の発光の面分布を示す図面である。図８の（ａ）部を参照すると、発光波長のわずかな差異が窒化ガリウム系エピタキシャル半導体領域の表面に生じることを示しており、発光むらは、横長のピットの位置に一致している。図８の（ｂ）部は、ピットＰＩＴの断面を模式的に示す図面である。ピットの凹部分の側面は何らかのファセット面Ｆ１、Ｆ２からなっている。ファセット面Ｆ１、Ｆ２におけるインジウムの取り込みは、通常の成長面Ｇにおけるインジウムの取り込みと異なるので、表面モフォロジの正常部と異常部で、発光波長が異なる。これ故に、発光スペクトルにおける発光波長の半値幅が大きくなる。また、ピットの凹部分においても、ファセット面の違いによって発光波長が異なる。これ故に、発光スペクトルにおける発光波長の半値幅がさらに大きくなる。
　図９の表面モフォロジに示されるように、成長温度を下げると、キンクが伸びる方向のランダム性が上がる。このため、上記ピットに起因するモフォロジ異常が起きにくくなり、ＧａＮ表面モフォロジが改善される。
外観写真、　ＧａＮ基板、　　第２の角度、第１の角度－７５．０９。
　　　　　　　　　　　　　　（ａ軸方向）、（ｃ軸からｍ軸）、成長温度。
図９の（ａ）部、ＧａＮ基板Ｓ１：－０．０７、－０．１４、摂氏１０５０度。
図９の（ｂ）部、ＧａＮ基板Ｓ２：－０．０７、－０．１４、摂氏９５０度。
角度の単位が「度」である。
　発明者らの実験によれば、エピタキシャル半導体領域の膜厚は２μｍ以上であるとき、半極性面における上記ピットの発生は顕著になる。しかしながら、膜厚は２μｍ未満であっても、ピットの発生が皆無になるわけではない。エピタキシャル半導体領域１５の膜厚が上記の値程度になると、成長異常の頻度がピット密度の増大に影響するようになると考えられる。また、成長異常の多くは、エピタキシャル半導体領域の最表面にモフォロジ異常を引き起こす。貫通転位は例えば下地の窒化物領域から引き継ぐものがある。本実施例におけるＧａＮ基板の転位密度は１×１０６ｃｍ－２以下である。
　図１０は、ｃ軸からｍ軸方向に７５度の角度で傾斜した（２０－２１）面といった半極性面上におけるＧａＮの成長を模式的に示す図面である。図１０の（ａ）部を参照すると、小さい角度ＡＬＰＨＡ２の半極性面への成長を示す。小さい角度ＡＬＰＨＡ２の半極性面では、キンクが＜１１－２０＞方向或いは＜－１－１２０＞方向に伸びる。この結果として、＜１－１００＞方向にステップが伸びるような成長になる。ａ軸方向への角度ＡＬＰＨＡ２の傾斜角がゼロ度に近い半極性面への成長では、成長中にキンクの伸びる方向はほぼランダムになる。
　図１０の（ｂ）部を参照すると、ある程度大きな角度ＡＬＰＨＡ２の半極性面への成長を示す。ａ軸方向への傾斜角がある程度大きくなると、キンクは、ａ軸の傾斜の方向に選択的に伸びるようになる。この成長中に、基板からの貫通転位といった結晶欠陥を起点として成長異常が起きると、成長異常も選択的な成長になってピットが片方向に伸びていく。これ故に、ピット起因のモフォロジ異常が生じる。
　以上説明したように、ａ軸方向への角度ＡＬＰＨＡ２の傾斜角がゼロ度に近いと、ピットが発生するけれども、図５の（ｂ）部に示されるような、大きなアスペクト比の開口を形成するように非対称にピットを形成することは無く、これ故に、表面モフォロジに与える影響は小さくなる。
　また、角度ＡＬＰＨＡ１が７５度と異なるとき、上記の説明に例示されたキンク及びステップの伸びる方向が変わるけれども、同様の機構でモフォロジ異常が起こる。発明者らの実験によれば、半極性面における成長は、角度ＡＬＰＨＡ２の傾斜に敏感であり、比較的大きな角度ＡＬＰＨＡ２の傾斜により生じるピットが、半極性に特有である。
　図１１は、本実施の形態に係るIII族窒化物半導体発光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。図１１を参照しながら、半導体発光素子を作製する方法を説明する。既に説明したように、工程Ｓ１０３では、基板５１の主面５１ａ上にエピタキシャル半導体領域５３を成長する。まず、工程Ｓ１０３－１では、図１１の（ａ）部に示されるように、ｎ型窒化ガリウム系半導体領域５５を形成する。ｎ型窒化ガリウム系半導体領域５５の形成のために、例えばｎ型クラッド層及び／又は緩衝層を成長する。ｎ型クラッド層は、ＳｉドープＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ等であることができる。また、緩衝層はＩｎＧａＮ等からなることができる。
　次いで、工程Ｓ１０３－２では、図１１の（ｂ）部に示されるように、発光層５７を形成する。発光層５７の形成のために、量子井戸構造の活性層を成長する。量子井戸構造の井戸層は例えばＩｎＧａＮからなり、量子井戸構造の障壁層は例えばＧａＮ又はＩｎＧａＮからなることができる。活性層の形成に先立って、光ガイド層を形成することができる。光ガイド層は例えばＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を含むことができ、必要な場合には光ガイド層の一部分にｎ型ドーパントを添加することができる。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５９の形成に先立って、光ガイド層を形成することができる。光ガイド層は例えばＧａＮ層及びＩｎＧａＮ層を含むことができ、必要な場合には光ガイド層の一部分にｐ型ドーパントを添加することができる。また、光ガイド層が複数の半導体層からなるとき、光ガイド層内に電子ブロック層を設けることができる。
　発光層５７を成長した後に、図１１の（ｃ）部に示されるように、ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５９を形成する。ｐ型窒化ガリウム系半導体領域５９の形成のために、例えば電子ブロック層、ｐ型クラッド層及びｐ型コンタクト層を成長する。電子ブロック層はＡｌＧａＮ層からなることができる。ｐ型クラッド層は、ＭｇドープＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなることができる。また、ｐ型コンタクト層はＭｇドープＡｌＧａＮ、ＭｇドープＧａＮ等からなることができる。これらの工程により、エピタキシャル基板Ｅが作製される。
　工程Ｓ１０４では、エピタキシャル基板Ｅ上に、アノード及びカソードを形成する。本実施例では、ｐ型コンタクト層に接触を成す電極を形成すると共に、基板５１の裏面を研磨した後にこの研磨面に接触を成す電極を形成する。
　（実施例２）
半極性主面を有するＧａＮ基板上に、レーザダイオード構造（ＬＤ１）のエピタキシャル基板を作製した。エピタキシャル成長のための原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニア（ＮＨ３）、シラン（ＳｉＨ４）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用いた。
　６３度から８０度未満の傾斜角の範囲内の傾斜角に該当するＧａＮ基板１２０が準備された。ＧａＮ基板１２０は、六方晶系ＧａＮにおけるｍ軸方向にｃ軸に直交する平面から７５度の角度で傾斜した主面を有しており、この傾斜面は（２０－２１）面として示される。また、主面はａ軸方向に０．０５度の角度で傾斜している。この主面も鏡面研磨されている。この基板１２０上に以下の条件でエピタキシャル成長を行った。
　まず、ＧａＮ基板１２０を成長炉内に設置した。摂氏１０５０度の温度及び２７ｋＰａの炉内圧力において、ＮＨ３とＨ２を流しながら１０分間熱処理を行った。この熱処理による表面改質によって、ＧａＮ基板１２０の表面に、オフ角によって規定されるテラス構造が形成される。この熱処理の後に、ＧａＮ系半導体領域が成長される。バッファ層１２１ａを成長した後に、例えば、摂氏１０５０度において、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、ＳｉＨ４を成長炉に供給して、ｎ型クラッド層１２１ｂを成長した。ｎ型クラッド層１２１ｂは、例えばＳｉドープＡｌＧａＮ層である。ＡｌＧａＮ層の厚さは例えば２マイクロメートルであり、そのＡｌ組成は例えば０．０４であった。
　次いで、摂氏８４０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、光ガイド層１２２ａ、１２２ｂを成長した。光ガイド層１２２ａは、例えばアンドープＧａＮ層からなり、その厚さは５０ｎｍである。光ガイド層１２２ｂは、例えばアンドープＩｎＧａＮ層からなり、その厚さは６５ｎｍである。
　次いで、活性層１２３を成長する。摂氏８７０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給して、この障壁層成長温度でＧａＮ系半導体の障壁層１２３ａを成長した。障壁層１２３ａは、例えばアンドープＧａＮであり、その厚さは１５ｎｍである。障壁層１２３ａの成長後に、成長を中断して、摂氏８７０度から摂氏７５０度に基板温度を変更する。変更後の井戸層成長温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、アンドープＩｎＧａＮ井戸層１２３ｂを成長した。その厚さは３ｎｍである。井戸層１２３ｂの成長後に、ＴＭＩの供給を停止すると共に、ＴＭＧ、ＮＨ３を成長炉に供給しながら、摂氏７５０度から摂氏８７０度に基板温度を変更した。この変更中にも、アンドープＧａＮ障壁層の一部が成長されている。温度の変更が完了した後に、アンドープＧａＮ障壁層の残りを成長した。ＧａＮ障壁層１２３ｂの厚さは１５ｎｍである。続けて、障壁層の成長、温度変更、井戸層の成長、を繰り返して、ＩｎＧａＮ井戸層１２３ｂ、ＧａＮ障壁層１２３ａを形成した。
　摂氏８４０度の基板温度で、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＮＨ３を成長炉に供給して、活性層１２３上に光ガイド層１２４ａ、１２４ｂを成長した。光ガイド層１２４ｂはアンドープＩｎＧａＮ層からなる。光ガイド層１２４ｂの厚さは６５ｎｍであり、そのＩｎ組成は０．０２であった。また、光ガイド層１２４ａはアンドープＧａＮ層からなる。光ガイド層１２４ａの厚さは５０ｎｍであった。本実施例では、光ガイド層１２４ｂ上に電子ブロック層１２５を成長した後に、光ガイド層１２４ａを成長した。光ガイド層１２４ｂの成長後にＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止して、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給して、電子ブロック層１２５を成長した。電子ブロック層１２５は例えばＡｌＧａＮであった。電子ブロック層１２５の厚さは例えば２０ｎｍであり、Ａｌ組成は０．１２であった。
　光ガイド層１２４ａ上に、ＧａＮ系半導体領域が成長される。光ガイド層１２４ａの成長後に、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止して、基板温度を摂氏１０００度に上昇した。この温度で、ＴＭＧ、ＴＭＡ、ＮＨ３、Ｃｐ２Ｍｇを成長炉に供給してｐ型クラッド層１２６を成長した。ｐ型クラッド層１２６は例えばＡｌ０．０６Ｇａ０．９４Ｎであった。ｐ型クラッド層１２６の厚さは例えば４００ｎｍであり、そのＡｌ組成は０．０６であった。この後に、ＴＭＡの供給を停止して、ｐ型コンタクト層を成長した。ｐ型コンタクト層１２７は例えばＧａＮからなり、その厚さは例えば５０ｎｍであった。成膜後に、成長炉の温度を室温まで降温して、エピタキシャル基板を作製した。エピタキシャル基板の最表面は、所望のモフォロジを有していた。
　このエピタキシャル基板上に電極を形成した。まず、シリコン酸化膜といった絶縁膜を堆積し、この絶縁膜１２８にフォトリソグラフィ及びエッチングによりコンタクト窓を形成した。コンタクト窓は、例えばストライプ形状であり、その幅は例えば１０マイクロメートルである。次いで、ｐ型ＧａＮコンタクト層上にｐ電極（Ｎｉ／Ａｕ）１２９ａを形成した。この後に、ｐパッド電極（Ｔｉ／Ａｕ）を形成した。ｎ電極（Ｔｉ／Ａｌ）１２９ｂをエピタキシャル基板の裏面に形成した。電極アニール（例えば、摂氏５５０度で１分）の手順で行って基板生産物を作製した。
　図１２は、実施例２における半導体レーザを概略的に示す図面である。図１２に示される半導体レーザを以下のようなものである。
ＧａＮ基板１２０：（２０－２１）面；ｎ型バッファ層１２１ａ：ＳｉドープＧａＮ、成長温度１０５０度、厚さ１．５μｍ。
ｎ型クラッド層１２１ｂ：ＳｉドープＡｌＧａＮ、成長温度１０５０度、厚さ５００ｎｍ、Ａｌ組成０．０４。
光ガイド層１２２ａ：アンドープＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ５０ｎｍ。
光ガイド層１２２ｂ：アンドープＩｎＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ６５ｎｍ、Ｉｎ組成０．０３。
活性層１２３。
障壁層１２３ａ：アンドープＧａＮ、成長温度８７０度、厚さ１５ｎｍ。
井戸層１２３ｂ：アンドープＩｎＧａＮ、成長温度７５０度、厚さ３ｎｍ、Ｉｎ組成０．２２。
光ガイド層１２４ｂ：アンドープＩｎＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ６５ｎｍ、Ｉｎ組成０．０３。
電子ブロック層１２５：ＭｇドープＡｌＧａＮ、成長温度１０００度、厚さ２０ｎｍ、Ａｌ組成０．１２。
光ガイド層１２４ａ：アンドープＧａＮ、成長温度８４０度、厚さ５０ｎｍ。
ｐ型クラッド層１２６：ＭｇドープＡｌＧａＮ、成長温度１０００度、厚さ４００ｎｍ、Ａｌ組成０．０６。
ｐ型コンタクト層１２７：ＭｇドープＧａＮ、成長温度１０００度、厚さ５０ｎｍ。
　これらの工程によって作製された基板生産物を８００μｍ間隔でａ面でへき開した。共振器のためのａ面へき開面にはＳｉＯ２／ＴｉＯ２多層膜からなる反射膜を形成して、ゲインガイド型レーザダイオードを作製した。前端面の反射率は８０％であり、後端面の反射率は９５％であった。このレーザダイオードの発振波長は５２０ｎｍで発振した。そのしきい値電流は２０ｋＡ／ｃｍ２であり、動作電圧（電流値：１６００ｍＡ）は７．２ボルトであった。
　以上説明したように、本実施の形態によれば、半極性のエピタキシャル膜の良好な表面モフォロジを有するIII族窒化物半導体素子が提供される。また、このIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。さらに、該III族窒化物半導体素子及びエピタキシャル基板を作製する方法が提供される。
　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。
　本実施の形態によれば、良好な表面モフォロジを有する半極性のエピタキシャル膜を含むIII族窒化物半導体素子を提供される。また、本実施の形態によれば、このIII族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板が提供される。さらに、本実施の形態によれば、該III族窒化物半導体素子を作製する方法が提供される。
１１ａ…III族窒化物半導体素子、１１ｂ…エピタキシャル基板、１３…支持基体、１３ａ…支持基体主面、１３ｂ…支持基体裏面、１５…エピタキシャル半導体領域、ＡＬＰＨＡ、ＡＬＰＨＡ１、ＡＬＰＨＡ２…角度、Ａｘ…基準軸、ＲＳＵＢ、ＲＣＭ…の基準平面、Ｓｃ…ｃ面、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、１５…エピタキシャル半導体領域、１５ａ…最表面、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…窒化ガリウム系半導体層、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３…接合、１７…第１導電型窒化ガリウム系半導体層、１９…第２導電型窒化ガリウム系半導体層、２１…発光層、２３…活性層、２５…光ガイド層、２７…光ガイド層、２３ａ…障壁層、２３ｂ…井戸層、２９ａ…電極、５１…基板、５１ａ…基板主面、５３…エピタキシャル半導体領域、５５…ｎ型窒化ガリウム系半導体領域、５７…発光層、５９…ｐ型窒化ガリウム系半導体領域。

Claims (24)

  1. 　III族窒化物半導体素子であって、
    　III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸に直交する第１の基準平面に沿って延在する主面を有する支持基体と、
    　前記支持基体の前記主面上に設けられたエピタキシャル半導体領域と、
    を備え、
    　前記エピタキシャル半導体領域は、複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、
    　前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１結晶軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜しており、
    　前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の第２結晶軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲の第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜しており、
    　前記所定の角度、前記第１の角度及び前記第２の角度は、ＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有し、
    　前記エピタキシャル半導体領域の最表面のモフォロジは複数のピットを含み、
    　前記ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である、III族窒化物半導体素子。
  2. 　前記ピットの開口において、該III族窒化物半導体のｃ軸と前記第１結晶とにより規定される第２の基準平面と該ピットとの交差により規定される第１の方向に関する第１の開口幅は、該第１の方向に直交する第２の方向に関する第２の開口幅より小さい、請求項１に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  3. 　前記エピタキシャル半導体領域の膜厚は２μｍ以上である、請求項１又は請求項２に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  4. 　前記複数のピットのうち一部は１００ｎｍ以上の深さを有する、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  5. 　前記第１の角度は６３度以上８０度未満である、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  6. 　前記第２の角度は－０．１０度以上＋０．１０度以下の範囲にある、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  7. 　前記ピット密度は５×１０３ｃｍ－２以下である、請求項１～請求項６のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  8. 　前記エピタキシャル半導体領域は、ＩｎＧａＮ層を含み、
    　前記第１の角度は７０度以上８０度未満である、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  9. 　前記第１の角度は７２度以上７８度未満である、請求項８に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  10. 　前記エピタキシャル半導体領域に接触を成す電極を更に備える、請求項１～請求項９のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  11. 　前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層、第２導電型窒化ガリウム系半導体層、及び発光層を含み、
    　前記発光層は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられる、請求項１～請求項１０のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  12. 　前記支持基体の前記III族窒化物半導体はＧａＮである、請求項１～請求項１１のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  13. 　前記支持基体の転位密度は１×１０６ｃｍ－２以下である、請求項１～請求項１２のいずれか一項に記載されたIII族窒化物半導体素子。
  14. 　III族窒化物半導体素子のためのエピタキシャル基板であって、
    　III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸に直交する第１の基準平面に沿って延在する主面を有する基板と、
    　前記基板の前記主面上に設けられたエピタキシャル半導体領域と、
    を備え、
    　前記エピタキシャル半導体領域は、複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、
    　前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１結晶軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜しており、
    　前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の第２結晶軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲の第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜しており、
    　前記所定の角度、前記第１の角度及び前記第２の角度は、ＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有し、
    　前記エピタキシャル半導体領域の最表面のモフォロジは複数のピットを含み、
    　前記ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である、エピタキシャル基板。
  15. 　前記ピットの開口において、該III族窒化物半導体のｃ軸と前記第１結晶とにより規定される第２の基準平面と該ピットとの交差により規定される第１の方向に関する第１の開口幅は、該第１の方向に直交する第２の方向に関する第２の開口幅より小さい、請求項１４に記載されたエピタキシャル基板。
  16. 　前記エピタキシャル半導体領域の膜厚は２μｍ以上である、請求項１４又は請求項１５に記載されたエピタキシャル基板。
  17. 　前記第１の角度は６３度以上８０度未満である、請求項１４～請求項１６のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
  18. 　前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層、第２導電型窒化ガリウム系半導体層、及び発光層を含み、
    　前記発光層は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられる、請求項１４～請求項１７のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
  19. 　前記基板の前記III族窒化物半導体はＧａＮである、請求項１４～請求項１８のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
  20. 　前記基板の転位密度は１×１０６ｃｍ－２以下である、請求項１４～請求項１９のいずれか一項に記載されたエピタキシャル基板。
  21. 　III族窒化物半導体素子を作製する方法であって、
    　III族窒化物半導体からなり、該III族窒化物半導体のｃ軸に対して所定の角度ＡＬＰＨＡで傾斜した基準軸に直交する第１の基準平面に沿って延在する主面を有する基板を準備する工程と、
    　前記基板の前記主面上に、複数の窒化ガリウム系半導体層を含むエピタキシャル半導体領域を成長する工程と、
    を備え、
    　前記エピタキシャル半導体領域は、複数の窒化ガリウム系半導体層を含み、
    　前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか一方の第１結晶軸への方向に１０度以上８０度未満の範囲の第１の角度ＡＬＰＨＡ１で傾斜しており、
    　前記基準軸は、該III族窒化物半導体のｃ軸からｍ軸及びａ軸のいずれか他方の第２結晶軸への方向に－０．３０度以上＋０．３０度以下の範囲の第２の角度ＡＬＰＨＡ２で傾斜しており、
    　前記所定の角度、前記第１の角度及び前記第２の角度は、ＡＬＰＨＡ＝（ＡＬＰＨＡ１２＋ＡＬＰＨＡ２２）１／２という関係を有し、
    　前記エピタキシャル半導体領域の最表面のモフォロジは複数のピットを含み、
    　前記ピットのピット密度は５×１０４ｃｍ－２以下である、III族窒化物半導体素子を作製する方法。
  22. 　前記エピタキシャル半導体領域に接触を成す電極を形成する工程を更に備える、請求項２１に記載されたIII族窒化物半導体素子を作製する方法。
  23. 　前記エピタキシャル半導体領域は、第１導電型窒化ガリウム系半導体層、第２導電型窒化ガリウム系半導体層、及び発光層を含み、
    　前記発光層は、前記第１導電型窒化ガリウム系半導体層と前記第２導電型窒化ガリウム系半導体層との間に設けられる、請求項２１又は請求項２２に記載されたIII族窒化物半導体素子を作製する方法。
  24. 　前記ピットの開口において、該III族窒化物半導体のｃ軸と前記第１結晶とにより規定される第２の基準平面と該ピットとの交差により規定される第１の方向に関する第１の開口幅は、該第１の方向に直交する第２の方向に関する第２の開口幅より小さい、請求項２１、請求項２２又は請求項２３に記載されたIII族窒化物半導体素子を作製する方法。
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