(57)【要約】      （修正有）【課題】サファイアの（１１−２２）面が半極性となって、無極性面と同様ピエゾ電界の受けず、発光素子を形成するに適当であるだけでなく、Ａ，Ｍ及びＲ無極性面上の結晶成長の欠点を解決できる窒化物半導体成長基板を提供する。【解決手段】半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、ＡｌＮ,ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を形成してなることを特徴とする半極性面を有する窒化物半導体成長基板。半極性面が（１１−２２）面である。（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、凹凸加工を施した後、ＡｌＮ,ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を形成する。（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、形成したＡｌＮ又はＡｌＧａＮバッファ層上に半導体素子構造を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、ＡｌＮ, ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を形成してなることを特徴とする半極性面を有する窒化物半導体成長基板。
【請求項２】
半極性面が（１１−２２）面である請求項１記載の窒化物半導体成長基板。
【請求項３】
（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、凹凸加工を施した後、ＡｌＮ, ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を形成してなる請求項１記載の窒化物半導体成長基板。
【請求項４】
（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、形成したＡｌＮ又はＡｌＧａＮバッファ層上に半導体素子構造を形成してなる窒化物半導体発光素子。
【請求項５】
上記半導体素子構造のｎ型窒化物半導体層が貫通転移密度１０exp６／ｃｍ２以下の単層からなることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
サファイア単結晶から（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板を切り出すか又はサファイア基板に（１１−２２）半極性面を形成する工程と、
サファイヤ基板の（１１−２２）半極性面を有する主面上に、ＡｌＮ，ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を形成する工程と、
該バッファ層上に、上記窒化物系半導体素子構造を形成する工程とからなる窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
（１１−２２）半極性面上で凹凸加工を施した後、ＡｌＮ, ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を選択的に横方向に成長させる工程を含むことを特徴とする請求項５に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板の半極性面、特に（１１−２２）面を有効利用する窒化物系半導体エピタキシャル基板及びそれを用いた発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウム又は窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という。）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされており、発光ダイオード、レーザダイオードに関しては、既に実用化されているものもある。
【０００３】
ところで、窒化物系半導体の大型のバルク単結晶が提供できない現状では、一般的には、エピタキシャル基板として（０００１）サファイア（以下C面サファイアという）が採用され、  このエピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ) 法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはＭＯＶＰＥ法が利用されている。
【０００４】
しかしながら、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光装置の場合、C軸配向したサファイア結晶を用いると、多重量子井戸構造など、ヘテロ接合により構成する活性層には上記ピエゾ電界が生じ、バンド構造が変化することによりキャリアの再結合確率を低減し、このため、輝度向上が妨げられ、成長条件を最適化しても限界があることから高輝度の発光装置の作製は困難であるといわれている。
【０００５】
このように、窒化物系半導体におけるピエゾ電界の問題は、半導体装置の特性に大きな影響を与えるが、このピエゾ電界による問題が存在しない結晶成長方法として、（１１−２０）配向（以下、A軸配向という。）、もしくは、（１０−１０）配向させればよいことが非特許文献１において既に報告されている。
【０００６】
窒化物系半導体を（１０−１０）配向させる方法については、現在有効なものが無い一方で、窒化物系半導体を（１１−２０）配向させる方法としては、（１−１０２）サファイア基板（以下、Ｒ面サファイア基板という。）を用いる方法が非特許文献２に、及び、（１１−２０）４Ｈ−ＳｉＣ基板上にＡｌNを成長する方法が非特許文献３に記載されている。しかしながら、これらの中で、後者の方法は、現状の（１１−２０）４Ｈ-ＳｉＣ基板自体の作製技術において大型化が難しく、量産性が悪いため適さない。
【０００７】
他方、無極性サファイア基板は既に８インチ基板が現状でも製造可能であり、基板口径の問題はない。また、シリコンを用いた半導体装置と同様の半導体装置製造プロセスが利用可能な点や、ＳＯＳ（シリコン・オン・サファイア）装置と結びつけた応用が可能な点を考慮すると、工業的な魅力は大きい。従って、量産性、コストの面から考えて無極性サファイア基板上に窒化物系半導体を成長させる方法が最も有利であると考えられていたが、その後の研究で  無極性サファイア基板上に窒化物計半導体を成長させる場合、その大きな格子定数差や、サファイアが無極性であることに起因する多量の貫通転位、及び、積層欠陥が導入されてしまうという問題、及び、半導体装置の製造に必要な急峻な界面の形成を困難にする劣悪な結晶形態の問題が存在していることが、明らかになった（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2006-232640号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics, Vol.39 (2000) 413-416
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 42 (2003) L818-820
【非特許文献３】Applied Physics Letters Vol. 83, (2003) 5208-5210
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明者は、サファイアがＧａＮと同様のウルツ型結晶構造を持つことに鑑み、鋭意研究の結果、その（１１−２２）面が半極性となって、無極性面と同様ピエゾ電界の受けず、発光素子を形成するに適当であるだけでなく、Ａ，Ｍ及びＲ無極性面上の結晶成長の欠点を解決できることに着目し、本発明を完成するに至った。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、半極性面、特に（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、ＡｌＮ, ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を形成してなることを特徴とする半極性面を有する窒化物半導体成長基板を提供することにある。
【００１２】
また、本発明は、（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板の主面上に、形成したＡｌＮ又はＡｌＧａＮバッファ層上に半導体素子構造を形成してなる窒化物半導体発光素子を提供するものである。
【００１３】
本発明においては、ピエゾ電界による影響を受けにくい半導体素子構造を形成できる。また、バッファ層はＡ軸方向に成長させると、Ｃ軸方向成長では受けやすい結晶欠陥を減少させることができるため、横方向成長方法を採用し、欠陥密度を１０exp6/cm2以下に低減するのがよい。
【００１４】
本発明の窒化物半導体を製造するには、サファイア単結晶バルクから、図１に示す（１１−２２）半極性面を有するサファイヤ基板を切り出すか又は図２に示すサファイア基板Ｃ面に（１１−２２）半極性面を形成する切り込みを入れる工程と、
サファイヤ基板の（１１−２２）半極性面を有する主面上に、ＡｌＮ，ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層を形成する工程と、
該バッファ層上に、上記窒化物系半導体素子構造を形成する工程によって行われるのがよい。
【００１５】
ＡｌＮ，ＧａＮ又はＡｌＧａＮバッファ層は（１１−２２）半極性面上で選択的に横方向に成長させる工程で形成するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、ピエゾ電界の影響を受けない窒化物系半導体を半極性面サファイア基板に成長ことを可能とし、高性能の発光ダイオード、レーザダイオードが作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】サファイア（１１−２２）面を説明する斜視図である。
【図２】Ｃ面サファイア基板上に（１１−２２）面を形成する断面図である。
【図３】本発明のエピタキシャル基板上に形成した半導体装置を説明する断面図である。
【図４】本発明の半極性サファイア基板上に凹凸を設け、エピタキシャル基板を形成する方法について説明する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
半極性面サファイア基板上に、ＧａＮ層を形成したＧａＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸構造発光装置を試作した。図３に示すように、半極性面を主面とするサファイア基板１上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＮバッファ層（３０μｍ）２、ｎ型ＧａＮクラッド層（４５０ｎｍ）３、ＧａＮ/ＩｎＧａＮ多重量子井戸構造活性層４、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層（５０ｎｍ）５、ｐ型ＧａＮ層（２００ｎｍ）６を順次積層している。これに、反応性イオンエッチングによるメサ加工、及び、ｐ側電極７とｎ側電極8の形成を行い、発光装置を形成している。
【００１９】
貫通転位密度の低減のひとつの手法として、選択横方向成長が利用できる（Applied Physics Letters, Vol. 81 (2002) 1201-1203）。図４に示すように、（１１−２２）面を主面とするサファイア基板１上に、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ層１１を成長した後、既存のフォトリソグラフィー技術、及び、ウエットエッチング技術により、ＳｉＯ２からなるマスク１２を形成し、その後、ＭＯＶＰＥ法により、再成長ＧａＮ層１３を再成長している。この方法によりマスク１２が貫通転位が再成長層に伝搬するのを防止し、貫通転位密度を低減することができる。
【００２０】
すなわち、（１１−２２）面サファイア基板１の表面にマスク１２を介して周期的な凹凸溝加工が施され、溝部１１ｃ、及び、テラス部１１ｂが形成されている。その上に、第１の下地層１３、第２の下地層１４を順次成長され、その後、最後に窒化物系半導体層１５が成長されている。窒化物系半導体層１５は選択横方向成長して、半極性サファイア基板１に形成された周期的な凹凸溝構造を埋め込み、エピタキシャル基板１０としてもよい。
【００２１】
次に、マスク１２は、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いて半極性サファイア基板１上に、ライン・アンド・スペースのマスク１２を形成する（図4（a））。
【００２２】
次に、エッチングにより半極性サファイア基板１表面のマスク開口部１１ａの一部を除去し、溝部１１ｃを形成する。マスク部１１ｂはエッチングされないため、テラス部１１ｂとなり、周期的な凹凸溝構造が形成される（図4（b））。
【００２３】
次に、半極性サファイア基板１表面からマスク１２を除去する。このようにして、周期的な凹凸溝構造を有する半極性サファイア基板１を得る（図4（c））。
【００２４】
次に、ＭＯＶＰＥ法により上記半極性サファイア基板１上に窒化物系半導体層１５を成長する。膜厚や組成を制御して第１の下地層１３、第２の下地層１４を順次積層してやることで、その上には、表面が平坦で比較的結晶性の良いＡ軸配向した窒化物系半導体層１５を成長することができる（図4（d））。
【００２５】
V／III比は、成長時のIII族原料である有機金属の供給量に対する、V族原料であるアンモニア（以下、ＮＨ３という。）の供給量の比であり、V／III比によって成長速度の異方性が変化する。また、Ｃ軸配向した窒化物系半導体のV／III比と異なるので、窒化物系半導体層１５の結晶が横方向成長を確保するように留意する必要がある。
【００２６】
なお、上記のサファイア基板に形成した周期的な凹凸溝加工の寸法については、マスク
部では、窒化物系半導体層１５中に貫通転位が多く生成してしまうので、なるべくその幅は小さい方がよい。
【００２７】
マスク開口部１１ａは、エッチングにより溝部１１ｃが形成される。その側壁から選択横方向成長が始まり、貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体層１５の貫通転位密度の低減に寄与する。
【００２８】
マスク開口部１１ａの幅は、あまりに広いと窒化物系半導体層１５の初期成長ドメインが、溝の底部からも成長するため膜厚方向に成長し、貫通転位密度の低減が困難となるので、半極性サファイア基板１上に成長させたA軸配向の窒化物系半導体層１５の場合は、溝部１１ｃを用いることが可能である。これは、成長方位依存性により、溝部１１ｃの底からの成長よりも、選択横方向成長しているドメインの成長を促進することの方が優位だからである。
【００２９】
また、エッチング法により形成する半極性サファイア基板４表面の周期的な凹凸溝構造の深さは、転位密度の低減の効果を十分にえるためには選択横方向成長を確保できるのが良い。
【００３０】
以上のようにして成長したA軸配向の窒化物系半導体１５は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板10が作製される。
【００３１】
なお、上記実施例ではサファイア基板上に凹凸溝加工を施したが、窒化物系半導体層を形成し、その上で周期的な凹凸溝加工を施し、その側壁から選択横方向成長を始め、貫通転位を横方向に伝搬させ、膜厚方向に伸びる転位を減少させるようにしてもよい。このようにすることで、窒化物系半導体層に形成された周期的な凹凸溝構造を埋め込むように成長させることが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１ エピタキシャル基板
１１ａ マスク開口部
１１ｂ テラス部
１１ｃ 溝部
１２ マスク
１３ 第１の下地層
１４ 第２の下地層
１５ 窒化物系半導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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