(57)【要約】【課題】半極性を示す窒化ガリウム表面に良好な結晶成長により、窒化物系半導体発光素子を作製する方法を提供する。【解決手段】リソグラフィ及びエッチングにより、リッジ１６及びトレンチ１５を形成する。リッジ１６及びトレンチ１５をガリウム膜２３で覆った後に、窒素雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理中に、破線２５ａで示されるような原子のマイグレーションにより、リッジ１６及びトレンチ１５の形状が変形する、ＧａＮ膜表面のステップが成長して徐々に大きくなる。破線２５ｂで示されるような原子の移動により、リッジ１６ａの高さが小さくなると共に、トレンチ１５ａの深さが浅くなる。ＧａＮ膜表面のステップが更に成長して大きくなる。リッジ１６ａ及びトレンチ１５ａが消失して、再構築によりＧａＮ膜表面が平坦化される。この結果、マクロステップ２９がＧａＮ膜１３ｄの表面に形成される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マクロステップを有する基板生産物を作製する方法であって、
窒化ガリウム領域の主面上に複数のトレンチを形成する工程と、
前記トレンチを形成した後に、前記窒化ガリウム領域上にガリウム膜を堆積する工程と、
窒素を含む雰囲気中における第１の熱処理を前記窒化ガリウム領域及び前記ガリウム膜に行う工程と、
前記第１の熱処理の後にガリウムを除去して、前記マクロステップを有する窒化ガリウム表面を露出させる工程と
を備え、
前記ガリウム膜は前記トレンチ及び前記窒化ガリウム領域を覆っており、
前記窒化ガリウム領域の前記主面は半極性を示し、前記窒化ガリウム領域の前記主面の法線は前記窒化ガリウム領域のｃ軸に対して傾斜している、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記トレンチの間隔は、１００ｎｍ以上であり、１μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記トレンチの深さは、５０ｎｍ以上であり、５００ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記ガリウム膜の厚さは、０．１μｍ以上であり、１μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
前記第１の熱処理の期間は１０分以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
前記第１の熱処理の温度は、摂氏１０００度以上であり摂氏１２００度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記ガリウムの除去は、水素を含む雰囲気中における第２の熱処理によって行われる、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記第２の熱処理の温度は前記第１の熱処理の温度よりも高い、ことを特徴とする請求項７に記載された方法。
【請求項９】
前記トレンチを形成するに先立って、前記窒化ガリウム領域を基板上に成長する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
前記基板はＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項９に記載された方法。
【請求項１１】
前記ガリウム膜の堆積、前記第１の熱処理、及び前記ガリウムの除去は、有機金属気相成長炉で行われる、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１２】
前記露出された窒化ガリウム表面上に、窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１３】
前記窒化ガリウム系半導体層はＩｎＸＧａ１−ＸＮからなる、ことを特徴とする請求項１２に記載された方法。
【請求項１４】
前記窒化ガリウム系半導体層のＩｎ組成Ｘは０．１５以上である、ことを特徴とする請求項１３に記載された方法。
【請求項１５】
前記主面の法線と前記窒化ガリウム領域の前記ｃ軸との成す角度は、１０度以上であり、５０度以下である、ことを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１６】
前記窒化ガリウム領域のｃ軸は、前記窒化ガリウム領域の前記主面の法線に対して前記窒化ガリウム領域のａ軸及びｍ軸のいずれかの方向に傾斜している、ことを特徴とする請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１７】
エピタキシャルウエハを作製する方法であって、
第１導電型の窒化ガリウム領域からなる半極性の主面を有する基板を準備する工程と、
前記主面上に複数のトレンチを形成する工程と、
前記トレンチを形成した後に、前記窒化ガリウム領域上にガリウム膜を堆積する工程と、
窒素を含む雰囲気中における第１の熱処理を前記窒化ガリウム領域及び前記ガリウム膜に行う工程と、
前記第１の熱処理の後に余剰なガリウムを除去して、マクロステップを有する窒化ガリウム表面を露出させる工程と、
前記露出された窒化ガリウム表面上に活性層を成長する工程と、
第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記活性層上に成長する工程と
を備え、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含み、
前記ガリウム膜は前記トレンチ及び前記窒化ガリウム領域を覆う、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記活性層のフォトルミネッセンススペクトルのピーク波長は、４５０ｎｍ以上であり、６５０ｎｍ以下である、ことを特徴とする請求項１７に記載された方法。
【請求項１９】
窒化物系半導体発光素子を作製する方法であって、
第１導電型の窒化ガリウム領域の半極性の主面上に複数のトレンチを形成する工程と、
前記主面上に複数のトレンチを形成する工程と、
前記トレンチを形成した後に、前記窒化ガリウム領域上にガリウム膜を堆積する工程と、
窒素を含む雰囲気中における第１の熱処理を前記窒化ガリウム領域及び前記ガリウム膜に行う工程と、
前記第１の熱処理の後に余剰なガリウムを除去して、マクロステップを有する窒化ガリウム表面を露出させる工程と、
前記露出された窒化ガリウム表面上に、活性層を成長する工程と
を備え、
前記活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含み、
前記ガリウム膜は前記トレンチ及び前記窒化ガリウム領域を覆う、ことを特徴とする方法。
【請求項２０】
第２導電型の窒化ガリウム系半導体領域を前記活性層上に成長する工程を更に備え、
前記井戸層はＩｎＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１９に記載された方法。
【請求項２１】
マクロステップを有する基板生産物を作製する方法であって、
窒化ガリウム領域の主面上に複数のトレンチを形成する工程と、
前記トレンチを形成した後に、ガリウム及び窒素を含む雰囲気中で熱処理を前記窒化ガリウム領域に行って、前記マクロステップを有する窒化ガリウム表面を形成する工程と
を備え、
前記窒化ガリウム領域の前記主面の法線は、前記窒化ガリウム領域のｃ軸に対して傾斜している、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マクロステップを有する基板生産物を作製する方法、エピタキシャルウエハを作製する方法及び窒化物系半導体発光素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（以下、ＭＯＳＦＥＴと記す）およびＭＯＳＦＥＴを製造する方法が記載されている。このＭＯＳＦＥＴは、以下のように作製される。この方法は、ＳｉＣ膜を形成する工程と、ＳｉＣ膜の表面にＳｉを供給した状態で、ＳｉＣ膜を熱処理する熱処理工程と、この熱処理工程によってＳｉＣ膜の表面に得られたファセットをチャネルとする工程とを備える。上記のＳｉＣ膜の表面にはファセット形成層が設けられている。ファセット形成層におけるファセットの一周期の長さは１００ｎｍ以上であり、ファセット形成層がチャネルとして用いられる。
【特許文献１】特開２００６−３４４９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１では、ＳｉＣ基板上にＳｉＣ膜を成長した後に、このＳｉＣ膜にファセット形成層を形成している。ファセット形成層は、ゲート絶縁膜の直下に位置しており、トランジスタのチャネルとして働く。
【０００４】
このＩＶ族化合物のＳｉＣに比べて、窒化ガリウム系半導体の結晶成長の機構は複雑である。特に、半極性面を有する窒化ガリウムウエハの表面では、表面のステップが非常にミクロであると共にステップ密度が高いので、テラス幅が狭い。これ故に、窒化ガリウム系半導体の構成元素（例えば、インジウム）がテラス表面に着いても、すぐに脱離してしまう。また、半極性面の結晶成長の機構は、ｃ面への結晶成長の機構と異なっている。具体的には、半極性面の結晶成長では、ステップフロー成長により結晶が形成されるのではなく、結晶が島状に成長しているので、通常の成長条件では、結晶成長が進むにつれてテラス幅が大きくなっていくことはない。したがって、窒化ガリウム系半導体素子を作製する際に、所望の結晶成長を実現することは容易なことではない。
【０００５】
特に、ｍ面またはａ面の方向にＧａＮのｃ面から傾斜した主面を有する基板上にＩｎＧａＮ系の発光層を成長する際には、インジウムの取り込みが大きくできず、意図した発光波長（フォトルミネッセンススペクトルにおけるピーク波長）を得るために、ＧａＮのｃ面におけるＩｎＧａＮ系の発光層の成長に比べて、低い成長温度でＩｎＧａＮを成長しなくてはならない。
【０００６】
このような困難があるけれども、半極性面を有する窒化ガリウムウエハ上に半導体素子を作製することは、以下のような利点がある。窒化ガリウムの極性面に起因する極性の影響を緩和できると共に、ａ面やｍ面といった非極性面を有する窒化ガリウム基板よりも大口径のウエハを半導体素子の作製に利用できる。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものである。本発明は、半極性を示す窒化ガリウム表面に良好な結晶成長を可能する、マクロステップを有する基板生産物を作製する方法を提供することを目的とし、また、半極性を示す窒化ガリウム表面に良好な結晶成長により、エピタキシャルウエハを作製する方法を提供することを目的とし、さらに半極性を示す窒化ガリウム表面に良好な結晶成長により、窒化物系半導体発光素子を作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は、マクロステップを有する基板生産物を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム領域の主面上に複数のトレンチを形成する工程と、（ｂ）前記トレンチを形成した後に、前記窒化ガリウム領域上にガリウム膜を堆積する工程と、（ｃ）窒素を含む雰囲気中における第１の熱処理を前記窒化ガリウム領域及び前記ガリウム膜に行う工程と、（ｄ）前記第１の熱処理の後にガリウムを除去して、前記マクロステップを有する窒化ガリウム表面を露出させる工程とを備える。前記ガリウム膜は前記トレンチ及び前記窒化ガリウム領域を覆っており、前記窒化ガリウム領域の前記主面は半極性を示し、前記窒化ガリウム領域の前記主面の法線は前記窒化ガリウム領域のｃ軸に対して傾斜している。
【０００９】
この方法によれば、窒化ガリウム領域及びトレンチ上にガリウム膜を堆積した後の第１の熱処理中に、窒化ガリウム領域とガリウム膜との界面が再構築される。この再構築により、トレンチによる段差の列からマクロステップが形成される。再構築の後に余剰なガリウムを除去して、窒化ガリウム表面を露出させる。この露出された窒化ガリウム表面には、引き続く結晶成長に好適なマクロステップが形成されている。窒化ガリウム領域における元の主面のいわゆる半極性面からマクロステップが形成可能になる。また、ガリウム膜によって窒化ガリウム表面が被覆された状態で、第１の熱処理が行われるので、窒化ガリウム表面からの窒素抜けが生じない。
【００１０】
本発明に係る方法では、前記トレンチの間隔は１００ｎｍ以上であることが好ましい。また、前記トレンチの間隔は１μｍ以下であることが好ましい。これらの間隔の範囲は、引き続く結晶成長に好適なマクロステップのピッチを提供する。１００ｎｍ未満の間隔でトレンチを形成することは、リソグラフィに負担が大きい。１μｍを越えるトレンチ間隔では、第１の熱処理によりトレンチを埋めることが難しい。
【００１１】
本発明に係る方法では、前記トレンチの深さは５０ｎｍ以上であることが好ましい。また、前記トレンチの深さは５００ｎｍ以下であることが好ましい。５０ｎｍ未満の深さでは、トレンチの形成の制御が難しい。５００ｎｍを越えるトレンチ深さでは、第１の熱処理によりトレンチを埋めることが難しい。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記ガリウム被覆膜の厚さは０．１μｍ以上であることが好ましい。また、前記ガリウム被覆膜の厚さは１μｍ以下であることが好ましい。これらの膜厚の範囲のガリウム膜によって、トレンチを埋め込むことができる。トレンチをガリウム膜で埋め込むことは、窒化ガリウム領域とガリウム膜との界面が再構築に好適である。
【００１３】
本発明に係る方法では、前記第１の熱処理の期間は１０分以上であることが好ましい。また、前記第１の熱処理の期間は１時間以下であることが好ましい。１０分未満の熱処理では、大きなマクロスステップを形成することが難しい。１時間を超える熱処理はスループットを低下させる。
【００１４】
本発明に係る方法では、前記第１の熱処理の温度は摂氏１０００度以上であることが好ましい。また、前記第１の熱処理の温度は摂氏１２００度以下であることが好ましい。この温度の範囲では、Ｇａ原子及びＮ原子のマイグレーションが可能であり、また、このマイグレーションによってトレンチがＧａＮで埋め込まれると共に、マクロステップが形成される。
【００１５】
本発明に係る方法では、前記ガリウムの除去は、水素を含む雰囲気中における第２の熱処理によって行われることが好ましい。水素の添加が余剰なＧａ原子の除去に好適である。
【００１６】
本発明に係る方法では、前記第２の熱処理の温度は前記第１の熱処理の温度よりも高いことが好ましい。高い温度により、ガリウム原子の蒸発が促進される。
【００１７】
本発明に係る方法は、前記トレンチを形成するに先立って、前記窒化ガリウム領域を基板上に成長する工程を更に備えることができる。支持体としての基板上に、所望の特性を有する窒化ガリウム領域を成長できる。また、本発明に係る方法では、前記基板は窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法の適用に、低欠陥且つ大口径のＧａＮ基板を使用できる。
【００１８】
本発明に係る方法では、前記ガリウム膜の堆積、前記第１の熱処理、及び前記ガリウムの除去は、有機金属気相成長炉で行われることが好ましい。有機金属気相成長炉を用いることによって、上記の一連の処理を進める際に、個々の処理においてそれぞれ作製される生産物表面を大気に晒すことない。
【００１９】
本発明に係る方法では、当該方法は、前記露出された窒化ガリウム表面上に、窒化ガリウム系半導体層を成長する工程を更に備えることができる。この方法によれば、この窒化ガリウム系半導体層はマクロステップ上に成長される。
【００２０】
本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体層はＩｎＸＧａ１−ＸＮからなることができる。この方法によるマクロステップによれば、半極性面におけるＩｎＧａＮ成長においてインジウム原子の取り込みを促進できる。
【００２１】
本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体層のＩｎ組成Ｘは０．１５以上であることができる。このマクロステップによれば、半極性面にマクロステップを作製することなく直接にＩｎＧａＮを成長することに比べて、ＩｎＧａＮ成長の際に成長温度を下げることなくＩｎ組成を高めることができる。
【００２２】
本発明に係る側面では、前記窒化ガリウム領域のｃ軸は、前記窒化ガリウム領域の前記主面の法線に対して前記窒化ガリウム領域のａ軸及びｍ軸のいずれかの方向に傾斜していることが好ましい。この方法によれば、マクロステップの配列を制御することが容易である。
【００２３】
本発明に係る方法では、前記主面の法線と前記窒化ガリウム領域の前記ｃ軸との成す角度は、１０度以上であり、５０度以下であることができる。この角度範囲の主面では、マクロなステップが設けられていないときＩｎ取り込みが悪い。しかしながら、本発明では、ｍ軸方向の傾斜であれば、基板主面がｃ面と（１０−１１）面とからなるマクロなステップで構成され、またａ軸方向の傾斜であれば、基板主面がｃ面と（１１−２２）面からなるマクロなステップで構成される。故に、上記の角度範囲においても、Ｉｎ取り込みが改善される。
【００２４】
本発明の別の側面は、エピタキシャルウエハを作製する方法である。この方法は、（ａ）第１導電型の窒化ガリウム領域からなる半極性の主面を有する基板を準備する工程と、（ｂ）前記主面上に複数のトレンチを形成する工程と、（ｃ）前記トレンチを形成した後に、前記窒化ガリウム領域上にガリウム膜を堆積する工程と、（ｄ）窒素を含む雰囲気中における第１の熱処理を前記窒化ガリウム領域及び前記ガリウム膜に行う工程と、（ｄ）前記第１の熱処理の後に余剰なガリウムを除去して、マクロステップを有する窒化ガリウム表面を露出させる工程と、（ｅ）前記露出された窒化ガリウム表面上に、活性層を成長する工程と、（ｆ）第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記活性層上に成長する工程とを備える。前記活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含み、前記ガリウム膜は前記トレンチ及び前記窒化ガリウム領域を覆う。
【００２５】
本発明に係る別の側面によれば、窒化ガリウム領域及びトレンチ上にガリウム膜を堆積した後の第１の熱処理によって、窒化ガリウム領域とガリウム膜との界面が再構築される。この再構築により、トレンチによる段差の列からマクロステップが形成される。再構築の後に余剰なガリウムを除去して、窒化ガリウム表面を露出させる。この露出された窒化ガリウム表面には、引き続く結晶成長に好適なマクロステップが形成されている。窒化ガリウム領域の主面はいわゆる半極性を示すけれども、マクロステップ上に窒化ガリウム系半導体の堆積が可能になる。また、ガリウム膜によって窒化ガリウム表面が被覆された状態で第１の熱処理が行われるので、窒化ガリウム表面からの窒素抜けが生じない。さらに、マクロステップを有する窒化ガリウム表面上に、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含む活性層を成長できる。
【００２６】
本発明の更なる別の側面は、窒化物系半導体発光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）第１導電型の窒化ガリウム領域の半極性の主面上に複数のトレンチを形成する工程と、（ｂ）前記主面上に複数のトレンチを形成する工程と、（ｃ）前記トレンチを形成した後に、前記窒化ガリウム領域上にガリウム膜を堆積する工程と、（ｄ）窒素を含む雰囲気中における第１の熱処理を前記窒化ガリウム領域及び前記ガリウム膜に行う工程と、（ｅ）前記第１の熱処理の後に余剰なガリウムを除去して、前記マクロステップを有する窒化ガリウム表面を露出させる工程と、（ｆ）前記露出された窒化ガリウム表面上に、活性層を成長する工程とを備えることができる。前記活性層は、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含み、前記ガリウム膜は前記トレンチ及び前記窒化ガリウム領域を覆う。
【００２７】
本発明に係る更なる別の側面によれば、窒化ガリウム領域及びトレンチ上にガリウム膜を堆積した後の第１の熱処理によって、窒化ガリウム領域とガリウム膜との界面が再構築される。この再構築により、トレンチによる段差の列からマクロステップが形成される。再構築の後に余剰なガリウムを除去して、窒化ガリウム表面を露出させる。この露出された窒化ガリウム表面には、引き続く結晶成長に好適なマクロステップが形成されている。窒化ガリウム領域の主面はいわゆる半極性を示すけれども、マクロステップ上に窒化ガリウム系半導体の堆積が可能になる。また、ガリウム膜により窒化ガリウム表面が被覆された状態で、第１の熱処理が行われるので、窒化ガリウム表面からの窒素抜けが生じない。さらに、マクロステップを有する窒化ガリウム表面上に、Ｉｎを含む窒化ガリウム系半導体からなる井戸層を含む活性層を成長できる。
【００２８】
本発明に係る別の側面に係る方法は、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域を前記活性層上に成長する工程を更に備えることができる。前記井戸層はＩｎＧａＮからなる。
【００２９】
この方法によれば、半極性面にマクロステップを作製することなくＩｎＧａＮを成長することに比べてＩｎＧａＮ成長の際の成長温度を下げることなくＩｎ組成を高めることができる。これ故に、ＩｎＧａＮの結晶品質が良好になる。また、第２導電型窒化ガリウム系半導体領域の成長中に、ＩｎＧａＮの結晶品質劣化することを低減できる。
【００３０】
本発明に係る上記の方法では、前記活性層の発光スペクトルのピーク波長は、４５０ｎｍ以上であり、６５０ｎｍ以下であることが好ましい。この方法によれば、上記の波長範囲のＰＬ波長を示す活性層を含むエピタキシャルウエハを作製できる。
【００３１】
本発明のまた更なる側面は、マクロステップを有する基板生産物を作製する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム領域の主面上に複数のトレンチを形成する工程と、（ｂ）前記トレンチを形成した後に、ガリウム及び窒素を含む雰囲気中で第１の熱処理を前記窒化ガリウム領域に行って、前記マクロステップを有する窒化ガリウム表面を形成する工程とを備える。前記窒化ガリウム領域の前記主面の法線は、前記窒化ガリウム領域のｃ軸に対して傾斜している。
【００３２】
この方法によれば、トレンチを含む窒化ガリウム領域を、ガリウム及び窒素を含む雰囲気で熱処理することによって、窒化ガリウム領域の表面が再構築される。この再構築により、トレンチによる段差の列からマクロステップが形成される。再構築された窒化ガリウム表面には、引き続く結晶成長に好適なマクロステップが形成されている。窒化ガリウム領域の元の主面のいわゆる半極性面から形成されたマクロステップ上に、窒化ガリウム系半導体の堆積が可能になる。
【００３３】
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。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、半極性を示す窒化ガリウム表面に良好な結晶成長を可能する、マクロステップを有する基板生産物を作製する方法が提供される。また、本発明に係る別の側面によれば、半極性を示す窒化ガリウム表面に良好な結晶成長により、エピタキシャルウエハを作製する方法が提供される。さらに、本発明の更なる別の側面によれば、半極性を示す窒化ガリウム表面に良好な結晶成長により、窒化物系半導体発光素子を作製する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
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、本発明のマクロステップを有する基板生産物を作製する方法、エピタキシャルウエハを作製する方法、及び窒化物系半導体発光素子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。
【００３６】
図１及び図２は、本実施の形態に係る作製方法の主要な工程を示す図面である。作製方法としては、マクロステップを有する基板生産物を作製する方法、エピタキシャルウエハを作製する方法、及び窒化物系半導体発光素子を作製する方法がある。図１及び図２には、工程フロー１００が示されている。
【００３７】
工程Ｓ１０１では、窒化ガリウム（ＧａＮ）ウエハを準備する。ＧａＮウエハは、半極性を示す主面を有する。好ましくは、ＧａＮウエハは、ｎ導電性を示す。ＧａＮウエハのエッジ上の２点の距離の最大値は、例えば４５ｍｍ以上であることが好ましく、例えば２インチウエハがこれに該当する。図３（ａ）を参照すると、ＧａＮウエハ１１が示されている。主面１１ａの法線ベクトルＶＮとＧａＮウエハ１１の結晶体のｃ軸ベクトルＶＣとは互いに異なる方向を向く。法線ベクトルＶＮとｃ軸ベクトルＶＣとの成す角度は、１０度以上であり、５０度以下であることができる。マクロステップが設けられていないとき、この角度範囲の主面においてＩｎ取り込みの改善が望まれている。本実施例では、傾斜がｍ軸方向であれば、基板主面１１ａがｃ面と（１０−１１）面とからなるマクロステップで構成される。傾斜がａ軸方向であれば、基板主面１１ａがｃ面と（１１−２２）面からなるマクロステップで構成される。故に、本実施の形態によれば、何れの傾斜でも、上記の角度範囲においてＩｎ取り込みが改善される。また、ＧａＮウエハ１１のｃ軸は、主面１１ａの法線に対してＧａＮウエハ１１のａ軸及びｍ軸のいずれかの方向に傾斜していることが好ましい。この方法によれば、マクロステップの配列を制御することが容易である。具体的には、ａ軸傾斜であるとき、ｃ面と（１１−２２）面とからなるステップの配列を制御できる。ｍ軸傾斜であるとき、ｃ面と（１０−１１）面とからなるステップの配列を制御できる。
【００３８】
工程Ｓ１０２では、ＧａＮウエハのサーマルクリーニングを行う。この熱処理は、これに続けて結晶成長を連続的に行うために有機金属気相成長炉１０ａで行うことが好ましい。熱処理の雰囲気Ｇ０は、例えばアンモニア（ＮＨ３）及び水素（Ｈ２）を含むことが好ましい。熱処理の温度は例えば摂氏１１００度であり、熱処理の時間は例えば１０分程度である。
【００３９】
工程Ｓ１０３では、図３（ｂ）に示されるように、成長炉１０ａを用いてＧａＮウエハ１１の主面１１ａ上に窒化ガリウム領域１３を成長して、エピタキシャルウエハＥ１を形成する。既に説明したように、この成長のために、成長炉１０ａに原料ガス（例えばトリメチルガリウム及びアンモニアを含むガス）Ｇ１が供給される。ＧａＮウエハ１１上に、窒化ガリウム領域１３がホモエピタキシャル成長される。故に、ＧａＮウエハ１１のｃ軸の方向は、窒化ガリウム領域１３の結晶体のｃ軸に引き継がれる。成長温度は例えば摂氏１１５０度であり、膜厚は例えば５マイクロメートルである。窒化ガリウム領域１３の厚さＴＧａＮは、例えば１マイクロメートル以上５マイクロメートル以下であることができる。好ましくは、窒化ガリウム領域１３には、ｎ導電性を示すように、ｎ型ドーパント（例えば、シリコン）が添加される。
【００４０】
工程Ｓ１０４では、窒化ガリウム領域１３の主面１３ａ上に複数のトレンチ１５を形成する。本実施例では、トレンチ１５は所定の方向に延びる溝である。ｃ軸がａ軸の方向に傾斜しているＧａＮウエハでは、トレンチ１５の延在方向は、ｍ軸の方向であることが好ましい。また、ｃ軸がｍ軸の方向に傾斜しているＧａＮウエハでは、トレンチ１５の延在方向は、ａ軸の方向であることが好ましい。この工程では、図３（ｃ）に示されるように、基板生産物Ｐ１が作製される。
【００４１】
トレンチ１５は、例えば以下のように形成される。ＧａＮウエハ１１の主面１１ａ上に成長された窒化ガリウム膜１３の表面１３ａには、図４（ａ）に示されるように、ミクロステップ１７が形成されている。ミクロステップ１７のステップ幅は、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、非常に小さい。工程Ｓ１０４−１では、図４（ｂ）に示されるように、エピタキシャルウエハＥ１の表面（窒化ガリウム膜１３の主面１３ａ）上に、マスク１９を形成する。マスク１９は、例えばレジストマスクであることができ、リソグラフィを用いて作製可能である。エピタキシャルウエハＥ１をエッチング装置１０ｃに配置する。工程Ｓ１０４−２では、図４（ｃ）に示されるように、マスク１９及びエッチャント２１を用いて窒化ガリウム膜１３をエッチングする。この結果、マスク１９のパターンが窒化ガリウム膜１３に転写されて、窒化ガリウム膜１３ｂが形成される。エッチングは、例えば塩素Ｃｌ２ガスを用いたドライエッチングにより行われる。エッチングの終了後に、工程Ｓ１０４−３においてマスク１９を除去する。このエッチングにより、図４（ｄ）に示されるように、窒化ガリウム膜１３ｂの主面に複数のトレンチ１５が形成される。本実施例では、トレンチ１５の各々は、窒化ガリウム膜１３ｂの縁上の一点から他点に延びている。トレンチ１５の溝は、例えば底面及び側面により規定される。これらの底面及び側面は窒化ガリウムからなる。トレンチ１５のピッチＴＰは例えば５００ｎｍ程度であり、トレンチ１５の深さＴＤは例えば１００ｎｍ程度である。溝の間隔ＴＩは５００ｎｍ程度である。トレンチ１５の間隔ＴＩ、深さＴＤ、ピッチＴＰは、図４（ｄ）に示されるように規定される。
【００４２】
工程Ｓ１０５では、図５（ａ）に示されるように、トレンチ１５を形成した後に、窒化ガリウム領域１３ｂ上にガリウム膜２３を堆積する。ガリウム膜２３は、窒化ガリウム膜１３ｂ及びトレンチ１５を覆っている。ガリウム２３の堆積は、例えば成長炉１０ａを用いて行うことができる。Ｇａ被覆の形成のために、ガリウム原料及び水素を含む原料ガスＧ２が成長炉１０ａに供給される。ガリウム原料としては、例えば有機ガリウム原料を用いることができ、具体的にはトリメチルガリウムが例示される。ガリウム膜２３の成長温度は例えば摂氏５００度あることができ、その厚さは例えば５００ｎｍ程度である。この工程では、基板生産物Ｐ２が作製される。
【００４３】
工程Ｓ１０６では、図５（ｂ）に示されるように、温度Ｔ１で第１の熱処理を窒化ガリウム領域１３ｂ及びガリウム膜２３に行う。第１の熱処理は、窒素を含む雰囲気中で行われ、このため、成長炉１０ａにガスＧ３が供給される。ガスＧ３は、例えば窒素ガス及び／又はガリウム原料ガス等を含むことができる。
【００４４】
図６は、第１の熱処理における、窒化ガリウム膜の表面の改質を模式的に示す図面である。工程Ｓ１０５では、窒化ガリウム膜１３ｂの表面のトレンチ１５及びリッジ１６がガリウム堆積物２３で覆われている。この熱処理によって、窒化ガリウム膜１３ｂの表面とガリウム堆積物２３との界面においてガリウム原子及び窒素原子のマイグレーションを引き起こす。ガリウム溶融物によって窒化ガリウム１３ｂの表面が被覆された状態で第１の熱処理が行われるので、窒化ガリウム表面からの窒素抜けが生じない。
【００４５】
第１の熱処理の序盤では、図６（ａ）において破線２５ａで示されるような原子のマイグレーションにより、リッジ１６及びトレンチ１５の形状が変形する。また、矢印２７ａで示されるように、窒化ガリウム膜の表面のステップが成長して徐々に大きくなる。
【００４６】
第１の熱処理の中盤では、上記の原子マイグレーションが引き続き生じている。図６（ｂ）において破線２５ｂで示されるような原子の移動により、リッジ１６ａの形状が変形してその高さが小さくなると共に、トレンチ１５ａの形状が変形してその深さが浅くなる。また、矢印２７ｂで示されるように、窒化ガリウム膜の表面のステップが更に成長して大きくなる。
【００４７】
第１の熱処理の終盤でも上記のマイグレーションは引き続き生じている。最終的に、図６（ｃ）においてリッジ１６ａ及びトレンチ１５ａの形状は消失して、窒化ガリウム膜１３ｄの表面が平坦化される。また、矢印２７ｃで示されるように、窒化ガリウム膜の表面とガリウム堆積物との界面においてステップが成長して、この結果、マクロステップ２９が窒化ガリウム膜１３ｄの表面に形成されている。
【００４８】
１０分未満の熱処理では、大きなマクロスステップを形成することが難しいので、第１の熱処理の期間は１０分以上であることが好ましい。また、１時間を超える熱処理はスループットを低下させるので、第１の熱処理の期間は１時間以下であることが好ましい。
【００４９】
第１の熱処理の温度Ｔ１は摂氏１０００度以上であることが好ましく、１０００度以下では十分なマイグレーションが起きず、マクロステップの形成が難しいからである。また、第１の熱処理の温度Ｔ１は摂氏１２００度以下であることが好ましく、１２００度以上ではＧａ膜が蒸発してしまい、さらに窒化ガリウム膜の表面もエッチングが進んでしまうからである。この温度の範囲は、ＧａＮ結晶体とＧａ溶融物との界面において原子のマイグレーションが可能であり、また、このマイグレーションによってトレンチがＧａＮで埋め込まれると共に、マクロステップ２９が形成される。
【００５０】
工程Ｓ１０７では、第１の熱処理の後に余剰なガリウムを除去して、マクロステップ２９を有する窒化ガリウム表面を露出させる。図５（ｃ）に示されるように、余剰ガリウムの除去のために、例えば成長炉１０ａに処理ガスＧ４を供給して、このガス雰囲気中で第２の熱処理を行うことが好ましい。この熱処理中に、余剰なガリウムが蒸発してＧａＮ表面を露出させる。具体的には、処理ガスＧ４は、例えば水素を含むことが好ましく。成長炉１０ａへの水素の供給によって、余剰なＧａ原子が効率的に除去される。第２の熱処理の温度Ｔ２は摂氏１２００度以上であることが好ましく、１２００度以下であるとＧａ原子の除去が効率的に進まない。また、第２の熱処理の温度Ｔ２は摂氏１３００度以下であることが好ましく、１３００度以上の温度は、ヒーターの負担が大きく、故障の原因にもなりうる。また１３００度以上ではＧａ蒸発が急激に進み、基板表面が荒れてしまうことがある。例えば、第２の熱処理の温度Ｔ２は第１の熱処理の温度Ｔ１よりも高いことが好ましい。高い温度により、ガリウム原子の蒸発が促進される。この工程によって、マクロステップを有する基板生産物Ｐ３が作製される。
【００５１】
この基板生産物を作製する方法によれば、窒化ガリウム領域１３ａ及びトレンチ１３上にガリウム膜２３を堆積した後の第１の熱処理によって、窒化ガリウム領域１３ｂとガリウム膜２３との界面が再構築される。この再構築により、トレンチ１５による段差の列からマクロステップ２９が形成される。再構築の後に余剰なガリウムを除去して、窒化ガリウム膜１３ｄの表面を露出させる。この露出された窒化ガリウム表面には、引き続く結晶成長に好適なマクロステップ２９が形成されている。窒化ガリウム領域１３の主面１３ａはいわゆる半極性を示すけれども、再構築及び改質によって形成されたマクロステップ２９上に窒化ガリウム系半導体の堆積が可能になる。
【００５２】
トレンチ１５の間隔ＴＩは１００ｎｍ以上であることが好ましい。１００ｎｍ未満の間隔にトレンチ１５を形成することは、リソグラフィに負担が大きい。また、トレンチ１５の間隔ＴＩは１μｍ以下であることが好ましい。１μｍを越えるトレンチ間隔ＴＩでは、第１の熱処理によりトレンチ１５を埋めて消失させることが難しい。上記の範囲では、引き続く結晶成長に好適なマクロステップのピッチが提供され。
【００５３】
トレンチ１５の深さＴＤは５０ｎｍ以上であることが好ましい。５０ｎｍ未満の深さでは、トレンチ１５の形成の制御が難しい。また、トレンチ１５の深さＴＤは５００ｎｍ以下であることが好ましい。５００ｎｍを越えるトレンチ深さでは、第１の熱処理によりトレンチを埋めることが難しい。この範囲では、引き続く結晶成長に好適なマクロステップのピッチが提供される。
【００５４】
トレンチ１５のピッチＴＰは２００ｎｍ以上であることが好ましい。この値未満のピッチでは、リソグラフィの制御が困難である。また、トレンチ１５のピッチＴＰは２μｍ以下であることが好ましい。この値を越えるトレンチのピッチでは、溝間隔が大きくなりすぎてしまい、トレンチ形成によるエッジの存在によって起こる効率的なステップバンチングが起きなくなるからである。このピッチＴＰの範囲では、引き続く結晶成長に好適なマクロステップのピッチが提供される。
【００５５】
トレンチ１５の溝幅ＴＷは１００ｎｍ以上であることが好ましい。この値未満のピッチでは、リソグラフィの制御が困難である。また、トレンチ１５の溝幅ＴＷは２μｍ以下であることが好ましい。この値を越えるトレンチ溝幅では、溝幅が大きくなりすぎてしまい、トレンチ形成によるエッジの存在によって起こる効率的なステップバンチングが起きなくなるからである。この溝幅ＴＷの範囲では、引き続く結晶成長に好適なマクロステップのピッチが提供される。
【００５６】
ガリウム被覆膜２３の厚さＴＧａは０．１μｍ以上であることが好ましく、これ以下ではトレンチをＧａ膜によって十分覆うことができないからである。また、ガリウム被覆膜２３の厚さＴＧａは１μｍ以下であることが好ましく、厚さ１μｍの膜で十分に被覆膜として使用可能であり、それ以上の厚みを形成しても、原料の使用量や、成長時間がかさむのみで生産的でないからである。ガリウム堆積物は第２の熱処理において溶融して、ＧａＮ表面を露出させることがなくＧａＮ表面全体を覆う。これらの膜厚の範囲のガリウム膜によって、トレンチ１５を埋め込むと共に熱処理によりトレンチ１５ｂを消失させることができる。トレンチ１５をガリウム膜で埋め込んでＧａＮ表面を覆うので、窒素抜けを確実に防止でき、またＧａＮ表面を保護できる。故に、窒化ガリウム領域とガリウム膜との界面が再構築に好適である。
【００５７】
既に説明したように、ガリウム２３膜の堆積、第１の熱処理、及び余剰なガリウムの除去は、有機金属気相成長炉１０ａで行われることが好ましい。有機金属気相成長炉１０ａを用いることによって、上記の一連の処理を進める際に、上記の処理においてそれぞれ提供される生産物表面を大気に晒すことない。
【００５８】
必要な場合には、工程Ｓ１０８において、窒化ガリウム膜１３ｄ上に、窒化ガリウム系半導体膜３１を成長する。本実施例では、例えばＩｎＺＧａ１−ＺＮ緩衝層を成長する。ＩｎＺＧａ１−ＺＮ緩衝層のインジウム組成は井戸層のインジウム組成よりも小さく、例えばＺ＝０．０２である。成長温度は例えば摂氏８５０度であり、その厚さは１００ｎｍ程度であ０る。ＩｎＺＧａ１−ＺＮ緩衝層にマクロステップが引き継がれて、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ緩衝層の表面にもマクロステップが形成される。井戸層におけるＩｎ組成を関連するが、ＩｎＺＧａ１−ＺＮ緩衝層のＩｎ組成としては、例えば２％以上であり、また１０％以下であることができる。
【００５９】
工程Ｓ１０９では、図７（ｂ）に示されるように、活性層３３を窒化ガリウム領域１３ｄ上に成長する。活性層３３は量子井戸構造を有することができる。活性層３３の成長において、障壁層及び井戸層にマクロステップが引き継がれて、障壁層及び井戸層の表面にもそれぞれマクロステップが形成される。工程Ｓ１０９−１において、窒化ガリウム系半導体（例えばＩｎＸＧａ１−ＸＮ、Ｘ＝０、又は０＜Ｘ＜１）からなる障壁層３５ａを成長する。障壁層３５ａとしては、例えばＧａＮまたはＩｎＧａＮ等を用いることができる。障壁層３５ａの厚さは例えば１５ｎｍである。次いで、障壁層３５ａの成長のための基板温度ＴＢよりも低い基板温度ＴＷに変更する。この基板温度ＴＷは例えば摂氏７５０度であることができる。温度変更の後に、工程Ｓ１０９−２において、ＩｎＹＧａ１−ＹＮからなる井戸層３７ａを成長する。井戸層３７ａのインジウム組成は例えば０．３０であることができる。井戸層３７ａの厚さは例えば４ｎｍである。工程Ｓ１０９−３において、窒化ガリウム系半導体からなる障壁層３５ｂを成長する。障壁層３５ｂは、例えば障壁層３５ｂの成長と同様に行われる。工程Ｓ１０９−４では、井戸層３７ｂ〜３７ｃ及び障壁層３７ｃ〜３７ｄを交互に成長して、多重量子井戸構造３９を形成する。
【００６０】
活性層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）スペクトルのピーク波長は、４５０ｎｍ以上であり、６５０ｎｍ以下であることができる。この方法によれば、様々なＰＬ波長の活性層を含むエピタキシャルウエハを作製できる。好適には、本実施の形態において特に、５００ｎｍ以上５５０ｍ以下の波長領域、いわゆる長波長領域にＰＬピーク波長及びＥＬピーク波長が観測されるエピタキシャルウエハ及び半導体発光素子を作製できる。
【００６１】
図８を参照しながら、マクロステップ上へのＩｎＧａＮ成長を説明する。マクロステップは、図８（ａ）に示されるように、主要な２つの面Ｓ１、Ｓ２を有する。本実施の形態におけるｃ軸の傾斜角の範囲では、マクロステップの大きいテラス幅の面Ｓ１は実質的なｃ面であり、他方の面Ｓ２は、例えば（１０−１１）面、（１１−２２）面等のファセット面である。故に、マクロステップ上のＩｎＧａＮのＩｎ組成を高めることができる。Ｇａアニールによってマクロステップを形成することによって、半極性を示すオフ角ウエハ上のＩｎＧａＮ成長においてもｃ面と同程度までＩｎの取り込みを向上できる。したがって、マクロステップ上には、高Ｉｎ組成のＩｎＧａＮ膜を成長できる。井戸層のためのＩｎＧａＮのＩｎ組成としては、例えば０．１５以上であり、また０．４０以下であることができる。これによって、４５０ｎｍ〜６５０ｎｍといった範囲の長波長の発光が可能になる。このＩｎ組成の範囲において、ＩｎＧａＮの成長温度としては、例えば摂氏７００度以上であり、また摂氏８００度以下であることができる。また、井戸層のためのＩｎＧａＮ膜の厚さは、例えば１ｎｍ以上であり、１０ｎｍ以下であることができる。
【００６２】
マクロステップ無しの表面へのＩｎの取り込み量に比べて、マクロステップのＩｎの取り込み量が増大する。このマクロステップの利用により、大きなＩｎ組成のＩｎＧａＮ層を成長できるので、長い発光波長の発光素子を提供できる。また、同じｎ組成のＩｎＧａＮ膜の成長に際して、このＩｎＧａＮ膜をマクロステップ無しの表面に成長するための基板温度よりも、該ＩｎＧａＮ膜をマクロステップ表面に成長するための基板温度を高くできる。故に、このＩｎＧａＮ膜は、マクロステップ表面上に成長されたので、その結晶品質は良好になる。
【００６３】
活性層を成長した後に、工程Ｓ１１０において、図７（ｃ）に示されるように、第２導電型窒化ガリウム半導体領域４１を成長する。まず、最後の障壁層を成長した後に、基板温度を上昇する。ｐ型電子ブロック層４３を成長する。ｐ型電子ブロック層４３の厚さは例えば２０ｎｍ程度である。電子ブロック層４３は例えばＭｇ添加のｐ型Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８Ｎからなり、例えば摂氏１１５０度の基板温度で成長される。次いで、電子プロック層４３上にコンタクト層４５を成長する。コンタクト層４５の厚さは例えば５０ｎｍ程度である。コンタクト層４５は例えばＭｇ添加のｐ型ＧａＮからなり、例えば摂氏１１５０度の基板温度で成長される。これらの工程の結果、エピタキシャルウエハＥ２が作製される。
【００６４】
工程Ｓ１１１において、コンタクト層４５上にアノード電極４７を形成すると共に、基板裏面を研削してＧａＮ基板１１ａを作製した後に、ＧａＮ基板１１ａの裏面にカソード電極４９を形成する。図９は、上記の工程によって作製された発光ダイオード（ＬＥＤ）といった窒化ガリウム系半導体発光素子の構造を模式的に示す図面である。
【００６５】
（実施例）
有機金属気相成長法により窒化ガリウム基板上にエピタキシャル成長を行った。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）、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。
【００６６】
ＧａＮ基板の準備：
ｃ面からａ面方向あるいはｍ面方向に１０度〜５０度の角度で傾斜した主面を有する２インチ窒化ガリウムウエハを用意した。
【００６７】
ホモエピタキシャル成長：
このウエハを反応炉にロードした後に、摂氏１１００度の基板温度、２７ｋＰａの炉内圧力で、反応炉にＮＨ３とＨ２を供給しながら、１０分間程度の熱処理をＧａＮウエハに施した。その後に、摂氏１１５０度の基板温度でＳｉドープのＧａＮ層を成長した。その厚さは５μｍであり、Ｓｉの濃度は例えば３×１０１８ｃｍ−３程度であった。その後に、成長炉の温度を室温まで下げて、基板生産物を成長炉から取り出した。この基板生産物のエピタキシャル膜表面のＲＨＥＥＤ測定を行った。図１０に示されるように、＜１１−２０＞軸及び＜１−１００＞軸からのＲＨＥＥＤ電子線の入射方向に関して、基板主面の傾斜角１８度及び２８度のＧａＮウエハ上のエピタキシャル膜の表面には、数ｎｍ程度のステップ幅ａ、ｂの微細なミクロステップ構造（格子定数の７〜１０倍の周期）が形成されていた。一方、実質的なｃ面である傾斜角０．３度のＧａＮウエハ上のエピタキシャル膜の表面には、ミクロステップ構造は観察されなかった。
【００６８】
トレンチ形成
続いて、ホモエピタキシャル成長の後に、エピタキシャル膜にオフ角方向に交差する方向、例えば直交する方向に延びるトレンチのためのレジストマスクを形成した。このレジストマスクのパターンは、オフ角方向に配列されたストライプ状の複数の開口を有する。開口の配列の周期は、例えば５００ｎｍ周期であり、開口の幅は２５０ｎｍであった。このレジストマスクを用いて、ｎ型ＧａＮ層のエッチングを行った。エッチングの深さは、例えば１００ｎｍ程度である。このエッチングの後に、レジストマスクを除去した。これらの工程により作製された基板線産物は、エピタキシャル表面に、所定の間隔及び所定の深さのストライプ状の溝を有する。
【００６９】
Ｇａアニール：
上記基板生産物を反応炉に設置した後に、摂氏５００度に成長炉内温度を上げる。ＴＭＧとＨ２を反応炉に供給して、ｎ型ＧａＮ層を覆うように、Ｇａからなる被覆膜を形成した。被覆膜の厚さは、トレンチが埋まるように、例えば５００ｎｍであった。次いで、成長炉の温度を摂氏１１５０度に上昇した後に、Ｎ２を副場ガスを成長炉に供給しながら３０分間の熱処理を行った。この結果、ｎ型ＧａＮ層の表面が再構築され、複数のトレンチが消失すると共に複数のマクロステップが形成された。窒素雰囲気中の熱処理の後に、基板温度を上昇させて、Ｈ２を成長炉に供給しながらＧａ被覆を蒸発させて、基板生産物を作製した。この基板生産物の表面には、窒化ガリウムからなるマクロステップが露出されていた。マクロステップが、トレンチのピッチに対応づけられてほぼ等間隔に形成されていることが観測された。ステップのテラス幅が１００ｎｍを越えていた。
【００７０】
マクロステップ形成過程：
Ｇａアニール時のマクロステップの形成過程は、直感的には以下のように理解される。図８に示されるように、ＧａＮのトレンチ及びＧａ被覆膜をアニールすると、下地ＧａＮ表面が再構築される。ｃ軸と垂直方向であってオフ方向と同じ方向に、ステップが拡張される。これと同時に、トレンチの間に位置するリッジ状の部分では、その上面のＧａ原子およびＮ原子が、トレンチの底面に拡散していく。その過程でいくつかのミクロステップが集まって、より大きなステップが形成される。また、リッジ状の部分とトレンチの底面部分との間の高さの差が小さくなる。この過程が繰り返されて、より大きなステップが形成され、最終的にはトレンチ間隔と同程度の大きさのマクロステップが形成される。
【００７１】
マクロステップの観察：
成長炉の温度を降下させた後に、基板生産物を成長炉から取り出して、基板生産物の表面を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて測定した。図１１（ａ）を参照すると、ｃ面ＧａＮ基板の表面に成長された窒化ガリウムの表面のＡＦＭ像を示しており、その表面は筋状の細かなモフォロジを示していた。図１１（ｂ）を参照すると、ＧａＮ基板の半極性面（オフ角１８度）に成長された窒化ガリウムの表面のＡＦＭ像を示しており、その表面は島状成長に近いモフォロジを示していた。図１１（ｃ）を参照すると、上記の実施例に従って作製されたマクロステップを有する窒化ガリウムの表面のＡＦＭ像を示しており、その表面はステップ状のモフォロジを示していた。
【００７２】
再成長：
マクロステップ上に、発光ダイオード構造を作製した。この際は、Ｇａアニール後にエピタキシャルウエハを成長炉から取り出さず、引き続き、同じ成長炉を用いて処理を行った。基板温度を摂氏８５０度に下げて、厚さ１００ｎｍのＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎ緩衝層を成長した。続けて、厚さ１５ｎｍのＧａＮ障壁層を成長した。その後に、基板温度を摂氏７５０度に下げて、厚さ３ｎｍのＩｎ０．３０Ｇａ０．７０Ｎ層を成長した。この障壁層と井戸層からなる構造を３周期成長した後に、さらに障壁層１５ｎｍを成長して発光層を形成した。その後に、基板温度を摂氏１１００度に上昇させた後に、電子ブロック層のために厚さ２０ｎｍのＭｇドープしたｐ型Ａｌ０．１８Ｇａ０．８２Ｎ層を成長した。コンタクト層のために厚さ５０ｎｍのＭｇドープｐ型ＧａＮ層を成長した。その後、炉内温度を室温まで下げ、ＬＥＤ構造を有するエピタキシャルウエハを成長炉から取り出した。
【００７３】
このエピタキシャルウエハＡのフォトルミネッセンススペクトル（ＰＬ）測定を行った。ＬＥＤ構造のピーク発光波長は５３０ｎｍであった。比較のために、同じオフ角のＧａＮウエハ上に、Ｇａアニールせずに通常どおり成長されたＬＥＤ構造を有するエピタキシャルウエハＣでは、５３０ｎｍのピーク発光波長を得るためには、摂氏７００度以下の成長温度でＩｎＧａＮ井戸層を成長しなければならない。つまり、Ｇａアニールによるマクロステップの形成によりＩｎの取り込みが改善されたので、摂氏７５０度のＩｎＧａＮ成長の温度を用いて上記のＰＬ波長を実現できた。また、それぞれの発光強度を比較すると、エピタキシャルウエハＡのＰＬ強度は、エピタキシャルウエハＣのＰＬ強度に比べて、およそ１桁程度で大きかった。電極蒸着プロセスを行ってＬＥＤデバイスを作製した。このＬＥＤデバイス電流注入による発光測定を行ったとき、エピタキシャルウエハＡのＥＬ強度は、エピタキシャルウエハＣのＥＬ強度に比べて、およそ１桁程度で大きかった。これは、以下の事項によると考えられる：所望の発光波長を得るための井戸層の成長温度を上げることができ、ＩｎＧａＮ井戸層の結晶性が改善された。また、マクロステップの形成により個々のステップ幅が大きくなり、ＩｎＧａＮの成長温度も高めることができたので、ＩｎＧａＮ成長時にＩｎマイグレーションが効果的に起こり、ＩｎＧａＮ層発光で重要な局在準位が効果的に形成された。
【００７４】
デバイス構造
本実施例では、発光ダイオード構造を作製した。しかしながら、Ｉｎ取り込み向上の利点は、発光ダイオード構造に限られたものではなく、レーザーダイオード構造にも適用可能である。特に、レーザーダイオード構造では、井戸層の成長温度が低いとき、その後に高温で成長されるｐ型半導体層の成長中に、井戸層の品質が劣化されることがある。しかし、本実施の形態により成長温度を上げて井戸層を成長すれば、ｐ型半導体層成長中の井戸層の品質劣化が抑制される。
【００７５】
以上説明したように、トレンチ形成及びＧａアニールを行ってマクロステップを形成することによって、オフ角を有するＧａＮウエハにおけるＩｎ取り込み量が増大する。したがって、発光層の成長温度を上げることができ、発光層の結晶性が改善され、発光層のＰＬおよびＥＬ発光強度が向上する。
【００７６】
本実施の形態では、Ｇａアニールに関して、Ｇａ被覆膜を利用してＧａアニールを行う方法を説明した。本発明はその方法に限るものではなく、トレンチ形成した窒化ガリウム領域を、Ｇａ被覆膜ではなくＧａ雰囲気中、例えばＴＭＧとＮ２の供給下で熱処理して、アニールされた窒化ガリウム領域の表面にマクロステップを形成できる。トレンチ形成した窒化ガリウム領域の表面にＧａを供給しながら熱処理することであり、Ｇａ被覆膜を形成すると、ウエハ表面からの窒素（Ｎ）抜けを確実に抑制でき、より効果的に表面の再構築が進む。
【００７７】
具体的には、窒化ガリウム領域の主面上に複数のトレンチを形成した後に、ガリウム及び窒素を含む雰囲気中で熱処理を窒化ガリウム領域に行って、マクロステップを有する窒化ガリウム表面を形成する。この方法により、トレンチを含む窒化ガリウム領域を、ガリウム及び窒素を含む雰囲気で熱処理することによって、窒化ガリウム領域の表面が再構築される。この再構築により、トレンチによる段差の列からマクロステップが形成される。再構築された窒化ガリウム表面には、引き続く結晶成長に好適なマクロステップが形成されている。窒化ガリウム領域の元の主面のいわゆる半極性から形成されたマクロステップ上に、窒化ガリウム系半導体の堆積が可能になる。上記の熱処理の温度及び時間は、第１の熱処理と同じ条件であることができる。
【００７８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
通常のｃ面ＧａＮ基板上と同様に平坦に研磨された半極性ＧａＮ基板を用意し、このＧａＮ表面をアンモニア及ぶ水素の雰囲気中で熱処理して表面再構築を行った後に、ｎ型ＧａＮ層とったＬＥＤ構造またはＬＤ構造を成長している、これらＬＥＤ構造及びＬＤ構造は、ＩｎＧａＮ活性層及びｐ型ＧａＮ層を含む。
【００８０】
しかしながら、半極性ＧａＮ基板上へのＧａＮ系半導体の成長モードは、ｃ面上での成長モードと異なっており、上記の熱処理によって得られる再構築表面とその表面へのｎ型ＧａＮ成長とによって得られる表面ステップ密度は、非常に高い。そのため、図１２に示されるように、ＩｎＧａＮ活性層におけるＩｎ取り込み量が少ない、これ故に、特に長波長の発光を得るためには、ＩｎＧａＮ活性層の成長温度を低くしなければならず、活性層の結晶品質が低下する。
【００８１】
ところが、本実施の形態のように、窒化ガリウム表面に一定間隔で所定の方向に延びる溝を形成すると共に、この溝構造をＧａ（好ましくは窒素の添加で）に晒しながら熱処理して表面の再構築を行う。この再構築によって、溝構造からマクロステップが形成される。このようなパターニングによって、基板主面に対して横方向の成長が促進され、ステップが大きく出るような成長モードが生じる。
【００８２】
リソグラフィ、エッチング及び熱処理によって、エピタキシャル膜の表面における成長モードを変更でき、再構築によるマクロステップが形成される。このマクロステップによって、ステップフローな成長モードが可能になる。大きなテラスが形成されてステップ密度が小さくなり、Ｉｎ取り込み量を大きくできる。その結果、ＩｎＧａＮ活性層の成長温度を上げることができ、活性層の結晶品質が向上する。マクロステップは、オフ角１８度の半極性ＧａＮ基板を用いた実験で原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）によって観測された。また、同じ基板上に活性層及びｐ型半導体層を含む発光ダイオード構造を作製した。
再構築無し：ＰＬ発光波長４２０ｎｍ
再構築有り：ＰＬ発光波長４８０ｎｍ。
であり、ＰＬ波長が長くなった。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】図１は、本実施の形態に係る作製方法の主要な工程を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る作製方法の主要な工程を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係る作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、トレンチの形成のための工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、第１の熱処理における、窒化ガリウム膜の表面の改質を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る作製方法の主要な工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、マクロステップ上へのＩｎＧａＮ成長を説明する図面である。
【図９】図９は、上記の工程によって作製された発光ダイオード（ＬＥＤ）の構造を模式的に示す図面である。
【図１０】図１０は、基板生産物のエピタキシャル膜表面のＲＨＥＥＤ測定を示す図面である。
【図１１】図１１は、原子間力顕微鏡を用いた観測による基板生産物の表面のＡＦＭ像を示す図面である。
【図１２】図１２は、ＩｎＧａＮ成長にＩｎ組成とＧａＮ主面のオフ角との関係を示す図面である。
【符号の説明】
【００８４】
Ｅ１、Ｅ２…エピタキシャルウエハ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…基板生産物、ＶＮ…法線ベクトル、ＶＣ…ｃ軸ベクトル、１０ａ…有機金属気相成長炉、１０ｃ…エッチング装置、１１…ＧａＮウエハ、１１ａ…ＧａＮウエハ主面、１３、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…窒化ガリウム領域、１３ａ…窒化ガリウム膜表面、１５、１５ａ…トレンチ、１６、１６ａ…リッジ、１７…ミクロステップ、１９…マスク、２３…ガリウム膜、２９…マクロステップ、３１…窒化ガリウム系半導体膜、３３…活性層、３７ａ〜３７ｃ…井戸層、３７ａ〜３７ｄ…障壁層、３９…多重量子井戸構造、４１…第２導電型窒化ガリウム半導体領域、４３…電子ブロック層、４５…コンタクト層、４７…アノード電極、４９…カソード電極  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１２】
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【図１０】
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【図１１】
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