(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板と、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮが結晶成長することにより上記基板主面部分の法線方向に成長して形成されたＧａＮ層と、
を備え、
上記サファイア基板は、上記基板主面部分がｒ面であると共に、上記結晶成長面部分がＧａＮのｃ面成長が可能な面であり、
上記ＧａＮ層は、上記サファイア基板の上記基板表面における上記基板主面部分と平行な面が半極性面である半導体基板。
【請求項２】
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板と、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮが結晶成長することにより上記基板主面部分の法線方向に成長して形成されたＧａＮ層と、
を備え、
上記サファイア基板は、上記基板主面部分が（１０−１２）面にオフ角をつけた面であると共に、上記結晶成長面部分がＧａＮのｃ面成長が可能な面であり、
上記ＧａＮ層は、上記サファイア基板の上記基板表面における上記基板主面部分と平行な面が半極性（１１−２２）面である半導体基板。
【請求項３】
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板と、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮが結晶成長することにより上記基板主面部分の法線方向に成長して形成されたＧａＮ層と、
を備え、
上記サファイア基板は、上記基板主面部分が（１１−２３）面、（１１−２２）面、又は（１１−２１）面のミスカット面であると共に、上記結晶成長面部分がＧａＮのｃ面成長が可能な面であり、
上記ＧａＮ層は、上記サファイア基板の上記基板表面における上記基板主面部分と平行な面が半極性面である半導体基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載された半導体基板において、
上記サファイア基板は、上記基板主面部分又は上記結晶成長面部分以外の部分がＧａＮの結晶成長を阻止する結晶成長阻止層で表面被覆されている半導体基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載された半導体基板において、
上記結晶成長面部分は、上記サファイア基板上に間隔をおいて並行に延びるように形成された複数本の凹溝の側面で構成されている半導体基板。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載された半導体基板において、
上記ＧａＮ層は、上記サファイア基板の上記基板表面における上記基板主面部分と平行となるように表面研磨されている半導体基板。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載された半導体基板において、
上記結晶成長面部分が上記サファイア基板のａ面又はｃ面で構成されている半導体基板。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載された半導体基板を有する電子デバイス。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれかに記載された半導体基板を有する半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項７に記載された半導体基板を有し、
上記ＧａＮ層上に設けられ、各々、該ＧａＮ層に対するエピタキシャル成長により形成された量子井戸層及び障壁層が交互積層された多重量子井戸層を備えた半導体発光素子。
【請求項１１】
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板を用い、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮを結晶成長させることにより上記基板主面部分の法線方向に成長するようにＧａＮ層を形成し、
上記サファイア基板は、上記基板主面部分がｒ面であると共に、上記結晶成長面部分がＧａＮのｃ面成長が可能な面であり、
上記ＧａＮ層は、上記サファイア基板の上記基板表面における上記基板主面部分と平行な面が半極性面である半導体基板の製造方法。
【請求項１２】
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板を用い、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮを結晶成長させることにより上記基板主面部分の法線方向に成長するようにＧａＮ層を形成し、
上記サファイア基板は、上記基板主面部分が（１０−１２）面にオフ角をつけた面であると共に、上記結晶成長面部分がＧａＮのｃ面成長が可能な面であり、
上記ＧａＮ層は、上記サファイア基板の上記基板表面における上記基板主面部分と平行な面が半極性（１１−２２）面である半導体基板の製造方法。
【請求項１３】
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板を用い、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮを結晶成長させることにより上記基板主面部分の法線方向に成長するようにＧａＮ層を形成し、
上記サファイア基板は、上記基板主面部分が（１１−２３）面、（１１−２２）面、又は（１１−２１）面のミスカット面であると共に、上記結晶成長面部分がＧａＮのｃ面成長が可能な面であり、
上記ＧａＮ層は、上記サファイア基板の上記基板表面における上記基板主面部分と平行な面が半極性面である半導体基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれかに記載された半導体基板の製造方法において、
上記ＧａＮ層を上記サファイア基板から分離してＧａＮ基板とする半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板及びその製造方法、並びにそれを用いた電子デバイス及び半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素子として、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とが交互積層された多重量子井戸層（Multi Quantum Wells：ＭＱＷｓ）、及びｐ型ＧａＮ層が順に積層形成された構造を有するものが量産化されている。そして、このような量産化されている半導体発光素子では、いずれのＧａＮ層もｃ軸方向にＧａＮが結晶成長し、表面がｃ面＜（０００１）面＞となっている。【０００３】
ところで、表面がｃ面であるＧａＮ層では、図１８に示すように、Ｇａ原子のみを含むＧａ原子面とＮ原子のみを含むＮ原子面とがｃ軸方向、つまり、層厚さ方向に交互に積層された結晶構造を有し、また、Ｇａ原子とＮ原子とが互いに異なる電気陰性度を有することから、Ｇａ原子面が僅かにプラスに帯電する一方、Ｎ原子面が僅かにマイナスに帯電し、結果としてｃ軸方向（層厚さ方向）に自発分極が発生する。また、ＧａＮ層上に異種半導体層をヘテロエピタキシャル成長させた場合、格子定数差に基づいてＧａＮ結晶に圧縮歪や引っ張り歪が生じ、ＧａＮ結晶内でｃ軸方向に圧電分極（ピエゾ分極）が発生する（特許文献１及び２参照）。【０００４】
従って、上記構成の半導体発光素子では、多重量子井戸層において、ＩｎＧａＮ量子井戸層に固定電荷に起因する自発分極に加えて、ＩｎＧａＮ量子井戸層に加わる圧縮歪により生じたピエゾ分極が重畳され、そのためｃ軸方向に大きな内部分極電場が発生することとなる。ここで、自発分極は−ｃ面方向に働き、ピエゾ分極は＋ｃ面方向に働くが、ＩｎＧａＮ井戸層においては圧倒的にピエゾ分極が大きい。そして、その影響によって、発光効率の低下や必要な注入電流の増大に伴う発光のピーク波長シフトなどの問題が生じる。なお、かかる問題の原因としては、分極電場に起因して量子井戸層中の電子と正孔との波動関数が空間的に分離されて発光確率が激減する量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum-confined Stark effect：ＱＣＳＥ）が考えられる。【０００５】
そこで、かかる問題に対し、ａ面＜｛１１−２０｝面＞及びｍ面＜｛１−１００｝面＞のいずれもが無極性面であることから、表面がａ面又はｍ面であるＧａＮ層上にＩｎＧａＮ層を形成し、それによって自発分極とピエゾ分極の重畳された内部電界の影響を回避することが検討されている（特許文献１〜３参照）。【０００６】
また、ｃ面がａ軸あるいはｍ軸方向に約６０度傾斜した半極性面といわれている面上にＩｎＧａＮ量子井戸層を形成し、それによって内部電極の影響を回避することも検討されている。例えば、非特許文献１には、ｃ面成長したバルクＧａＮから半極性の（１１−２２）面を切り出した基板が開示されている。また、非特許文献２には、ストライプ状に選択成長したＧａＮに現れる（１１−２２）面斜めファセット上に多重量子井戸構造を成長させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−５３５９３号公報
【特許文献２】特開２００８−５３５９４号公報
【特許文献３】特開２００７−２４３００６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics Vol.45,2006,L659.
【非特許文献２】Applied Physics Letters Vol.90,2007,261912.
【発明の概要】
【０００９】
本発明の半導体基板は、
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板と、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮが結晶成長することにより上記基板主面部分の法線方向に成長して形成されたＧａＮ層と、
を備える。
【００１０】
本発明の半導体基板の製造方法は、
基板表面が、基板主面部分と、該基板主面部分とは面方位が異なると共にＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分と、を有するサファイア基板を用い、
上記サファイア基板の上記基板表面における上記結晶成長面部分を起点としてＧａＮを結晶成長させることにより上記基板主面部分の法線方向に成長するようにＧａＮ層を形成するものである。
【００１１】
本発明の電子デバイス及び半導体発光素子は本発明の半導体基板を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１のサファイア基板の断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は実施形態１の凹溝の拡大断面図である。
【図３】（ａ）は構成１のサファイア基板、（ｂ）は構成２のサファイア基板、及び（ｃ）は構成３のサファイア基板をそれぞれ示す説明図である。
【図４】（ａ）は構成４のサファイア基板、（ｂ）は構成５のサファイア基板、（ｃ）は構成６のサファイア基板、及び（ｄ）は構成７のサファイア基板をそれぞれ示す説明図である。
【図５】実施形態１の変形例のサファイア基板を示す断面図である。
【図６】実施形態１のサファイア基板におけるＧａＮの結晶成長を示す説明図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は実施形態１の半導体発光素子の製造方法を示す説明図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は実施形態１の凹溝の溝側面とｕ-ＧａＮ層との関係を示す説明図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は実施形態２の凹溝の拡大断面図である。
【図１０】実施形態２のサファイア基板の断面図である。
【図１１】実施形態２の半導体基板の断面図である。
【図１２】実施形態３のサファイア基板の断面図である。
【図１３】実施形態３の変形例のサファイア基板を示す断面図である。
【図１４】実施形態３の別の変形例のサファイア基板を示す断面図である。
【図１５】実施形態３の半導体基板の断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｅ）は実施形態３の半導体発光素子の製造方法を示す説明図である。
【図１７】オフ角度θ２と半値全幅との関係を示すグラフである。
【図１８】ＧａＮ結晶を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
［実施形態１］
実施形態１に係る半導体発光素子１０の製造方法について図１〜８に基づいて説明する。
【００１５】
（サファイア基板の準備）
実施形態１に係る半導体発光素子１０の製造方法では、基板表面１２において、基板主面部分１２ａが結晶成長阻止層１３で表面被覆され、また、基板主面部分１２ａとは面方位が異なる表面露出した結晶成長面部分１２ｂが形成されたサファイア基板１１を用いる。サファイア基板１１は、ＧａＮ基板に比較してコストが圧倒的に低く、また、Ｓｉ基板に比較して光透過性を考慮したデバイス性能が圧倒的に優れるものとなる。
【００１６】
ここで、サファイア基板１１は、Ａｌ２Ｏ３のコランダム構造の単結晶の円盤状に形成されており、直径によっても変わるが厚さが０．３〜３．０ｍｍ、及び直径が５０〜３００ｍｍである。なお、直径５０ｍｍのサファイア基板１１の場合では、１枚のサファイア基板１１上に５０００〜１２０００個の半導体発光素子１０を作り込むことができる。
【００１７】
基板表面１２における基板主面部分１２ａは、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜（０００１）面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、若しくはｒ面＜｛１−１０２｝面＞であってもよく、又は他の面方位の結晶面であってもよい。例えば、基板主面部分１２ａは、ａ軸が基板主面部分１２ａの法線方向に対して所定の角度（例えば４５°や６０°、あるいは数度以内の微小角）傾斜したミスカット面であっても、つまり、サファイア基板１１がミスカット基板であってもよい。なお、ａ面、ｃ面、及びｍ面は面方位が相互に直交する。
【００１８】
基板主面部分１２ａを表面被覆する結晶成長阻止層１３としては、例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ等の酸化物膜や窒化物膜、具体的には、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮｘ膜、ＳｉＯｘＮy膜、ＴｉＯ２膜、ＺｒＯ２膜等が挙げられる。結晶成長阻止層１３は、厚さが０．０１〜３μｍである。かかる結晶成長阻止層１３は、洗浄したサファイア基板１１に対して、例えば、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法により形成することができる。なお、結晶成長阻止層１３を単一層で構成してもよく、また、複数層で構成してもよい。
【００１９】
基板表面１２における結晶成長面部分１２ｂは、基板主面部分１２ａと面方位が異なれば、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜｛０００１｝面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、若しくはｒ面＜｛１−１０２｝面＞であってもよく、又はＧａＮの結晶成長が可能な他の面方位の結晶面であってもよい。なお、本出願において、「ＧａＮ」には、ＧａＮが主成分のＩｎＧａＮやＡｌＧａＮも含まれる。
【００２０】
結晶成長面部分１２ｂとしては、例えば、図１に示すように、サファイア基板１１上に延びるように形成された凹溝１４の側面で構成することを挙げることができる。
【００２１】
凹溝１４は、側面（エッチング加工側面）を有せば、コの字溝、Ｖ字溝、又は台形溝であってもよい。凹溝１４は、溝開口幅に特に制限はないが０．５〜１０μｍが望ましく、及び溝深さが０．７５〜１００μｍである。凹溝１４は、溝側面の基板主面部分１２ａに対してなす角度Θが例えば７０〜１２０°であり、従って、溝側面の傾斜は、図２（ａ）に示すように、溝底から溝開口に向かって溝幅を広げるように外向きに傾斜したテーパ状であってもよく、また、図２（ｂ）に示すように、溝底から溝開口に向かって溝幅を狭めるように内向きに傾斜した逆テーパ状であってもよい。但し、上記角度は上記側面からのＧａＮの結晶成長が可能であればその限りではない。例えば、側面がｃ面サファイアに近い構成であり、そこからｃ面ＧａＮを成長させる場合、積層欠陥や転位などの欠陥の終端を表面に至らせないことによって表面に現れる欠陥を減じる観点からは、溝側面の基板主面部分１２ａに対してなす角度Θはｃ面の基板主面部分１２ａに対してなす角度Φよりも大きいことが好ましい。また、凹溝１４が底面を有する場合、底面からのＧａＮの結晶成長を抑制する観点から、溝深さは溝開口幅の１．５倍以上であることが好ましい。凹溝１４は、１本だけが形成されていてもよく、また、複数本並列して形成されていてもよい。凹溝１４が複数本並列して形成されている場合、溝間の間隔、つまり、相互に隣接する凹溝１４間における基板主面部分１２ａの間隔は１〜１００μｍである。かかる凹溝１４は、サファイア基板１１の基板表面１２に結晶成長阻止層１３を形成した後、凹溝形成予定部分だけが開口部となるフォトレジストのパターニング形成し、フォトレジストをエッチングレジストとして結晶成長阻止層１３及びサファイア基板１１を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）等のドライエッチング或いはウエットエッチングをすることにより形成することができる。
【００２２】
ここで、サファイア基板１１の選定及び凹溝１４の延びる方向の設定により種々の側面の構成を得ることができる。
【００２３】
具体的には、例えば、構成１のサファイア基板１１として、図３（ａ）に示すように、基板主面部分１２ａがｃ面、断面コの字状の凹溝１４の延びる方向がｍ面の面方位、つまり、ｍ軸方向であるものが挙げられる。この構成１のサファイア基板１１では、結晶成長面部分１２ｂたる凹溝１４の側面としてａ面が露出する。
【００２４】
構成２のサファイア基板１１として、図３（ｂ）に示すように、基板主面部分１２ａがａ面、断面コの字状の凹溝１４の延びる方向がｍ面の面方位、つまり、ｍ軸方向であるものが挙げられる。この構成２のサファイア基板１１では、結晶成長面部分１２ｂたる凹溝１４の側面としてｃ面が露出する。
【００２５】
構成３のサファイア基板１１として、図３（ｃ）に示すように、基板主面部分１２ａがａ面、断面台形状の凹溝１４の延びる方向がｍ面の面方位、つまり、ｍ軸方向であるものが挙げられる。この構成３のサファイア基板１１では、結晶成長面部分１２ｂたる凹溝１４の側面としてｃ面をｍ軸周りに傾斜させたミスカット面が露出する。つまり、この場合、基板表面とｃ軸との方位関係は平行のままであり、凹溝１４の側面はａ軸方向にミスカットされたｃ面が露出する。
【００２６】
構成４のサファイア基板１１として、図４（ａ）に示すように、基板主面部分１２ａがａ面をｃ軸周りに傾斜させた面、断面コの字状の凹溝１４の延びる方向がｍ面の面方位、つまり、ｍ軸方向であるものが挙げられる。この構成４のサファイア基板１１では、結晶成長面部分１２ｂたる凹溝１４の側面としてａ軸が基板主面部分１２ａの法線方向から傾斜したｃ面が露出する。
【００２７】
構成５のサファイア基板１１として、図４（ｂ）に示すように、基板主面部分１２ａがｃ面、断面コの字状の凹溝１４の延びる方向がａ面の面方位、つまり、ａ軸方向であるものが挙げられる。この構成５のサファイア基板１１では、結晶成長面部分１２ｂたる凹溝１４の側面としてｍ面が露出する。
【００２８】
構成６のサファイア基板１１として、図４（ｃ）に示すように、基板主面部分１２ａがａ面及びｃ面をｍ軸周りに４５°傾斜させた面、つまり、オフ角４５°のミスカット面、断面コの字状の凹溝１４の延びる方向がｍ面の面方位、つまり、ｍ軸方向であるミスカット基板が挙げられる。この構成６のサファイア基板１１では、結晶成長面部分１２ｂたる凹溝１４の側面としてｃ面をｍ軸周りにａ軸方向に４５°傾斜させた面が露出する。
【００２９】
構成７のサファイア基板１１として、図４（ｄ）に示すように、基板主面部分１２ａがａ面及びｃ面をｍ軸周りに４５°傾斜させた面、つまり、オフ角４５°のミスカット面、断面台形状の凹溝１４の凹溝１４の延びる方向がｍ面の面方位、つまり、ｍ軸方向であるミスカット基板が挙げられる。この構成７のサファイア基板１１では、結晶成長面部分１２ｂたる凹溝１４の側面としてｃ面が露出する。なお、かかる断面台形状の凹溝１４は、例えばフォトレジストのパターンを加熱、或いはアッシングなどにより少しだれた形状にした後にエッチング加工することで作製することができる。
【００３０】
凹溝１４は、両側面が表面露出した構成の他、両側面のうち一方が表面露出し且つ他方がＧａＮの結晶成長を阻止するように被覆された構成であってもよい。サファイアは＋ｃ、−ｃ面を持たない結晶構造を有するので、凹溝の両側面からそれぞれ結晶成長すると、いずれも同一の極性をもったＧａＮが成長する可能性があり、その場合、それらのＧａＮの会合点において結晶方位が逆向きとなるインバージョンドメイン（一種の結晶欠陥）が形成されることとなる。しかしながら、両側面のうち一方が表面露出し且つ他方が被覆された構成の場合、このインバージョンドメインを完全に排除することができる。
【００３１】
凹溝１４は、両側面が表面露出し、しかも、その断面形状が左右非対称に形成された構成であってもよい。このような構成によれば、左右非対称の断面形状を有する凹溝１４からＧａＮが結晶成長すると、どちらかの面から優先的に結晶成長が起こるので、インバージョンドメインを排除する観点から好都合である。従って、この場合、凹溝１４は、両側面のうち一方のみから選択的にＧａＮが結晶成長するように形成された構成であることがより好ましい。この左右非対称の凹溝１４の断面形状は、例えば、エッチング加工時にエッチングガスの流れに直交するようにサファイア基板１１を配置することによって得ることができる。また、このとき、凹溝１４が底面を有する場合、底面からのＧａＮの結晶成長を抑制するために底面をＳｉＯ２などで被覆してもよい。
【００３２】
なお、結晶成長面部分１２ｂとしては、凹溝１４の側面の他、図５に示すように、サファイア基板１１の基板表面１２に延びるように形成された凸条１４’の側面も挙げることができる。この場合、凸条１４’の基端側の基板主面部分１２ａと共に凸条の頂面も結晶成長阻止層１３で被覆された構成である必要がある。また、凸条１４’は、両側面が表面露出した構成の他、両側面のうち一方が表面露出し且つ他方がＧａＮの結晶成長を阻止するように表面被覆された構成であってもよい。
【００３３】
（半導体層の形成）
実施形態１に係る半導体発光素子１０の製造方法では、上記で準備したサファイア基板１１の基板表面１２における結晶成長面部分１２ｂを起点としてＧａＮを結晶成長させることにより基板主面部分１２ａの法線方向に成長するようにｕ-ＧａＮ層１５を形成して半導体基板Ｓを得た後、その上にｎ型ＧａＮ層１６、発光層である多重量子井戸層１７、及びｐ型ＧａＮ層１８を順に形成する。
【００３４】
ここで、これらの半導体層の形成方法としては、有機金属気相成長法（Metal Organic Ｖapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）が挙げられ、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した半導体層の形成方法について説明する。
【００３５】
半導体層の形成に用いられるＭＯＶＰＥ装置は、大きくは基板搬送系、基板加熱系、ガス供給系、及びガス排気系から構成され、全て電子制御される。基板加熱系は、熱電対及び抵抗加熱ヒータ、並びにその上に設けられた炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタで構成され、そして、そのサセプタの上にサファイア基板１１をセットした石英トレイが搬送され、半導体層のエピタキシャル成長が行われる。この基板加熱系は、水冷機構を備えた石英製の二重管内或いはステンレス製の反応容器内に設置され、その二重管或いは反応容器内にキャリアガス及び各種原料ガスが供給される。特にステンレス反応容器を使う場合は、基板上に層流のガスの流れを実現するために、石英製のフローチャネルを用いる。
【００３６】
キャリアガスとしては、例えば、Ｈ２、Ｎ２が挙げられる。Ｖ族元素供給源としては、例えば、ＮＨ３が挙げられる。III族元素供給源としては、例えば、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）等が挙げられる。ｎ型ドーピング元素供給源としては、例えば、ＳｉＨ４（シラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）、ＧｅＨ４（ゲルマン）等が挙げられる。ｐ型ドーピング元素供給源としては、例えば、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）が挙げられる。
【００３７】
＜ｕ-ＧａＮ層の形成＞
まず、サファイア基板１１を基板表面１２が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、サファイア基板１１を１０５０〜１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてＨ２を流通させ、その状態を数分間保持することによりサファイア基板１１をサーマルクリーニングする。
【００３８】
次いで、サファイア基板１１の温度を１０５０〜１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ２を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００３９】
このとき、図６に示すように、サファイア基板１１の基板表面１２における基板主面部分１２ａは結晶成長阻止層１３で表面被覆されているためＧａＮの結晶成長は起こらないが、一方、基板表面１２に露出した結晶成長面部分１２ｂには、結晶成長面部分１２ｂを起点として、その上にアンドープのＧａＮがヘテロエピタキシャル成長する。そして、その結晶成長により基板主面部分１２ａの法線方向にＧａＮの層の成長が進展し、図７（ａ）に示すように、サファイア基板１１上にｕ-ＧａＮ層（アンドープＧａＮ層）１５が形成されて半導体基板Ｓが得られる。結晶成長阻止層１３上に成長させるｕ-ＧａＮ層１５の層厚さは約２〜２０μｍである。なお、ｕ-ＧａＮ層１５を形成させる前に、結晶成長面部分１２ｂ上に厚さ２０〜３０ｎｍ程度の低温バッファ層を形成することが好ましい。
【００４０】
ｕ-ＧａＮ層１５は、凹溝１４の側面により結晶成長面部分１２ｂが構成され、凹溝１４が間隔をおいて並行に延びるように複数形成されている場合、各凹溝１４から結晶成長した複数の帯状のＧａＮ結晶の集合体によって、或いは、各凹溝１４から結晶成長した帯状のＧａＮ結晶が会合して連なった一体物によって構成される。帯状のＧａＮ結晶が会合して連なった一体物のｕ-ＧａＮ層１５を得るには、反応容器内圧力（減圧状態（〜１０ｋＰａ）から常圧状態（１００ｋＰａ））、結晶成長温度、材料の流量などの結晶成長条件を最適化すること及び／又は結晶成長時間を十分に長い時間とることが好ましい。凹溝１４の側面により結晶成長面部分１２ｂが構成されている場合、ＧａＮの結晶成長により凹溝１４が埋まってもよく、また、ボイドが残ってもよい。
【００４１】
そして、ｕ-ＧａＮ層１５は、サファイア基板１１の構成によって、主面の面方位が種々異なることとなる。
【００４２】
例えば、構成１のサファイア基板１１の場合、ａ面である結晶成長面部分１２ｂ上には、サファイアのａ軸とＧａＮのｃ軸が平行であり、サファイアのｃ軸とＧａＮのｍ軸が平行な結晶方位関係のＧａＮが結晶成長する。したがって、サファイア基板１１の基板表面１２上においては、サファイアのｃ軸とＧａＮのｍ軸が平行な結晶方位関係で、ｍ面のＧａＮが結晶成長することとなり、そのためｕ-ＧａＮ層１５の主面（基板主面部分１２ａに平行な面、以下同じ）はｍ面となる。
【００４３】
構成２のサファイア基板１１の場合、ｃ面である結晶成長面部分１２ｂ上に、サファイアのｃ軸とＧａＮのｃ軸が平行であり、サファイアのａ軸とＧａＮのｍ軸が平行な結晶方位関係でＧａＮが結晶成長する。したがって、サファイア基板１１の基板表面１２上においては、ｍ面のＧａＮが結晶成長することとなり、そのためｕ-ＧａＮ層１５の主面はｍ面となる。
【００４４】
構成３のサファイア基板１１の場合、凹溝１４の側面はａ軸方向にミスカットされたｃ面であるものの、構成２のサファイア基板１１と同様にサファイア基板１１のｃ軸とＧａＮのｃ軸が平行であり、サファイアのａ軸とＧａＮのｍ軸が平行な結晶方位関係でＧａＮが結晶成長し、サファイア基板１１の基板表面１２上においては、ｍ面のＧａＮが結晶成長することとなり、そのためｕ-ＧａＮ層１５の主面はｍ面となる。
【００４５】
つまり、ＧａＮ結晶では、図１８に示すように、Ｇａ原子のみを含むＧａ原子面とＮ原子のみを含むＮ原子面とがｃ軸方向に交互に積層された結晶構造を有し、ｃ軸方向に自発分極を有するものの、構成１〜３のサファイア基板１１を用いた場合、ｕ-ＧａＮ層１５の自発分極を有するｃ軸方向が層厚さ方向ではなく層面内方向となり、そのためｕ-ＧａＮ層１５の主面は層厚さ方向に極性を有さない無極性面（ｍ面）となる。このようにｃ面（ａ面）のサファイア基板１１を用いると、無極性ｍ面のＧａＮが得られる。同様な手法を用いることにより、ｍ面のサファイア基板１１を用いると、無極性ａ面のＧａＮが得られる。
【００４６】
一方、構成４〜７のサファイア基板１１を用いた場合、サファイア基板１１の基板表面１２上におけるＧａＮの結晶成長態様により、ｕ-ＧａＮ層１５は種々の層厚さ方向の分極状態となる。例えば、構成６のサファイア基板１１を用いた場合には、ＧａＮはサファイアのｃ軸とＧａＮのｃ軸が平行であり、サファイアのａ軸とＧａＮのｍ軸が平行な結晶方位関係で結晶成長する。結果として、ｕ-ＧａＮ層１５の主面はｃ面とｍ面との中間の半極性面となる。構成７のサファイア基板１１を用いた場合も同様にＧａＮはｃ軸方向に結晶成長するが、ｕ-ＧａＮ層１５の主面はより結晶性のよい半極性面となる。
【００４７】
以上のことより、サファイア基板１１の基板表面１２の結晶主面部分１２ａ、および基板表面１２に露出させる結晶成長面部分１２ｂの設定によりＧａＮの結晶成長面を操作することができ、それによってサファイア基板１２上に形成するＧａＮの分極状態を制御することができる。サファイア基板１１の場合、Ｓｉ基板に比較して基板表面１２の結晶主面部分１２ａ、および基板表面１２に露出させる結晶成長面部分１２ｂの自由度が高く、従って、ｕ-ＧａＮ層１５において採りうる分極状態も自由度が高いものとなる。
【００４８】
また、例えば、図８（ａ）に示すように、サファイア基板１１の基板主面部分１２ａが（１０−１２）面及び結晶成長面部分１２ｂがｃ面の場合、（１１−２２）面がファセット面であるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。この（１１−２２）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度は−０．８°（ＧａＮのｃ面に近づく向きをプラスとする。以下同じ）である。従って、その角度を相殺するように、基板主面部分１２ａが（１０−１２）面にオフ角をつけた面であるサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、ファセット面である（１１−２２）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。なお、本出願では、丸括弧を使ったミラー指数の記述も一般表記を意味する。
【００４９】
図８（ｂ）に示すように、サファイア基板１１の基板主面部分１２ａが（１１−２３）面及び結晶成長面部分１２ｂがｃ面の場合、（１０−１１）面がファセット面として成長する成長条件では、（１０−１１）面がファセットであるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。この（１０−１１）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度は−０．７４°であり、（１０−１１）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。さらに、（１０−１１）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度を相殺するサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、ファセット面である（１０−１１）面が主面である高品質のｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。あるいは、（１０−１２）面がファセット面として成長する成長条件では、（１０−１２）面がファセット面であるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。この（１０−１２）面の基板主面１２ａに対してなす角度は＋１８．０３°である。従って、（１０−１２）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度を相殺するサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、ファセット面（１０−１２）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。また、これらミスカット基板、或いはミスカット基板でないサファイア基板１１を用い、成長し得られたｕ-ＧａＮ層１５を基板主面部分１２ａと平行となるように表面研磨することにより、オフ角を有する（１０−１１）面ＧａＮテンプレートを得ることができる。
【００５０】
図８（ｃ）に示すように、サファイア基板１１の基板主面部分１２ａが（１１−２２）面及び結晶成長面部分１２ｂがｃ面の場合、（１０−１１）面がファセット面として成長する成長条件では、（１０−１１）面がファセット面であるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。この（１０−１１）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度は＋７．９３°である。従って、（１０−１１）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度を相殺するサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、ファセット面である（１０−１１）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。あるいは、（１０−１２）面がファセット面として成長する成長条件では、（１０−１２）面がファセット面であるｕ-ＧａＮそう１５が得られる。この（１０−１２）面の基板主面１２ａに対してなす角度は＋２６．７°である。従って、（１０−１１）面の成長と同様に、（１０−１２）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度を相殺するサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、ファセット面（１０−１２）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。また、これらミスカット基板、或いはミスカット基板でないサファイア基板１１を用い、成長し得られたｕ-ＧａＮ層１５を基板主面部分１２ａと平行となるように表面研磨することにより、（１０−１１）面ＧａＮが７．９３°オフしたＧａＮテンプレートを得ることができる。
【００５１】
図８（ｄ）に示すように、サファイア基板１１の基板主面部分１２ａが（１１−２１）面及び結晶成長面部分１２ｂがｃ面の場合、（１０−１１）面がファセット面であるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。この（１０−１１）面の基板主面部分１２ａに対してなす角度は＋１７．６６°である。従って、その角度を相殺するサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、ファセット面である（１０−１１）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。
【００５２】
図８（ｅ）に示すように、サファイア基板１１の基板主面部分１２ａが（１０−１１）面及び結晶成長面部分１２ｂがｃ面の場合、（１１−２１）面がファセット面であり且つ（１１−２１）面が基板主面部分１２ａに対して−０．５°傾斜した面であるｕ-ＧａＮ層１５が得られる。この−０．５°の角度を相殺するサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、さらに高品質な（１０−２１）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。
さらに、サファイア基板１１の基板主面部分１２ａが（１１−２１）面及び結晶成長面部分１２ｂがｃ面の場合、（２０−２１）面がファセット面であるｕ-ＧａＮ層１５の成長条件を選択すると、基板主面部分１２ａに対してなす角度が＋４．５３°の（２０−２１）ファセット面であるｕ-ＧａＮが得られる。従って、その角度を相殺するサファイア基板１１のミスカット基板を用いることにより、（２０−２１）面が主面であるｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。
【００５３】
上記を含むサファイア基板１１の面方位とｃ面の成す角、ＧａＮの面方位とｃ面の成す角、求めるＧａＮの面方位と各種面方位のサファイア基板の方位のずれを、表１〜４にまとめて示す。
【００５４】
【表１】
0005392855.tif 000002
【００５５】
【表２】
0005392855.tif 000003
【００５６】
【表３】
0005392855.tif 000004
【００５７】
【表４】
0005392855.tif 000005
【００５８】
半導体基板Ｓを得た後、その上に以下のようにして各半導体層を形成する。
【００５９】
＜ｎ型ＧａＮ層の形成＞
反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎ（以下、ガス流量は基準状態（０℃、１気圧）での値とする）の流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ４）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び１〜５×１０−３μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【００６０】
このとき、図７（ｂ）に示すように、ｕ-ＧａＮ層１５に連続してｎ型ＧａＮがｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位にエピタキシャル成長してｎ型ＧａＮ層１６が形成される。ｕ-ＧａＮ層１５上に成長させるｎ型ＧａＮ層１６の層厚さは約２〜１０μｍである。
【００６１】
＜多重量子井戸層の形成＞
サファイア基板１１の温度を８００℃程度とすると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＮ２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びIII族元素供給源２（ＴＭＩ）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び２〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。このとき、ｎ型ＧａＮ層１６に連続してＩｎＧａＮ層１７ａ（井戸層）が、ｎ型ＧａＮ層１６と同一面方位、従って、ｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位にエピタキシャル成長して形成される。ｎ型ＧａＮ層１６上に成長させるＩｎＧａＮ層１７ａの層厚さは１〜２０ｎｍである。
【００６２】
次いで、Ｖ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。このとき、ＩｎＧａＮ層１７ａに連続してＧａＮ層１７ｂ（障壁層）がＩｎＧａＮ層１７ａと同一面方位、従って、ｎ型ＧａＮ層１６及びｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位にエピタキシャル成長して形成される。ＩｎＧａＮ層１７ａ上に成長させるＧａＮ層１７ｂの層厚さは５〜２０ｎｍである。
【００６３】
そして、上記と同様の操作を交互に繰り返し、図７（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＮ層１７ａとＧａＮ層１７ｂとを交互に形成することにより多重量子井戸層１７を構成する。なお、多重量子井戸層１７の発光波長はＩｎＧａＮ層１７ａのＩｎＮ混晶比と層厚に依存し、同じ層厚であればＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。
【００６４】
上記いずれのＩｎＧａＮ層１７ａ及びＧａＮ層１７ｂもｎ型ＧａＮ層１６及びｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位の主面を有する。従って、構成１及び２のサファイア基板１１を用いた場合、ＧａＮ層１７ｂの主面は層厚さ方向に極性を有さない無極性面であり、その無極性面上にＩｎＧａＮ層１７ａを形成することとなるので、ピエゾ分極の影響を回避することができ、このピエゾ分極の影響の回避により、発光効率の低下や注入電流の増大にともなう発光のピーク波長シフトといった問題を改善することができる。特に、多重量子井戸層１７がＩｎＧａＮ層１７ａのＩｎＮ混晶比の高い緑色発光層（発光波長約５２０ｎｍの発光層）である場合、ピエゾ分極による影響を強く受けるので、顕著な改善効果を得ることができる。
【００６５】
なお、活性層内から後述のｐ型ＧａＮ層１８への電流リークを防ぐために活性層形成後にｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなる電流ブロック層を挿入してもよい。
【００６６】
＜ｐ型ＧａＮ層の形成＞
サファイア基板１１の温度を１０００〜１１００℃とすると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスのＨ２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、III族元素供給源（ＴＭＧ）、及びｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ２Ｍｇ）を、それぞれの供給量０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び０．０３〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。
【００６７】
このとき、図７（ｄ）に示すように、多重量子井戸層１７に連続してＧａＮがエピタキシャル成長してｐ型ＧａＮ層１８が形成される。多重量子井戸層１７上に成長させるｐ型ＧａＮ層１８の層厚さは約１００ｎｍである。
【００６８】
なお、ｐ型ＧａＮ層１８をドーピング元素の濃度が相異する複数の層で構成してもよい。
【００６９】
（半導体発光素子の形成）
図７（ｅ）に示すように、半導体層を積層形成したサファイア基板１１を部分的に反応性イオンエッチングすることによりｎ型ＧａＮ層１６を露出させた後、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法によりｎ型ＧａＮ層１６上にｎ型電極１９ｎ及びｐ型ＧａＮ層１８上にｐ型電極１９ｐをそれぞれ形成する。
【００７０】
ここで、ｎ型電極１９ｎの電極材料としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ等の積層構造、あるいは合金等が挙げられる。ｐ型電極１９ｐとしては、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等の積層構造、あるいは合金等、又はＩＴＯ（酸化インジウム錫）などの酸化物系透明導電材料が挙げられる。
【００７１】
そして、サファイア基板１１を劈開することにより矩形板状の各半導体発光素子１０に分断する。各半導体発光素子１０は、約３００×３００μｍである。
【００７２】
以上のようにして製造した半導体発光素子１０は、基板表面１２が、ＧａＮの結晶成長を阻止する結晶成長阻止層１３で表面被覆された基板主面部分１２ａ、及び基板主面部分１２ａとは面方位が異なると共に表面露出したＧａＮの結晶成長が可能な結晶成長面部分１２ｂを有するサファイア基板１１と、そのサファイア基板１１の基板表面１２における結晶成長面部分１２ｂを起点としてＧａＮが結晶成長することにより基板主面部分１２ａの法線方向に成長して形成されたｕ-ＧａＮ層１５とを備えた構成を有し、例えばＧａＮ系発光ダイオードやＧａＮ系半導体レーザとして使用される。
【００７３】
［実施形態２］
実施形態２に係る半導体発光素子１０の製造方法について図９〜１１に基づいて説明する。なお、実施形態１と同一名称の部分は実施形態１と同一符号で示す。
【００７４】
実施形態２に係る半導体発光素子１０の製造方法では、基板表面１２が、基板主面部分１２ａと、基板主面部分１２ａとは面方位が異なる結晶成長面部分１２ｂとを有するサファイア基板１１を用いる。
【００７５】
基板表面１２における基板主面部分１２ａは、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜（０００１）面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、若しくはｒ面＜｛１−１０２｝面＞であってもよく、又は他の面方位の結晶面であってもよい。例えば、基板主面部分１２ａは、ａ軸が基板主面部分１２ａの法線方向に対して所定の角度（例えば４５°や６０°、あるいは数度以内の微小角）傾斜したミスカット面であっても、つまり、サファイア基板１１がミスカット基板であってもよい。なお、ａ面、ｃ面、及びｍ面は面方位が相互に直交する。
【００７６】
基板表面１２における結晶成長面部分１２ｂは、基板主面部分１２ａと面方位が異なれば、ａ面＜｛１１−２０｝面＞、ｃ面＜（０００１）面＞、ｍ面＜｛１−１００｝面＞、若しくはｒ面＜｛１−１０２｝面＞であってもよく、又はＧａＮの結晶成長が可能な他の面方位の結晶面であってもよい。
【００７７】
結晶成長面部分１２ｂとしては、例えば、実施形態１と同様にサファイア基板１１上に延びるように形成された凹溝１４の側面で構成することを挙げることができる。
【００７８】
凹溝１４は、側面（エッチング加工側面）を有せば、コの字溝、Ｖ字溝、又は台形溝であってもよい。凹溝１４は、溝開口幅に特に制限はないが０．５〜１０μｍが望ましく、及び溝深さが０．７５〜１００μｍである。凹溝１４は、溝側面の基板主面部分１２ａに対してなす角度Θが例えば７０〜１２０°であり、従って、溝側面の傾斜は、図９（ａ）に示すように、溝底から溝開口に向かって溝幅を広げるように外向きに傾斜したテーパ状であってもよく、また、図９（ｂ）に示すように、溝底から溝開口に向かって溝幅を狭めるように内向きに傾斜した逆テーパ状であってもよい。但し、上記角度は上記側面からのＧａＮの結晶成長ができればその限りではない。例えば、側面がｃ面サファイアに近い構成であり、そこからｃ面ＧａＮを成長させる場合、積層欠陥や転位などの欠陥の終端を表面に至らせないことによって表面に現れる欠陥を減じる観点からは、溝側面の基板主面部分１２ａに対してなす角度Θはｃ面の基板主面部分１２ａに対してなす角度Φよりも大きいことが好ましい。また、凹溝１４が底面を有する場合、底面からのＧａＮの結晶成長を抑制する観点から、溝深さは溝開口幅の１．５倍以上であることが好ましい。凹溝１４は、１本だけが形成されていてもよく、また、複数本並列して形成されていてもよい。凹溝１４が複数本並列して形成されている場合、溝間の間隔、つまり、相互に隣接する凹溝１４間における基板主面部分１２ａの間隔は１〜１００μｍである。かかる凹溝１４は、サファイア基板１１の凹溝形成予定部分だけが開口部となるフォトレジストのパターニング形成し、フォトレジストをエッチングレジストとしてサファイア基板１１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング或いはウエットエッチングをすることにより形成することができる。
【００７９】
ここで、サファイア基板１１の選定及び凹溝１４の延びる方向の設定により実施形態１と同様に種々の側面の構成を得ることができる。
【００８０】
具体的には、例えば、サファイア基板１１として、図１０に示すように、基板主面部分１２ａがｒ面である基板、或いは、ｒ面がａ軸（［１１−２０］軸）を回転軸としてオフ角度θ１（例えばθ１＝−５〜５°）だけ回転し及び／又は［−１１０１］軸を回転軸としてオフ角度θ２（例えばθ２＝−５〜５°）だけ回転した面であり、断面台形状の凹溝１４の延びる方向がａ面の面方位、つまり、ａ軸方向であって、その側面の一方がｒ軸に対する傾斜角度が５７±２０°である結晶成長面部分１２ｂであるミスカット基板が挙げられる。５７°はｒ面とｃ面とがなす角であり、側面とｃ面とのなす角度は±２０°まで許容されるが、結晶成長が起こる範囲でこの角度の範囲は限定されるものではない。また、サファイア基板１１として、基板主面部分１２ａが（１１−２２）面である基板、或いは、そのミスカット面であるミスカット基板が挙げられる。なお、オフ角度とは、基板主面部分１２ａと基板主面の結晶面とがなす角度である。つまり、基板主面部分１２ａが（１−１０２）面或いはそのミスカット面の場合は基板主面と（１−１０２）面とがなす角度であり、基板主面部分１２ａが（１１−２２）面或いはそのミスカット面の場合は基板主面と（１１−２２）面とがなす角度である。さらに、サファイア基板１１として、基板主面部分１２ａがａ面である基板、或いは、そのミスカット面であるミスカット基板が挙げられる。いずれの場合も結晶成長面部分１２ｂである一方の側面は、ＧａＮのｃ面成長が可能な面であることが好ましく、ｃ面であることがより好ましい。
【００８１】
そして、実施形態２に係る半導体発光素子１０の製造方法では、実施形態１と同様に、上記で準備したサファイア基板１１の基板表面１２における結晶成長面部分１２ｂを起点としてＧａＮを結晶成長させることにより基板主面部分１２ａの法線方向に成長するようにｕ-ＧａＮ層１５を形成して半導体基板Ｓを得る。
【００８２】
例えば、基板主面部分１２ａが（１−１０２）面或いはそのミスカット面であって、結晶成長面部分１２ｂである凹溝１４の一方の側面がＧａＮのｃ面成長が可能な面であるサファイア基板１１を用いた場合、ＧａＮは基板主面部分１２ａ及び結晶成長面部分１２ｂのそれぞれを起点として結晶成長する。しかしながら、基板主面部分１２ａからの結晶成長速度よりも結晶成長面部分１２ｂからの結晶成長速度の方が速い条件を選択することにより、基板主面部分１２ａの法線方向への層の成長は結晶成長面部分１２ｂからのＧａＮの結晶成長が優先することとなり、結果として、図１１に示すように、ｕ-ＧａＮ層１５の主面は半極性面である｛１１−２２｝面となる。このとき、結晶成長面部分１２ｂを起点とするＧａＮは、そのｍ軸がサファイア基板１１のａ軸に及びａ軸がサファイア基板１１のｍ軸にそれぞれ沿うようにｃ面成長する。同様に、基板主面部分１２ａが（１１−２２）面或いはそのミスカット面であって、結晶成長面部分１２ｂである凹溝１４の一方の側面がＧａＮのｃ面成長が可能な面であるサファイア基板１１を用いた場合、成長条件を適正に選ぶことによりｕ-ＧａＮ層１５の主面は半極性面である（１０−１２）面或いは（１０−１１）面が得られる。
【００８３】
半導体基板Ｓを得た後、その上にｎ型ＧａＮ層１６、発光層である多重量子井戸層１７、及びｐ型ＧａＮ層１８、並びにｐ型電極１９ｐ、及びｎ型電極１９ｎを形成する。それぞれの形成方法は実施形態１と同一である。
【００８４】
［実施形態３］
実施形態３に係る半導体発光素子１０の製造方法について図１２〜１６に基づいて説明する。なお、実施形態１と同一名称の部分は実施形態１と同一符号で示す。
【００８５】
（サファイア基板の準備）
実施形態３に係る半導体発光素子１０の製造方法では、基板表面１２が、基板主面部分１２ａとそれとは面方位が異なる表面露出した結晶成長面部分１２ｂとを有するサファイア基板１１を用いる。サファイア基板１１は、ＧａＮ基板に比較してコストが圧倒的に低く、また、Ｓｉ基板に比較して光透過性を考慮したデバイス性能が圧倒的に優れるものとなる。
【００８６】
ここで、サファイア基板１１は、Ａｌ２Ｏ３のコランダム構造の単結晶の円盤状に形成されており、直径によっても変わるが厚さが０．３〜３．０ｍｍ、及び直径が５０〜３００ｍｍである。なお、直径５０ｍｍのサファイア基板１１の場合では、１枚のサファイア基板１１上に５０００〜１２０００個の半導体発光素子１０を作り込むことができる。
【００８７】
基板表面１２における基板主面部分１２ａはｒ面又は（１１−２２）面である。ここで、本出願における基板主面部分１２ａのｒ面には、｛１−１０２｝面の他、｛１−１０２｝面がａ軸（［１１−２０］軸）を回転軸としてオフ角度θ１（例えばθ１＝−５〜５°）だけ回転し及び／又は［−１１０１］軸を回転軸としてオフ角度θ２（例えばθ２＝−５〜５°）だけ回転したミスカット面も含まれる。また、同様に、本出願における基板主面部分１２ａの（１１−２２）面には、そのミスカット面も含まれる。つまり、サファイア基板１１はミスカット基板であってもよい。なお、オフ角度とは、基板主面部分１２ａと基板主面近くの結晶面とがなす角度である。つまり、ｒ面の場合は基板主面部分１２ａと（１−１０２）面とがなす角度であり、（１１−２２）面の場合は基板主面部分１２ａと（１１−２２）面とがなす角度である。
【００８８】
基板表面１２における結晶成長面部分１２ｂは、基板主面部分１２ａと面方位が異なると共にＧａＮのｃ面成長が可能な面である。
【００８９】
結晶成長面部分１２ｂとしては、例えば、基板主面部分１２ａがｒ面の場合、図１２に示すように、サファイア基板１１上にａ面の面方位、つまり、ａ軸方向に延びるように形成された断面台形状の凹溝１４の一方の側面（図１２における左側面）で構成することを挙げることができる。また、基板主面部分１２ａが（１１−２２）面の場合も同様にｍ軸方向に延びるように形成した凹溝１４の一方の側面により結晶成長面部分１２ｂを構成することができる。
【００９０】
凹溝１４は、溝開口幅に特に制限はないが０．５〜１０μｍが望ましく、及び溝深さが０．７５〜１０μｍである。凹溝１４は、１本だけが形成されていてもよく、また、複数本が並列して形成されていてもよい。凹溝１４が複数本並列して形成されている場合、溝間の間隔、つまり、相互に隣接する凹溝１４間における基板主面部分１２ａの間隔は１〜１００μｍである。かかる凹溝１４は、サファイア基板１１の基板表面１２に、凹溝形成予定部分だけが開口部となるフォトレジストのパターニング形成をし、フォトレジストをエッチングレジストとしてサファイア基板１１を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のドライエッチング或いはウエットエッチングをすることにより形成することができる。
【００９１】
結晶成長面部分１２ｂである凹溝１４の一方の側面は、ｃ面＜（０００１）面＞であることが好ましく、基板主面部分１２ａがｒ面の場合、基板主面部分１２ａに対してなす角度が例えば５７±２０°であることが望ましい。５７°はｒ面とｃ面とがなす角であり、側面とｃ面とのなす角度は±２０°まで許容されるが、結晶成長が起こる範囲でこの角度の範囲は限定されるものではない。
【００９２】
基板主面部分１２ａ、凹溝１４の他方の側面１２ｃ及び底面は、図１２に示すように、結晶成長阻止層１３で表面被覆されていることが好ましい。ｒ面又は（１１−２２）面のようにｃ軸が傾斜した主面を有するサファイア基板１１では、基板主面部分１２ａ、凹溝１４の他方の側面１２ｃ及び底面に、結晶成長面部分１２ｂである凹溝１４の一方の側面とは異なる面が露出することとなる。そのため、それらの面から同時にＧａＮが結晶成長するとサファイア基板１１の主面の法線方向には様々な面が混在したｕ-ＧａＮ層１５が成長することになる。しかしながら、上記のように凹溝１４の一方の側面１２ｂ以外の基板主面部分１２ａ、凹溝１４の他方の側面１２ｃ及び底面が結晶成長阻止層１３で表面被覆されていれば、結晶成長面部分１２ｂである一方の側面のみからの結晶成長が起こり、サファイア基板１１の主面の法線方向には様々な面が混在したＧａＮが結晶成長することなく、単一の半極性面のｕ-ＧａＮ層１５が成長可能となる。
【００９３】
結晶成長阻止層１３としては、例えば、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｚｒ等の酸化物膜や窒化物膜、具体的には、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮｘ膜、ＳｉＯｘＮy膜、ＴｉＯ２膜、ＺｒＯ２膜等が挙げられる。結晶成長阻止層１３は、厚さが０．０１〜３μｍである。かかる結晶成長阻止層１３は、サファイア基板１１に対して、例えば、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法により形成することができる。なお、結晶成長阻止層１３を単一層で構成してもよく、また、複数層で構成してもよい。
【００９４】
なお、サファイア基板１１は、図１３に示すように、基板主面部分１２ａのみが結晶成長阻止層１３で表面被覆され、凹溝１４の両側面及び底面が表面露出した構成であってもよく、図１４に示すように、結晶成長阻止層１３が設けられておらず、基板表面１２全面が表面露出した構成であってもよい。これらの場合、結晶成長条件の最適化により単一の半極性面のｕ-ＧａＮ層１５を選択的に成長させることが可能である。
【００９５】
凹溝１４の両側面が表面露出する場合には、結晶成長面部分１２ｂである一方の側面とは異なる他方の側面１２ｃが露出することにより、両側面から同時にＧａＮが結晶成長するとサファイア基板１１の主面の法線方向には様々な面が混在したＧａＮが結晶成長することになるため、結晶成長面部分１２ｂである一方の側面からの結晶成長が優先的に起こるように結晶成長条件を選択することが好ましい。また、結晶成長面部分１２ｂである一方の側面とは異なる他方の側面１２ｃが露出する場合には、結晶成長面部分１２ｂである一方の側面からｃ-ＧａＮが優先的に結晶成長する結晶成長条件を選択することが好ましく、また逆に、他方の側面１２ｃからは結晶成長しない結晶成長条件を選択することが望ましい。
【００９６】
（半導体層の形成）
実施形態３に係る半導体発光素子１０の製造方法では、上記で準備したサファイア基板１１の基板表面１２における結晶成長面部分１２ｂを起点としてＧａＮを結晶成長させることにより基板主面部分１２ａの法線方向に半極性面ＧａＮ（例えば、（１１−２２）半極性面又は（１０−１２）半極性面）の層を成長させ、それによりサファイア基板１１上に主面が半極性面であるｕ-ＧａＮ層１５を形成して半導体基板Ｓを得た後、その上にｎ型ＧａＮ層１６、発光層である多重量子井戸層１７、及びｐ型ＧａＮ層１８を順に形成する。
【００９７】
ここで、これらの半導体層の形成方法としては、有機金属気相成長法（Metal Organic Ｖapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）が挙げられ、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した半導体層の形成方法について説明する。
【００９８】
半導体層の形成に用いられるＭＯＶＰＥ装置は、大きくは基板搬送系、基板加熱系、ガス供給系、及びガス排気系から構成され、全て電子制御される。基板加熱系は、熱電対及び抵抗加熱ヒータ、並びにその上に設けられた炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタで構成され、そして、そのサセプタの上にサファイア基板１１をセットした石英トレイが搬送され、半導体層のエピタキシャル成長が行われる。この基板加熱系は、水冷機構を備えた石英製の二重管内或いはステンレス製の反応容器内に設置され、その二重管或いは反応容器内にキャリアガス及び各種原料ガスが供給される。特にステンレス反応容器を使う場合は、基板上に層流のガスの流れを実現するために、石英製のフローチャネルを用いる。
【００９９】
キャリアガスとしては、例えば、Ｈ２、Ｎ２が挙げられる。Ｖ族元素供給源としては、例えば、ＮＨ３が挙げられる。III族元素供給源としては、例えば、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）等が挙げられる。ｎ型ドーピング元素供給源としては、例えば、ＳｉＨ４（シラン）、Ｓｉ２Ｈ６（ジシラン）、ＧｅＨ４（ゲルマン）等が挙げられる。ｐ型ドーピング元素供給源としては、例えば、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）が挙げられる。
【０１００】
＜ｕ-ＧａＮ層の形成＞
まず、サファイア基板１１を基板表面１２が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、サファイア基板１１を１０５０〜１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてＨ２を流通させ、その状態を数分間保持することによりサファイア基板１１をサーマルクリーニングする。
【０１０１】
次いで、サファイア基板１１の温度を１０５０〜１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ２を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【０１０２】
このとき、図１５に示すように、サファイア基板１１の基板表面１２における基板主面部分１２ａを含む結晶成長阻止層１３で表面被覆された部分ではＧａＮの結晶成長は起こらないが、一方、基板主面部分１２ａがｒ面の場合、基板表面１２に露出した結晶成長面部分１２ｂを起点として、その上にアンドープのＧａＮが、そのｍ軸がサファイア基板１１のａ軸に及びａ軸がサファイア基板１１のｍ軸にそれぞれ沿うようにｃ面成長する。そして、その結晶成長により基板主面部分１２ａの法線方向にＧａＮの層の成長が進展し、図１６（ａ）に示すように、サファイア基板１１上に主面が半極性｛１１−２２｝面であるｕ-ＧａＮ層（アンドープＧａＮ層）１５が形成される。また、基板主面部分１２ａが（１１−２２）面の場合には、適切なミスカット面を使い、成長条件を選ぶことにより、主面が半極性（１０−１２）面であるｕ-ＧａＮ層１５、或いは（１０−１１）面であるｕ-ＧａＮ層１５が形成されて半導体基板Ｓが得られる。結晶成長阻止層１３上に成長させるｕ-ＧａＮ層１５の層厚さは約２〜２０μｍである。なお、ｕ-ＧａＮ層１５を形成させる前に、結晶成長面部分１２ｂ上に厚さ２０〜３０ｎｍ程度の低温バッファ層を形成することが好ましい。
【０１０３】
ｕ-ＧａＮ層１５は、凹溝１４の側面により結晶成長面部分１２ｂが構成され、凹溝１４が間隔をおいて並行に延びるように複数形成されている場合、各凹溝１４から結晶成長した複数の帯状のＧａＮ結晶の集合体によって、或いは、各凹溝１４から結晶成長した帯状のＧａＮ結晶が会合して連なった一体物によって構成される。凹溝１４の側面により結晶成長面部分１２ｂが構成されている場合、ＧａＮの結晶成長により凹溝１４が埋まってもよく、また、ボイドが残ってもよい。
【０１０４】
主面が半極性面であるｕ-ＧａＮ層１５のこのような形成方法は、サファイア基板１１を出発材料として用い、その基板表面１２の基板主面部分１２ａとは面方位が異なる結晶成長面部分１２ｂを起点としてＧａＮをｃ面成長させ、それによって基板主面部分１２ａの法線方向に半極性面ＧａＮの層を成長させるので、主面が半極性面であるｕ-ＧａＮ層１５を容易に形成することができ、加えて、選択横方向成長技術により一回の結晶成長で欠陥の少ないｕ-ＧａＮ層１５を得ることができる。また、主面がｒ面であるサファイア基板１１も主面が（１１−２２）面であるサファイア基板１１も、さらにこれらのミスカット基板も入手は特段困難ではなく、それ故、かかる主面が半極性面であるｕ-ＧａＮ層１５を比較的安価に、しかも大面積で形成することができる。
【０１０５】
また、ｕ-ＧａＮ層１５の主面は半極性面となるが、これによりｕ-ＧａＮ層１５が自発分極や圧電分極による分極効果を低減させることとなり、それによる半導体発光素子１０の高効率化を期待することができ、加えて、ｕ-ＧａＮ層１５がその主面の法線方向に進む光に対して偏光特性を有するため、半導体発光素子１０を例えば液晶表示装置のバックライトとして使用することができ、その場合の消費電力の低減を期待することができる。
【０１０６】
さらに、基板主面部分１２ａ等が０．２μｍ以上の厚い結晶成長阻止層１３で表面被覆されている場合には、ＧａＮの成長初期に生じるｍ軸、或いはａ軸方向に延在する転位を結晶成長阻止層１３が止めることを期待することができる。
【０１０７】
また、図１４に示すような、結晶成長阻止層１３が設けられておらず、基板表面１２全面が表面露出したサファイア基板１１を用いた場合には、ＧａＮは基板主面部分１２ａ及び結晶成長面部分１２ｂのそれぞれを起点として結晶成長する。しかしながら、基板主面部分１２ａからの結晶成長速度よりも結晶成長面部分１２ｂからの結晶成長速度の方が速い条件を選ぶことにより、基板主面部分１２ａの法線方向へのＧａＮの結晶成長は結晶成長面部分１２ｂからのものが優先することとなり、結果として、ｕ-ＧａＮ層１５の主面は半極性｛（１１−２２）｝面又は半極性（１０−１２）面、或いは半極性（１０−１１）面となる。
【０１０８】
半導体基板Ｓを得た後、その上に以下のようにして各半導体層を形成する。
【０１０９】
＜ｎ型ＧａＮ層の形成＞
反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎ（以下、ガス流量は基準状態（０℃、１気圧）での値とする）の流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ４）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び１〜５×１０−３μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。
【０１１０】
このとき、図１６（ｂ）に示すように、ｕ-ＧａＮ層１５に連続してｎ型ＧａＮがｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位にエピタキシャル成長してｎ型ＧａＮ層１６が形成される。ｕ-ＧａＮ層１５上に成長させるｎ型ＧａＮ層１６の層厚さは約２〜１０μｍである。
【０１１１】
＜多重量子井戸層の形成＞
サファイア基板１１の温度を８００℃程度とすると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＮ２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、III族元素供給源１（ＴＭＧ）、及びIII族元素供給源２（ＴＭＩ）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び２〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。このとき、ｎ型ＧａＮ層１６に連続してＩｎＧａＮ層１７ａ（井戸層）が、ｎ型ＧａＮ層１６と同一面方位、従って、ｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位にエピタキシャル成長して形成される。ｎ型ＧａＮ層１６上に成長させるＩｎＧａＮ層１７ａの層厚さは１〜２０ｎｍである。
【０１１２】
次いで、Ｖ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び５〜１５μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。このとき、ＩｎＧａＮ層１７ａに連続してＧａＮ層１７ｂ（障壁層）がＩｎＧａＮ層１７ａと同一面方位、従って、ｎ型ＧａＮ層１６及びｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位にエピタキシャル成長して形成される。ＩｎＧａＮ層１７ａ上に成長させるＧａＮ層１７ｂの層厚さは５〜２０ｎｍである。
【０１１３】
そして、上記と同様の操作を交互に繰り返し、図１６（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＮ層１７ａとＧａＮ層１７ｂとを交互に形成することにより多重量子井戸層１７を構成する。なお、多重量子井戸層１７の発光波長はＩｎＧａＮ層１７ａのＩｎＮ混晶比と層厚に依存し、同じ層厚であればＩｎＮ混晶比が高いほど発光波長は長波長となる。
【０１１４】
上記いずれのＩｎＧａＮ層１７ａ及びＧａＮ層１７ｂもｎ型ＧａＮ層１６及びｕ-ＧａＮ層１５と同一面方位の主面を有する。従って、ＧａＮ層１７ｂの主面は半極性面であり、その半極性面上にＩｎＧａＮ層１７ａを形成することとなるので、ピエゾ分極の影響を低減することができ、このピエゾ分極の影響の低減により、発光効率の低下や注入電流の増大にともなう発光のピーク波長シフトといった問題を改善することができる。特に、多重量子井戸層１７がＩｎＧａＮ層１７ａのＩｎＮ混晶比の高い緑色発光層（発光波長約５２０ｎｍの発光層）である場合、ピエゾ分極による影響を強く受けるので、顕著な改善効果を得ることができる。
【０１１５】
なお、活性層内から後述のｐ型ＧａＮ層１８への電流リークを防ぐために活性層形成後にｐ型ＡｌＧａＩｎＮからなる電流ブロック層を挿入してもよい。
【０１１６】
＜ｐ型ＧａＮ層の形成＞
サファイア基板１１の温度を１０００〜１１００℃とすると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスのＨ２を５〜１５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、III族元素供給源（ＴＭＧ）、及びｐ型ドーピング元素供給源（Ｃｐ２Ｍｇ）を、それぞれの供給量０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、５０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び０．０３〜３０μｍｏｌ／ｍｉｎ流す。
【０１１７】
このとき、図１６（ｄ）に示すように、多重量子井戸層１７に連続してＧａＮがエピタキシャル成長してｐ型ＧａＮ層１８が形成される。多重量子井戸層１７上に成長させるｐ型ＧａＮ層１８の層厚さは約１００ｎｍである。
【０１１８】
なお、ｐ型ＧａＮ層１８をドーピング元素の濃度が相異する複数の層で構成してもよい。
【０１１９】
（半導体発光素子の形成）
図１６（ｅ）に示すように、半導体層を積層形成したサファイア基板１１を部分的に反応性イオンエッチングすることによりｎ型ＧａＮ層１６を露出させた後、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法によりｎ型ＧａＮ層１６上にｎ型電極１９ｎ及びｐ型ＧａＮ層１８上にｐ型電極１９ｐをそれぞれ形成する。
【０１２０】
ここで、ｎ型電極１９ｎの電極材料としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｍｏ／Ａｕ、Ｈｆ／Ａｕ等の積層構造、あるいは合金等が挙げられる。ｐ型電極１９ｐとしては、例えば、Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ｍｏ／Ａｕ等の積層構造、あるいは合金等、又はＩＴＯなどの酸化物系透明導電材料が挙げられる。
【０１２１】
そして、サファイア基板１１を劈開することにより矩形板状の各半導体発光素子１０に分断する。各半導体発光素子１０は、約３００μｍ×３００μｍである。
【０１２２】
以上のようにして製造した半導体発光素子１０は、基板表面１２が、ｒ面の基板主面部分１２ａとそれとは面方位が異なると共にＧａＮのｃ面成長が可能な結晶成長面部分１２ｂとを有するサファイア基板１１と、サファイア基板１１の基板表面１２ａにおける結晶成長面部分１２ｂを起点としてＧａＮが結晶成長して基板主面部分１２ａの法線方向に成長するように形成された半極性面ＧａＮ層１５とを備えた構成を有し、例えばＧａＮ系発光ダイオードやＧａＮ系半導体レーザとして使用される。
【０１２３】
［その他の実施形態］
なお、上記実施形態１〜３では、半導体発光素子１０としたが、特にこれに限定されるものではなく、トランジスタ、太陽電池等の他の電子デバイスであってもよい。
【０１２４】
上記実施形態１〜３では、サファイア基板１１を有する半導体発光素子１０としたが、特にこれに限定されるものではなく、サファイア基板１１の基板表面１２における基板主面部分１２ａの法線方向に結晶成長して形成されたＧａＮ層をサファイア基板１１から分離してＧａＮ基板の半導体基板とし、その上に半導体層を形成したものであってもよい。上記のようにサファイア基板１１上に結晶成長して形成されたＧａＮ層をサファイア基板１１から分離したＧａＮ基板の半導体基板では、従来の無極性面或いは半極性面のＧａＮ基板に対して以下の特徴を有する。まず、厚膜成長したｃ面ＧａＮを縦方向にＧａＮ基板を切り出す従来法では、面積の小さい基板しか得られなかったのに対し、上記ＧａＮ基板は、サファイア基板と同じ大きさのものとなり、従って、大面積のものも得ることができる。また、ｒ面サファイア基板、あるいはｍ面サファイア基板上にヘテロエピタキシャル成長することによって作製する第二の従来法では、転位密度及び積層欠陥密度が高いという問題点があったのに対し、上記ＧａＮ基板は、基板主面の法線方向への転位の伝搬を抑える形態になるので、転位密度が１×１０８ｃｍ−２以下、積層欠陥密度が１×１０２ｃｍ−１以下の高品質のものとなる。
【実施例】
【０１２５】
［実験例１］
（サンプル基板）
＜サンプル基板１＞ 
ａ面を主面とするサファイア基板上にｍ軸方向に延びるようにストライプ状にレジストをパターンニングし、次いで、スパッタリング法により約２００ｎｍの厚さのＳｉＯ２の層を積層形成し、さらにその上に電子ビーム蒸着法（ＥＢ法）により厚さ約５００ｎｍのＮｉの層を積層形成した後、レジストを溶解し（リフトオフ法）、Ｎｉ（上側）／ＳｉＯ２（下側）なる積層構造のエッチングレジストパターンを形成した。このＮｉ／ＳｉＯ２をエッチングレジストとし、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりドライエッチングしてサファイア基板上にｍ軸方向に並行に延びる複数の断面コの字状の凹溝を形成した。凹溝は、溝開口幅が２μｍ、溝深さが約５μｍ、及び隣接する凹溝までの基板主面部分の間隔が４μｍとなるように形成した。ドライエッチングの後、Ｎｉ層を酸系エッチャントにより除去し、この凹溝を形成加工したサファイア基板をサンプル基板１とした。このサンプル基板１は、基板表面が、ＳｉＯ２層により構成された結晶成長阻止層で表面被覆された基板主面部分と、ｃ面である凹溝の側面により構成された表面露出した結晶成長面部分と、を有する。【０１２６】
＜サンプル基板２＞
溝開口幅が３μｍ、溝深さが約５μｍ、及び隣接する凹溝までの基板主面部分の間隔が３μｍとなるように凹溝を形成したことを除いて、サンプル基板１と同様に凹溝を形成加工したサファイア基板をサンプル基板２とした。【０１２７】
（ｕ-ＧａＮ層の形成）
＜実施例１＞
サンプル基板１について、ＭＯＶＰＥ装置において、基板表面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、基板を１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスとしてＨ２を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させ、その状態を１０分間保持することにより基板をサーマルクリーニングした。【０１２８】
次いで、基板の温度を４６０℃とすると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ２１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が５Ｌ／ｍｉｎ及び８μｍｏｌ／ｍｉｎで凹溝の側面の結晶成長面部分に低温バッファ層約３０ｎｍを形成した。【０１２９】
続いて、基板の温度を１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ２として、それを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が５Ｌ／ｍｉｎ及び１００μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように（Ｖ族元素／III族元素の供給モル比＝２１９０）１０分間流し、低温バッファ層の上にＧａＮ（アンドープＧａＮ）を結晶成長させることにより基板主面部分の法線方向に成長するように基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１３０】
＜実施例２＞
サンプル基板２について、実施例１と同様の操作を行って基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１３１】
＜実施例３＞
サンプル基板１について、ＧａＮの結晶成長時の反応容器内の圧力を１３ｋＰａ、並びにＶ族元素供給源（ＮＨ３）及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）の供給量をそれぞれ０．７Ｌ／ｍｉｎ及び１００μｍｏｌ／ｍｉｎ（Ｖ族元素／III族元素の供給モル比＝３１０）としたことを除いて実施例１と同様の操作を行って基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１３２】
＜実施例４＞
サンプル基板２について、実施例３と同様の操作を行って基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１３３】
（試験結果）
実施例１〜４のそれぞれで得られたｕ-ＧａＮ層について、Ｘ線回折装置を用いてω／２θスキャン測定することにより分析したところ、いずれについてもｕ-ＧａＮ層の主面にｍ面のピークが観測され、サファイア基板の基板表面における基板主面部分の法線方向にｍ面が結晶成長していることが確認された。【０１３４】
また、実施例３及び４で得られたｕ-ＧａＮ層では、帯状のＧａＮ結晶が会合して連なった一体物のｕ-ＧａＮ層を構成する傾向が見られたが、これは、ＧａＮの結晶成長時の圧力を１３ｋＰａとし、また、結晶成長時間を長くしたことによるためであると考えられる。特に、減圧下で結晶成長させることによる影響が大きいものと考えられる。【０１３５】
［実験例２］
（ｕ-ＧａＮ層形成基板）
＜実施例５＞
ｒ面を主面とするサファイア基板上にａ軸方向に延びるようにストライプ状にレジストをパターンニングし、次いで、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりドライエッチングしてサファイア基板上にａ軸方向に並行に延びる複数の断面台形状の凹溝を形成した。凹溝は、溝開口幅が約３μｍ、溝深さが約１μｍ、及び溝底面幅が約２μｍ、並びに隣接する凹溝までの基板主面部分の間隔が約３μｍとなるように形成した。ドライエッチングの後にレジストを除去した。【０１３６】
このサファイア基板について、ＭＯＶＰＥ装置において、基板表面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、サファイア基板を１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスとしてＨ２を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させ、その状態を１０分間保持することにより基板をサーマルクリーニングした。【０１３７】
次いで、サファイア基板の温度を４６０℃とすると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ２１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が５Ｌ／ｍｉｎ及び８μｍｏｌ／ｍｉｎで凹溝の側面の結晶成長面部分に低温バッファ層約３０ｎｍを形成した。【０１３８】
続いて、基板の温度を１０００℃とすると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ２として、それを１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ３）、及びIII族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が５Ｌ／ｍｉｎ及び１００μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように（Ｖ族元素／III族元素の供給モル比＝２１９０）１０分間流し、低温バッファ層の上にＧａＮ（アンドープＧａＮ）を結晶成長させることにより基板主面部分の法線方向に成長するように基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１３９】
＜実施例６＞
ｃ軸方向へのオフ角度θ２がｃ面に近づく方向をプラスとして−１°であるサファイア基板のミスカット基板を用いたことを除いて実施例１と同様にサファイア基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１４０】
＜実施例７＞
オフ角度θ２が−０．５°であるサファイア基板のミスカット基板を用いたことを除いて実施例１と同様にサファイア基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１４１】
＜実施例８＞
オフ角度θ２が＋０．５°であるサファイア基板のオフカット基板を用いたことを除いて実施例１と同様にサファイア基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１４２】
＜実施例９＞
オフ角度θ２が＋１°であるサファイア基板のオフカット基板を用いたことを除いて実施例１と同様にサファイア基板上にｕ-ＧａＮ層を形成した。【０１４３】
（試験結果）
実施例５〜９のそれぞれで得られたｕ-ＧａＮ層について、表面のノルマルスキー顕微鏡観察及び走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、オフ角度θ２が大きくなるに従って表面の凹凸が多いことが分かった。【０１４４】
実施例５〜９のそれぞれで得られたｕ-ＧａＮ層について、Ｘ線回折装置を用いて、（１１−２２）面のｃ軸入射、（１１−２２）面のｍ軸入射、及びｃ面反射のそれぞれの方向からＸ線を照射したときの半値全幅（ＦＷＨＭ）を求めたところ、図１７に示す結果が得られた。図１７によれば、（１１−２２）面のｃ軸入射の場合、オフ角度θ２が小さくなるに従って結晶性が高くなる傾向が伺える。（１１−２２）面のｍ軸入射及びｃ面反射の場合、オフ角度θ２が−０．５°のときに最も結晶性が高いことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明は、半導体基板及びその製造方法、並びにそれを用いた電子デバイス及び半導体発光素子について有用である。
【符号の説明】
【０１４６】
Ｓ  半導体基板
１０  半導体発光素子
１１  サファイア基板
１２  基板表面
１２ａ  基板主面部分
１２ｂ  結晶成長面部分
１３  結晶成長阻止層
１４  凹溝
１５  ｕ-ＧａＮ層（半極性面ＧａＮ層）
１７  多重量子井戸層
１７ａ  ＩｎＧａＮ層（量子井戸層）
１７ｂ  ＧａＮ層（障壁層）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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