(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法であって、
該基板上にその成長表面の形状がクレーター、又は凸型の斜面となるように第１の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
該第１の窒化物半導体層の成長表面のクレーター、又は凸型の斜面による高低差を埋めて平坦な表面となるように第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
該第２の窒化物半導体層上にその成長表面の形状がクレーター、又は凸型の斜面となるように第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、
該第３の窒化物半導体層の成長表面のクレーター、又は凸型の斜面による高低差を埋めて平坦な表面となるように第４の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程とを有し、
前記第１の窒化物半導体層、及び／又は、第３の窒化物半導体層の成長表面におけるクレーター、又は凸型の斜面の高低差が５μｍ以上１００μｍ以下に形成する
ことを特徴とする窒化物半導体基板の成長方法。
【請求項２】
前記基板が異種基板であって、異種基板と前記第１の窒化物半導体層との間に下地層を形成する請求項１記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【請求項３】
前記下地層が少なくとも第１の下地層と第２の下地層からなり、第１の下地層が３００℃以上９００℃以下の低温で、
第２の下地層が９００℃以上１１００℃以下の第１の下地層よりも高温で成長させる請求項２記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【請求項４】
前記第１の下地層と第２の下地層が組成の異なる窒化物半導体を成長させる請求項３記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【請求項５】
前記異種基板を窒化物半導体基板から除去する請求項２乃至４記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【請求項６】
前記第１の窒化物半導体層を成長速度Ｒ１、成長温度Ｔ１で、
前記第２の窒化物半導体層を成長速度Ｒ２、成長温度Ｔ２で、
前記第３の窒化物半導体層を成長速度Ｒ３、成長温度Ｔ３で、
前記第４の窒化物半導体層を成長速度Ｒ４、成長温度Ｔ４で形成するにおいて、
前記成長速度がＲ１，Ｒ３＞Ｒ２，Ｒ４の関係であり、かつ、前記成長温度がＴ１，Ｔ３≦Ｔ２，Ｔ４の関係を有する請求項１乃至５に記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【請求項７】
前記Ｒ１、及び／又は、Ｒ３が０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上である請求項６記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子、あるいは太陽電池、光センサー等の受光素子、又は電子デバイスなどに使用される窒化ガリウム系化合物半導体素子（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）を有する窒化ガリウム系化合物半導体基板、及びその成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、窒化物半導体基板を用いた青色から紫外域にかけての短波長、また白色発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）が注目されている。半導体レーザは、ＤＶＤなど、大容量・高密度の情報記録・再生が可能なディスクシステムへの利用に対する要求が高まりを見せている。そのため、このようなＬＥＤ及びＬＤ等への利用、その他に受光素子、電子デバイスへの応用が期待される窒化物半導体基板を単結晶で得る方法が種々検討されている。
【０００３】
この窒化物半導体基板として例えばＧａＮをバルク単結晶で得る方法には高圧法などがあるものの、実用化には至っていない。そのため、窒化物半導体とは異なるサファイア等の基板を用い、この基板上に窒化物半導体を成長させることで窒化物半導体基板としＬＥＤやＬＤ、電子デバイスに利用されている。
【０００４】
窒化物半導体基板とするには、基板と窒化物半導体との格子定数差から、基板上に窒化物半導体を直接成長させると、貫通転位が１０１０個ｃｍ−２程度発生するため、このような結晶性のよくない窒化物半導体基板上にＬＥＤやＬＤ等の半導体素子を成長させた場合は、寿命特性や素子特性が悪く、そのため結晶性を向上させるために基板上に９００℃以下の低温で窒化物半導体から成るバッファ層を成長させる方法が用いられている。このバッファ層を成長させることにより、貫通転位を１０８個ｃｍ−２まで低減し、平坦で鏡面となる窒化物半導体基板の成長が可能となった。
【０００５】
窒化物半導体基板の表面に１０８個ｃｍ−２程度の貫通転位が存在すれば、その貫通転位は、窒化物半導体基板上に成長させる半導体レーザ素子内にある活性層等に伝播するため、結晶性の低下が寿命特性に悪影響を与えるだけでなく、ホール移動度が小さいために電気的特性も悪くなる。
【０００６】
そのため、さらに貫通転位を１０８個ｃｍ−２以下に減らす目的で窒化物半導体を基板上で横方向に成長させる方法を利用したＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ  Ｌａｔｅｒａｌ  ＯｖｅｒＧｒｏｗｔｈ  ＧａＮ）成長法が報告されている。この方法は、窒化物半導体に開口部である窓部を有する保護膜を形成し、この窓部より窒化物半導体を成長させ、さらに窒化物半導体を成長させることにより保護膜上に窒化物半導体を横方向成長させることで保護膜上において窒化物半導体を接合させ低転位の窒化物半導体基板を得ることができる。これは窒化物半導体が成長する領域において、発生した貫通転位は、保護膜の窓部より窒化物半導体の成長と共に縦方向、及び横方向に進行し、横方向に成長した窒化物半導体内の貫通転位は接合部に集束するため、横方向成長した窒化物半導体の成長領域表面の貫通転位は１０６ｃｍ−２程度まで低減する。
【０００７】
このＥＬＯＧ成長法は横方向成長した範囲は貫通転位が少ないものの、保護膜の窓部には貫通転位が多く、窒化物半導体基板の表面全体では結晶性のよくない範囲が存在することになり、窒化物半導体基板の表面全体を均一に貫通転位を低減させたものが期待されている。
【０００８】
また、成長速度が速く厚膜成長が可能な気相エピタキシャル成長法としてハイドライド気相エピタキシャル成長（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法がある。このハイドライド気相エピタキシャル成長法は、他の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などに比べて成長速度が速く数十〜数百μｍの厚みをもつバルク単結晶が得られる特徴を持つ。そのため、ハイドライド気相エピタキシャル成長法により厚膜成長を行い、窒化物半導体の表面に発生する貫通転位を均一に低減させた基板が期待される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示すハイドライド気相エピタキシャル成長法によりサファイア等の基板上に窒化物半導体を厚膜成長させた窒化物半導体基板は割れが発生してしまう。そのため、厚膜成長させた窒化物半導体基板を１ウェハーで形成できず、厚膜基板上に窒化物半導体素子を成長させるのに２分割や３分割されたウェハーを使用しなければならず、分割されたウェハーを使用するのは１ウェハーを用いるのに比べて工程を増やすことになり全体での歩留まりを低下させてしまう。また、割れにより窒化物半導体素子の特性低下も考えられる。そこで、本発明は、このような問題を解決し、基板上に厚膜成長させた窒化物半導体基板でありながら割れ等を発生せず、厚膜成長と同時に貫通転位を低減させた窒化物半導体基板を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における窒化物半導体基板の成長方法は、基板上に窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法であって、該異種基板上に成長界面の形状がクレーター、又は凸型の斜面となる第１の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、該第１の窒化物半導体層上にクレーター、又は凸型の斜面による高低差を埋めるように第２の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、該第２の窒化物半導体層上に成長界面はの形状がクレーター、又は凸型の斜面となる第３の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程と、該第３の窒化物半導体層上にクレーター、又は凸型の斜面による高低差を埋めるように第４の窒化物半導体層をエピタキシャル成長により形成する工程とを有し、前記第１の窒化物半導体層、及び／又は、第３の窒化物半導体層の成長表面におけるクレーター、又は凸型の斜面の高低差が５μｍ以上１００μｍ以下に形成することを特徴とする窒化物半導体基板の成長方法である。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記基板が異種基板であって、異種基板と前記第１の窒化物半導体層との間に下地層を形成する窒化物半導体基板の成長方法である。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記下地層が少なくとも第１の下地層と第２の下地層からなり、第１の下地層が３００℃以上９００℃以下の低温で、第２の下地層が９００℃以上１１００℃以下の第１の下地層よりも高温で成長させる窒化物半導体基板の成長方法である。
また、本発明の請求項４に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記第１の下地層と第２の下地層が組成の異なる窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法である。
また、本発明の請求項５に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記異種基板を窒化物半導体基板から除去する窒化物半導体基板の成長方法である。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記第１の下地層と第２の下地層が組成の異なる窒化物半導体を成長させる窒化物半導体基板の成長方法である。さらに、本発明の請求項７に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記異種基板を窒化物半導体基板から除去する窒化物半導体基板の成長方法である。またさらに、本発明の請求項８に記載の窒化物半導体基板の成長方法は前記第１の窒化物半導体層を成長速度Ｒ１、成長温度Ｔ１で、前記第２の窒化物半導体層を成長速度Ｒ２、成長温度Ｔ２で、前記第３の窒化物半導体層を成長速度Ｒ３、成長温度Ｔ３で、前記第４の窒化物半導体層を成長速度Ｒ４、成長温度Ｔ４で形成するにおいて、前記成長速度がＲ１，Ｒ３＞Ｒ２，Ｒ４の関係であり、かつ、前記成長温度がＴ１，Ｔ３≦Ｔ２，Ｔ４の関係を有する窒化物半導体基板の成長方法である。
また、本発明の請求項７に記載の窒化物半導体基板の成長方法は、前記Ｒ１、及び／又は、Ｒ３が０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上である請求項６記載の窒化物半導体基板の成長方法。
【００１６】
ここで、基板とは窒化物半導体と異なる異種基板であれば、Ｃ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＡｓ等である。又、窒化ガリウムのように一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ＋ｙＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で示される窒化物半導体を基板とすることもできる。また、基板をウェハーとして使用する場合の大きさは特に限定されないが、１〜５インチφのものが用いられており、基板の厚みも劈開やダイシングによるチップ化が可能な範囲であればよい。具体的には基板厚みは０．１ｍｍ以上とする。これらの基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化物半導体から成る核、又は層を成長させることができれば、例えばエッチング等により細かい荒れを有するものや、基板の窒化物半導体の成長面に凹凸、斜面、階段形状を有するものや、基板の窒化物半導体の成長面に対し裏面に凹凸、溝等を有するものであってもよい。
【００１７】
本発明におけるクレーターとは、第１の窒化物半導体層を成長後に表面の平面上に形成される多角錐形状、又は円錐形状の窪みのことである。この窪みの大きさ、及び深さは５μｍ以上１００μｍ以下であり、この深さは同一成長界面における成長界面の高低差である。
【００１８】
また、本発明における凸型の斜面とは、第１の窒化物半導体層を成長後に表面が水平面に対して高低差を有する表面のことである。この凸型の斜面は、水平面に対して波形状やドット状の凸部を有するものであってもよい。
【００１９】
本発明における成長界面とは、以上に示す第１の窒化物半導体層の成長後にクレーターや凸型の斜面を形成し、次に第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層を成長させた後に形成される第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との界面を示す。この成長界面はクレーターの高低差を示すものであり、この高低差が５μｍ以上１００μｍ以下である。また、成長界面の高低差は連続して形成されているものがよい。
【００２０】
上記に示す窒化物半導体基板、及び窒化物半導体基板の成長方法とすることで、窒化物半導体内に形成された成長界面に同一組成内で一様な結晶的に不均一な界面を有することにより、応力緩和され、基板上に窒化物半導体を具体例としては３０μｍ以上の膜厚で成長可能であり、さらに、成長界面が連続した斜面を形成しているため、貫通転位は斜面で転位方向が曲げられ、この曲げられた貫通転位が成長界面上に成長した窒化物半導体内で集束し、貫通転位を低減させることができる。
【００２１】
上記に示す成長界面の高低差を有することにより、成長界面の表面は水平面に対して斜面であるため、貫通転位の進行方向を変えることができる。この進行方向を曲げられた貫通転位は図３に示すように、曲げられた貫通転位同士が欠陥ループを形成し、窒化物半導体の成長途中で貫通転位を減少させることができる。
【００２２】
また、窒化物半導体の成長界面を形成する工程を繰り返し行うことで、さらに貫通転位を低減させることができ、成長界面を２つ有する窒化物半導体基板では単位面積あたりの貫通転位密度を１×１０６個／ｃｍ２、好ましくは７×１０５個／ｃｍ２とすることができる。この窒化物半導体基板は、選択的に結晶性のいい領域を形成するのではなく、窒化物半導体基板の表面全体を均一に低転位とすることができるため、安定した低転位基板を提供することができる。又、成長界面を２つ有することによりサファイア等の基板と窒化物半導体との間に生じる応力を分散することができる。この応力は熱膨張係数差であり、基板と窒化物半導体との成長界面だけでは、この応力を十分に緩和させることができない。そのため、窒化物半導体基板に反りを生じ、さらには割れや欠けを生じる。そこで、成長界面を窒化物半導体内に少なくとも２つ形成することで、このような問題を解決させる。この成長界面が貫通転位を収束させることにより、成長界面には結晶性の弱い部分、つまり貫通転位が存在し、ここで応力である引っ張り歪み等を緩和させることができる。また、基板上への５０μｍ以上の厚膜成長であれば、この成長界面を２つ有することで、窒化物半導体基板の反りや、基板と窒化物半導体との応力を段階的に緩和させ基板上への窒化物半導体の厚膜成長を可能とする。
【００２３】
以上に示したように、本発明では、サファイア等の基板上に窒化物半導体を特に厚膜で成長させた場合に基板と窒化物半導体の熱膨張差から窒化物半導体基板に割れや欠けを生じるが成長界面を基板と窒化物半導体との界面だけではなく、窒化物半導体内にも有することにより応力を緩和させることができ、この成長界面を窒化物半導体内に２つ以上有することにより５０μｍ以上、好ましくは５００μｍ以上の厚膜の窒化物半導体基板を提供することができる。
【００２４】
さらに、本発明における窒化物半導体基板の成長方法は、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置内において、連続成長が可能であるため、保護膜等を用いた選択成長などと比較して、保護膜をストライプ形状等に形成するデバイス工程を無くすことができ、窒化物半導体基板の量産が可能となり、また基板を反応炉から取り出す工程も減るためゴミ等の付着による汚染をなくすことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明における窒化物半導体基板は、基板上の窒化物半導体にクレーター、又は凸型の斜面を有する成長界面を少なくとも２つ備えた窒化物半導体基板である。以下、本発明の実施形態について成長工程をもとに説明する。
【００２６】
基板１上に下地層２を成長させ、次に、第１の窒化物半導体層３を成長させ、その上に、第２の窒化物半導体層４を成長させることにより、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４との間に界面を有する窒化物半導体基板とする。
【００２７】
本発明では、基板１にＣ面、Ｒ面、及びＡ面のいずれかを主面とするサファイアやＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）、スピネル、ＺｎＳ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、又は窒化物半導体等を基板とする。好ましい基板としては、サファイア、ＳｉＣ、スピネルが挙げられる。また、基板をオフアングルしていてもよく、この場合ステップ状にオフアングルした基板を用いると窒化物半導体からなる下地層の成長が結晶性よく成長する傾向にあり好ましい。この時のオフ角としては、０°〜０．５°、好ましくは０．１°〜０．２°とする。これらの基板は表面が平坦なものを使用するが、窒化物半導体から成る核、又は層を成長させることができれば、例えばエッチング等により細かい荒れを有するものや、基板に凹凸、斜面、階段形状を有するものであってもよい。
【００２８】
次に下地層２を基板１上に気相成長法により成長させることにより、基板１と窒化物半導体との格子定数不整合を緩和させることができる。例えば、窒化ガリウムとサファイアとの格子不整合は約１５％と非常に大きいため、表面モフォロジーの良好な結晶性を有する基板を得るのは困難であった。下地層２にはこの格子定数の違いを緩和させる効果があり、具体例としては、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦Ｘ≦１）、及びＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）が挙げられる。キャリアガスに水素、原料ガスにはトリメチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム等を用い、３００℃以上９００℃以下の温度、１０オングストローム以上１０μｍ以下の膜厚で成長させる。尚、この下地層２の膜厚は特に限定されず、複数層であってもよく、また省略することもできる。
【００２９】
この下地層が２層構造である場合には、例えば、核や薄膜から成る窒化物半導体を成長させ、次に組成の異なる窒化物半導体を成長させることによりＣ軸配向特性の優れた下地層２とすることができる。
【００３０】
この下地層を２層で成長させる場合の成長条件としては、ＭＯＣＶＤ法を用い第１の下地層と第２の下地層とを同様のキャリアガス、原料ガスを用い、キャリアガスには水素、原料ガスにはトリメチルガリウム等を用い、第１の下地層を３００℃以上９００℃以下の低温で、薄膜を１０オングストローム以上０．５μｍ以下の膜厚で成長させた後、第２の下地層は成長温度を９００℃〜１１００℃として第１の下地層より高温で成長させる。この第２の下地層は、核として成長させるものは途中で成長を止め核とし、層とするものは更に成長を続けることでミラーを形成させる。このような２層構造としてミラーを形成するには、結晶の核密度の均一性や配向特性、及び大きさ、層の厚みの制御が容易であるＭＯＣＶＤ法を用いるのが好ましいが、他の気相成長法を用いることもできる。
【００３１】
第２の下地層を鏡面を有する層として成長させた場合の膜厚としては、第１の下地層を１０オングストローム以上０．５μｍ以下の膜厚で成長させた後、第２の下地層を５００オングストローム〜５０μｍで成長させれば、緩衝層としての効果もあり、貫通転位を減らす効果も有するため好ましい。
【００３２】
次に、下地層２を成長させた基板１上に、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４とを成長させる。第１の窒化物半導体層３としては、成長界面がクレーター、又は凸型の斜面となるものであり、好ましくはこの凸型の斜面は連続して形成されているものである。また、この界面の高低差が好ましくは５μｍ〜１００μｍ、より好ましくは５μｍ〜５０μｍであれば、貫通転位の成長方向を斜面成長方向に曲げることができるため、第２の窒化物半導体層４の成長時にこの貫通転位同士を接合させ、貫通転位を集束させることができる。
この窒化物半導体基板は３０μｍ以上の膜厚で成長させても成長界面を有することにより応力緩和をすることができ、成長界面の形成により貫通転位を集束させることもできるが、さらに厚膜成長させることにより貫通転位を低減させる効果も有する。
【００３３】
さらに、上記成長界面を２つ形成するには、第２の窒化物半導体層４上に第３の窒化物半導体層５、その上に第４の窒化物半導体層６を成長させる。これにより、第１の窒化物半導体層３と、第２の窒化物半導体層４との間に成長界面を形成し、第３の窒化物半導体層５と、第４の窒化物半導体層６との間に成長界面を形成することができる。このような成長界面を形成するには、第１の窒化物半導体層、及び第３の窒化物半導体層の成長条件である成長速度を０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上、より好ましくは１〜５ｍｍ／ｈｏｕｒとする。この成長速度で第１の窒化物半導体層を成長させれば、表面にクレーターや凸型の斜面を連続して形成することができ、その上に成長させる第２の窒化物半導体層や第４の窒化物半導体層との間に基板と窒化物半導体との応力を緩和する成長界面を形成ことができる。
【００３４】
この下地層２の上に成長させる第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４とを成長速度を速く、短時間で成長させる場合にはハイドライド気相エピタキシャル成長法であるのが好ましい。成長界面を有する窒化物半導体基板となり、基板に発生する応力を緩和させ、厚膜を成長させることが可能となる。この厚膜成長した窒化物半導体基板は基板剥離を研削等により行うことができるため窒化物半導体から成る単体基板の形成に有効である。
以下にＨＶＰＥ装置を用いた成長工程、及び成長条件を示す。
【００３５】
本発明において、第１〜第４の窒化物半導体層の成長方法はハイドライド気相エピタキシャル成長法を用いることができる。このハイドライド気相エピタキシャル成長法とは、ガリウム、アルミニウム、インジウム等の３族元素と、塩化水素等のハロゲンガスとを反応させて、３族元素の塩化物、臭化物、ヨウ化物などのハロゲン化物を得て、そのハロゲン化物をアンモニア、ヒドラジン等のＮ源と高温で反応させて窒化物半導体を得る方法である。
【００３６】
窒化物半導体としてＧａＮを成長させるには、ＨＶＰＥ装置内において、Ｇａメタルを入れた石英ボートを設置し、さらに石英ボートから離れた位置に基板を設置する。次にＧａメタルと反応させるハロゲンガスの供給管と、ハロゲンガス供給管とは別に、Ｎ源供給管を設ける。
【００３７】
ハロゲンガスとしてはＨＣｌ等があり、キャリアガスと共にハロゲンガス管より導入される。このハロゲンガスとＧａ等の金属が反応することにより３族元素のハロゲン化物を生成させ、さらに、Ｎ源供給管より流したアンモニアガスと反応することにより第１〜第４の窒化物半導体層とを下地層を介した基板上に成長させる。
【００３８】
ここで、第１、第３の窒化物半導体層の成長条件としては、成長速度が０．５ｍｍ／ｈｏｕｒ以上であり、より好ましくは１〜５ｍｍ／ｈｏｕｒとする。この成長速度で第１、第３の窒化物半導体層を成長させれば、表面にクレーターや凸型の斜面を連続して形成することができ、その上に成長させる第２、第４の窒化物半導体層との成長界面で基板と窒化物半導体との応力を緩和することができる。そのため、基板上に格子定数や熱膨張係数の違う窒化物半導体を厚膜で成長させることが可能となる。さらに、クレーターや凸型の斜面を形成することにより貫通転位を多方向に曲げることができる。そのため、第１の窒化物半導体層上に第２の窒化物半導体層を成長させ、第３の窒化物半導体層上に第４の窒化物半導体層を成長させることにより、多方向に曲げられた貫通転位は貫通転位同士が接合しループを形成して集束するために、転位を減少した窒化物半導体基板とすることができる。
【００３９】
また、第１の窒化物半導体層と第２の窒化物半導体層との成長速度を変えることは、窒化物半導体の成長方向を変えることであり、第２の窒化物半導体層を例えば横方向に優先的に成長させることにより貫通転位を集束させることができる。具体的には、第１の窒化物半導体層上に第１の窒化物半導体層よりも成長速度が遅い第２の窒化物半導体層を積層することにより、欠陥の減少を促進させ、鏡面で平坦性を有する低欠陥な窒化物半導体基板を得ることができる。このような窒化物半導体基板を得る条件としては、第１の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ１）と、第２の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ２）との比（Ｒ１／Ｒ２）が１以上であること、つまり第２の窒化物半導体層の成長速度を第１の窒化物半導体層の成長速度よりも遅くすることが好ましい。これは、第３の窒化物半導体層と第４の窒化物半導体層とについても同様であり、第３の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ３）と、第４の窒化物半導体層の成長速度（Ｒ４）との比（Ｒ３／Ｒ４）が１以上とし、第４の窒化物半導体層の成長速度を第３の窒化物半導体層の成長速度よりも遅くすることが好ましい。
【００４０】
この第１の窒化物半導体層の膜厚としては特に限定されないが、好ましくは２０μｍ〜１ｍｍ、より好ましくは５０μｍ〜２００μｍであり、圧力条件としては常圧、又は微減圧で成長させる。
【００４１】
第１〜第３の窒化物半導体層には、アンドープに限らず、ｎ型不純物としてＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ及びＳ等の少なくとも１種類をドープしたもの、又は、Ｍｇ、Ｂｅ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｚｎ等のｐ型不純物をドープしたもの等を用いることができる。このようなｎ型不純物をドープすれば、縦方向に成長が促進される。そのため、第１の窒化物半導体層や第３の窒化物半導体層にはｎ型不純物をドープし、縦方向の成長を促進させて、クレーター、や凸型の斜面を形成させるのが好ましい。また、第２の窒化物半導体層や第４の窒化物半導体層にはｐ型不純物をドープするか、ｎ型不純物とｐ型不純物を同時ドープさせて、横方向と縦方向の成長を促進させて、貫通転位の成長方向を曲げて収束させることで転位を低減することができ好ましい。
【００４２】
次に第１、第３の窒化物半導体層の成長後、この上に第２、第４の窒化物半導体層を以下の条件で成長させる。
第２、第４の窒化物半導体層は、第１、第３の窒化物半導体層と同温、又はそれ以上の温度で成長させるのが好ましく、１０００℃以上とする。ただし、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４との温度差が大きければ基板に反りが発生するため成長温度差が少ない方が好ましい。また、第２の窒化物半導体層４の膜厚としては、最上面が鏡面になれば特に限定されず、第１の窒化物半導体層にあるクレーターや凸型斜面の高低差が埋まる範囲の膜厚であればよい。そのため、第２の窒化物半導体層は膜厚を３０μｍ程度の成長が可能な気相成長法であればＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等でも行うことができる。
【００４３】
第１〜第４の窒化物半導体層の組成式としては、特に限定されず、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ＜１）によって表すことができる。但し、第１の窒化物半導体層３と第２の窒化物半導体層４は互いに異なる組成であってもよい。
【００４４】
また、本発明における窒化物半導体基板は、厚膜成長が可能であるため、成長界面を２つ以上形成した後に、さらに貫通転位を低減させるためにＥＬＯＧ成長させることで貫通転位をさらに低減させることも可能である。
【００４５】
上記の成長方法により得られた窒化物半導体基板は、厚膜基板とすることができる。さらに、最上面が平坦、且つ鏡面である貫通転位を均一に低減させた窒化物半導体基板と成る。本発明により得られた窒化物半導体基板は厚膜成長が可能であるため、厚膜成長させた後、サファイア等の基板のみを除去した単体基板とすることもできる。そのため、裏面電極を形成することも可能となる。なお、本発明により得られた窒化物半導体基板上に成長させる窒化物半導体素子は窒化物半導体から成れば発光素子や受光素子、電子デバイスでもよい。
【００４６】
【実施例】
以下、本発明における実施例について図面を参照して説明する。
［実施例１］
図１に示すように、基板１としてＣ面を主面、オリフラ面をＡ面とするサファイア基板を用い、ＭＯＣＶＤ装置にセットし、温度１０５０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行い水分や表面の付着物を除去した。
【００４７】
次に、温度を５１０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウムを用い、ＧａＮより成る第１の下地層を２００オングストロームの膜厚で成長させた。
【００４８】
その後、第１の下地層上に第２の下地層としてＧａＮから成り平坦性を有する層を成長温度１０５０℃において膜厚２０μｍで形成した。本実施例では、成長時のキャリアガスとして水素を２０．５Ｌ／分、原料ガスとしてアンモニアを５Ｌ／分、トリメチルガリウムを２５ｃｃ／分間、流した。
【００４９】
第２の下地層を成長後、ハイドライド気相エピタキシャル成長装置にセットし、Ｇａメタルを石英ボートに用意し、ハロゲンガスにＨＣｌガスを用いることによりＧａＣｌ３を生成し、次に、Ｎガスであるアンモニアガスと反応させ、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層３を成長させた。第１の窒化物半導体層３の成長温度としては１０００℃であり、成長速度を１ｍｍ／ｈｏｕｒとして、膜厚１００μｍで成長させた。
【００５０】
次に、第１の窒化物半導体層３上に、第２の窒化物半導体層４をハイドライド気相エピタキシャル成長法装置において成長させた。この時の成長条件としては、成長温度を第１の窒化物半導体層３と同温とし、第２の窒化物半導体層４の成長速度を５０μｍ／ｈｏｕｒで膜厚は５０μｍで成長させた。
【００５１】
次に、前記工程を繰り返し行い、第２の窒化物半導体層４上に、第１の窒化物半導体層と同様の条件で第３の窒化物半導体層５、その上に第２の窒化物半導体層と同様の条件で第４の窒化物半導体層６を成長させ、窒化物半導体内に成長界面を２つ形成し、応力緩和させた。
【００５２】
以上により得られた第４の窒化物半導体層６の表面は平坦かつ鏡面となり、ＣＬ観察によると貫通転位密度は約７×１０５個／ｃｍ２となる。このように本発明では厚膜基板であり、低欠陥である窒化物半導体基板を提供することができる。
【００５３】
［実施例２］
実施例１において、図２に示すようにＣ面を主面としたサファイア基板１上に下地層を形成せずに、直接に第１の窒化物半導体層を核として成長させた他は第１の窒化物半導体層〜第４の窒化物半導体層を実施例１と同様の条件で成長させ窒化物半導体基板を得る。得られる窒化物半導体基板はＣＬ方法により観察すると、実施例１と同様に結晶欠陥が１×１０６／ｃｍ２以下の低欠陥である窒化物半導体基板が期待できる。
【００５４】
［実施例３］
以下に実施例１により得られた窒化物半導体を基板とするレーザ素子の構造を示す実施例３について説明する。
【００５５】
（アンドープｎ型コンタクト層１０１）
実施例１で得られたウェーハをＭＯＣＶＤ装置の反応容器内にセットし、１０５０℃で窒化物半導体に、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、Ａｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるアンドープｎ型コンタクト層１０１を１μｍの膜厚で成長させる。この層は、ＧａＮからなる窒化物半導体基板とｎ型コンタクト層をはじめとする半導体素子との間で、緩衝層としての機能を有する。
【００５６】
（ｎ型コンタクト層１０２）
次に得られたバッファ層１０１上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用い、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなるｎ型コンタクト層１０２を４μｍの膜厚で成長させる。
【００５７】
（クラック防止層１０３）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を９００℃にしてＩｎ０．０７Ｇａ０．９３Ｎよりなるクラック防止層１０３を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【００５８】
（ｎ型クラッド層１０４）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。この操作を２００回繰り返しＡ層とＢ層との積層構造とし、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層を成長させる。
【００５９】
（ｎ型ガイド層１０５）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型ガイド層１０５を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｎ型ガイド層１０５は、ｎ型不純物をドープしてもよい。
【００６０】
（活性層１０６）
次に、温度を９００℃にし、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層を１４０Åの膜厚、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｎよりなる井戸層を４０Åの膜厚で、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層の順に積層し、最後に障壁層として、ＴＭＩ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎを成長させる。活性層１０６は、総膜厚５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【００６１】
（ｐ型電子閉じ込め層１０７）
次に、活性層と同じ温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌ０．３Ｇａ０．７Ｎよりなるｐ型電子閉じ込め層１０７を１００Åの膜厚で成長させる。
【００６２】
（ｐ型ガイド層１０８）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ型ガイド層１０８を０．１５μｍの膜厚で成長させる。このｐ型ガイド層は、ｐ型不純物をドープしてもよい。
【００６３】
（ｐ型クラッド層１０９）
次に、１０５０℃でアンドープＡｌ０．０５Ｇａ０．９５ＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ型クラッド層１０９を成長させる。ｐ型クラッド層は、ＧａＮとＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ型クラッド層１０９を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップエネルギーが大きくなるので、しきい値を低下させる上で非常に有効である。
【００６４】
（ｐ型コンタクト層１１０）
最後に、１０５０℃で、ｐ型クラッド層１０９の上に、ＴＭＧ、アンモニア、Ｃｐ２Ｍｇを用い、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ型コンタクト層１１０を１５０Åの膜厚で成長させる。
反応終了後、反応容器内において、ウェハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層をさらに低抵抗化する。
【００６５】
アニーリング後、窒化物半導体を積層させたウェハを反応容器から取り出し、最上層のｐ型コンタクト層の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜を形成して、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ４ガスによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ型コンタクト層１０２の表面を露出させる。
【００６６】
次に、ＳｉＯ２保護膜を形成し、ＲＩＥを用いＣＦ４ガスによりエッチングすることにより、ストライプ状の導波路領域としてリッジストライプを形成する。
【００６７】
次にリッジストライプ形成後、Ｚｒ酸化物（主としてＺｒＯ２）よりなる絶縁保護膜を、エッチングにより露出したｐ型ガイド層１０８上に０．５μｍの膜厚で形成する。
【００６８】
ｐ型コンタクト層上にｐ型電極をＮｉとＡｕより形成し、また、エッチングにより露出したｎ型コンタクト層上にはＴｉとＡｌよりｎ型電極を形成する。このｐ電極は、リッジ上にストライプ形成されており、同じくストライプ形成されているｎ電極とは平行な方向で形成する。
【００６９】
次に、ＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜・を設けた後、ｐ，ｎ電極上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å−１０００Å−８０００Å）よりなるパット電極をそれぞれ設けた。この時、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜が設けられている。
【００７０】
以上のようにして得られたレーザ素子は、室温においてしきい値２．８ｋＡ／ｃｍ２、３０ｍＷの出力において発振波長４０５ｎｍの連続発振のレーザ素子が得られる。得られるレーザ素子の素子寿命は、３０００〜２００００時間が期待できる。。
【００７１】
【発明の効果】
以上に示す本発明により、割れや欠けを抑制した厚膜基板を可能とし、基板全面の貫通転位を均一に減らした低転位基板を提供することができる。また、本発明により得られた窒化物半導体基板上に、素子構造を成長させることにより、寿命特性等の良好な窒化物半導体レーザ等が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体の模式断面図である。
【図３】本発明の成長界面における貫通転位の成長方向を示す模式断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態を示す窒化物半導体レーザ素子の模式断面図である。
【符号の簡単な説明】
１・・・基板
２・・・下地層
３・・・第１の窒化物半導体層
４・・・第２の窒化物半導体層
５・・・第３の窒化物半導体層
６・・・第４の窒化物半導体層
１０１・・・アンドープｎ型コンタクト層
１０２・・・ｎ型コンタクト層
１０３・・・クラック防止層
１０４・・・ｎ型クラッド層
１０５・・・ｎ型ガイド層
１０６・・・活性層
１０７・・・ｐ型電子閉じ込め層
１０８・・・ｐ型ガイド層
１０９・・・ｐ型クラッド層
１１０・・・ｐ型コンタクト層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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