(57)【要約】      （修正有）【課題】貫通転位の少ない平坦なIII族窒化物半導体の製造方法を提供する。【解決手段】基板の主面上において、第１方向に第１ストライプ構造１００と、第２方向に第２ストライプ構造１０１とを形成する。第１ストライプ構造１００の凹部の側面である第１加工側面１００ａａは、成長するIII族窒化物半導体の低指数面のうち、第１加工側面１００ａａに最も平行な面が、ｍ面（１０−１０）となり、第１加工側面１００ａａの法線ベクトルを主面へ正射影した第１側面ベクトルと、成長する半導体のｍ面の法線ベクトルを主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角θ１が０．５°以上、６°以下となるように形成されている。第２ストライプ構造１０１についても同様に、第２加工側面１０１ａａに最も平行な面が、ａ面（１１−２０）となり、第２側面ベクトルとａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下となるように形成される。【選択図】図１２．Ａ
2014234324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面である主面に凹凸加工を施し、凸部の上面、凹部の底面から、III 族窒化物半導体を前記III 族窒化物半導体のｃ軸方向に成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、
前記凹凸加工は、
前記基板の前記主面上において、第１方向に平行にストライプ状に配列された複数の第１溝によって形成された第１ストライプ構造と、第１方向と交差する第２方向に平行にストライプ状に配列された複数の第２溝によって形成された第２ストライプ構造とを形成し、前記第１溝には前記第２溝の段差による段差が形成され、前記第２溝には前記第１溝の段差による段差が形成される加工であり、
前記第１ストライプ構造の前記凸部又は前記凹部の側面である第１加工側面は、
成長する前記III 族窒化物半導体の低指数面のうち、前記第１加工側面に最も平行な面が、ｍ面（１０−１０）となり、前記第１加工側面の法線ベクトルを前記主面へ正射影した射影ベクトルを第１側面ベクトルとするとき、この第１側面ベクトルと、成長する前記III 族窒化物半導体のｍ面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下となるように
形成されており、
前記第２ストライプ構造の前記凸部又は前記凹部の側面である第２加工側面は、
成長する前記III 族窒化物半導体の低指数面のうち、前記第２加工側面に最も平行な面が、ａ面（１１−２０）となり、前記第２加工側面の法線ベクトルを前記主面へ正射影した射影ベクトルを第２側面ベクトルとするとき、この第２側面ベクトルと、成長する前記III 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下となるように
形成されている
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記基板は六方晶系結晶の基板であり、前記主面は六方晶系結晶のｃ面（０００１）であり、
前記第１側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のａ面（１１−２０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記基板は六方晶系結晶の基板であり、前記主面は六方晶系結晶のａ面（１１−２０）であり、
前記第１側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｃ面（０００１）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｃ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記基板の主面における少なくとも前記凹凸加工が施される部分は、III 族窒化物半導体から成る基板であり、
前記主面は、前記基板側の前記III 族窒化物半導体のｃ面（０００１）であり、
前記第１側面ベクトルと前記基板側の前記III 族窒化物半導体のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと前記基板側の前記III 族窒化物半導体のａ面（１１−２０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記基板の主面における少なくとも前記凹凸加工が施される部分は、炭化珪素（ＳｉＣ）から成る基板であり、
前記主面は、前記基板側の前記III 族窒化物半導体のｃ面（０００１）であり、
前記第１側面ベクトルと前記基板の前記炭化珪素（ＳｉＣ）のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと前記基板の前記炭化珪素（ＳｉＣ）のａ面（１１−２０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項７】
前記基板の主面における少なくとも前記凹凸加工が施される部分は、シリコン（Ｓｉ）から成る基板であり、
前記主面は、前記基板の前記シリコン（Ｓｉ）の（１１１）面であり、
前記第１側面ベクトルと前記基板の前記シリコン（Ｓｉ）の（−１−１２）面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したＳｉの［−１−１２］軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと前記基板の前記シリコン（Ｓｉ）の（１−１０）面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したＳｉの［１−１０］軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項８】
前記第１角は、１°以上、２．５°以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項９】
前記第１溝の深さと前記第２溝の深さとは異なることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体の製造方法。
【請求項１０】
表面である主面に凹凸加工が施された基板を有し、凸部の上面、凹部の底面から、III 族窒化物半導体を前記III 族窒化物半導体のｃ軸方向に成長させたIII 族窒化物半導体において、
前記基板の前記主面上において、第１方向に平行にストライプ状に配列された複数の第１溝によって形成された第１ストライプ構造と、第１方向と交差する第２方向に平行にストライプ状に配列された複数の第２溝によって形成された第２ストライプ構造とから成り、前記第１溝には前記第２溝の段差による段差が形成され、前記第２溝には前記第１溝の段差による段差が形成された凹凸構造を有し、
前記第１ストライプ構造の前記凸部又は前記凹部の側面である第１加工側面の結晶方位は、
成長する前記III 族窒化物半導体の低指数面のうち、前記第１加工側面に最も平行な面が、ｍ面（１０−１０）となり、前記第１加工側面の法線ベクトルを前記主面へ正射影した射影ベクトルを第１側面ベクトルとするとき、この第１側面ベクトルと、成長する前記III 族窒化物半導体のｍ面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下となるよう結晶方位であり、
前記第２ストライプ構造の前記凸部又は前記凹部の側面である第２加工側面の結晶方位は、
成長する前記III 族窒化物半導体の低指数面のうち、前記第２加工側面に最も平行な面が、ａ面（１１−２０）となり、前記第２加工側面の法線ベクトルを前記主面へ正射影した射影ベクトルを第２側面ベクトルとするとき、この第２側面ベクトルと、成長する前記III 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下となるような結晶方位である
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体。
【請求項１１】
前記基板は六方晶系結晶の基板であり、前記主面は六方晶系結晶のｃ面（０００１）であり、
前記第１側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のａ面（１１−２０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１２】
前記基板は六方晶系結晶の基板であり、前記主面は六方晶系結晶のａ面（１１−２０）であり、
前記第１側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｃ面（０００１）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｃ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１３】
前記基板の主面における少なくとも前記凹凸加工が施される部分は、III 族窒化物半導体から成る基板であり、
前記主面は、前記基板側の前記III 族窒化物半導体のｃ面（０００１）であり、
前記第１側面ベクトルと前記基板側の前記III 族窒化物半導体のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと前記基板側の前記III 族窒化物半導体のａ面（１１−２０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１４】
前記基板はサファイア基板であることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１５】
前記基板の主面における少なくとも前記凹凸加工が施される部分は、炭化珪素（ＳｉＣ）から成る基板であり、
前記主面は、前記基板の前記炭化珪素（ＳｉＣ）のｃ面（０００１）であり、
前記第１側面ベクトルと前記基板の前記炭化珪素（ＳｉＣ）のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと前記基板の前記炭化珪素（ＳｉＣ）のａ面（１１−２０）の法線ベクトルを前記主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１６】
前記基板の主面における少なくとも前記凹凸加工が施される部分は、シリコン（Ｓｉ）から成る基板であり、
前記主面は、前記基板の前記シリコン（Ｓｉ）の（１１１）面であり、
前記第１側面ベクトルと前記基板の前記シリコン（Ｓｉ）の（−１−１２）面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したＳｉの［−１−１２］軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下であり、
前記第２側面ベクトルと前記基板の前記シリコン（Ｓｉ）の（１−１０）面の法線ベクトルを前記主面へ正射影したＳｉの［１−１０］軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１７】
前記第１角は、１°以上、２．５°以下であることを特徴とする請求項１０乃至請求項１６の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１８】
前記第１溝の深さと前記第２溝の深さとは異なることを特徴とする請求項１０乃至請求項１７の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体。
【請求項１９】
請求項１０乃至請求項１８の何れか１項に記載のIII 族窒化物半導体を有することを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹凸加工が施された基板上に、III 族窒化物半導体を結晶成長させる方法及びIII 族窒化物半導体に関する。
【背景技術】
【０００２】
サファイア基板上にIII 族窒化物半導体を結晶成長させてIII 族窒化物半導体発光素子を作製する場合、光取り出し効率を向上させるために、サファイア基板のIII 族窒化物半導体の成長面に凹凸加工を施す技術が開発されている（たとえば特許文献１、２）。
【０００３】
特許文献３においては、サファイア基板にストライプの凹凸加工を施し、凸部の上部からＧａＮを縦方向に成長させ、さらに、横方向に成長させて、貫通転位密度の低いＧａＮ半導体を得ることが開示されている。
【０００４】
しかし、これらの方法により、凹凸加工が施されたサファイア基板の面上に、III 族窒化物半導体を成長させた場合、凹部又は凸部の側面付近にボイドが生じるなどしてIII 族窒化物半導体の結晶性、平坦性が悪化してしまうという問題がある。そこで、特許文献４では、凹凸形状における凹部又は凸部の平面視における構成辺が、サファイア基板のａ面に対して交差するようにしている。このように凹部又は凸部を形成すると、サファイア基板の凸部上面と、凹部底面からＧａＮが成長し、凹部又は凸部の側面からはＧａＮが成長しにくくなる。そして成長が進んで結晶同士が合体し始め、ボイドのない結晶性に優れ、平坦性の高いＧａＮが得られる。一方、構成辺をサファイア基板のａ面と平行にすると、凹部又は凸部からの成長したＧａＮの横方向の成長が遅いため、凹部又は凸部の側面付近が埋まりにくく、ＧａＮの表面平坦性が悪化してしまう。
【０００５】
また、特許文献５では、ａ面又はｃ面を主面とするサファイア基板において、凸部の全ての側面がIII 族窒化物半導体の結晶成長を阻害する面とすることが開示されている。また、凸部を六角柱とした時に、平面上の六角形の各辺をｍ軸方向に対して１５°傾斜させることが開示されている。
【０００６】
また、凹凸が１軸方向のストライプ構造であると、このストライプ方向に進行する光は散乱されないので、外部量子効率は、十分には向上しない。そこで、特許文献６には、第１軸方向に第１ストライプ構造を形成して、さらに、それと直交する第２軸方向にその第１ストライプ構造をエッチングして、第２ストライプ構造を第１ストライプ構造上に重畳させることで、４段階の段差を形成することが開示されている。これにより、第１ストライプ構造に平行に進行する光は第２ストライプ構造により散乱させて、外部量子効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２００５２３
【特許文献２】特開２００５−１０１５６６
【特許文献３】特表２００３−５２６９０７
【特許文献４】特開２００３−３１８４４１
【特許文献５】特開２０１１−７７２６５
【特許文献６】特開２０１０−２６１１６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献６のように、格子状構造の凹凸加工面にIII 族窒化物半導体を成長させると、第１ストライプ構造の側面と第２ストライプ構造の側面における結晶方位が異なるために、III 族窒化物半導体の成長は複雑な成長モードとなり、貫通転位が局在的に集中するという問題がある。このため、内部量子効率が低下したり、素子の歩留りが低下するという問題がある。
【０００９】
本発明は、第１軸方向に第１ストライプ構造を形成して、さらに、それと交差する第２軸方向に第１ストライプ構造をエッチングして、第２ストライプ構造を重畳させた凹凸構造であっても、貫通転位が集中しない結晶品質の良好なIII 族窒化物半導体を製造する方法及び基板の凹凸構造を有した結晶品質な半導体を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の発明は、基板の表面である主面に凹凸加工を施し、凸部の上面、凹部の底面から、III 族窒化物半導体をIII 族窒化物半導体のｃ軸方向に成長させるIII 族窒化物半導体の製造方法において、凹凸加工は、基板の主面上において、第１方向に平行にストライプ状に配列された複数の第１溝によって形成された第１ストライプ構造と、第１方向と交差する第２方向に平行にストライプ状に配列された複数の第２溝によって形成された第２ストライプ構造とを形成し、第１溝には第２溝の段差による段差が形成され、第２溝には第１溝の段差による段差が形成される加工であり、第１ストライプ構造の凸部又は凹部の側面である第１加工側面は、成長するIII 族窒化物半導体の低指数面のうち、第１加工側面に最も平行な面が、ｍ面（１０−１０）となり、第１加工側面の法線ベクトルを主面へ正射影した射影ベクトルを第１側面ベクトルとするとき、この第１側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のｍ面の法線ベクトルを主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下となるように形成されており、第２ストライプ構造の凸部又は凹部の側面である第２加工側面は、成長するIII 族窒化物半導体の低指数面のうち、第２加工側面に最も平行な面が、ａ面（１１−２０）となり、第２加工側面の法線ベクトルを主面へ正射影した射影ベクトルを第２側面ベクトルとするとき、この第２側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルを主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下となるように形成されていることを特徴とするIII 族窒化物半導体の製造方法である。
【００１１】
上記の第１角及び第２角は、２つのベクトルが交差してできる交角のうち小さい方の９０°以下の範囲の角として定義する。第１ストライプ構造と第２ストライプ構造との形成順序は任意である。凸部と第１溝部とを有する第１ストライプ構造を形成した後に、その構造に対して、さらに、凸部と第２溝部とを有する第２ストライプ構造を重畳させて形成さてても良い。また、逆に、凸部と第２溝部とを有する第２ストライプ構造を形成した後に、その構造に対して、さらに、凸部と第１溝部とを有する第１ストライプ構造を重畳させて形成さてても良い。何れの形成順序であっても、第１溝には第２溝の段差による段差が形成され、第２溝には第１溝の段差による段差が形成される。段差は、第１ストライプ構造と、第２ストライプ構造とのそれぞれの形成において、残される部分とエッチングにより除去された部分との間の段差のことである。基板の材料は、凸部の上面、凹部の底面からIII 族窒化物半導体がIII 族窒化物半導体のｃ軸方向に成長するものであれば、任意の結晶構造の材料を用いることができる。例えば、基板には、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＮなどのIII 族窒化物半導体基板、ＡｌＮ基板やその他の基板上にＧａＮなどのIII 族窒化物半導体のエピタキシャル成長層が形成されたテンプレート基板などを用いることができる。テンプレート基板を用いる場合には、凹凸加工は、エピタキシャル成長層だけに形成されていても、エピタキシャル成長層から基板に及んでも良い。周期的配列の第１ストライプ構造と周期的配列の第２ストライプ構造とは、基板のエッチングにより形成され、凸部（ポスト）と凹部（溝）とを有する。第２ストライプ構造又は第１ストライプ構造は、第１ストライプ構造又は第２ストライプ構造に対して、主面上への射影が交差する方向に、ストライプ状にエッチングして第２溝又は第１溝を、それぞれ、形成することで形成される。したがって、凹凸の段差は、３段、又は４段に構成される。第１ストライプ構造の第１溝の深さと第２ストライプ構造の第２溝の深さが等しい場合には、段差は３段となり、それらの深さが異なる場合には、段差は４段となる。
【００１２】
凸部又は凹部の第１加工側面及び第２加工側面（以下、第１、第２を区別する必要がない場合には、単に、加工側面という）は、基板の主面に垂直でも良いが、エッチング加工により生じる傾斜や、意図的な傾斜が存在していても良い。また、一つの加工側面は、法線ベクトルの異なる複数の平面が高さ方向に配設された屈曲平面で構成されていても良い。また、加工側面は、高さ方向に平行な断面の外形が円弧、楕円、放物線、その他の任意曲線である曲面で構成されていても良い。さらに、一つの平面と見做しうる加工側面は、基板の主面に平行な方向に沿って、必ずしも直線である必要はない。一つの平面状の加工側面に対して、曲線であっても、屈折直線であっても良い。
【００１３】
本件発明では、凸部の加工側面が主面に対して垂直でない場合を考慮して、第１加工側面、第２加工側面の法線ベクトルの主面への正射影である射影ベクトルを、それぞれ、第１側面ベクトル、第２側面ベクトルとして定義している。すなわち、加工側面の主面に垂直な面からの傾斜角は、本願発明の角度には含まれない。また、凸部の上面と凹部の底面から主面に垂直方向に成長するIII 族窒化物半導体のｃ軸は、主面に垂直であることを基本としているが、多少傾斜していても良い。成長するIII 族窒化物半導体の第１加工側面に平行な側面には、第１方向に沿って、ｍ面又はｍ面から傾斜した面（１０−１ｘ）（ｘは整数）をテラス、ａ面又はａ面から傾斜した面（１１−２ｙ）（ｙは整数）をステップとする面が表れる。また、第２加工側面が成長するIII 族窒化物半導体のａ面と平行でない（第２角が０°でない）場合には、成長するIII 族窒化物半導体の第２加工側面に平行な側面には、ａ面をテラス、ｍ面をステップとする面が表れる。III 族窒化物半導体のｍ面（１０−１０）とａ面（１１−２０）との成す角は９０°、又は、３０°（１５０°）であり、ｍ軸方向の成長は遅く、ａ軸方向の成長は速い。また、一つの平面状の加工側面が単一平面でない場合には、一つの加工側面における法線ベクトルは、法線ベクトルの平均とする。すなわち、法線ベクトルの面積積分の平均を、一つの側面における法線ベクトルと定義する。
【００１４】
本発明では、第１加工側面の法線ベクトルの主面へ正射影である第１側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のｍ面の法線ベクトルの主面への正射影であるｍ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下の範囲となるように加工側面の方位を決定することが第１の特徴である。また、第２加工側面の法線ベクトルの主面への正射影である第２側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルの主面へ正射影であるａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下となるようにしたことが第２の特徴である。
【００１５】
凸部の上面及び凹部の底面から基板の主面に垂直にｃ軸成長するIII 族窒化物半導体の側面がｍ面である時には、III 族窒化物半導体は断面が三角形のファセット成長をする。ファセット成長により貫通転位が横方向に曲げられて、成長した半導体層の上面に表れる貫通転位は低減する。しかしながら、主面に平行な方向にも成長しないと、ファセット間の空隙をIII 族窒化物半導体で埋めることができない。
【００１６】
そのため、本発明では、成長するIII 族窒化物半導体における、第１加工側面の第１側面ベクトルに垂直な面（主面に垂直な面）は、ｍ面から基板に垂直な軸の回りに、０．５°以上、６°以下の範囲で回転している。III 族窒化物半導体の側面（主面に垂直として）は、ｃ軸が主面に完全に垂直であれば、ｍ面をｃ軸の回りに、０．５°以上、６°以下の範囲で回転させた面となる。ただし、回転方向は、正負（左回り、右回り）の何れの方向であっても等価である。したがって、成長するIII 族窒化物半導体のａ面（ｍ面に垂直且つｃ軸に平行））の法線ベクトルの主面へのａ軸射影ベクトルは、第１側面ベクトル方向の成分を有することになる。この結果、成長するIII 族窒化物半導体は、第１加工側面に垂直であって主面に平行な方向にも成長することになる。したがって、ｃ軸方向の縦方向成長に、主面に平行な横方向成長が加わり、凹凸加工による段差を埋めることが、縦方向の成長条件を変更することなく可能となる。
【００１７】
また、第２加工側面については、第２側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のａ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下となる。第２側面ベクトルに垂直な、III 族窒化物半導体の側面（主面に垂直として）は、ｃ軸が主面に完全に垂直であれば、ａ面をｃ軸の回りに、０°以上、１０°以下の範囲で回転させた面となる。ただし、回転方向は、正負（左回り、右回り）の何れの方向であっても等価である。したがって、成長するIII 族窒化物半導体のａ面（ｍ面に垂直且つｃ軸に平行））の法線ベクトルの主面への正射影であるａ軸射影ベクトルは、第２側面ベクトル方向に大きな成分を有することになる。この結果、成長するIII 族窒化物半導体は、第２加工側面に垂直であって主面に平行な方向にも成長することになる。したがって、ｃ軸方向の縦方向成長に、主面に平行な横方向成長が大きく加わり、交差した第１ストライプ構造と第２ストライプ構造との凹凸加工による段差を埋めることが、縦方向の成長条件を変更することなく可能となる。
【００１８】
なお、上記の第１角θ１の角度範囲０．５°以上、６°以下、第２角θ２の角度範囲０°以上、１０°以下は、正負（左回り、右回り）の何れの回転方向にとっても良く、したがって、絶対値で定義されている。よって、回転方向による符号も含めて、第１角の−６°以上、−０．５°以下の範囲に対して、第２角の−１０°以上、１０°以下の範囲を対応させることができる。また、第１角の０．５°以上、６°以下の範囲に対して、第２角の−１０°以上、１０°以下の範囲を対応させることができる。したがって、直交関係にあるｍ面とａ面に対しては、第１側面ベクトルと第２側面ベクトルとの交角（小さい方の角度）は、７４°以上、９０°の範囲となる。また、ｍ面とａ面との成す角は３０°（１５０°）の場合もある。この場合には、第１側面ベクトルと第２側面ベクトルとの交角（小さい方の角度）は、１４°以上、４６°以下の範囲となる。
【００１９】
このような成長方法によると、凸部と凹部の境界付近に貫通転位が高密度で集中することが抑制されて、成長する半導体層の最上面における貫通転位密度を均一一様にすることができる。本発明は、このような思想に基づくものである。
【００２０】
上記発明において、基板を六方晶系結晶の基板とした場合には、次の具体例が考えられる。基板の主面は六方晶系結晶のｃ面であり、第１加工側面の第１側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のａ面（１１−２０）の法線ベクトルを主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下とすることができる。また、第２加工側面の第２側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下とすることができる。
【００２１】
この場合には、基板の六方晶系結晶のａ面、ｍ面と、成長するIII 族窒化物半導体のｍ面、ａ面とが、それぞれ、平行となるので、第１加工側面の第１側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のｍ面の法線ベクトルの主面へのｍ軸射影ベクトルとの成す角を０．５°以上、６°以下、第２加工側面の第２側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルの主面へのａ軸射影ベクトルとの成す角を０°以上、１０°以下とすることができる。
【００２２】
すなわち、第１加工側面の第１側面ベクトルに垂直なIII 族窒化物半導体の面は、III 族窒化物半導体のｍ面をｃ軸の回りに、０．５°以上、６°以下の範囲で回転させた面となる。また、第２加工側面の第２側面ベクトルに垂直なIII 族窒化物半導体の面は、III 族窒化物半導体のａ面をｃ軸の回りに、０°以上、１０°以下の回転させた面となる。ただし、それぞれの回転方向は、正負（左回り、右回り）の何れの方向であっても良い。基板の結晶方位と成長するIII 族窒化物半導体の結晶方位との間のこのような関係は、III 族窒化物半導体と格子定数が異なる六方晶系結晶の基板において成立する。このような六方晶系結晶の基板の典型例は、サファイア基板である。また、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板の場合には、六方晶系結晶であるが、III 族窒化物半導体基板上にIII 族窒化物半導体を成長させた場合と同様に、基板の結晶方位と成長するIII 族窒化物半導体の結晶方位は一致する。
【００２３】
また、基板の主面は六方晶系結晶のａ面であり、第１側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｃ面（０００１）の法線ベクトルを主面へ正射影したｃ射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下、第２側面ベクトルと基板の六方晶系結晶のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下とすることができる。
【００２４】
この場合には、基板の六方晶系結晶のｍ面とIII 族窒化物半導体のａ面とが平行となるので、基板の六方晶系結晶のｃ面とIII 族窒化物半導体のｍ面とが平行となる。したがって、第１加工側面の第１側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のｍ面の法線ベクトルの主面へのｍ軸射影ベクトルとの成す第１角を０．５°以上、６°以下、第２側面ベクトルと、成長するIII 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルを主面へ正射影したａ軸射影ベクトルとの成す第２角を０°以上、１０°以下とすることができる。
【００２５】
すなわち、第１側面ベクトルに垂直なIII 族窒化物半導体の面は、III 族窒化物半導体のｍ面を、ｃ軸の回りに、０．５°以上、６°以下の範囲で回転させた面とすることができる。また、第２側面ベクトルに垂直なIII 族窒化物半導体面は、III 族窒化物半導体面のａ面を、ｃ軸の回りに、０°以上、１０°以下の範囲で、回転させた面とすることができる。ただし、ｍ面、ａ面のそれぞれの面の回転方向は、正負（左回り、右回り）の何れの方向も含む。基板の結晶方位と成長するIII 族窒化物半導体の結晶方位との間のこのような関係は、III 族窒化物半導体と格子定数が異なる六方晶系結晶の基板において成立する。このような六方晶系結晶の基板の典型例は、サファイア基板である。また、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板もこの関係を満たす。
【００２６】
また、基板の主面における少なくとも凹凸加工が施される部分を、III 族窒化物半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）とした基板を用いることも可能である。すなわち、III 族窒化物半導体から成る基板又は炭化珪素（ＳｉＣ）から成る基板の表面に凹凸加工を施した場合や、基板上にIII 族窒化物半導体層が形成されたテンプレート基板において、III 族窒化物半導体層に凹凸加工を施す場合には、次のようになる。基板の主面をIII 族窒化物半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）のc 面とした場合に、凸部の上面、凹部の底面から、III 族窒化物半導体がｃ軸方向に成長する。そして、基板のIII 族窒化物半導体又は炭化珪素（ＳｉＣ）のｍ面、ａ面と、成長するIII 族窒化物半導体ｍ面、ａ面とは、それぞれ、平行である（一致する）。したがって、第１加工側面の第１側面ベクトルと、基板のIII 族窒化物半導体のｍ面の法線ベクトルを主面に正射影したｍ射影ベクトルとの成す第１角を０．５°以上、６°以下、第２加工側面の第２側面ベクトルと、基板のIII 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルを主面に正射影したａ射影ベクトルとの成す第２角を０°以上、１０°以下としても良い。
【００２７】
また、六方晶のＳｉを基板に用いた場合には、基板の主面をシリコン（Ｓｉ）の（１１１）面とすることができる。この場合には、シリコン（Ｓｉ）の（１１１）面とIII 族窒化物半導体のｃ面（０００１）面が平行となる。第１側面ベクトルと基板のシリコン（Ｓｉ）の（−１−１２）面の法線ベクトルを主面へ正射影したＳｉの［−１−１２］軸射影ベクトルとの成す第１角が０．５°以上、６°以下とする。第２側面ベクトルと基板の前記シリコン（Ｓｉ）の（１−１０）面の法線ベクトルを主面へ正射影したＳｉの［１−１０］軸射影ベクトルとの成す第２角が０°以上、１０°以下とする。この場合には、Ｓｉの（−１−１２）面と成長するIII 族窒化物半導体のｍ面（１０−１０）とが平行となり、Ｓｉの（１−１０）面と成長するIII 族窒化物半導体のａ面（１１−２０）とが平行となるので、III 族窒化物半導体のｍ軸方向とａ軸方向との結晶成長速度の差を利用して、貫通転位密度が低く、且つ、平坦な結晶を得ることができる。
【００２８】
また、上記の発明において、第１角は、０．５°以上、６°以下の範囲の他、１°以上、５°以下の範囲、さらに、望ましくは、１°以上、２．５°以下の範囲である。また、第２角は、０°以上、１０°以下であるが、０°が横方向成長の速度が最も速くなるので、最も望ましい。第２ストライプ構造の向きがａ軸から１０°を越えて回転すると、横方向成長速度が低下するので望ましくない。また、上記発明において、凹凸加工の施された基板上にバッファ層を形成し、バッファ層の形成の後に、 III 族窒化物半導体を成長させることをが望ましい。また、バッファ層は、スパッタ法により形成することが望ましい。その他、バッファ層は、ＭＢＥ（分子線エピタキシー法）、ＰＬＤ（パルスレーザ堆積法、レーザアブレーション法）を用いて形成しても良い。また、上記発明に係るIII 族窒化物半導体は、発光素子に用いることができる。貫通転位が成長した半導体層の上面において、均一一様に形成されるために、発光素子の特性が均一化される。また、製造の歩留りが向上する。上記の全発明において、III 族窒化物半導体とは、一般式Ａｌx Ｇａy Ｉｎz Ｎ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ、ｙ、ｚ≦１）で表される半導体であり、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎの一部を他の第１３族元素（第３Ｂ族元素）であるＢやＴｌで置換したもの、Ｎの一部を他の第１５族元素（第５Ｂ族元素）であるＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉで置換したものをも含むものとする。より一般的には、Ｇａを少なくとも含むＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＮを示す。ｎ型不純物としてはＳｉ、ｐ型不純物としてはＭｇが通常用いられる。
【発明の効果】
【００２９】
第１の発明によれば、主面に凹凸加工が施された基板上の凸部の上面、凹部の底面から、III 族窒化物半導体をｃ軸方向に縦方向成長させる時に、成長するIII 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルは、第１加工側面に垂直で且つ主面に平行な成分を有するようになる。したがって、ｍ軸方向よりはａ軸方向の方が結晶成長速度が速いために、III 族窒化物半導体は、基板の主面に平行な方向にも成長することになる。また、成長するIII 族窒化物半導体のａ面の法線ベクトルは、第２加工側面に垂直な方向には、大きな成分を有することになる。また、III 族窒化物半導体は、成長初期において、ｍ面の傾斜した面で構成される三角形状のファセット成長が支配的となる。このため、第１ストライプ構造の第１方向に平行なストライプ状のIII 族窒化物半導体のファセットが形成される。この結果、縦方向の成長条件だけで、III 族窒化物半導体を主面に垂直な方向にファセット成長させた場合においても、横方向にも成長するので、ファセット面間を埋めることができる。また、第２ストライプ構造については、第２加工側面が、III 族窒化物半導体のａ面に平行又はａ面に近い面となるので、第２加工側面に垂直な方向には、III 族窒化物半導体の成長は速い。これらの結果、ファセット成長により貫通転位が曲げられて、成長した半導体層の上面における貫通転位密度を低減できと共にａ軸方向の横方向成長が加わり、ファセット成長によって生じる段差を効果的に埋めることができる。したがって、外部量子効率を向上させるために、第１ストライプ構造と第２ストライプ構造とを有する格子状段差構造を基板に形成した場合においても、凸部又は凹部の境界付近、特に、第１ストライプ構造と第２ストライプ構造との交点付近において、貫通転位が高密度で集中することもなく、半導体の平坦な面と、その面上において均一一様な貫通転位密度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１におけるｃ面サファイア基板の主面上において、ストライプの方向を順次連続して変更した凸部と凹部を形成してＧａＮを成長させる方法において、加工側面とストライプの方向との関係を示す説明図。
【図２】実施例２におけるａ面サファイア基板の主面上において、ストライプの方向を順次連続して変更した凸部と凹部を形成してＧａＮを成長させる方法において、加工側面とストライプの方向との関係を示す説明図。
【図３．Ａ】実施例１におけるストライプの方向と試料との関係を示した説明図。
【図３．Ｂ】実施例２におけるストライプの方向と試料との関係を示した説明図。
【図４】実施例１、２の製造方法によるＧａＮの成長初期における断面のＳＥＭ画像。
【図５】実施例１、２の製造方法によるＧａＮの厚膜形成時における断面のＳＥＭ画像。
【図６】実施例１の製造方法による成長原理を示した説明図。
【図７】実施例１の製造方法により成長させたＧａＮの表面のＳＥＭ画像。
【図８】実施例１の製造方法により成長させたＧａＮの貫通転位密度と凸部のストライプの方向との関係を示した測定図。
【図９．Ａ】実施例１の製造方法により成長させたＧａＮの表面の陰極線ルミネセンス画像。
【図９．Ｂ】実施例１の製造方法により成長させたＧａＮの表面の陰極線ルミネセンス画像及び表面のＡＦＭ画像。
【図９．Ｃ】実施例１の製造方法により成長させたＧａＮの表面のＳＥＭ画像。
【図１０】加工側面の法線ベクトルの主面への正射影である側面ベクトルと、サファイアのａ面の法線ベクトルを主面へ正射影した射影ベクトルとの関係を示した説明図。
【図１１】実施例１における発光素子の構造を示した断面図。
【図１２．Ａ】実施例１におけるIII 族窒化物半導体発光素子のサファイア基板表面の凹凸構造を示した斜視図。
【図１２．Ｂ】実施例１におけるIII 族窒化物半導体発光素子のサファイア基板表面の凹凸構造を示した平面図。
【図１３】サファイア基板表面における凹凸構造の形成工程を示した図。
【図１４】実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程を示した図。
【図１５】実施例１の方法により製造されたＧａＮの表面のＳＥＭ像。
【図１６】比較例の方法により製造されたＧａＮの表面のＳＥＭ像。
【図１７】実施例１の方法により製造されたＧａＮの表面の陰極線ルミネセンス像。
【図１８】比較例の方法により製造されたＧａＮの表面の陰極線ルミネセンス像。
【図１９】比較例の方法により製造されたＧａＮの表面のＳＥＭ像。
【図２０】実施例２に係る第１ストライプ構造と第２ストライプ構造の結晶方位の関係を示した説明図。
【図２１】実施例３に係る第１ストライプ構造と第２ストライプ構造の結晶方位の関係を示した説明図。
【図２２】実施例４に係る第１ストライプ構造と第２ストライプ構造の結晶方位の関係を示した説明図。
【図２３】実施例５に係る第１ストライプ構造と第２ストライプ構造の結晶方位の関係を示した説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３２】
最初に、ストライプ構造の結晶方位と、成長させたＧａＮの結晶品質との関係について説明する。
厚さ５００μｍ、主面をｃ面とするサファイア基板を用いて、加工側面の結晶方位を各種の方位にして、ＧａＮの結晶成長を行った。図１において、１はサファイアの結晶構造、１０は成長するＧａＮの結晶構造を示している。図１に示すように、サファイア基板の主面において、放射状にストライプの凸部２と凹部３（溝）を形成した。ドライエッチングにより凹部３を形成することで、凸部２と凹部３を形成した。凸部２と凹部３とからストライプ構造が構成されている。隣接する凸部２間の間隔は、０．０１°である。凹部３の深さは、０．７μｍである。凹部３の幅は、２．０μｍ、凸部２の幅は２．０μｍである。加工基板をＭＯＣＶＤ成長装置内に設けて、水素ガスでクリーニングを行った後、ＡｌＮから成る低温バッファ層を形成した。その後、縦方向に成長させる成長条件でＧａＮを成長させた。
【００３３】
図１において、サファイア基板の基準線を０°とするとき、１５°の方向に凸部２のストライプが形成されている場合には、凸部２の側面４は、サファイアのａ面であり、ストライプの方向はサファイアのｍ軸である。なお、凸部２の側面４は、正確には、基板の主面には垂直ではないので、側面４は正確にはａ面ではない。しかし、側面４の法線ベクトルの主面への正射影で定義される側面ベクトルは、サファイアのａ面の法線ベクトルである。本発明では、この側面ベクトルの方位が特徴であって、側面４の主面に垂直な面に対して傾斜していることは、問題ではない。したがって、以下、説明を簡単にするために、側面４は主面に垂直とする。
【００３４】
この時、成長するＧａＮの側面、すなわち、サファイアの凸部２の側面４の側面ベクトルに垂直な面は、ＧａＮのｍ面となる。また、４５°の方向に凸部２のストライプが形成されているとき、凸部２の側面４は、サファイアのｍ面であり、ストライプの方向はサファイアのａ軸である。この時、成長するＧａＮの側面、すなわち、サファイアの凸部２の側面ベクトルに垂直な面は、ＧａＮのａ面となる。３０°の方向に凸部２のストライプが形成されているときは、凸部２の側面４は、サファイアのａ面とｍ面との中間の面となり、ストライプの方向はサファイアのｍ軸とａ軸との中間の方位となる。また、凸部２の側面ベクトルに垂直な面は、ＧａＮのｍ面とａ面との中間の面となる。
【００３５】
図３．Ａに示す、凸部のストライプがサファイア基板の基準線に対して４５°の方位であるNo.1、３０°の方位であるNo.2、１５°の方位であるNo.3の場合のＧａＮの成長初期における厚さ５０００Åでのストライプに垂直な断面におけるＳＥＭ像を図４に示す。また、ＧａＮを厚さ５μｍまで、成長させた時のストライプに垂直な断面におけるＳＥＭ像を図５に示す。図４のNo.1、No.2に示す場合には、凸部の側面からの成長は見られない。No.3に示す場合、すなわち、ストライプの方位がサファイアのｍ軸であり、凸部の側面がサファイアのａ面であり、その側面ベクトルに垂直な面がＧａＮのｍ面である場合には、凸部の側面からの成長が見られる。また、成長するＧａＮは、凸部の上面と、凹部の底面からファセット成長していることが分かる。また、図５から明らかなように、No.1の場合、すなわち、ストライプの方向がサファイアのａ軸、凸部の側面がｍ面であり、側面ベクトルに垂直な面がＧａＮのａ面である場合には、ＧａＮは、ファセット成長しておらず、縦方向に主面上において一様な厚さで成長している。したがって、縦方向の貫通転位密度が高いことが分かる。一方、No.3に示す場合には、ＧａＮは、ストライプに垂直な断面が三角形状にファセット成長し、ファセット面間はＧａＮで埋められていないことが分かる。また、No.2の場合には、ＧａＮのファセット成長は見られず、縦方向に伸びた貫通転位密度が高いことが分かる。
【００３６】
次に、凸部のストライプの方位が、図１における１５°の方位から０．２°づつ回転した１５．０°、１５．２°、１５．４°、１５．６°の場合について、ＧａＮを成長させた。この場合に１μｍの厚さに成長させたＧａＮの表面のＳＥＭ像を図７（ａ）に示す。  ここで、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、凸部２の側面４の法線ベクトルｎの基板２０の主面２１への正射影である側面ベクトルｔと、サファイアのａ面（１１−２０）の法線ベクトルの主面２１への正射影である射影ベクトルｋとの成す角をθと定義する。凸部２のストライプのｍ軸に対する主面上の方位θをｍ軸からｃ軸の回りに０．２°づつ回転するにつれて、成長するＧａＮの側面は、ｍ面がｃ軸方向に傾斜したＳ面（１０−１１）面のテラスと、ａ面がｃ軸方向に傾斜した面のステップが表れていることが分かる。模式的に表現すると、図７の（ｂ）に示すようになる。
なお、凸部２のストライプ方向の回転は、凸部の側面ベクトルｔに垂直な面を、サファイアのａ面から、ｃ軸の回りに０．２°づつ回転することと等価である。
【００３７】
次に、ＧａＮが横方向にも成長する原理について、図６を参照して説明する。図６は、凸部のストライプの方向と、成長するＧａＮの結晶方位との関係を示している。１５．０°の方位、すなわち、凸部のストライプの方位がサファイアのｍ軸（凸部の側面ベクトルに垂直な面がサファイアのａ面）の場合には、凸部の側面とＧａＮのｍ面とが平行となり、ＧａＮのａ軸ベクトルは、凸部の側面に垂直な成分を有さない。凸部のストライプの方位が、１５．０°の方位からｃ軸の回りに０．２°づつ回転するに連れて、凸部の側面とＧａＮのｍ面とは平行ではなくなる。したがって、ＧａＮのａ軸ベクトルは、凸部の側面に垂直な方向の成分を有し、その成分は次第に大きくなる。ＧａＮは、ｍ軸方向への成長速度よりは、ａ軸方向への成長速度が速いために、上記のθが大きくなるにつれて、側面ベクトル方向の横方向成長速度が大きくなる。しかし、θが大きくなり過ぎると、ＧａＮは、ファセット成長しなくなる。
【００３８】
次に、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、凸部２の側面４の法線ベクトルｎの基板２０の主面２１への正射影である側面ベクトルｔと、サファイアのａ面（１１−２０）の法線ベクトルの主面２１への正射影であるａ軸射影ベクトルｋとの成す角θを変化させた場合に、角θと、５μｍ厚さに成長させたＧａＮの陰極線ルミネセンス画像の暗点密度との関係を図８に示す。なお、サファイアのａ面が主面２１に完全に垂直である場合には、ａ面の法線ベクトルと、主面への射影ベクトルｋとは完全に一致する。また、θは、凸部２のストライプのサファイア基板の基準線に対する方位が図１の１５°の場合に、零である。θ＝０のとき、ストライプの方位は、サファイアのｍ軸であるが、θは、凸部２のストライプの方向とｍ軸との成す角でもある。図９．Ａ、図９．Ｂに、陰極線ルミネセンス画像を示す。暗点密度が高いことは、貫通転位密度が高いことを意味する。また、図９．Ｂには、成長させたＧａＮの表面のＡＦＭ画像を示す。θが０°、１．５°の場合には、ピットが見られた。θが３°の場合には、ピットがなく、貫通転位密度も低いことが分かる。したがって、θ＝３°の場合が最も望ましい。また、図９．Ｃに、θ＝０°，１．５°，３°，９°，１５°，３０°の場合について、成長させたＧａＮの厚さ０．５μｍ、１．０μｍ、５．０μｍの時の表面のＳＥＭ画像を示す。θ＝１．５°、３°の場合に、ＧａＮのａ軸横方向の成長が見られ、凹部の埋め込みが良好に行われていることが分かる。
【００３９】
図８に示されているように、θが０°の場合、すなわち、凸部２の側面４がサファイアのａ面（側面ベクトルがａ軸、ストライプの方向がｍ軸）の場合には、ＧａＮはファセット成長のままであるので、表面の滑らかさに大きく欠ける。θが６°から１５°の範囲では、ＧａＮの表面は滑らかであるが、貫通転位密度は高い。θが１５°の場合は、凸部の側面はサファイアのｍ面とａ面との間にある中間の面（側面ベクトルがｍ軸とａ軸との中間の方向）である。θが６°の場合には、貫通転位密度は、３．３×１０8 ／ｃｍ2 であり、θが６°以下に低下すると、貫通転位密度は、３．３×１０8 ／ｃｍ2 以下になることが分かる。θが０．５°において、貫通転位密度は１．７×１０7 ／ｃｍ2 に低下していることが分かる。したがって、ファセット間を埋める成長が可能で、貫通転位密度が低い範囲は、θは０．５°以上、６°以下が望ましい。θが６°を越えるとファセット成長は困難となる。
【００４０】
また、貫通転位密度は、θが５°の場合には、３．３×１０8 ／ｃｍ2 、θが３°の場合には、１．８×１０8 ／ｃｍ2 、θが２．５°の場合には、１．７×１０8 ／ｃｍ2 、θが１．５°の場合には、６．９×１０7 ／ｃｍ2 、θが１°の場合には、２．５×１０7 ／ｃｍ2 である。また、図９からも明らかなように、θが１．５°、３°、７°の場合には、表面が滑らかであるが、θが大きくなるに連れて、貫通転位密度が増加することが分かる。したがって、表面が滑らかで、貫通転位密度が低いＧａＮを得るには、θは、０．５°以上、６°以下が望ましく、さらには、０．５°以上、６°以下が望ましく、さらには、１°以上、２．５°以下が望ましいことが理解される。
【００４１】
上記のストライプ構造の結晶方位と、成長させたＧａＮの結晶性との関係から、基板表面に第１ストライプ構造と第２ストライプ構造とを有する凹凸構造を形成したことを特徴とする本発明を完成させた。
本実施例の発光素子について説明する。図１１は、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の構成について示した図である。実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、凹凸構造が形成されたサファイア基板２０と、サファイア基板２０の凹凸構造の表面上に、バッファ層（図示しない）を介して順に積層された、III 族窒化物半導体からなるｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３と、を有している。これらｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、素子層（積層構造）を構成する。発光層１２、ｐ型層１３は一部領域がエッチングされて除去され、ｎ型層１１の表面が露出している。その露出したｎ型層１１の表面上に、ｎ電極１４が形成されている。ｐ型層１３表面のほぼ全面には、ＩＴＯからなる透明電極１５が形成され、透明電極１５上にはｐ電極１６が形成されている。この実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、フェイスアップ型の素子である。
【００４２】
ｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３は、従来より知られる任意の構造でよい。たとえばｎ型層１１は、サファイア基板２０側から順に、ＧａＮからなる高濃度にＳｉがドープされたｎ型コンタクト層、ＧａＮからなるｎクラッド層が順に積層された構造である。また、たとえば発光層１２は、ＧａＮからなる障壁層とＩｎＧａＮからなる井戸層が繰り返し積層されたＭＱＷ構造である。また、たとえばｐ型層１３は、発光層１２側から順に、ＡｌＧａＮからなるＭｇがドープされたｐクラッド層、ＧａＮからなるＭｇがドープされたｐコンタクト層が積層された構造である。
【００４３】
図１２．Ａは、サファイア基板２０表面に施された凹凸構造を示した斜視図であり、図１２．Ｂは上面から見た平面図である。図１２．Ａ，１２．Ｂのように、凹凸構造は、サファイア基板２０の表面上に第２ストライプ構造１０１が形成され、その上に第１ストライプ構造１００が重ねて形成された形状である。
【００４４】
第２ストライプ構造１０１は、サファイアのａ軸である第２方向に平行に複数の第２溝１０１ａが等間隔で配列されている。第２溝１０１ａの幅Ｌ３は０．１〜２０μｍ、第２溝１０１ａの間隔Ｌ４は０．１〜２０μｍとすることが望ましい。光取り出し効率をより向上させることができるためである。幅Ｌ３を０．１〜５μｍ、間隔Ｌ４を０．１〜５μｍとするとさらに望ましい。第２溝１０１ａの側面１０１ａａ（第２加工側面）のサファイア基板２０主面に対する角度βは、４０〜８０°とすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは５０〜７０°である。第２溝１０１ａの深さＤ２は、０．１〜３μｍとすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは０．５〜２μｍである。
【００４５】
第１ストライプ構造１００は、サファイアのｍ軸からｃ軸の回りに３°オフした方向である第１方向に平行に複数の第１溝１００ａが等間隔で配列されている。したがって、第１方向と第２方向との成す角及び第１側面ベクトルと第２側面ベクトルとの成す角は、８７°である。第１溝１００ａの幅Ｌ１は０．１〜２０μｍ、第１溝１００ａの間隔Ｌ２は０．１〜２０μｍとすることが望ましい。光取り出し効率をより向上させることができるためである。幅Ｌ１を０．１〜５μｍ、間隔Ｌ２を０．１〜５μｍとするとさらに望ましい。第１溝１００ａの側面１００ａａのサファイア基板２０主面に対する角度αは、４０〜８０°とすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは５０〜７０°である。溝１００ａの深さＤ１は、０．１〜３μｍとすることが望ましい。同じく光取り出し効率をより向上させることができるためである。より望ましくは０．５〜２μｍである。第１溝１００ａには第２溝１０１ａの段差Ｄ２による段差Ｄ２が形成されている。また、第２溝１０１ａには第１溝１００ａの段差Ｄ１による段差Ｄ１が形成されている。
【００４６】
第１溝１００ａの深さＤ１と、第２溝１０１ａの深さＤ２は、異なる深さであってもよいし、等しくてもよい。Ｄ１とＤ２が等しい場合には、第１溝１００ａの上面と第２溝１０１ａの上面とは等しい深さとなる。当然ながら、第１溝１００ａの下面と第２溝１０１ａの下面とは同一面である。したがって、この場合には、最上面を含めて、面のレベルは、３段となる。また、第２溝１０１ａの深さＤ２が第１溝１００ａの深さＤ１よりも大きい場合には、第１溝１００ａの上面は、第２溝１０１ａの上面より上に位置し、この間で段差を生じる。この場合には、面レベルは、最上面（サファイア基板２０のエッチングされなかった面）、第１溝１００ａの上面、第２溝１０１ａの上面、第１溝１００ａ及び第２溝１０１ａの下面の４段となる。逆に、第１溝１００ａの深さＤ１が第２溝１０１ａの深さＤ２よりも大きい場合には、第１溝１００ａの上面は、第２溝１０１ａの上面より下に位置し、この間で段差を生じる。この場合には、各面は、最上面（サファイア基板２０のエッチングされなかった面）、第２溝１０１ａの上面、第１溝１００ａの上面、第１溝１００ａ及び第２溝１０１ａの下面の順で深くなり、面レベルは４段となる。
【００４７】
第１溝１００ａの幅Ｌ１と第２溝１０１ａの幅Ｌ３、第１溝１００ａの間隔Ｌ２と第２溝１０１ａの間隔Ｌ４も、それぞれ異なっていてもよいし、等しくてもよい。また、角度αとβについても異なっていてもよいし等しくてもよい。
【００４８】
この凹凸構造では、サファイア基板２０の主面に垂直な任意の方向での断面において、１段以上の段差がある。また、特定の方向での断面においては２段以上の段差がある。たとえば、第１方向に平行なＡ−Ａでの断面においては、第１ストライプ構造１００による段差はないが、第２ストライプ構造１０１による１段の段差がある。また、第２方向に平行なＢ−Ｂでの断面においては、第２ストライプ構造１０１による段差はないが、第１ストライプ構造１００による１段の段差がある。また、図１２．Ｂ中のＣ−Ｃでの断面においては、Ｄ１とＤ２が異なるとして、第１ストライプ構造１００と第２ストライプ構造１０１の段差により、面レベルは最上面を含めて４段となる。
【００４９】
このように凹凸構造を形成すると、サファイア基板２０主面に素子内部において平行に伝搬する光は、どの方向においても第１ストライプ構造１００あるいは第２ストライプ構造１０１による段差構造によって乱反射させることができ、光取り出し側（ｎ電極１４、ｐ電極１６側）へと光を取り出すことができる。その結果、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子は、従来のIII 族窒化物半導体発光素子に比べて光取り出し効率が向上している。
【００５０】
次に、実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程について、図１３、図１４を用いて説明する。
まず、サファイア基板２０への凹凸加工について説明する。まず、図１３（ａ）のように、サファイア基板２０表面に、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、サファイアのａ軸である第２方向に平行な第２溝１０１ａが所定の間隔で周期的に配列された第２ストライプ構造１０１を形成する。
【００５１】
次に、図１３（ｂ）のように、フォトリソグラフィによって、サファイア基板２０表面の第２ストライプ構造１０１の上に、その第２ストライプ構造の凹凸に沿って、サファイアのｍ軸をｃ軸の回りに３°回転させた方向である第１方向に平行に、所定の間隔で周期的に配列されたストライプ構造のフォトマスク１０３を形成する。そして、フォトマスク１０３に覆われていないサファイア基板２０表面をドライエッチングし、その後フォトマスク１０３を除去することで、図１２．Ａに示す凹凸構造をサファイア基板２０表面に形成する。
【００５２】
なお、このように２段階に分けてサファイア基板２０表面をドライエッチングすると、加工形状の角部が丸まってしまうことを防止でき、凹凸加工の精度を向上させることができる。
【００５３】
次に、上記凹凸構造の加工によって生じたダメージの回復やサファイア基板２０表面の不純物除去のために、サーマルクリーニングを行う。サーマルクリーニングは、たとえば水素雰囲気中１０００〜１２００℃での熱処理である。
【００５４】
次に、上記のようにして凹凸構造を形成したサファイア基板２０上に、ＭＯＣＶＤ法によって、ＡｌＮからなるバッファ層（図示しない）を、温度３００℃〜５００℃の範囲で、厚さ１０Å〜１０００Åに形成した。そのバッファ層の上に、ｎ型層１１、発光層１２、ｐ型層１３を順に形成する（図１４（ａ））。ｎ型層１１の形成においては、凹凸構造上に形成する初期においては、１０００℃〜１１００℃に形成して、ファセット成長を促進させ、その後に、温度を１１００℃以上にして、横方向成長を促進させて、ファセット間を良好に埋め込むようにした。なお、ｎ型層１１は、当初から、１０００℃〜１２００℃の範囲の一定温度で、形成するようにしても良い。この場合も、貫通転位密度が局在しない一様な低貫通転位密度で最上面が平坦なｎ型層１１が得られた。ＭＯＣＶＤ法において用いる原料ガスは、窒素源として、アンモニア（ＮＨ3 ）、Ｇａ源として、トリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ3 ）3 ）、Ｉｎ源として、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ3 ）3 ）、Ａｌ源として、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ3 ）3 ）、ｎ型ドーピングガスとして、シラン（ＳｉＨ4 ）、ｐ型ドーピングガスとしてシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｍｇ（Ｃ5 Ｈ5 ）2 ）、キャリアガスとしてＨ2 またはＮ2 である。
【００５５】
次に、ドライエッチングによってｐ型層１３、発光層１２の一部領域を除去してｎ型層１１表面を露出させる（図１４（ｂ））。そして、ｐ型層１３表面のほぼ全面に透明電極１５を形成し、露出させたｎ電極１１表面上にｎ電極１４、透明電極１５上にｐ電極１６を形成する。以上によって実施例１のIII 族窒化物半導体発光素子が製造される。
【００５６】
第１ストライプ構造と第２ストライプ構造との結晶方位と、成長させたＧａＮの結晶性との関係を測定するために、次の実験を行った。サファイア基板２０上に第１ストライプ構造１００と第２ストライプ構造１０１とを形成した後に、バッファ層を形成して、ＧａＮを１μｍ、２μｍの厚さに、成長させた時の表面のＳＥＭ像を測定した。その結果を図１５に示す。２μｍの厚さで、段差が良好に埋まっていることが理解される。また、ＧａＮ表面の陰極線ルミネセンス画像を測定した。その結果を図１７に示す。貫通転位は表面上、一様に分散していることが分かる。また、貫通転位密度は３．６×１０8 ／ｃｍ2 であった。
【００５７】
一方、比較のために、次の凹凸構造を準備した。第１ストライプ構造が延びる第１方向をサファイアのｍ軸、したがって、第１加工側面の法線の主面への射影ベクトルである第１側面ベクトルがサファイアのａ軸とした。第２ストライプ構造が延びる第２方向をサファイアのａ軸、したがって、第２加工側面の法線の主面への射影ベクトルである第２側面ベクトルがサファイアのｍ軸とした。すなわち、第１方向と第２方向、及び、第１側面ベクトルと第２側面ベクトルとは、直交している。この場合について、サファイア基板上に成長させたＧａＮのＳＥＭ像を測定した。その結果を、図１６に示す。ＧａＮのｍ面ファセットが強く現れており、隣接するファセット間の埋め込みが完全でないことが分かる。また、ＧａＮ表面の陰極線ルミネセンス画像を測定した。その結果を図１８に示す。貫通転位は表面上、局在し、高密度の部分が散在していることが分かる。また、貫通転位密度は４．２×１０8 ／ｃｍ2 であった。
【００５８】
第１ストライプ構造１００が延びる第１方向は、サファイアのｍ軸をｃ軸の回りに、０．５°以上、６°以下の範囲で回転させた結晶方位とすることができる。この場合には、ＧａＮは、ｍ面の傾斜面がファセット面となり、ファセット成長し、貫通転位密度が小さいことが、上記した図８の特性のように確認されている。したがって、第２ストライプ構造１０１が延びる第２方向をサファイアのａ軸に固定して、第１方向をサファイアのｍ軸をｃ軸の回りに、０．５°以上、６°以下の範囲で回転させた結晶方位としても、すなわち、第１側面ベクトルとサファイアのａ軸射影ベクトルとの成す角が０．５°以上、６°以下の範囲としても、同様な結果が得られる。これは、ＧａＮの成長は、結晶初期においては、３次元のファセット成長が促進されるために、第１ストライプ構造１００で規制された成長が実現されるためである。第２ストライプ構造１０１が延びる第２方向がサファイアのａ軸（第２側面ベクトルがｍ軸）である場合には、第２方向に平行なＧａＮの側面（サファイアのｍ軸に垂直な側面）はＧａＮのａ面となる。したがって、主面上において第２方向に垂直な方向、すなわち、横方向にＧａＮが成長し易く、これがファセット成長のファセット間を埋めて、平坦の面を実現させることができる。
【００５９】
比較のために、第１ストライプ構造１００が延びる第１方向をサファイアのｍ軸をｃ軸の回りに３°回転させた方向、第２ストライプ１０１が延びる第２方向をサファイアのｍ軸をｃ軸の回りに３°回転させた方向として、ＧａＮを成長させた。その場合の表面のＳＥＭ像を測定した。その結果を図１９に示す。ｍ面の傾斜した面を４つのファセット面とする平行四辺形角錘台形状に成長し、ファセット間が埋め込まれていないことが理解される。このため、第２ストライプ構造が延びる第２方向をサファイアのａ軸、又は、ａ軸を基準として、ｃ軸の回りに０°以上、１０°以下の範囲で回転させた方位とする必要がある。すなわち、第２側面ベクトルとサファイアのｍ軸射影ベクトルとの成す角が０°以上、１０°以下とする。ストライプの方向をａ軸を基準として、ｃ軸の回りに０°以上、１０°以下の範囲で回転させた方位とした場合には、ＧａＮの良好な横方向成長が観測されている。したがって、上記の結晶軸の方位の組み合わせにより、第１ストライプ構造１００が延びる第１方向は、サファイアのｍ軸をｃ軸の回りに０．５°以上、６°以下の範囲で回転させた結晶方位、第２ストライプ構造１０１が延びる第２方向は、サファイアのａ軸をｃ軸の回りに、０°以上、１０°以下の範囲で回転させた結晶方位とすることで、貫通転位密度が局在しない、貫通転位密度の低い、平坦なＧａＮが得られる。
【実施例２】
【００６０】
次に、主面をａ面とするサファイア基板を用いた場合について説明する。本実施例の場合も、説明を簡単にするために加工側面は基板の主面に垂直なものとして説明する。図２に示すように、サファイアの主面上に、放射線状に凸部２と凹部３とを０．０１°間隔で形成した。図２において、凸部２のストライプのサファイア基板の基準線に対する方位が０°である場合に、凸部２の側面４はサファイアのｍ面（側面ベクトルがｍ軸）となる。凸部２のストライプの方位が９０°である場合に、凸部２の側面４はサファイアのｃ面（側面ベクトルがｃ軸）となる。ストライプの方位が０°と９０°の中間において、３０°である場合には、凸部２の側面４は、サファイアのｒ面（−１０１２）（側面ベクトルがｒ軸）に近い面であるが、その他の方位では、側面ベクトルに垂直な面は、ｍ面をａ軸の回りに回転させた面となる。
【００６１】
図３．Ｂに示す、凸部のストライプの方位が、No.4( 凸部側面がｃ面) 〜No.10(凸部側面がｍ面) の場合に、結晶成長初期におけるＧａＮの、ストライプに垂直な断面におけるＳＥＭ像を図４に示す。また、５μｍの厚さまで成長させた時のＧａＮの、ストライプに垂直な断面におけるＳＥＭ像を図５に示す。
【００６２】
No.4の場合、すなわち、凸部２の側面４がサファイアのｃ面（側面ベクトルがｃ軸）の場合には、側面４から横方向への成長があり、凸部２の上面と凹部３の底面からＧａＮは断面が三角形状にサファセット成長していることが分かる。凸部２のストライプの方向が３０°の場合、すなわち、凸部２の側面４がｒ面（−１０１２）（側面ベクトルがｒ軸）に近い面の時には、ＧａＮは、凸部２の上面からはファセット成長するが、凹部３の底面からは平坦に縦方向に成長していることが分かる。その他の方位では、ＧａＮは、凸部２の側面４からの支配的な横方向成長はなく、ファセット成長も見られない。
【００６３】
また、図５から明らかなように、No.4に示す場合、すなわち、凸部２の側面４がサファイアのｃ面（側面ベクトルがｃ軸）の場合には、ＧａＮは、断面が三角形状にファセット成長し、ファセット面間はＧａＮが埋められていないことが分かる。また、No.5〜No.10 の場合には、ＧａＮのファセット成長は見られず、縦方向に伸びた貫通転位密度が高いことが分かる。ただし、ＧａＮの表面は平坦である。
【００６４】
以上のことから、ａ面を主面とするサファイア基板を用いて凸部２と凹部３を設けた場合には、凸部２の側面４がサファイアのｃ面（側面ベクトルがｃ軸）である場合に、成長するＧａＮにおける、側面ベクトルに垂直な面は、ＧａＮのｍ面となり、凸部上部、及び凹部底部からＧａＮはファセット成長し、ファセット間はＧａＮにより埋められることはない。この状態は、ｃ面サファイア基板を用いて、凸部の側面をサファイアのａ面とした場合と同一である。したがって、実施例１と同様に、加工側面の法線ベクトルの主面へ正射影である側面ベクトルと、サファイアのｃ面（０００１）の法線ベクトルの主面へ正射影であるｃ軸射影ベクトルとの成す角が０．５°以上、６°以下の範囲において、貫通転位密度を低減させ、且つ、成長させたＧａＮの表面の粗さを滑らかとすることができる。成す角θを０．５°以上、６°以下とすることは、凸部の側面が主面に完全に垂直な場合には、ｃ面をａ軸の回りに、０．５°以上、６°以下の範囲で回転させた面を、凸部の側面とすることと等価である。また、ａ面を主面とするサファイア基板の場合も実施例１と同様に、本発明を一般のIII 族窒化物半導体にも適用することができる。
【００６５】
以上のことから、図２０に示すように、凹凸構造において、第１ストライプ構造１００の第１溝１００ａの第１側面ベクトルｔと基板の六方晶系結晶のｃ面（０００１）の法線ベクトルを主面へ正射影したｃ軸射影ベクトルとの成す第１角θ１が０．５°以上、６°以下とし、第２ストライプ構造１０１の第２溝１０１ａの第２側面ベクトルｓと基板の六方晶系結晶のｍ面（１０−１０）の法線ベクトルを主面へ正射影したｍ軸射影ベクトルとの成す第２角θ２が０°以上、１０°以下とすることができる。
【００６６】
この実施例においても、サファイア基板の厚さは５００μｍであり、マグネトロンスパッタ装置を用い、高純度のアルミニウムと窒素を原材料として、基板温度５００℃にてスパッタを行い、凹凸構造に沿って、ＡｌＮからなるバッファ層を１０〜３０ｎｍの厚さで形成した。次に、凹凸構造が形成された側のサファイア基板上に、前実施例と同様に、バッファ層を介してＭＯＣＶＤ法によってｃ面を主面とするＧａＮ層を凸部上面及び凹部底面から５μｍの厚さに成長させた。この場合において、縦方向のｃ軸方向に成長するＧａＮのｍ面はサファイアのｃ面と平行となる。第１加工側面１００ａａの第１側面ベクトルｔと、サファイアのｃ軸射影ベクトルと成す第１角θ１が０．５°〜６°であるので、成長するＧａＮの第１側面ベクトルｔに垂直な面は、ＧａＮのｍ面をＧａＮのｃ軸の回りに０．５°〜６°回転させた面となる。
【００６７】
この結果、ＧａＮのａ面の法線ベクトルは、第１側面ベクトルｔ方向の成分を有することになる。この結果、成長するＧａＮは、ファセット成長に加えて主面に平行な方向にも成長するので、ファセット間を埋めるように成長する。この結果、ＧａＮの表面において貫通転位密度が低減された平滑なＧａＮを得ることができる。また、第２ストライプ構造１０１について、第２溝１０１ａの第２加工側面１０１ａａの第２側面ベクトルｓと、ｍ軸射影ベクトルとの成す第２角θ２が０°以上、１０°以下である。成長するＧａＮのａ面と、サファイアのｍ面とが平行となる。
【００６８】
したがって、第２側面ベクトルｓに垂直な、成長するＧａＮの側面はＧａＮのａ面をｃ軸の回りに０°以上、１０°以下の範囲で回転させた面となる。この結果、第２側面ベクトルｓは、ＧａＮのａ軸方向の成分が大きくなり、第２側面ベクトルｓ方向のＧａＮの成長速度が大きく、ファセット間を埋めることができる。この結果、前実施例と同様な原理により、貫通転位が局在することなく、一様に分布し、平均貫通転位密度が低減され、成長したIII 族窒化物半導体の面が平坦な半導体を得ることができる。
【実施例３】
【００６９】
本実施例は、実施例１、２において、サファイア基板に代えてIII 族窒化物半導体基板を用いた例である。この場合には、図２１に示すように、主面をｃ面とする。凹凸加工は、基板の第１ストライプ構造１００の第１加工側面１００ａａの第１側面ベクトルｔと基板のｍ面の主面へのｍ軸射影ベクトルｍとの成す第１角θ１を０．５°以上、６°以下とし、第２ストライプ構造１０１の第２加工側面１０１ａａの第２側面ベクトルｓと基板のａ面の主面へのａ軸射影ベクトルａとの成す第２角θ２を０°以上、１０°以下となるようにした。
【００７０】
この場合に、凸部の上面、凹部の底面からIII 族窒化物半導体基板はｃ軸方向に成長する。また、基板のｍ面、ａ面と成長するIII 族窒化物半導体基板のｍ面、ａ面とが、それぞれ、平行となる。第１加工側面１００ａａの第１側面ベクトルｔと、III 族窒化物半導体基板のｍ軸射影ベクトルと成す第１角θ１が０．５°〜６°であるので、成長するＧａＮの第１側面ベクトルｔに垂直な面は、ＧａＮのｍ面をＧａＮのｃ軸の回りに０．５°〜６°回転させた面となる。この結果、ＧａＮのａ面の法線ベクトルは、第１側面ベクトルｔ方向の成分を有することになる。よって、成長するＧａＮは、ファセット成長に加えて主面に平行な方向にも成長するので、ファセット間を埋めるように成長する。したがって、ＧａＮの表面において貫通転位密度が低減された平滑なＧａＮを得ることができる。
【００７１】
また、第２ストライプ構造１０１について、第２溝１０１ａの第２加工側面１０１ａａの第２側面ベクトルｓと、ａ軸射影ベクトルとの成す第２角θ２が０°以上、１０°以下である。したがって、第２側面ベクトルｓに垂直な、成長するＧａＮの側面はＧａＮのａ面をｃ軸の回りに０°以上、１０°以下の範囲で回転させた面となる。この結果、第２側面ベクトルｓは、ＧａＮのａ軸方向の成分が大きくなり、第２側面ベクトルｓ方向のＧａＮの成長速度が大きく、ファセット間を埋めることができる。この結果、前実施例と同様な原理により、貫通転位が局在することなく、一様に分布し、平均貫通転位密度が低減され、成長したIII 族窒化物半導体の面が平坦な半導体を得ることができる。
【００７２】
また、基板には、サファイア基板上に、ＧａＮ、その他のIII 族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたテンプレート基板を用いて、III 族窒化物半導体層に同様な凹凸加工を施しても、本件発明を実施することができる。また、ＡｌＮ基板上に、ＧａＮ、その他のIII 族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させたテンプレート基板を用いても、本発明を実施できる。
【実施例４】
【００７３】
本実施例は、実施例１、２において、サファイア基板に代えて炭化珪素（ＳｉＣ）基板を用いた例である。この場合には、図２２に示すように、主面をｃ面（０００１）とする。凹凸加工は、基板の第１ストライプ構造１００の第１加工側面１００ａａの第１側面ベクトルｔと基板のｍ面（１０−１０）の主面へのｍ軸射影ベクトルｍとの成す第１角θ１を０．５°以上、６°以下とし、第２ストライプ構造１０１の第２加工側面１０１ａａの第２側面ベクトルｓと基板のａ面（１１−２０）の主面へのａ軸射影ベクトルａとの成す第２角θ２を０°以上、１０°以下となるようにした。
【００７４】
この場合に、凸部の上面、凹部の底面からIII 族窒化物半導体はｃ軸方向に成長する。六方晶系の炭化珪素（ＳｉＣ）と、そのＳｉＣ上に成長する同じく六方晶系のIII 族窒化物半導体との結晶方位の関係は、基板のｍ面（１０−１０）、ａ面（１１−２０）と成長するIII 族窒化物半導体のｍ面（１０−１０）、ａ面（１１−２０）とが、それぞれ、平行となる。サフイア基板とIII 族窒化物半導体との結晶方位の関係と異なり、基板の結晶方位と成長するIII 族窒化物半導体の結晶方位とが一致するのは、III 族窒化物半導体の格子定数が、ＳｉＣの格子定数に、サファイアよりも近いためである。
【００７５】
第１加工側面１００ａａの第１側面ベクトルｔと、炭化珪素（ＳｉＣ）基板のｍ軸［１０−１０］射影ベクトルと成す第１角θ１が０．５°〜６°であるので、成長するＧａＮの第１側面ベクトルｔに垂直な面は、ＧａＮのｍ面をＧａＮのｃ軸の回りに０．５°〜６°回転させた面となる。この結果、ＧａＮのａ面の法線ベクトルは、第１側面ベクトルｔ方向の成分を有することになる。よって、成長するＧａＮは、ファセット成長に加えて主面に平行な方向にも成長するので、ファセット間を埋めるように成長する。したがって、ＧａＮの表面において貫通転位密度が低減された平滑なＧａＮを得ることができる。
【００７６】
また、第２ストライプ構造１０１について、第２溝１０１ａの第２加工側面１０１ａａの第２側面ベクトルｓと、炭化珪素（ＳｉＣ）基板のａ軸［１１−２０］射影ベクトルとの成す第２角θ２が０°以上、１０°以下である。したがって、第２側面ベクトルｓに垂直な、成長するＧａＮの側面はＧａＮのａ面をｃ軸の回りに０°以上、１０°以下の範囲で回転させた面となる。この結果、第２側面ベクトルｓは、ＧａＮのａ軸方向の成分が大きくなり、第２側面ベクトルｓ方向のＧａＮの成長速度が大きく、ファセット間を埋めることができる。この結果、前実施例と同様な原理により、貫通転位が局在することなく、一様に分布し、平均貫通転位密度が低減され、成長したIII 族窒化物半導体の面が平坦な半導体を得ることができる。
【実施例５】
【００７７】
本実施例は、実施例１、２において、サファイア基板に代えて立方晶系のシリコン（Ｓｉ）基板を用いた例である。この場合には、図２３に示すように、主面をＳｉの（１１１）面とする。凹凸加工は、基板の第１ストライプ構造１００の第１加工側面１００ａａの第１側面ベクトルｔと基板のＳｉの（−１−１２）面の主面へのＳｉの［−１−１２］軸射影ベクトルｍとの成す第１角θ１を０．５°以上、６°以下とし、第２ストライプ構造１０１の第２加工側面１０１ａａの第２側面ベクトルｓと基板のＳｉの（１−１０）面の主面へのＳｉの［１−１０］軸射影ベクトルａとの成す第２角θ２を０°以上、１０°以下となるようにした。
【００７８】
この場合に、凸部の上面、凹部の底面からIII 族窒化物半導体はｃ軸方向に成長する。立方晶系のシリコン（Ｓｉ）と、そのＳｉ上に成長する六方晶系のIII 族窒化物半導体との結晶方位の関係は、Ｓｉの（１１１）面、（−１−１２）面、（１−１０）面と、成長するIII 族窒化物半導体のｃ面（０００１）、ｍ面（１０−１０）、ａ面（１１−２０）とが、それぞれ、平行となる。
【００７９】
第１加工側面１００ａａの第１側面ベクトルｔと、シリコン（Ｓｉ）の［−１−１２］射影ベクトルと成す第１角θ１が０．５°〜６°であるので、成長するＧａＮの第１側面ベクトルｔに垂直な面は、ＧａＮのｍ面をＧａＮのｃ軸の回りに０．５°〜６°回転させた面となる。この結果、ＧａＮのａ面の法線ベクトルは、第１側面ベクトルｔ方向の成分を有することになる。よって、成長するＧａＮは、ファセット成長に加えて主面に平行な方向にも成長するので、ファセット間を埋めるように成長する。したがって、ＧａＮの表面において貫通転位密度が低減された平滑なＧａＮを得ることができる。
【００８０】
また、第２ストライプ構造１０１について、第２溝１０１ａの第２加工側面１０１ａａの第２側面ベクトルｓと、シリコン（Ｓｉ）の［１−１０］軸射影ベクトルとの成す第２角θ２が０°以上、１０°以下である。したがって、第２側面ベクトルｓに垂直な、成長するＧａＮの側面はＧａＮのａ面をｃ軸の回りに０°以上、１０°以下の範囲で回転させた面となる。この結果、第２側面ベクトルｓは、ＧａＮのａ軸方向の成分が大きくなり、第２側面ベクトルｓ方向のＧａＮの成長速度が大きく、ファセット間を埋めることができる。この結果、前実施例と同様な原理により、貫通転位が局在することなく、一様に分布し、平均貫通転位密度が低減され、成長したIII 族窒化物半導体の面が平坦な半導体を得ることができる。
【００８１】
全実施例において、第２ストライプ構造を、第１ストライプ構造よりも先に形成したが、第１ストライプ構造を先に形成して、その第１ストライプ構造をエッチングして第２ストライプ構造を形成しても良い。形成順序は任意である。また、実施例１、２では、バッファ層をＡｌＮとしたが、これに限るものではなく、Ａｌx Ｇａy Ｎ（ｘ＋ｙ＝１、０≦ｘ、ｙ≦１）であればよい。また、バッファ層は単層でもよいが、複数の層で構成してもよい。バッファ層をスパッタ法によって形成しているが、バッファ層をＭＯＣＶＤ法によって形成してもよい。
【００８２】
なお、本明細書において、ミラー指数の表記は、等価な面の集合、等価な軸の集合を表している。例えば、ｍ面に関する（１０−１０）の表記は、（１０−１０）、（１−１００）、（−１１００）、（−１０１０）、（０１−１０）、（０−１１０）面の集合を表している。また、ｍ軸に関する［１０−１０］の表記は、［１０−１０］、［１−１００］、［−１１００］、［−１０１０］、［０１−１０］、［０−１１０］面の集合を表している。ａ面（１１−２０）、ａ軸［１１−２０］、立方晶系の（−１−１２）面、（１−１０）面、［−１−１２］軸、［１−１０］軸についても、同様に、等価な面及び等価の軸の集合を表しているとして定義されている。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、III 族窒化物半導体発光素子の製造方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００８４】
２、１０：凸部
３：凹部
４：加工側面
２１：主面  
２０：サファイア基板
１１：ｎ型層
１２：発光層
１３：ｐ型層
１４：ｎ電極
１５：透明電極
１６：ｐ電極
１００：第１ストライプ構造
１００ａ：第１溝
１０１：第２ストライプ構造
１０１ａ：第２溝
１０１：バッファ層
１０２：ｎ型層
１０３：発光層
１０４：ｐ型層
１０５：ｎ電極
１０６：透明電極
１０７：ｐ電極
【図２】
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【図３．Ａ】
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【図３．Ｂ】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２．Ａ】
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【図１２．Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１】
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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９．Ａ】
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【図９．Ｂ】
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【図９．Ｃ】
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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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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