(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（０００１）面又は（０００１）から数度傾斜した面方位を持つ基板上に島状の第一の窒化物層を有し、
前記第一の窒化物層上に、前記第一の窒化物層の（０００１）面の３つの等価な＜１１２０＞（下線は上線の代用である）方向の辺と３つの等価な（１１０１）（下線は上線の代用である）面を有する第二の窒化物層を有し、
さらに前記第一、第二の窒化物層を覆う第三の窒化物層を有することを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
前記基板はサファイアであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
前記基板はＳｉＣであることを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記第二の窒化物層は三角錘形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
【請求項５】
前記第二の窒化物層は六角錘形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物半導体基板。
【請求項６】
（０００１）面又は（０００１）から数度傾斜した面方位を持つ基板上に窒化物層を成長し、
その成長した窒化物層の（０００１）面の３つの等価な＜１１２０＞方向の辺に正三角形あるいは正六角形の開口部を形成するように等間隔にマスク材でマスクストライプを形成して、その開口部上に窒化物半導体を成長し、
マスク材で覆われていない開口部に窒化物層が島状に形成された時点で成長を中断し、
マスクストライプならびにマスクストライプ下地の窒化物層を除去した後に窒化物層をさらに成長することを特徴とする窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
基板表面の全面にわたって均一な低転位密度である窒化物半導体基板、および基板表面の全面にわたって均一に低転位密度の窒化物半導体結晶を成長する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（０００１）面もしくは（０００１）面から数度傾斜した面方位を持つサファイアもしくはＳｉＣ基板上に、通常の成長方法（サファイア基板上でＡｌＮ低温バッファ層を用いる、Ｈ．Ａｍａｎｏ  ｅｔ  ａｌ  ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４８（１９８６）３５３  、ＳｉＣ基板上ＡｌＮバッファ層を用いる、Ｔ．Ｗ．Ｗｅｅｋｓ  ｅｔ  ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７（１９９５）４０１）で窒化ガリウムを成長した場合、成長した窒化ガリウム中の転位密度は、サファイア基板上で１０９  〜１０１０ｃｍ−３、ＳｉＣ基板上で〜１０８  ｃｍ−３となる。この値はガリウムヒ素基板と比べ５桁以上も大きく、その結果、これら基板上に作製した窒化物半導体レーザの発振しきい電流密度は高く、素子寿命は短いという問題があった。
【０００３】
最近、選択成長を使った技術（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｌａｙｅｒ  ｂｙ  ＯｖｅｒＧｒｏｗｔｈ  ；ＥＬＯＧ）が開発され、転位密度を〜１０７  ｃｍ−３にまで低減できることが見い出された（Ａ．Ｕｓｕｉ  ｅｔ  ａｌ．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３６（１９９７）Ｌ８９９．）。これは選択成長であらわれる横方向成長によって、転位の伝播方向が垂直方向から水平方向に曲げられることによる。また、選択成長であらわれるのと類似の横方向成長を優先的に引き起こし、その結果、転位密度を低減できるＰｅｎｄｅｏ−ｅｐｉｔａｘｙ（Ｔ．Ｓ．Ｚｈｅｌｅｖａ  ｅｔ  ａｌ．．  ＭＲＳ  Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｊ．  Ｎｉｔｒｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．  Ｒｅｓ．  ４Ｓ１，Ｇ３．３８（１９９８））が開発された。また、その手法をレーザ構造作製に適用し、低転位密度領域に作製した紫色ＩｎＧａＮレーザは低しきい電流密度（〜２ＫＡ／ｃｍ２  ）で発振し、かつ連続動作寿命が３０００時間を超えている（Ｓ．Ｎａｋａｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３７（１９９８）Ｌ１０２０）。
【０００４】
図４は、従来技術におけるＥＬＯＧにより作製した窒化物半導体基板である。
（ａ）は、ＥＬＯＧ用にサファイア基板１やＳｉＣ基板上にＧａＮ２を成長し、その上に＜１１２０＞方向にＳｉＯ２  ３で２μｍのライン１１と８μｍのスペース１２を形成した様子を示している。この上にＧａＮを再成長したＧａＮ成長層８でＳｉＯ２  ３を埋め込み平坦化する。
【０００５】
（ｂ）はＥＬＯＧ技術で成長したＧａＮ成長層の断面透過電子顕微鏡写真をもとに描いた転位の伝播の様子を示している。
垂直に延びる転位はいったん曲げられるが、ＳｉＯ２  ３上の結晶領域で集合し、再び上に延びる。そのため表面に高密度転位、欠陥領域が形成される。
【０００６】
図５は、従来技術におけるＰｅｎｄｅｏ  Ｅｐｉｔａｘｙにより作製した窒化物半導体基板である。
（ａ）はＰｅｎｄｅｏ  Ｅｐｉｔａｘｙ用にサファイア基板１上にＧａＮを成長し、一部ＧａＮ成長層を残し、基板界面までＧａＮをエッチングで取り去ってＧａＮ核１３を形成する。その上にＧａＮ成長層８で再成長することによって、ＧａＮ核１３を埋め込み平坦化する横方向成長が生じ、埋め込まれ平坦化する。
【０００７】
（ｂ）はＰｅｎｄｅｏ  Ｅｐｉｔａｘｙ技術によって成長したＧａＮ成長層の断面透過電子顕微鏡写真をもとに描いた転位の伝播の様子を示している。
ＧａＮ核１３から上に延びる転位はそのまま再成長層にも引き継がれる。
【０００８】
しかし、図４，５（従来の技術）に説明するように、従来の選択成長技術ではライン１１およびスペース１２のマスクパターンが用いられているため、ＳｉＯ２  ３直上のＧａＮ成長層８には依然高い密度で転位や欠陥が存在するし、Ｐｅｎｄｅｏ−ｅｐｉｔａｘｙでは、横方向成長で形成された部分の転位密度は低いが、垂直に延びる転位成分を除くことができず、依然、局所的に高密度転位領域が存在する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の選択成長技術であるＥＬＯＧやＰｅｎｄｅｏ−ｅｐｉｔａｘｙは、転位密度を低減化するのに大きな効果はあるものの、基板全面にわたって均一に低転位密度を得ることはできなかった。その上に、デバイス構造を作製する場合には、低転位密度領域を選ぶ必要があった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、基板表面の全面にわたって均一な低転位密度である窒化物半導体基板、および基板表面の全面にわたって均一に低転位密度の窒化物半導体結晶を成長する方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（０００１）面もしくは（０００１）面から数度傾斜した面方位を持つサファイアもしくはＳｉＣ基板上に、通常の成長方法で窒化物である窒化ガリウムを成長し、その成長した窒化ガリウム（０００１）表面の３つの等価な＜１１２０＞方向に、ＳｉＯ２  などのマスク材で、開口部が正三角形を形成するように等間隔にマスクストライプを形成し、窒化ガリウムを成長する。正三角形の開口部に三角錐が形成した時点で成長を中断し、マスクストライプならびにマスクストライプ下地の窒化ガリウムを除去した後に、窒化ガリウムをはじめとする窒化物半導体を成長する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するために本発明の窒化物半導体基板は、（０００１）面又は（０００１）から数度傾斜した面方位を持つ基板上に島状の第一の窒化物層を有し、前記第一の窒化物層上に、前記第一の窒化物層の（０００１）面の３つの等価な＜１１２０＞方向の辺と３つの等価な（１１０１）面を有する第二の窒化物層を有し、さらに前記第一、第二の窒化物層を覆う第三の窒化物層を有することに特徴を有している。
【００１３】
また、本発明の窒化物半導体基板は、前記基板はサファイアであることに特徴を有している。
【００１４】
さらに、本発明の窒化物半導体基板は、前記基板はＳｉＣであることに特徴を有している。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体基板は、前記第二の窒化物層は三角錘形状を有することに特徴を有している。
【００１６】
さらに、本発明の窒化物半導体基板は、前記第二の窒化物層は六角錘形状を有することに特徴を有している。
【００１７】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、（０００１）面又は（０００１）から数度傾斜した面方位を持つ基板上に窒化物層を成長し、その成長した窒化物層の（０００１）面の３つの等価な＜１１２０＞方向の辺に正三角形あるいは正六角形を形成するように等間隔にマスクストライプを形成し、その上に窒化物層を成長することに特徴を有している。
【００１８】
また、本発明の窒化物半導体基板の製造方法は、マスクストライプ上に窒化物層を成長する工程において、マスク材で覆われていない開口部に窒化物層が島状に形成した時点で成長を中断し、マスクストライプならびにマスクストライプ下地の窒化物層を除去した後に窒化物層をさらに成長することに特徴を有している。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施例における窒化物半導体の構造およびその製造方法を説明する図である。
（ａ）はサファイア基板１やＳｉＣ基板上に第一の窒化物層であるＧａＮ層２を設け、その上にＳｉＯ２  ３で等価な３つの＜１１２０＞方向に、開口部が正三角形になるように、２μｍ／８μｍのラインとスペースからなるマスクストライプ４を形成した平面図である。
【００２０】
（０００１）面もしくは（０００１）面から数度傾斜した面方位を持つサファイア基板１もしくはＳｉＣ基板を用い、水素キャリアガス中で１０００℃に加熱された基板上にアンモニアとトリメチルガリウムを供給するＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）により、ＡｌＮバッファ層を成長後、膜厚１〜２μｍのＧａＮ２を成長する。その成長したＧａＮ２の（０００１）面の３つの等価な＜１１２０＞方向に、ＳｉＯ２  ３マスク材で、たとえばマスク幅２μｍ、開口部が一辺８μｍの正三角形になるように等間隔にマスクストライプ４を形成する。
【００２１】
（ｂ）は、サファイア基板１上のＧａＮ層２上に形成したマスクストライプ４による正三角形開口部にＧａＮを成長し、第二の窒化物層である三角錐ＧａＮ成長層５を形成した断面図である。
ＧａＮをＭＯＶＰＥ法により、そのマスクストライプ４上に成長すると、まず開口部にのみ成長し、３つの等価な（１１０１）面で囲まれた三角錐ＧａＮ成長層５が形成される。
【００２２】
（ｃ）は、サファイア基板１上に島状ＧａＮ７を設け、島状ＧａＮ７上に三角錐ＧａＮ成長層５を設け、三角錐ＧａＮ成長層５上にレジストマスク６を形成した断面図である。
フッ酸でＳｉＯ２  ３マスクを除去し、リソグラフィーにより三角錐ＧａＮ成長層５を保護するようにレジストマスク６を形成し、塩素によるドライエッチングでマスクストライプ４下のＧａＮを除去し、サファイア基板１面を出す。
【００２３】
（ｄ）は、その上に第三の窒化物層であるＧａＮ成長層８を設けた断面図である。
レジストマスク６を除去し、ＧａＮ成長層８をＭＯＶＰＥ法で成長すると、三角錐を埋め込むように、横方向成長が促進され、約２０μｍ成長すると、平坦になる。
【００２４】
図２は、第１実施例により作製したＧａＮ膜の＜１１２０＞方向から観察した断面透過電子顕微鏡像をもとに描いた転位伝播の様子を示す図である。図によって、基板全面にわたって低転位密度が得られる機構を説明する。転位は高密度にサファイア基板１もしくはＳｉＣ基板界面からほぼ垂直に上に延び、三角錐ＧａＮ成長層５を形成する斜め（１１０１）面に到達すると向きを水平方向に変える。三角錐ＧａＮ成長層５の頂上付近に到達した転位は上に延びるが、その密度は小さい。すなわち、三角錐ＧａＮ成長層５中の転位は内部では垂直に延びるが、斜面で曲げられ表面に伝播する転位は少ない。その結果ＧａＮ成長層８表面には、全面にわたって転位密度として１０７  ｃｍ−２以下の低転位領域を形成できる。
【００２５】
図３は、本発明の第２実施例で使用されるマスクストライプの図である。マスクパターンとして図に示したような正六角形のハニカムパターンを用い、六角錐構造を成長させることによっても、低転位化について同様の効果が確認された。開口部が正六角形のハニカム構造のＳｉＯ２  ３のマスクストライプ９は、２μｍ／８μｍのラインとスペースからなるマスクパターンである。この場合、六角錐が成長し、三角錐と同様の原理で、転位が、六角錐斜面で曲げられ表面に伝播する転位は少なく、密度として１０７  ｃｍ−２以下が得られる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、マスクパターン開口部に三角錐あるいは六角錐構造のＧａＮ層がまず形成され、続いて横方向成長によるＧａＮ層によりこれら錐構造のＧａＮ層が埋め込まれる成長様式を取る。基板界面から垂直に延びる転位は、錐構造の斜面に到達すると曲がる性質を持つため、ほとんどの転位は、表面に到達せず、その結果、基板全面にわたって密度１０７  ｃｍ−２以下の低転位密度が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１実施例における窒化物半導体の構造およびその製造方法を説明する図である。
【図２】第１実施例により作製したＧａＮ膜の＜１１２０＞方向から観察した断面透過電子顕微鏡像をもとに描いた転位伝播の様子を示す図である。
【図３】本発明の第２実施例で使用されるマスクストライプの図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、従来技術におけるＥＬＯＧにより作製した窒化物半導体基板である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、従来技術におけるＰｅｎｄｅｏ  Ｅｐｉｔａｘｙにより作製した窒化物半導体基板である。
【符号の説明】
１  サファイア基板
２  ＧａＮ層
３  ＳｉＯ２  
４  マスクストライプ（マスクパターン）
５  三角錐ＧａＮ成長層
６  レジストマスク
７  島状ＧａＮ層
８  ＧａＮ成長層
９  マスクストライプ（マスクパターン）
１１  ライン
１２  スペース
１３  ＧａＮ核
【図１】
0003557441.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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