(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を用い、該基板上にはエピタキシャル成長し難いIII族窒化物半導体を結晶成長により製造する方法において、
前記基板上に、前記基板の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態に、前記III族窒化物半導体がその上に容易にエピタキシャル成長するバッファ層を形成し、
前記バッファ層上に、前記III族窒化物を縦及び横方向成長させることによりIII族窒化物半導体層を形成し、
前記バッファ層上に形成した前記III族窒化物半導体層のうち、島状態の前記バッファ層上に縦方向成長させた領域の少なくとも一領域をエッチングし、
残存した前記III族窒化物半導体から横方向成長させることにより再度前記III族窒化物半導体層を形成したことを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記III族窒化物の、前記バッファ層上でと、前記基板上でのエピタキシャル成長速度差を利用し、前記バッファ層上での縦方向エピタキシャル成長と、前記バッファ層上で縦方向エピタキシャル成長した前記III族窒化物からの横方向エピタキシャル成長とを組み合わせることで、前記基板上をも覆うよう前記III族窒化物半導体層を形成した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】
前記バッファ層が窒化アルミニウム(AlN)から成ることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記横方向成長させる前記III族窒化物半導体が、アルミニウム(Al)を含まないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法により製造した前記III族窒化物半導体層の、前記バッファ層を形成しなかった部分の上層に、異なるIII族窒化物半導体層を積層することにより得られることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法に加えて、前記基板を除去することにより、前記III族窒化物半導体層を得ることを特徴とするIII族窒化物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物半導体の製造方法に関する。特に、基板上に横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）させる方法に関する。また、それによるIII族窒化物半導体上に形成する。III族窒化物半導体発光素子に関する。尚、III族窒化物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、AlxGa1-xN、AlxIn1-xN、GaxIn1-xN（いずれも０＜x＜１）のような３元系、AlxGayIn1-x-yN（0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式AlxGayIn1-x-yN（0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1）で表されるものがある。
【０００２】
【従来の技術】
III族窒化物半導体は、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。このIII族窒化物半導体では、通常、サファイアを基板として用い、その上に形成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、サファイア基板上にIII族窒化物半導体を形成すると、サファイアとIII族窒化物半導体との熱膨張係数差により、半導体層にクラック、そりが発生し、ミスフィットにより転位が発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。特に、ミスフィットによる転位は半導体層を縦方向に貫通する貫通転位であり、III族窒化物半導体中に109cm-2程度の転位が伝搬してしまうという問題がある。
【０００４】
これについて、図６の模式図で説明する。図６は、基板１と、その上に形成されたバッファ層２と、更にその上に形成されたIII族窒化物半導体層３を示したものである。基板１としてはサファイア、バッファ層２としては窒化アルミニウム(AlN)などが従来用いられている。窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層２は、サファイア基板１とIII族窒化物半導体層３とのミスフィットを緩和させる目的で設けられているものであるが、それでも転位の発生を０とすることはできない。この転位発生点４０から、縦方向（基板面に垂直方向）に貫通転位４が伝播し、それはバッファ層２、III族窒化物半導体層３をも貫いていく。こうして、III族窒化物半導体層３の上層に、所望の様々なIII族窒化物半導体を積層して半導体素子を形成しようとすると、III族窒化物半導体層３の表面に達した転位４１から、半導体素子を貫通転位が更に縦方向に伝搬していくこととなる。このように、従来の技術では、III族窒化物半導体層を形成する際、転位の伝搬を阻止できないという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記課題に鑑み、クラック、転位の無いIII族窒化物半導体層を形成すること及びIII族窒化物半導体素子の素子特性を向上させることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の手段は、基板を用い、該基板上にはエピタキシャル成長し難いIII族窒化物半導体を結晶成長により製造する方法において、基板上に、基板の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態に、III族窒化物半導体がその上に容易にエピタキシャル成長するバッファ層を形成し、バッファ層上に、III族窒化物を縦及び横方向成長させることによりIII族窒化物半導体層を形成し、バッファ層上に形成したIII族窒化物半導体層のうち、島状態のバッファ層上に縦方向成長させた領域の少なくとも一領域をエッチングし、残存したIII族窒化物半導体から横方向成長させることにより再度III族窒化物半導体層を形成したことを特徴とする。
尚、基板の露出部が散在とは、必ずしも完全に分離した領域を言うわけではなく、基板の任意の露出部の近傍にバッファ層が存在する程度を言う。また、バッファ層を、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態に形成する方法としては、基板表面に一様にバッファ層を形成したのち、エッチングにより所望の領域をエッチングして形成する方法、又は、SiO2膜等の選択マスクを形成し部分的にバッファ層を形成する方法などが有る。
【０００７】
また、ここでいう横方向とは、基板の面方向を意味する。これにより、所望のIII族窒化物半導体は、バッファ層の上では縦成長する。バッファ層のない基板の露出部の上ではバッファ層の上で縦成長したIII族窒化物半導体から横成長により基板の露出部を覆う。これらの成長速度は例えば温度条件及び原料物質供給条件により調整が可能である。こうして、ストライプ状の島状態に形成されたバッファ層から、バッファ層のない基板の露出部をも覆うように一体のIII族窒化物半導体層を形成することができる。この結果、III族窒化物半導体内に存在する貫通転位は、ストライプ状の島状態に形成されたバッファ層上部のIII族窒化物半導体領域にのみ存在することとなる。これは貫通転位が、縦成長のときに形成され、横成長の時には形成されないことによる。よって、III族窒化物半導体層の縦方向の貫通転位の面密度が極めて小さくなり、全体としての結晶性が向上する。バッファ層に覆われていない、基板の露出部上部に形成されるIII族窒化物半導体層のみを使用してIII族窒化物半導体素子を形成すれば、その素子中の貫通転位の面密度を０とすることも可能である。
【０００９】
この手段は、基板上に、基板の露出部が散在するように、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態に、III族窒化物半導体がその上にエピタキシャル成長するバッファ層を形成し、バッファ層上に、III族窒化物を縦及び横方向成長させることによりIII族窒化物半導体層を形成し、バッファ層上に形成したIII族窒化物半導体層のうち、島状態のバッファ層上に縦方向成長させた領域の少なくとも一領域をエッチングし、エッチングした領域を再度横方向成長により塞ぐ発明である。バッファ層上に、III族窒化物を縦及び横方向成長させることにより形成したIII族窒化物半導体層の、貫通転位の面密度が極めて小さく、結晶性が良いことは請求項１に記載の手段と同様である。そこでIII族窒化物半導体層の、バッファ層上に縦方向成長させた貫通転位の存在する領域をエッチングすれば、縦方向成長による貫通転位を除去できる。この際、バッファ層までエッチングすると尚良い。
【００１０】
こののち再度III族窒化物半導体を横方向成長させれば、エッチングによる孔を塞ぎ、一体のIII族窒化物半導体層を再度形成することができる。横方向成長を促進させることを例えば温度条件及び原料物質供給条件により調整することが可能である。この結果、III族窒化物半導体層中に存在する貫通転位は存在しないこととなる。よって、III族窒化物半導体層の縦方向の貫通転位が無く、全体としての結晶性が向上する。尚、貫通転位が部分的に斜めに（横方向）にも形成されることを考慮して、バッファ層上面を含むより広い領域のIII族窒化物半導体層をエッチングすることは本発明の範囲内である。同様に、点状、ストライプ状又は格子状等の島状態に形成されたバッファ層上の貫通転位を含むIII族窒化物半導体の領域を、全てエッチングする必要はなく、適宜不必要な領域は貫通転位を含んだままIII族窒化物半導体層を再度横方向性長により形成してもかまわない。尚、最初に形成するバッファ層の位置或いは領域の設計と、のちの加工の手段における制約から、エッチング及び横方向エピタキシャル成長を複数段階に分けて行うなどの手段も、本願発明に包含される。
【００１１】
請求項２に記載の手段は、III族窒化物の、バッファ層上でと、基板上でのエピタキシャル成長速度差を利用し、バッファ層上での縦方向エピタキシャル成長と、バッファ層上で縦方向エピタキシャル成長したIII族窒化物からの横方向エピタキシャル成長とを組み合わせることで、基板上をも覆うようIII族窒化物半導体層を形成したことを特徴とする。所望のIII族窒化物の、バッファ層上でと、基板上でのエピタキシャル成長速度差は、温度条件或いは原料物質供給条件により容易に調整できる。これは所望のIII族窒化物の、バッファ層上での縦方向エピタキシャル成長速度と、バッファ層上で縦方向エピタキシャル成長したIII族窒化物からの横方向エピタキシャル成長速度に関しても調整が可能である。よってこれらの条件を調整することにより、III族窒化物半導体層の縦方向の貫通転位の面密度が極めて小さくなり、全体としての結晶性が向上する。
【００１２】
尚、ここで、III族窒化物の、バッファ層上でと、基板上でのエピタキシャル成長速度差を利用するということは、当該III族窒化物がバッファ層を形成する化合物と化学量論的組成において同一であることを排除するものではない。化合物半導体のエピタキシャル成長においては、下部層との組み合わせやエピタキシャル成長条件により、非結晶である場合も、微結晶又は多結晶の集合である場合も、単結晶である場合もあり得る。本願発明においてはエピタキシャル成長速度差がその要部であり、所望のIII族窒化物、バッファ層を形成する化合物及び基板の材質の組み合わせは、エピタキシャル成長速度差を実現するための手段に過ぎない。
【００１３】
【００１４】
また、請求項３に記載の手段は、バッファ層が窒化アルミニウム(AlN)から成ることを特徴とする。また、請求項４に記載の手段は、横方向成長させるIII族窒化物が、アルミニウムを含まないことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法により製造したIII族窒化物半導体層の、バッファ層を形成しなかった部分の上層に、異なるIII族窒化物半導体層を積層することにより得られることを特徴とするIII族窒化物半導体発光素子である。縦方向の貫通転位の面密度が無い部分の上層に発光素子とすべくIII族窒化物半導体を積層するので、素子としての信頼性が向上する。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体の製造方法により、基板上に形成したものとして得られたIII族窒化物半導体層を、基板を除去することで、III族窒化物半導体層のみとして得る発明である。この際、必要ならばバッファ層を除去しても良い。これにより、絶縁体を基板として用いても、任意のキャリアをドープし、任意の抵抗率とすることのできるIII族窒化物半導体層を絶縁基板の無い状態で得ることができる。これにより得られるIII族窒化物半導体層は貫通転位が無い或いは面密度の極めて小さいものであるので、半導体素子基板として有用である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
図１、図３及び図４は、本発明のIII族窒化物半導体を製造する方法を示した工程図である。本発明のIII族窒化物半導体は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH3)とキャリアガス(H2又はN2)とトリメチルガリウム（Ga(CH3)3，以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニウム（Al(CH3)3，以下「TMA」と記す）である。
【００１８】
〔第１実施例〕
有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給してAlNのバッファ層２を約40nmの厚さに形成した（図１の（ａ））。このバッファ層２を、ハードベークレジストマスクを使用して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いた選択ドライエッチングにより、幅5μm、間隔5μmのストライプ状にエッチングした。これにより、幅5μmのAlNのバッファ層２と、それに覆われていない幅5μmのサファイア基板１の表面が交互に形成された（図１の（ｂ）及び（ｅ））。
【００１９】
次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、数千Åの成長を行い、全面をGaNで覆った。その後、TMGを300μmol/minで導入し、成長温度1000℃で膜厚約3μmのGaN層３を形成した。このようにして、本実施例では、サファイア基板１上部にGaN領域３２が、AlNのバッファ層２上部に縦方向にエピタキシャル成長したGaN領域３１を核として、横方向にエピタキシャル成長することにより形成される（図１の（ｃ）、（ｄ））。即ち、サファイア基板１のAlNのバッファ層２の形成されていない露出部上部に、結晶性の高いGaN領域３２が得られる。
【００２０】
予め所望の素子形成に必要なだけサファイア基板１の表面を露出させておけば、その上部に横方向エピタキシャル成長により形成した結晶性の高いGaN領域３２を使用して、III族窒化物半導体素子を形成することも可能である。図２は、本実施例においてシリコン(Si)をドープし、ｎ型としたGaN層３０の、結晶性の高いGaN領域上部にＬＤを形成したものである。AlNのバッファ層２の無い領域上に形成した結晶性の高いn-GaN領域上部に、n-Al0.07Ga0.93Nクラッド層４ｃ、n-GaNガイド層５、Ga0.9In0.1N井戸層６１とGa0.97In0.03N障壁層６２とから成るＭＱＷ発光層、p-GaNガイド層６、p-Al0.07Ga0.93Nクラッド層８、p-GaNコンタクト層９を形成し、n-GaN層３０とp-GaNコンタクト層９にそれぞれ電極１１、電極１０を形成したものである。図２のＬＤは、素子領域のうち電極１１付近以外には貫通転位が無いので、素子としての信頼性が向上した。
【００２１】
〔第２実施例〕
有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで低下させて、H2を10L/min、NH3を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給してAlNのバッファ層２を約40nmの厚さに形成した。このバッファ層２を、ハードベークレジストマスクを使用して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）による選択ドライエッチングにより、幅5μm、間隔5μmのストライプ状にエッチングした。これにより、幅5μmのAlNのバッファ層２と、それに覆われていない幅5μmのサファイア基板１の表面が交互に形成された。
【００２２】
次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、数千Åの成長を行い、全面をGaNで覆った。その後、TMGを300μmol/minで導入し、成長温度1000℃で膜厚約3μmのGaN層３を形成した。このようにして、本実施例では、サファイア基板１上部にGaN領域３２が、AlNのバッファ層２上部に縦方向にエピタキシャル成長したGaN領域３１を核として、横方向にエピタキシャル成長することにより形成される（図３の（ａ））。
【００２３】
次に、ドライエッチングによる選択エッチングにより、AlNのバッファ層２上部に縦方向にエピタキシャル成長したGaN領域３１をエッチングした（図３の（ｂ））。この際、AlNのバッファ層２までエッチングした。次に、やはりサファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H2を20L/min、NH3を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、数千Åの膜厚を形成した。こののち、TNGを300μmol/min、成長温度1000℃で横方向にエピタキシャル成長させることでGaN領域３１の欠落した空間を埋めると共に、一体的にGaN層３を縦方向にも約3μm成長させた（図３の（ｃ））。こうして、サファイア基板１上部に結晶性の高いGaN領域３２、選択エッチングにより除去されたAlNのバッファ層２部分にも、やはり結晶性の高いGaN領域３３を形成した。このようにして得られたGaN層３は、図３のＷで示した広い領域に渡って結晶性の高く、貫通転位４の存在しない良好なGaN層であった。
【００２４】
図４は、図３の工程における上方からの模式図である。本実施例ではAlNのバッファ層２上部に縦方向にエピタキシャル成長したGaN領域３１の一部領域を残し、その他の領域に結晶性の高いGaN層を形成した。
【００２５】
図４の（ａ）は、ストライプ状に形成したバッファ層２を示す。Ｂで示した領域は基板１の露出部である。図４の（ｂ）は、バッファ層２上部に縦方向にエピタキシャル成長したGaN領域３１をエッチングした後の、残ったGaN層３を示したものである。図４の（ｂ）に示すように、結晶性の高いGaN領域３２を支持するため、貫通転位を有する外周のGaN領域３１を残している。図４の（ｃ）は、横方向エピタキシャル成長により再度形成された一体のGaN層３を示したものである。図４の（ｃ）に示すように、GaN層３は、バッファ層２上の貫通転位を含むGaN領域３１、バッファ層２の無い領域上の貫通転位を含まないGaN領域３２、及びバッファ層２を除いた後に形成された貫通転位を含まないGaN領域３３から成る。このように、貫通転位を含まないGaN領域３２及びGaN領域３３を合わせた領域Ｗは、極めて結晶性が高い。
【００２６】
こののち、サファイア基板１及びバッファ層２を機械研磨により除き、貫通転位を有する外周のGaN領域３１を切削することで、結晶性が高く、貫通転位の無いGaN層３から成るIII族窒化物半導体基板を得ることができた。
【００２７】
尚、上記実施例において、ストライプ状に形成されたAlNのバッファ層２の幅を約5μmとしたが、幅が10μmを超えると転位発生の確率が増大し、幅が1μm未満になると良好なGaN層３の形成が困難となるので、望ましくは1〜10μmの範囲が良い。又、上記実施例ではAlNのバッファ層２の間隔（サファイア基板１の露出領域Ｂの幅）を5μmとしたが、10μmを超えると横方向の成長に長時間必要となり、間隔が1μm未満になると、結晶性の良好なGaN領域３２が小さくなり過ぎるので、望ましくは1〜10μmの範囲が良い。また、GaNからなるｎ層３の結晶性の点から幅の割合は、AlNのバッファ層２の幅を1としてAlNのバッファ層２の間隔（サファイア基板１の露出領域Ｂの幅）を1〜10とすることが望ましい。
【００２８】
上記実施例において、GaNからなるｎ層３の厚さは、50〜100μmとすると、無転位の結晶が得られるので望ましい。
【００２９】
また、本実施例では、バッファ層２に窒化アルミニウム(AlN)、形成するIII族窒化物半導体層３に窒化ガリウム(GaN)を用いたが、本願発明はこれに限定されない。本願発明の要部は、基板上にエピタキシャル成長しないIII族窒化物半導体を、バッファ層上に縦方向エピタキシャル成長させると共に横方向エピタキシャル成長させ、貫通転位の無い領域を形成することである。よってエピタキシャル成長条件とともに、基板、バッファ層、目的物たるIII族窒化物半導体は様々に組み合わせることができる。即ち、基板にサファイア、バッファ層に窒化アルミニウム(AlN)を用いた場合、目的物たるIII族窒化物半導体としては窒化アルミニウム(AlN)以外の任意組成比のIII族窒化物半導体（一般式AlxGayIn1-x-yN、0≦x≦1，0≦y≦1，0≦x+y≦1，但しx＝1且つy＝0の場合を除く）を用いることができる。
【００３０】
上記実施例では、基板１にサファイアを用いたが、シリコン(Si)、炭化珪素(SiC)等の他の基板を用いることができる。
【００３１】
また、バッファ層としては、窒化アルミニウム(AlN)の他、窒化ガリウム(GaN)、窒化ガリウムインジウム(GaxIn1-xN，0＜x＜1)、窒化アルミニウムガリウム(AlxGa1-xN，0＜x＜1)或いは窒化アルミニウムガリウムインジウム(AlxGayIn1-x-yN，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜x+y＜1)を用いても良い。
【００３２】
また、バッファ層は、上記実施例のようなストライプ状ではなく、例えば図５のような島状にしても良い。図５では外周の領域を連続したバッファ層としているが、これの無いものとしても良い。
【００３３】
本願発明によりIII族窒化物半導体基板を得ることができる。この際、エピタキシャル成長の選択性を妨げない限り、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)など任意のドーパントをIII族窒化物半導体基板にドープさせることができる。このようにして、本願発明により、任意のドーパントを含み、任意の抵抗率を有するIII族窒化物半導体基板を得ることができる。
【００３４】
本願発明により得られたIII族窒化物半導体基板の上に、良く知られたように、種々のIII族窒化物半導体から成る、ガイド層、クラッド層、ＭＱＷ又はＳＱＷ構造の活性層がヘテロ接合された発光ダイオード、レーザ素子を形成しても良い。例えばレーザダイオードを形成した場合には、基底層から素子の各機能層までが、全てIII族窒化物半導体で形成されているので、共振器の端面が容易にへき開により形成できる。これによりレーザの発振効率を向上させることができる。また、III族窒化物半導体基板を導電性に形成することで、基板面に垂直な方向に電流を流すことかでき、電極形成工程が簡略化されると共に、電流路の断面積が広く且つ長さが短くなるので駆動電圧を低下させることができる。
【００３５】
上記の実施例において、MOVPE法は常圧雰囲気中で行われたが、減圧成長下で行っても良い。また、常圧、減圧の組み合わせで行なって良い。本発明で得られたIII族窒化物半導体は、ＬＥＤやＬＤの発光素子に利用可能であると共に受光素子及び電子デバイスにも利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体的な第１実施例に係るIII族窒化物半導体の製造方法を示した断面図。
【図２】本発明の具体的な第１実施例により製造したIII族窒化物半導体を用いたレーザダイオード（ＬＤ）を示した断面図。
【図３】本発明の具体的な第２実施例に係るIII族窒化物半導体の製造方法を示した断面図。
【図４】本発明の具体的な第２実施例に係るIII族窒化物半導体の製造方法を示した平面図。
【図５】本発明の具体的な他の実施例としてのバッファ層の平面図。
【図６】従来の製造方法によるIII族窒化物半導体の断面図。
【符号の説明】
１…サファイア基板
２…窒化アルミニウム(AlN)バッファ層
３…窒化ガリウム(GaN)層
３１…バッファ層２上に形成された、窒化ガリウム(GaN)層３の貫通転位４を含む領域
３２…バッファ層２の無い領域に形成された、窒化ガリウム(GaN)層３の貫通転位４を含まない領域
３３…バッファ層２を除いた後に形成された、窒化ガリウム(GaN)層３の貫通転位４を含まない領域
４…貫通転位
４０…貫通転位４の発生点
４１…貫通転位４の窒化ガリウム(GaN)層３の表面到達点
【図１】
0003587081.tif 000002
【図２】
0003587081.tif 000003
【図３】
0003587081.tif 000004
【図４】
0003587081.tif 000005
【図５】
0003587081.tif 000006
【図６】
0003587081.tif 000007