(57)【要約】【課題】結晶欠陥密度が低く、しかも、ピエゾ自発分極が生じ難いＧａＮ系化合物半導体層の形成方法を提供する。【解決手段】ＧａＮ系化合物半導体層の形成方法は、（Ａ）サファイヤ基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、離間したシード層１１を複数形成した後、（Ｂ）頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１のＧａＮ系化合物半導体層１２を、各シード層１１から横方向エピタキシャル成長させ、次いで、（Ｃ）シード層１１の上方に位置する第１のＧａＮ系化合物半導体層１２の頂面１２Ａの部分に、マスク層１３を形成した後、（Ｄ）第１のＧａＮ系化合物半導体層１２の頂面１２Ａ上及びマスク層１３上に、頂面１４ＡがＡ面であり、側面１４ＢがＣ面である第２のＧａＮ系化合物半導体層１４を第１のＧａＮ系化合物半導体層１２の頂面１２Ａから横方向エピタキシャル成長させる各工程を具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状のシード層を、複数、離間して形成した後、
（Ｂ）ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、次いで、
（Ｃ）シード層の上方に位置する第１下地層の頂面の部分に、マスク層を形成した後、
（Ｄ）第１下地層の頂面上及びマスク層上において、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第２下地層を第１下地層の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる、
各工程を具備することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項２】
前記工程（Ｂ）において、第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層の対向する側面が相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止し、
前記工程（Ｄ）において、第２下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層の対向する側面から、ＧａＮ系化合物半導体から成る第３下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項３】
第１下地層の横方向エピタキシャル成長を、有機ガリウム源ガスと窒素源ガスとを用いた有機金属化学的気相成長法によって行うことを特徴とする請求項２に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項４】
窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3とすることを特徴とする請求項３に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項５】
有機金属化学的気相成長法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることを特徴とする請求項３に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項６】
有機金属化学的気相成長法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａとすることを特徴とする請求項３に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項７】
第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長を、有機ガリウム源ガスと窒素源ガスとを用いた有機金属化学的気相成長法によって行うことを特徴とする請求項２に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項８】
窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3とすることを特徴とする請求項７に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項９】
有機金属化学的気相成長法に基づく第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることを特徴とする請求項７に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項１０】
有機金属化学的気相成長法に基づく第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａとすることを特徴とする請求項７に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項１１】
シード層を形成する前に、サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成るバッファ層を形成する工程を備え、
バッファ層の形成時、バッファ層に、Ｓｉを１×１０17ｃｍ-3以上ドーピングすることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項１２】
シード層は、厚さ１×１０-8ｍ乃至１×１０-7ｍの下層シード層、及び、上層シード層の積層構造を有し、
有機金属化学的気相成長法に基づく下層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、５×１０4Ｐａ乃至９×１０4Ｐａとし、
有機金属化学的気相成長法に基づく上層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至５×１０4Ｐａとすることを特徴とする請求項１１に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項１３】
シード層及びマスク層の平面形状は帯状であることを特徴とする請求項１に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項１４】
シード層の射影像は、マスク層の射影像に含まれることを特徴とする請求項１３に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項１５】
シード層の幅をＷS、マスク層の幅をＷMとしたとき、
ＷM／ＷS＞１
を満足することを特徴とする請求項１４に記載のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法。
【請求項１６】
（Ａ）サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状のシード層を、複数、離間して形成した後、
（Ｂ）ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、次いで、
（Ｃ）シード層の上方に位置する第１下地層の頂面の部分に、マスク層を形成した後、
（Ｄ）第１下地層の頂面上及びマスク層上において、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第２下地層を第１下地層の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる、
各工程を少なくとも具備することを特徴とするＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１７】
前記工程（Ｂ）において、第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層の対向する側面が相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止し、
前記工程（Ｄ）において、第２下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層の対向する側面から、ＧａＮ系化合物半導体から成る第３下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１６に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】
前記工程（Ｄ）に引き続き、第２下地層上に、第１導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る活性層、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層を、順次、形成する工程を更に具備することを特徴とする請求項１７に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項１９】
第２ＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を形成することを特徴とする請求項１８に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２０】
第２電極を、第１下地層の頂面上に形成された第２下地層の部分の上方に形成することを特徴とする請求項１９に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２１】
第２電極の射影像は、第１下地層の頂面上に形成された第２下地層の部分の射影像に含まれることを特徴とする請求項２０に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２２】
シード層の平面形状を幅ＷSの帯状とし、マスク層の平面形状を幅ＷMの帯状とし、複数のシード層の形成ピッチをＰS、第２電極の幅をＷE2としたとき、
ＷM／ＷS＞１
ＷE2／（ＰS−ＷM）＜１
を満足することを特徴とする請求項２１に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２３】
第２ＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、シード層、第１下地層及び第３下地層をサファイア基板のＲ面から剥離することを特徴とする請求項１８に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２４】
シード層、第１下地層及び第３下地層をサファイア基板のＲ面から剥離した後、シード層、第１下地層、第３下地層、第２下地層、及び、マスク層を除去し、第１ＧａＮ系化合物半導体層を露出させることを特徴とする請求項２３に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２５】
露出した第１ＧａＮ系化合物半導体層上に第１電極を形成することを特徴とする請求項２４に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２６】
第１下地層の横方向エピタキシャル成長を、有機ガリウム源ガスと窒素源ガスとを用いた有機金属化学的気相成長法によって行うことを特徴とする請求項１７に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２７】
窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3とすることを特徴とする請求項２６に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２８】
有機金属化学的気相成長法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることを特徴とする請求項２６に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項２９】
有機金属化学的気相成長法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａとすることを特徴とする請求項２６に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３０】
第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長を、有機ガリウム源ガスと窒素源ガスとを用いた有機金属化学的気相成長法によって行うことを特徴とする請求項１７に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３１】
窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3とすることを特徴とする請求項３０に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３２】
有機金属化学的気相成長法に基づく第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることを特徴とする請求項３０に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３３】
有機金属化学的気相成長法に基づく第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａとすることを特徴とする請求項３０に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３４】
シード層を形成する前に、サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成るバッファ層を形成する工程を備え、
バッファ層の形成時、バッファ層に、Ｓｉを１×１０17ｃｍ-3以上ドーピングすることを特徴とする請求項１６に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３５】
シード層は、厚さ１×１０-8ｍ乃至１×１０-7ｍの下層シード層、及び、上層シード層の積層構造を有し、
有機金属化学的気相成長法に基づく下層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、５×１０4Ｐａ乃至９×１０4Ｐａとし、
有機金属化学的気相成長法に基づく上層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至５×１０4Ｐａとすることを特徴とする請求項３４に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３６】
シード層及びマスク層の平面形状は帯状であることを特徴とする請求項１６に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３７】
シード層の射影像は、マスク層の射影像に含まれることを特徴とする請求項３６に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【請求項３８】
シード層の幅をＷS、マスク層の幅をＷMとしたとき、
ＷM／ＷS＞１
を満足することを特徴とする請求項３７に記載のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法、及び、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、結晶欠陥密度の低いＧａＮ系化合物半導体層を形成するために、ＧａＮ系化合物半導体層をサファイア基板の上に横方向に結晶成長させる方法［以下、横方向エピタキシャル成長、あるいは、ＥＬＯＧ成長法（Epitaxial Lateral OverGrowh 法）と呼ぶ］が、種々検討されている。一般に、サファイア基板上に、ＧａＮ系化合物半導体から成る、離間したシード層を複数形成すると、このシード層からＧａＮ系化合物半導体層が横方向に結晶成長する。そして、ＧａＮ系化合物半導体層が横方向に結晶成長する領域において、転位は、ＧａＮ系化合物半導体層の結晶成長と共に横方向にのみ進行し、ＧａＮ系化合物半導体層の縦方向（厚さ方向）には貫通しないが故に、結晶欠陥密度の低いＧａＮ系化合物半導体層を得ることができる。
【０００３】
このようなＥＬＯＧ法の１つが、例えば、特開２００２−１００５７９に開示されている。この特開２００２−１００５７９に開示された技術にあっては、窒化物半導体と異なる異種基板の上に、窒化物半導体から成る成長核を、周期的なストライプ状、島状又は格子状に形成する工程と、成長核から、成長核同士の略中央部において互いに接合して基板全面を覆うように、窒化物半導体層を成長させる成長工程とを備えており、この成長工程において、窒化物半導体層の成長を途中まで成長させた後に、成長核の上方に保護膜を形成し、更に、窒化物半導体層を成長させる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１００５７９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、サファイア基板上におけるＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、サファイア基板のＣ面が用いられる。そして、サファイア基板のＣ面上にＥＬＯＧ成長法に基づき形成されたＧａＮ系化合物半導体層は、その頂面がＣ面となり、側面がＡ面となる。即ち、ＧａＮ系化合物半導体層の頂面は、ＧａＮ系化合物半導体結晶の｛０００１｝面と平行となり、ＧａＮ系化合物半導体層の側面は、ＧａＮ系化合物半導体結晶の
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と平行となる。尚、このような結晶面を、便宜上、以下、｛１１−２０｝面と表記する。また、六方晶系における例えば以下に例示する結晶面の表記、
2006179857.tif 000004
を、便宜上、本明細書においては、｛ｈｋ−ｉｌ｝面、｛ｈ−ｋｉｌ｝面と表記し、以下に例示する方向の表記、
2006179857.tif 000005
を、便宜上、本明細書においては、＜ｈｋ−ｉｌ＞方向、＜ｈ−ｋｉｌ＞方向と表記する。
【０００６】
例えば、ｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮから成る活性層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された発光ダイオード（ＬＥＤ）を想定した場合、ＩｎＧａＮ結晶の格子定数は、ＧａＮ結晶の格子定数よりも少し大きい。そして、それぞれの頂面がＣ面であるｎ型ＧａＮ層と、ＩｎＧａＮから成る活性層と、ｐ型ＧａＮ層とが積層された場合、活性層に圧縮圧力が加わる結果、活性層の厚さ方向にピエゾ自発分極が生じる。その結果、このような発光ダイオードからの発光波長にシフトが生じたり、発光効率の低下、動作電圧の上昇、輝度飽和といった現象が発生する。
【０００７】
上述した特開２００２−１００５７９には、このようなＧａＮ系化合物半導体層がピエゾ自発分極を示した場合の問題点やその解決手段について、何ら言及されていない。
【０００８】
従って、本発明の目的は、結晶欠陥密度が低く、しかも、ピエゾ自発分極が生じ難いＧａＮ系化合物半導体層の積層構造を形成するために用いられるＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法、及び、係るＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法を適用したＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するための本発明のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法は、
（Ａ）サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状のシード層を、複数、離間して形成した後、
（Ｂ）ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、次いで、
（Ｃ）シード層の上方に位置する第１下地層の頂面の部分に、マスク層を形成した後、
（Ｄ）第１下地層の頂面上及びマスク層上において、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第２下地層を第１下地層の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる、
各工程を具備することを特徴とする。尚、このような本発明のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法を、以下、便宜上、本発明の第１の態様に係る下地層の形成方法と呼ぶ。また、本発明のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法を、本発明の下地層の形成方法と略称する場合がある。
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法は、
（Ａ）サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状のシード層を、複数、離間して形成した後、
（Ｂ）ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、次いで、
（Ｃ）シード層の上方に位置する第１下地層の頂面の部分に、マスク層を形成した後、
（Ｄ）第１下地層の頂面上及びマスク層上において、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である第２下地層を第１下地層の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる、
各工程を少なくとも具備することを特徴とする。尚、このような本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を、以下、便宜上、本発明の第１の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法と呼ぶ。
【００１１】
本発明のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法あるいは本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、
前記工程（Ｂ）において、第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層の対向する側面が相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止し、
前記工程（Ｄ）において、第２下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層の対向する側面から、ＧａＮ系化合物半導体から成る第３下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる形態とすることが好ましいが、これに限定するものではない。尚、このような本発明のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法を、以下、便宜上、本発明の第２の態様に係る下地層の形成方法と呼び、このような本発明のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を、以下、便宜上、本発明の第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法と呼ぶ。ここで、限定するものではないが、第１下地層の対向する側面の間の距離をＬ、複数のシード層の形成ピッチをＰSとしたとき、
０．５≦Ｌ／ＰS≦０．９９
好ましくは、
０．６≦Ｌ／ＰS≦０．８
を満足することが、欠陥を減らすといった観点、あるいは、サファイア基板からの第１下地層等の剥離を防止するといった観点から望ましい。
【００１２】
本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、前記工程（Ｄ）に引き続き、第２下地層上に、第１導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る活性層、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層を、順次、形成する工程を更に具備することが好ましい。
【００１３】
そして、この場合、第２ＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を形成することが好ましい。更には、第２電極を、第１下地層の頂面上に形成された第２下地層の部分の上方に形成することが好ましく、更には、第２電極の射影像は、第１下地層の頂面上に形成された第２下地層の部分の射影像に含まれることが一層好ましく、更には、シード層の平面形状を幅ＷSの帯状とし、マスク層の平面形状を幅ＷMの帯状とし、複数のシード層の形成ピッチをＰS、第２電極の幅をＷE2としたとき、
１＜ＷM／ＷS
好ましくは、
１＜ＷM／ＷS≦２
を満足し、且つ、
ＷE2／（ＰS−ＷM）＜１
好ましくは、
ＷE2／（ＰS−ＷM）＜０．５
を満足することが更に一層好ましい。１＜ＷM／ＷSを満足させることによって、得られた第２下地層における結晶欠陥密度を確実に低減させることができるし、ＷE2／（ＰS−ＷM）＜１を満足させることによって、一層結晶欠陥密度の少ない第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を設けることができる。
【００１４】
あるいは又、この場合、第２ＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、シード層、第１下地層（及び第３下地層）をサファイア基板のＲ面から剥離することが好ましく、更には、シード層、第１下地層（及び第３下地層）をサファイア基板のＲ面から剥離した後、シード層、第１下地層、（第３下地層、）第２下地層、及び、マスク層を除去し、第１ＧａＮ系化合物半導体層を露出させることが好ましく、更には、露出した第１ＧａＮ系化合物半導体層上に第１電極を形成することが一層好ましい。
【００１５】
また、上記の各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る下地層の形成方法あるいはＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、第１下地層の横方向エピタキシャル成長を、有機ガリウム源ガスと窒素源ガスとを用いた有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって行うことが好ましい。そして、この場合、窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3、望ましくは、１×１０2乃至１×１０3とする構成とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1、望ましくは、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至２×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第１下地層の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａ、望ましくは、１×１０3Ｐａ乃至１×１０4Ｐａとすることが好ましい。Ｖ／ＩＩＩ比、有機ガリウム源ガスの供給モル数、窒素源ガスを含む全体圧力を上述の範囲とすることによって、第１下地層の横方向エピタキシャル成長を、確実に、安定して行うことができる。尚、窒素源ガスを含む全体圧力とは、ＭＯＣＶＤ装置内における圧力（窒素ガスのみならず、水素ガス、アンモニアガス等の圧力を含んだ圧力）を指す。以下においても、「窒素源ガスを含む全体圧力」を同様の意味で用いる。
【００１６】
あるいは又、上記の各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る下地層の形成方法あるいはＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、第２下地層（及び第３下地層）の横方向エピタキシャル成長を、有機ガリウム源ガスと窒素源ガスとを用いたＭＯＣＶＤ法によって行うことが好ましい。そして、この場合、窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を、１×１０乃至３×１０3、望ましくは、１×１０2乃至１×１０3とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第２下地層（及び第３下地層）の横方向エピタキシャル成長において、サファイア基板１ｃｍ2当たり、１分当たりの有機ガリウム源ガスの供給モル数を、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1、望ましくは、０．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1乃至２×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1とすることが好ましく、あるいは又、この場合、ＭＯＣＶＤ法に基づく第２下地層（及び第３下地層）の横方向エピタキシャル成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至３×１０4Ｐａ、望ましくは、１×１０3Ｐａ乃至１×１０4Ｐａとすることが好ましい。Ｖ／ＩＩＩ比、有機ガリウム源ガスの供給モル数、窒素源ガスを含む全体圧力を上述の範囲とすることによって、第２下地層及び第３下地層の横方向エピタキシャル成長を、確実に、安定して行うことができる。
【００１７】
あるいは又、上記の各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る下地層の形成方法あるいはＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、シード層を形成する前に、サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成るバッファ層を形成する工程を備え、バッファ層の形成時、バッファ層に、Ｓｉを１×１０17ｃｍ-3以上ドーピングすることが、その上に形成するシード層等の平坦性向上のために好ましく、更には、この場合、シード層は、厚さ１×１０-8ｍ乃至１×１０-7ｍの下層シード層、及び、上層シード層の積層構造を有し、ＭＯＣＶＤ法に基づく下層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、５×１０4Ｐａ乃至９×１０4Ｐａとし、ＭＯＣＶＤ法に基づく上層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至５×１０4Ｐａとすることが一層好ましい。また、下層シード層及び上層シード層の積層構造を有するシード層の厚さは、３μｍ乃至９μｍ、好ましくは６μｍ乃至９μｍであることが望ましい。尚、積層構造を有するシード層の厚さが９μｍを越えると、シード層にクラックが生じ易くなる。一方、積層構造を有するシード層の厚さが３μｍ未満では、シード層の表面状態が余り良くない場合があり、その上に形成する第１下地層の結晶性向上を図ることができない虞がある。バッファ層へのＳｉドーピング量の上限として、５×１０19ｃｍ-3を例示することができる。ここで、Ｓｉは、ＧａＮ系化合物半導体層が結晶成長する際の成長阻害物質として作用する。従って、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面であるバッファ層の形成時、バッファ層にＳｉを１×１０17ｃｍ-3以上ドーピングすることによって、その上に形成されるＧａＮ系化合物半導体から成るシード層等の結晶性の向上を図ることができる結果、第１下地層を、各シード層から横方向エピタキシャル成長させる際、頂面がＡ面である第１下地層を、確実に結晶成長させることができるし、得られた第１下地層の結晶性も向上する。
【００１８】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る下地層の形成方法あるいはＧａＮ系半導体発光素子の製造方法にあっては、マスク層の平面形状は帯状であることが望ましい。尚、シード層の射影像とマスク層の射影像とは平行であることが望ましい。更には、シード層の射影像は、マスク層の射影像に含まれることが望ましく、更には、シード層の幅をＷS、マスク層の幅をＷMとしたとき、
１＜ＷM／ＷS
好ましくは、
１＜M／ＷS≦２
を満足することが一層望ましい。また、複数のシード層の形成ピッチをＰSとしたとき、
０．０１≦ＷS／ＰS≦０．５
好ましくは、
０．１≦ＷS／ＰS≦０．３
を満足することが望ましい。１＜ＷM／ＷSを満足させることによって、得られた第２下地層における結晶欠陥密度を確実に低減させることができる。帯状のシード層の延びる方向であるＸ方向を、＜１−１００＞方向と平行とすることが好ましい。
【００１９】
横方向エピタキシャル成長とは、ＥＬＯＧ成長法（Epitaxial Lateral OverGrowh 法）を意味する。また、以下、便宜上、頂面がＡ面であれば「Ａ面成長」と呼び、頂面がＣ面であれば「Ｃ面成長」と呼ぶ。尚、六方晶系におけるＡ面及びＣ面、Ｒ面、並びに、Ｓ面を、それぞれ、図８の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す。また、本明細書においては、サファイア基板のＲ面、及び、下地層やＧａＮ系化合物半導体層の頂面であるＡ面には、オフ角±５（度）以内の面が含まれる。
【００２０】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る下地層の形成方法あるいはＧａＮ系半導体発光素子の製造方法（以下、これらを総称して、単に、本発明と呼ぶ場合がある）において、第１下地層、第２下地層及び第３下地層として、また、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法における第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、第２ＧａＮ系化合物半導体層として、ＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層、ＡｌＩｎＧａＮ層、これらの化合物半導体層にホウ素（Ｂ）原子やタリウム（Ｔｌ）原子が含まれたＧａＮ系化合物半導体層を挙げることができる。
【００２１】
ＧａＮ系化合物半導体から成る帯状のシード層は、サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体層（例えば、頂面がＡ面であるＧａＮ層）を形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこのＧａＮ系化合物半導体層をパターニングすることで、得ることができる。あるいは又、ＧａＮ系化合物半導体から成る帯状のシード層は、サファイア基板のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体層（例えば、頂面がＡ面であるＧａＮ層）を形成し、更に、その上に、非成長層（ＧａＮ系化合物半導体層がその上では結晶成長しない層）を形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこの非成長層をパターニングし、ＧａＮ系化合物半導体層を帯状に露出させることで、得ることができる。尚、非成長層を構成する材料は、後述するマスク層を構成する材料から適宜、選択すればよい。また、シード層を構成するＧａＮ系化合物半導体層の形成方法として、ＭＯＣＶＤ法や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を例示することができる。
【００２２】
本発明において、マスク層上では第２下地層の結晶成長は生じない。第２下地層は、第１下地層の頂面上で結晶成長し始め、そして、マスク層上を延びていく。マスク層の具体的な構成として、酸化シリコン層（ＳｉＯx層）、窒化シリコン層（ＳｉＮy層）、Ｔａ2Ｏ5層、ＺｒＯ2層、ＡｌＮ層、Ａｌ2Ｏ3層、これらの層の積層構造（例えば、下から、酸化シリコン層、窒化シリコン層の積層構造）、Ｎｉ層やタングステン層といった高融点金属材料層を挙げることができ、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、あるいは、例えば真空蒸着法やスパッタリング法といった物理的気相成長法（ＰＶＤ法）にて形成することができる。
【００２３】
各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法において、第１ＧａＮ系化合物半導体層、活性層、第２ＧａＮ系化合物半導体層の形成方法として、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法、ハロゲンが輸送あるいは反応に寄与するハイドライド気相成長法等を挙げることができる。
【００２４】
ＭＯＣＶＤ法における有機ガリウム源ガスとして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスやトリエチルガリウム（ＴＥＧ）ガスを挙げることができるし、窒素源ガスとして、アンモニアガスやヒドラジンガスを挙げることができる。また、第１導電型と第２導電型の組合せとして、ｎ型とｐ型の組合せ、若しくは、ｐ型とｎ型の組合せを挙げることができる。ここで、ｎ型ＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｎ型不純物としてケイ素（Ｓｉ）を添加すればよいし、ｐ型ＧａＮ系化合物半導体層の形成においては、例えば、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）を添加すればよい。また、ＧａＮ系化合物半導体層の構成原子としてアルミニウム（Ａｌ）あるいはインジウム（Ｉｎ）が含まれる場合、Ａｌ源としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）ガスを用いればよいし、Ｉｎ源としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）ガスを用いればよい。更には、Ｓｉ源としてモノシランガス（ＳｉＨ4ガス）を用いればよいし、Ｍｇ源としてシクロペンタジエニルマグネシウムガスやメチルシクロペンタジエニルマグネシウムを用いればよい。尚、ｎ型不純物として、Ｓｉ以外に、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｓｎ、Ｃ、Ｔｉを挙げることができるし、ｐ型不純物として、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｂａ、Ｏを挙げることができる。
【００２５】
ＧａＮ系化合物半導体から成る活性層は、１層のＧａＮ系化合物半導体層から構成されていてもよいし、単一量子井戸構造（ＱＷ構造）あるいは多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有していてもよい。
【００２６】
各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法において、第２導電型をｐ型とする場合、第２電極は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、金（Ａｕ）及び銀（Ａｇ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有していることが好ましく、あるいは又、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透明導電材料を用いることもできるが、中でも、光を高い効率で反射させることができる銀（Ａｇ）を用いることが好ましい。一方、第１導電型をｎ型とする場合、第１電極は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、タングステン（Ｗ）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、錫（Ｓｎ）及びインジウム（Ｉｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属を含む、単層構成又は多層構成を有することが望ましく、例えば、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｌ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕを例示することができる。第１電極や第２電極は、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法等のＰＶＤ法にて形成することができる。
【００２７】
各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法において、シード層、第１下地層（及び第３下地層）をサファイア基板のＲ面から剥離する方法として、サファイア基板を介して、サファイア基板とシード層、第１下地層（及び第３下地層）との界面にレーザ光（例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光）を照射する方法を挙げることができる。また、シード層、第１下地層、（第３下地層、）第２下地層、及び、マスク層を除去する方法として、シード層、第１下地層、（第３下地層、）第２下地層、及び、及び、マスク層をエッチングする方法、研磨する方法、エッチング法及び研磨を組合せた方法を挙げることができる。
【００２８】
本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に基づき得られる発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体レーザ（ＬＤ）を例示することができる。ＧａＮ系化合物半導体層の積層構造が発光ダイオード構造あるいはレーザ構造を有する限り、ＧａＮ系化合物半導体の種類、組成に特に制約は無いし、ＧａＮ系化合物半導体層の構造、構成にも特に制約は無い。
【発明の効果】
【００２９】
一般に、ＧａＮ系化合物半導体層のＡ面成長はサファイア基板のＲ面上で行うことができるが、得られたＧａＮ系化合物半導体層は結晶欠陥を極めて多く含んでおり、表面には凹凸が存在する。それ故、そのまま、このＧａＮ系化合物半導体から成る下地層上にＧａＮ系化合物半導体から成る活性層等を形成すると、凹凸が更に拡大し、得られたＧａＮ系半導体発光素子の発光も極めて弱くなる。
【００３０】
本発明においては、先ず、シード層から、第１下地層をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させるので、基本的には、結晶欠陥密度の極めて低い第１下地層を得ることができる。但し、シード層上に成長した第１下地層の部分における結晶欠陥密度は高い。それ故、本発明においては、シード層上に成長した第１下地層の結晶欠陥密度の高い部分の頂面をマスク層で覆った状態で、第１下地層の頂面上に第２下地層を形成する。その結果、得られた第２下地層における結晶欠陥密度は、全体として、極めて低くなる。
【００３１】
しかも、こうして得られた第２下地層の頂面はＡ面であり、側面はＣ面等である。従って、第２下地層の上に順次形成される、第１導電型を有する第１ＧａＮ系化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る活性層、第２導電型を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層にあっても、これらの頂面はＡ面であり、側面（例えばＣ面）は界面に垂直な状態となる。従って、活性層にたとえピエゾ自発分極が生じた場合であっても、活性層の厚さ方向とは直角の方向にピエゾ自発分極が生じるので、発光波長にシフトが生じたり、発光効率の低下、動作電圧の上昇、輝度飽和といった現象が発生することを抑制することができる。
【００３２】
ＧａＮ系化合物半導体結晶におけるｃ軸方向の熱膨張係数は、サファイア基板の熱膨張係数よりも極めて小さい。従って、温度の大きな変化に起因して、ＧａＮ系化合物半導体層から成る第１下地層やシード層がサファイア基板から剥離する虞がある。それ故、工程（Ｂ）において、第１下地層を、各シード層からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層の対向する側面が相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する形態を採用すれば、例えば、マスク層を形成するためにサファイア基板を降温したときに熱膨張係数の相違によって第１下地層やシード層がサファイア基板から剥離することを、確実に防止することができる。また、サファイア基板のＲ面とシード層との間にＳｉが所定量ドーピングされたバッファ層を形成し、しかも、バッファ層上に形成されるシード層の厚さ、シード層の結晶成長条件を規定することによって、頂面がＡ面であり、非常に平坦なシード層を得ることができ、その結果、シード層上に形成される第１下地層等の結晶性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。
【実施例１】
【００３４】
実施例１は、本発明の第１の態様に係る下地層の形成方法、及び、第１の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に関する。以下、サファイア基板等の模式的な一部端面図である図１の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例１の下地層の形成方法、更には、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。尚、以下の説明においてガス流量（単位：ＳＬＭ）にて基づき説明を行う場合があるが、このガス流量に係数を乗ずることで、ガスの供給モル数（単位：１０-6モル・ｃｍ-2・分-1）を得ることができる。ここで、ガス流量１ＳＬＭは４．５×１０-2モル・分-1であり、係数は、更に、この値を等価面積（下地層の実質的な面積）Ｓで除することで得ることができる、実施例１において、等価面積Ｓを６０ｃｍ2とした。
【００３５】
［工程−１００］
先ず、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体（具体的には、ＧａＮ）から成り、Ｘ方向に延びる離間した帯状のシード層１１を複数形成する（図１の（Ａ）参照）。ここで、サファイア基板１０のＲ面とは、｛１−１０２｝面である。具体的には、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、サファイア基板１０の表面をサーマルクリーニングした後、有機ガリウム源ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを使用し、窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用したＭＯＣＶＤ法に基づき、窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を適切に選択することでピット等が出来る限り発生しないように鏡面に成長する結晶成長条件で、厚さ約２μｍの平坦なＧａＮ系化合物半導体層をサファイア基板１０のＲ面上に結晶成長させる。具体的には、頂面がＡ面であるＧａＮ層をサファイア基板１０のＲ面上に結晶成長させる。但し、このＧａＮ系化合物半導体層には、積層欠陥等の高密度の欠陥が存在している。そこで、次いで、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置から搬出し、リソグラフィ技術及びＲＩＥ技術に基づき、このＧａＮ系化合物半導体層を、平面形状が帯状となるようにパターニングすることで、Ｘ方向に延びる帯状の離間したシード層１１を複数形成することができる。ここで、シード層１１が延びるＸ方向を、＜１−１００＞方向と平行とする。また、シード層１１の平面形状を幅ＷSの帯状とし、複数のシード層の形成ピッチをＰSとしたとき、
ＷS＝１０μｍ
ＰS＝４０μｍ
である。
【００３６】
［工程−１１０］
次いで、ＧａＮ系化合物半導体（具体的には、ＧａＮ）から成り、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１下地層１２を、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図１の（Ｂ）参照）。実施例１にあっては、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触した時点で、第１下地層１２の横方向エピタキシャル成長を中止する。具体的には、サファイア基板１０を、再び、ＭＯＣＶＤ装置に搬入し、有機ガリウム源ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを使用し、窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用したＭＯＣＶＤ法に基づき、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１下地層１２を、各シード層１１からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。結晶成長条件を、以下の表１に例示する。
【００３７】
［表１］
Ｖ／ＩＩＩ比              ：約５００
有機ガリウム源ガスの供給量：４．５×１０-6モル・ｃｍ-2・分-1
窒素源ガスの供給量        ：１ＳＬＭ
正味の成長速度            ：１２μｍ／ｈｒ
窒素源ガスの圧力          ：１×１０4Ｐａ
【００３８】
尚、窒素源ガスの圧力を９×１０4Ｐａとしたところ、第１下地層１２の頂面は、Ｓ面，｛１−１０１｝面となった。
【００３９】
［工程−１２０］
次いで、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置から搬出し、シード層１１の上方に位置する第１下地層１２の頂面１２Ａの部分に、マスク層１３を形成する（図１の（Ｃ）参照）。マスク層１３は、下から、酸化シリコン層、窒化シリコン層の積層構造を有し、プラズマＣＶＤ法、リソグラフィ技術、及び、ウエットエッチング技術に基づき形成することができる。Ｘ方向に延び、平面形状が帯状のマスク層１３の幅ＷMを１６μｍとする。即ち、シード層１１の射影像は、マスク層１３の射影像に含まれ、ＷM／ＷS＝１．６である。
【００４０】
尚、シード層１１の射影像とマスク層１３の射影像とは平行である。シード層１１の中心線の真上にマスク層１３の中心線が位置していてもよいし、シード層１１の中心線の真上以外の位置にマスク層１３の中心線が位置していてもよい。即ち、第１下地層１２の結晶成長条件によっては、シード層１１の上に位置する第１下地層１２の部分における結晶欠陥が、シード層１１の中心線よりも第１下地層１２の＜０００１＞方向に多く発生する場合があり、あるいは又、＜０００−１＞方向に多く発生する場合があり、このような場合には、シード層１１の中心線の真上以外の位置にマスク層１３の中心線を位置させて、シード層１１の上に位置する第１下地層１２の部分における結晶欠陥を出来る限り覆うようにマスク層１３の位置を調整して、マスク層１３を形成する。
【００４１】
また、シード層１１の上に位置する第１下地層１２の部分における結晶欠陥を識別し難い場合、以下の表２に例示する結晶成長条件にて、例えば、厚さ１μｍ程度の第１下地層１２を更に結晶成長させると、第１下地層１２の結晶欠陥部分にピットが発生し易くなり、結晶欠陥を容易に識別することが可能となる。
【００４２】
［表２］
Ｖ／ＩＩＩ比      ：約８０００
窒素源ガスの供給量：６ＳＬＭ
横方向成長速度    ：４μｍ／ｈｒ
窒素源ガスの圧力  ：９×１０4Ｐａ
【００４３】
［工程−１３０］
その後、第１下地層１２の頂面１２Ａ上及びマスク層１３上において、ＧａＮ系化合物半導体（具体的には、ＧａＮ）から成り、頂面１４ＡがＡ面であり、側面１４ＢがＣ面である第２下地層１４を第１下地層１２の頂面１２ＡからＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図１の（Ｄ）参照）。具体的には、サファイア基板１０を、再び、ＭＯＣＶＤ装置に搬入し、有機ガリウム源ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを使用し、窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用したＭＯＣＶＤ法に基づき、頂面１４ＡがＡ面であり、側面１４ＢがＣ面である第２下地層１４の結晶成長を、第１下地層１２の頂面１２Ａから開始させ、第２下地層１４を横方向（Ｙ方向）に結晶成長させる。結晶成長条件は表１と同様とすればよい。
【００４４】
こうして、ＧａＮ系化合物半導体から成る下地層を形成することができる。
【００４５】
［工程−１４０］
次に、同じＭＯＣＶＤ装置内で、サファイア基板１０を低い温度に降温することなく、第２下地層１４上に、第１導電型（具体的には、ｎ型）を有し、頂面がＡ面である第１ＧａＮ系化合物半導体層（具体的には、例えば、Ｓｉをドーピングした厚さ約１μｍのＧａＮ層）、ＧａＮ系化合物半導体から成り、頂面がＡ面である活性層（具体的には、例えば、厚さ２〜３ｎｍのＩｎＧａＮ層／厚さ７〜２０ｎｍのＧａＮ層が積層された単一量子井戸構造［ＱＷ構造］あるいは多重量子井戸構造［ＭＱＷ構造］）、第２導電型（具体的には、ｐ型）を有し、頂面がＡ面である第２ＧａＮ系化合物半導体層（具体的には、例えば、Ｍｇをドーピングした厚さ５〜２０ｎｍのＡｌＧａＮ層と、Ｍｇをドーピングした厚さ１００ｎｍのＧａＮ層）を、順次、周知のＭＯＣＶＤ法にて結晶成長させる。尚、第１ＧａＮ系化合物半導体層は、結晶欠陥の少なくなる以下の表３に示す結晶成長条件で結晶成長させることが望ましい。
【００４６】
［表３］
Ｖ／ＩＩＩ比    ：１０００以上
窒素源ガスの圧力：５×１０4Ｐａ以上
【００４７】
［工程−１５０］
その後、第２導電型（具体的には、ｐ型）を有する第２ＧａＮ系化合物半導体層上に第２電極を形成する。第２電極は、Ｎｉ層／Ａｇ層／Ａｕ層の積層構造を有し、真空蒸着法にて形成することができる。尚、第２電極を、第１下地層１２の頂面１２Ａ上に形成された第２下地層１４の部分の上方に形成する。第２電極の射影像は、第１下地層１２の頂面１２Ａ上に形成された第２下地層１４の部分の射影像に含まれる。第２電極の平面形状は、帯状、円形、楕円形等とすることができ、第２電極の幅ＷE2（マスク層１３の幅と同じ方向の幅である）を、１４μｍとする。尚、第２電極は、マスク層１３の上方に位置する第２下地層１４の部分に形成しないことが好ましく、更には、第２下地層１４と第２下地層１４との接合部を跨がないように形成することが一層好ましい。
【００４８】
［工程−１６０］
次いで、全面に支持層を形成し、あるいは、全面に支持体を接着した後、シード層１１、第１下地層１２をサファイア基板１０のＲ面から剥離する。具体的には、サファイア基板１０を介して、サファイア基板１０とシード層１１、第１下地層１２との界面にレーザ光（例えば、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光）を照射すればよい。その後、シード層１１、第１下地層１２、マスク層１３、第２下地層１４を、エッチング法及び研磨法を組合せた方法によって除去し、第１ＧａＮ系化合物半導体層を露出させる。次に、露出した第１ＧａＮ系化合物半導体層上に第１電極を形成する。第１電極は、Ｔｉ層／Ａｕ層の積層構造を有する。更に、第１電極に接続されたＩＴＯから成る透明電極を形成する。
【００４９】
［工程−１７０］
その後、第１ＧａＮ系化合物半導体層、ＧａＮ系化合物半導体から成る活性層、第２ＧａＮ系化合物半導体層から成る積層構造を劈開、切断してＬＥＤチップとし、透明電極が上になるようにマウントし、配線を行い、樹脂モールドを行うことで、砲弾型のＬＥＤデバイスから成るＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。そして、こうして得られたＧａＮ系半導体発光素子の動作電圧は、５０Ａ／ｃｍ2程度の電流密度にて２．８ボルトと極めて低い値であった。
【００５０】
尚、活性層を構成するＩｎＧａＮ層におけるＩｎ組成を調整することによって、ＬＥＤデバイスにおける発光波長を４５０ｎｍから５３０ｎｍの範囲で制御することができる。
【００５１】
一方、第１ＧａＮ系化合物半導体層をＡｌＧａＮ層とし、活性層をＧａＮ層あるいはＩｎＧａＮ層あるいはＡｌＩｎＧａＮ層とし、第２ＧａＮ系化合物半導体層をＡｌＧａＮ層とすることで、ＬＥＤデバイスにおける発光波長を３６０ｎｍから４００ｎｍの範囲で制御することができる。
【実施例２】
【００５２】
実施例２は、実施例１の変形であり、本発明の第２の態様に係るＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法、及び、第２の態様に係るＧａＮ系半導体発光素子の製造方法に関する。
【００５３】
実施例１にあっては、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触した時点で、第１下地層１２の横方向エピタキシャル成長を中止する。ところで、ＧａＮ系化合物半導体結晶におけるｃ軸方向の熱膨張係数は、サファイア基板の熱膨張係数よりも極めて小さい。従って、温度の大きな変化に起因して、シード層１１や第１下地層１２がサファイア基板１０から剥離する虞がある。
【００５４】
実施例２にあっては、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程において、第１下地層１２を、各シード層１１からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する。また、実施例１の［工程−１３０］と同様の工程において、第２下地層１４をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層１２の対向する側面１２Ｂから第３下地層１５をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。これによって、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程において、マスク層１３を形成するためにサファイア基板１０を降温したときに熱膨張係数の相違によって第１下地層１２やシード層１１がサファイア基板１０から剥離することを、確実に防止することができる。
【００５５】
以下、サファイア基板等の模式的な一部端面図である図２の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例２の下地層の形成方法、更には、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。
【００５６】
［工程−２００］
先ず、実施例１の［工程−１００］と同様にして、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状の離間したシード層１１を複数形成する（図２の（Ａ）参照）。
【００５７】
［工程−２１０］
次いで、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１下地層１２を、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図２の（Ｂ）参照）。実施例２にあっては、第１下地層１２を、各シード層１１からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する。具体的には、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程を実行する。但し、結晶成長時間を、実施例１よりは短くする。
【００５８】
［工程−２２０］
次いで、実施例１の［工程−１２０］と同様にして、シード層１１の上方に位置する第１下地層１２の頂面１２Ａの部分に、マスク層１３を形成する（図２の（Ｃ）参照）。
【００５９】
［工程−２３０］
その後、実施例１の［工程−１３０］と同様にして、第２下地層１４を第１下地層１２の頂面１２ＡからＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層１２の対向する側面１２Ｂから第３下地層１５をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる（図２の（Ｄ）参照）。
【００６０】
こうして、ＧａＮ系化合物半導体から成る下地層を形成することができる。
【００６１】
［工程−２４０］
その後、実施例１の［工程−１４０］〜［工程−１７０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。
【実施例３】
【００６２】
実施例３は実施例２の変形である。実施例３が実施例２と相違する主たる点は、第１下地層１２を、各シード層１１からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させるときの結晶成長条件、特に、窒素源ガスの供給量を増加させた点にある。
【００６３】
［工程−３００］
先ず、実施例１の［工程−１００］と同様にして、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成り、Ｘ方向に延びる帯状の離間したシード層１１を複数形成する。尚、実施例３においては、
ＷS＝  ６μｍ
ＰS＝２４μｍ
とする。
【００６４】
［工程−３１０］
次いで、頂面１２ＡがＡ面であり、側面１２ＢがＣ面である第１下地層１２を、実施例２の［工程−２１０］と同様にして、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。実施例３にあっても、第１下地層１２を、各シード層１１の頂面からＹ方向に横方向エピタキシャル成長させ、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触する前に、横方向エピタキシャル成長を中止する。具体的には、実施例１の［工程−１１０］と同様の工程を実行する。但し、結晶成長時間を、実施例１よりは短くする。また、表１の結晶成長条件では、場合によっては、得られた第１下地層１２に点欠陥が多く存在し、また、有機ガリウム源ガス中の炭素が第１下地層１２に多く含まれ、黄色の発光が増えてしまう場合がある。それ故、実施例３にあっては、表１における窒素源ガスの供給量を１ＳＬＭから２ＳＬＭへと変更した。尚、実施例１に示した第１下地層１２の結晶成長条件では、横方向成長速度が速く、窒素源ガス流量が少ないこともあり、第１下地層１２が褐色に着色する場合があるが、実施例３の第１下地層１２の結晶成長条件では、第１下地層１２が着色せず、透明となる。しかも、窒素源ガス流量を２ＳＬＭとすることで、横方向成長速度が相対的に遅くなり、各第１下地層１２の対向する側面１２Ｂが相互に接触し難くなる傾向にある。
【００６５】
［工程−３２０］
次いで、実施例１の［工程−１２０］と同様にして、シード層１１の上方に位置する第１下地層１２の頂面１２Ａの部分に、マスク層１３を形成する。尚、平面形状が帯状のマスク層１３の幅ＷMを９μｍとする。即ち、シード層１１の射影像は、マスク層１３の射影像に含まれ、ＷM／ＷS＝１．５である。
【００６６】
［工程−３３０］
その後、実施例１の［工程−１３０］と同様にして、第２下地層１４を第１下地層１２の頂面１２ＡからＹ方向に横方向エピタキシャル成長させると共に、第１下地層１２の対向する側面１２Ｂから第３下地層１５をＹ方向に横方向エピタキシャル成長させる。
【００６７】
こうして、ＧａＮ系化合物半導体から成る下地層を形成することができる。
【００６８】
［工程−３４０］
その後、実施例１の［工程−１４０］〜［工程−１７０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。
【実施例４】
【００６９】
実施例４は、実施例１、実施例２あるいは実施例３の変形である。実施例４にあっては、シード層１１を形成する前に、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体から成るバッファ層を形成する。そして、バッファ層の形成時、バッファ層に、Ｓｉを１×１０17ｃｍ-3以上ドーピングする。更には、シード層は、厚さ１×１０-8ｍ乃至１×１０-7ｍの下層シード層（より具体的には、０．１μｍの下層シード層）、及び、上層シード層の積層構造を有し、ＭＯＣＶＤ法に基づく下層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、５×１０4Ｐａ乃至９×１０4Ｐａ（より具体的には、９０ｋＰａ）とし、ＭＯＣＶＤ法に基づく上層シード層の成長において、窒素源ガスを含む全体圧力を、１×１０3Ｐａ乃至５×１０4Ｐａ（より具体的には、１０ｋＰａ）とする。以下、実施例４の下地層の形成方法、更には、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明する。
【００７０】
［工程−４００］
先ず、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体（具体的には、ＧａＮ）から成り、頂面がＡ面であるバッファ層を形成する。具体的には、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置に搬入し、サファイア基板１０の表面をサーマルクリーニングした後、有機ガリウム源ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガスを使用し、窒素源ガスとしてアンモニアガスを使用したＭＯＣＶＤ法に基づき、窒素源ガスの有機ガリウム源ガスに対する供給モル比であるＶ／ＩＩＩ比を適切に選択することでピット等が出来る限り発生しないように鏡面に成長する結晶成長条件で、平坦なＧａＮ系化合物半導体から成るバッファ層をサファイア基板１０のＲ面上に結晶成長させる。より具体的には、表４の［条件−４１］に例示する結晶成長条件にて、頂面がＡ面であり、厚さ４ｎｍのバッファ層をサファイア基板１０のＲ面上に結晶成長させる。
【００７１】
次いで、表４の［条件−４２］に例示する結晶成長条件にて、頂面がＡ面であり、厚さ０．１μｍの下層シード層をバッファ層上に結晶成長させ、更に、その上に、表４の［条件−４３］に例示する結晶成長条件にて、頂面がＡ面であり、厚さ６μｍの上層シード層を下層シード層上に結晶成長させる。尚、バッファ層、下層シード層及び上層シード層へのＳｉのドーピング量を、表４に示す。
【００７２】
その後、サファイア基板１０をＭＯＣＶＤ装置から搬出し、リソグラフィ技術及びＲＩＥ技術に基づき、このＧａＮ系化合物半導体層を、平面形状が帯状となるようにパターニングすることで、Ｘ方向に延びる帯状の離間したシード層１１を複数形成することができる。ここで、シード層１１が延びるＸ方向を、＜１−１００＞方向と平行とする。また、シード層１１の平面形状を幅ＷSの帯状とし、複数のシード層の形成ピッチをＰSとしたとき、
ＷS＝３μｍ
ＰS＝１５μｍ
である。
【００７３】
［表４］
2006179857.tif 000006
【００７４】
［工程−４１０］
その後、実施例１の［工程−１１０］〜［工程−１３０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系化合物半導体から成る下地層を形成し、更には、実施例１の［工程−１４０］〜［工程−１７０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。あるいは又、実施例２の［工程−２１０］〜［工程−２３０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系化合物半導体から成る下地層を形成し、更には、実施例１の［工程−１４０］〜［工程−１７０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。あるいは又、実施例３の［工程−３１０］〜［工程−３３０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系化合物半導体から成る下地層を形成し、更には、実施例１の［工程−１４０］〜［工程−１７０］と同様の工程を実行することで、ＧａＮ系半導体発光素子を得ることができる。
【００７５】
実施例４のＧａＮ系半導体発光素子の製造方法においては、先ず、バッファ層を形成し、その上にシード層を形成するので、基本的には、表面平坦性のよい第１下地層を得ることができる。しかも、バッファ層にはＳｉがドーピングされているので、結晶成長したシード層の結晶性を一層向上させることができる。但し、シード層中には欠陥が多くあり、その直上に成長した第１下地層の部分における結晶欠陥密度は高い。それ故、シード層上に成長した第１下地層の結晶欠陥密度の高い部分の頂面をマスク層で覆った状態で、第１下地層の頂面上に第２下地層を形成する。その結果、得られた第２下地層における結晶欠陥密度は、全体として、極めて低くなる。
【００７６】
実施例４によって得られたシード層表面の走査型電子顕微鏡写真を図３に示す。また、バッファ層へのＳｉのドーピング量を１×１０16ｃｍ-3以下とし、下層シード層、上層シード層へＳｉをドーピングしない条件にて得られたシード層（比較例１）の表面の走査型電子顕微鏡写真を図４に示す。更には、バッファ層を形成し、バッファ層上に、下層シード層を形成すること無く、上層シード層を形成した場合に得られたシード層（比較例２）の表面の走査型電子顕微鏡写真を図５に示す。また、バッファ層を形成し、バッファ層上に、下層シード層、上層シード層を形成するが、下層シード層の厚さを０．２μｍとした場合に得られたシード層（比較例３）の表面の走査型電子顕微鏡写真を図６に示す。尚、実施例４、比較例１〜比較例３における各種パラメータを以下の表５に纏めた。実施例４にて得られたシード層表面は、比較例１〜比較例３にて得られたシード層表面よりも、格段に平滑性に優れていることが判る。
【００７７】
［表５］
2006179857.tif 000007
【００７８】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例で説明した基板、各種の下地層、ＧａＮ系化合物半導体層の種類、組成、膜厚、構成、構造等は例示であり、適宜変更することができる。また、実施例において説明した条件や各種数値、使用した材料等は例示であり、適宜変更することができる。
【００７９】
実施例１〜実施例４にあっては、ＧａＮ系化合物半導体から成るシード層１１の形成方法を、サファイア基板１０のＲ面上に、頂面がＡ面であるＧａＮ系化合物半導体層を形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこのＧａＮ系化合物半導体層をパターニングする方法としたが、シード層１１の形成方法はこのような方法に限定するものではない。図７にサファイア基板１０等の模式的な一部端面図を示すように、ＧａＮ系化合物半導体から成るシード層１１１は、サファイア基板１０のＲ面上に、ＧａＮ系化合物半導体層１１１Ａ（例えば、頂面がＡ面であるＧａＮ層）を形成し、更に、その上に、非成長層（ＧａＮ系化合物半導体層がその上では成長しない層）１１１Ｂを形成した後、リソグラフィ技術及びエッチング技術によってこの非成長層１１１Ｂをパターニングし、Ｘ方向（より具体的には、＜１−１００＞方向）に延びる帯状のＧａＮ系化合物半導体層１１１Ａを露出させることで、得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１の（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例１のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法、及び、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明するためのサファイア基板等の模式的な一部端面図である。
【図２】図２の（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例２のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法、及び、ＧａＮ系半導体発光素子の製造方法を説明するためのサファイア基板等の模式的な一部端面図である。
【図３】図３は、実施例４のシード層の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図４は、比較例１のシード層の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】図５は、比較例２のシード層の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】図６は、比較例３のシード層の表面の走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】図７は、実施例１〜実施例４のＧａＮ系化合物半導体から成る下地層の形成方法やＧａＮ系半導体発光素子の製造方法におけるシード層の形成方法の変形を説明するためのサファイア基板等の模式的な一部端面図である。
【図８】図８の（Ａ）〜（Ｃ）は、六方晶系の結晶におけるＡ面、Ｃ面、Ｒ面を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８１】
１０・・・サファイア基板、１１・・・シード層、１２・・・第１下地層、１３・・・マスク層、１４・・・第２下地層、１５・・・第３下地層、１１１・・・シード層、１１１Ａ・・・ＧａＮ系化合物半導体層、１１１Ｂ・・・非成長層
【図１】
2006179857.tif 000008
【図２】
2006179857.tif 000009
【図７】
2006179857.tif 000010
【図８】
2006179857.tif 000011
【図３】
2006179857.tif 000012
【図４】
2006179857.tif 000013
【図５】
2006179857.tif 000014
【図６】
2006179857.tif 000015