(57)【要約】      （修正有）【課題】ヘテロＥＬＯ技術を応用した窒化物半導体基板層の形成に際し、ＡｌＮ組成比の高いＡｌＧａＮ層を短時間で成長できるＧａＮ系化合物半導体の製造方法を提供する。【解決手段】基板１上に、ＧａＮ系化合物半導体の貫通転位密度を低減するための下地半導体層部１０を形成する工程において、下地半導体層部１０の一部を構成するＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層１３を、シード結晶層１０の平面視パターンのエッジ部分より基板表面と平行な方向に離間するほど膜厚が厚くなるように、エッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成し、シード結晶層１３の上側に直接、或いは、シード結晶層１３の表面に沿って形成された中間層１４の上に、下地半導体層部１０の一部を構成するＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層１５を、アルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給して、その表面が平坦になるように形成する。【選択図】  図１
2006128527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ＧａＮ系化合物半導体の貫通転位密度を低減して結晶品質を改善するための下地半導体層部を形成する工程において、
前記下地半導体層部の一部を構成するＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層を、前記シード結晶層の平面視パターンのエッジ部分より前記基板の表面と平行な方向に離間するほど膜厚が厚くなるように、前記エッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成し、
前記シード結晶層の上側に直接、或いは、前記山形状の前記シード結晶層の表面に沿って形成された中間層の上に、前記下地半導体層部の一部を構成するＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層を、アルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給して、その表面が平坦になるように形成することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項２】
基板上に、ＧａＮ系化合物半導体の貫通転位密度を低減して結晶品質を改善するための下地半導体層部を形成する工程において、
前記下地半導体層部の一部を構成するＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層を、前記シード結晶層の平面視パターンのエッジ部分より前記基板の表面と平行な方向に離間するほど膜厚が厚くなるように、前記エッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成し、
前記シード結晶層の表面上に、前記下地半導体層部の一部を構成するＳｉＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積層を中間層として形成し、
前記中間層の上に、前記下地半導体層部の一部を構成するＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層を、アルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給して、その表面が平坦になるように形成することを特徴とするＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記シード結晶層を形成する際に、アルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給することを特徴とする請求項１または２に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記上部下地半導体層のＡｌＮ組成比が１０％以上で、成長温度が１０５０℃以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記上部下地半導体層の上に、ＡｌＮ組成比が１０％以上のｐ型ＡｌＧａＮ層を、成長温度１０５０℃以上で形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超格子構造により形成することを特徴とする請求項５に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項７】
前記上部下地半導体層を形成する際に、アルカリ土類金属から選択される元素からなるｐ型不純物を供給し、前記上部下地半導体層をｐ型ＡｌＧａＮ層として形成することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項８】
前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成した後の製造工程途中のＧａＮ系化合物半導体を、一旦反応室から取り出し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の形成に用いたｐ型不純物の供給路を、水素を流しベーキングするか、或いは、前記ｐ型不純物を供給しない半導体層の成長を少なくとも１回実施することを特徴とする請求項５〜７の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項９】
前記基板上に、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積バッファ層を８００℃以下の成長温度で形成し、
前記低温堆積バッファ層上に、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とする第１半導体層を形成し、
前記第１半導体層の表面を、凹部の中央が平面視において前記シード結晶層の前記エッジ部分に一致する凹凸パターンに加工し、
表面が前記凹凸パターンに加工された前記第１半導体層上に、前記シード結晶層を形成することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項１０】
前記基板の表面を、凹部の中央が平面視において前記シード結晶層の前記エッジ部分に一致する凹凸パターンに加工し、
表面が前記凹凸パターンに加工された前記基板上に、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積バッファ層を８００℃以下の成長温度で形成し、
前記低温堆積バッファ層上に、前記シード結晶層を形成することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項１１】
前記基板上に、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積バッファ層を８００℃以下の成長温度で形成し、
前記低温堆積バッファ層上に、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とする第１半導体層を形成し、
前記第１半導体層上に、非開口部の中央が平面視において前記シード結晶層の前記エッジ部分に一致するマスクパターン層を形成し、
前記マスクパターン層によって開口された前記第１半導体層上から成長を開始し、前記マスクパターン層の非開口部を覆うように前記シード結晶層を形成することを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項１２】
前記基板が、ＺｒＢ２、サファイア、ＳｉＣ、または、Ｓｉの単結晶基板であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【請求項１３】
前記基板が、ＺｒＢ２の単結晶基板であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載のＧａＮ系化合物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線センサ等の受光素子や発光素子に応用可能なＧａＮ系化合物半導体の製造方法に関し、更に詳細には、ＧａＮ系化合物半導体層に含まれる貫通転位に対する低転位化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ系化合物半導体（一般式：ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ）は直接遷移型のエネルギバンド構造を有し、そのバンドギャップエネルギが室温で１．９ｅＶ〜６．２ｅＶに及ぶワイドバンドギャップであるため、紫外域から可視光域をカバーする発光ダイオード、レーザダイオード、及び、紫外線センサ等の受光素子として広範な応用が可能である。一般的に、検出対象とする波長範囲の光に対して感度を有する材料であれば受光素子として利用することができる。例えば、炭化水素が燃焼した場合に紫外域に現れる発光を選択的に検出することが要求される紫外線受光素子（火炎センサ）の場合には、紫外域に感度を有する材料として、ＡｌＧａＮ等のＧａＮ系化合物半導体が用いられる。ここで、受光領域のデバイス構造としては、ＰＮ接合型やＰＩＮ接合型のフォトダイオード構造、ショットキーダイオード構造、フォトトランジスタ構造等が考えられる。しかし、火炎センサ等の紫外域の短波長受光素子に応用する場合、受光素子の性能として幾つかの要求を満たさなければならない。
【０００３】
先ず、室内光や太陽光等の外乱光と区別して火炎光のみを選択的に受光するために、外乱光スペクトルの短波長端をカットオフ波長（感度域の長波長端）として設定すべく、受光領域を形成するＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップエネルギ、つまり、ＡｌＮ組成比ｘ（ＡｌＮモル分率ともいう）を調整しなければいけない。しかし、欠陥準位や三元混晶による組成ずれによりバンドギャップ内に準位が形成され、これがカットオフ波長の長波長側でも感度を生じさせ、当該波長に対して光吸収が行われることで感度差が小さくなり、つまり、選択性が低下する。特に、ＡｌＮ組成比が大きくなる程に顕著となり、火炎センサとしての応用において、特に重要な課題となる。
【０００４】
また、受光素子に照射される火炎光が微弱である場合には、発生するキャリアの数と、膜中の欠陥準位にトラップされるキャリアの数とが競合するような関係になり、光照射に対する応答速度が非常に遅くなる場合がある。更に、トラップ準位からのキャリアの放出が温度に対して非常に敏感であるため、温度上昇に伴って急激にキャリアの放出が行われて暗電流が増加する場合がある。暗電流が大きいと、微弱な火炎光を吸収して発生した光電流が暗電流に埋もれてしまうため、この暗電流を非常に低いレベルにまで低減することが必要となる。
【０００５】
従って、紫外域の微弱な照射光を高温条件下で測定する必要がある火炎センサにとっては、受光領域のＡｌＧａＮのＡｌＮ組成比を所定のカットオフ波長となるように設定するとともに、当該ＡｌＮ組成比に対して、結晶品質が良好であり、キャリアをトラップする再結合中心となり得る貫通転位等の少ない半導体層をデバイス層（受光層）として得ることが必須の要件となる。
【０００６】
また、同様の低転位化は、短波長の発光素子のデバイス層を形成する場合にも妥当する。
【０００７】
従来、デバイス層中の貫通転位密度をできるだけ低いレベルに低減するために、サファイア等の平坦性の高い基板上に、数１０ｎｍの厚さで低温堆積されたバッファ層（例えば、約１０５０℃以下の基板表面温度で成長）を設け、その上に受光領域（または発光領域）を含むデバイス層を形成して受光素子（または発光素子）を作製する方法がある。ここで、低温堆積されたバッファ層を設ける理由は、サファイア基板の結晶成長面の格子間隔（約０．２７５ｎｍ）と、受光領域（または発光領域）のデバイス層のＡｌＧａＮの格子間隔（約０．３１〜約０．３２ｎｍ）との間の格子不整合を緩和し、格子不整合により発生し得るデバイス層中の貫通転位を少なくさせることにある。
【０００８】
また、サファイア基板とデバイス層との間に単層のバッファ層ではなく、複数のバッファ層を設ける方法もある。例えば、サファイア基板上に、ＡｌＮからなる低温堆積バッファ層と、ＧａＮからなる結晶改善層と、ＡｌＮからなる低温堆積中間層という多層の窒化物半導体基板層（下地構造）を設け、その上にデバイス層を設けることで、単層のバッファ層を設けた場合以上に、基板と受光領域との間の格子不整合を緩和することが可能となる。
【０００９】
しかし、後者の多層の窒化物半導体基板層の場合でも、ＡｌＮ組成比が２０％以上では、貫通転位密度が１０９ｃｍ−２オーダーとなり、火炎センサとして使用するには、貫通転位が十分に低いレベルとはなっていなかった。
【００１０】
そこで、かかるデバイス層の下地構造となる窒化物半導体基板層を更に低貫通転位密度に形成することで、デバイス層の性能を向上させ、火炎センサとしての使用に耐え得る短波長受光素子や短波長発光素子の実現が期待される。
【００１１】
このような低貫通転位密度の窒化物半導体基板層の作製技術として、ヘテロＥＬＯ（ｅｐｉｔａｘｉａｌ  ｌａｔｅｒａｌ  ｏｖｅｒｇｒｏｗｔｈ）技術が注目されている。ヘテロＥＬＯは、従来のＥＬＯを高いＡｌＮ組成比のＡｌＧａＮの低貫通転位化へ応用するために開発されたもので、ヘテロＥＬＯ窒化物半導体基板層を紫外線ＬＥＤに応用した研究発表が、例えば、下記の非特許文献１に開示されている。
【００１２】
この非特許文献１には、サファイア基板上に第１の低温ＡｌＮバッファ層を形成し、その上に第１のＧａＮ層をエピタキシャル成長させ、その上にＳｉＯ２のストライプ状のマスクパターンを形成し、該マスクパターンの開口部から第２のＧａＮ層を断面山形になるように選択的に成長させシード結晶層を形成し、更に、シード結晶層上に第２の低温ＡｌＮバッファ層を形成し、その上にＡｌＧａＮ層を表面が平坦になるように成長させて窒化物半導体基板層を形成とした例が開示されている。このヘテロＥＬＯ窒化物半導体基板の場合、ＡｌＮ組成比が２２％のＡｌＧａＮ層の貫通転位密度として１０７ｃｍ−２が得られている。また、第２の低温ＡｌＮバッファ層を採用したことで、ＡｌＧａＮ層にクラックが発生していない。
【００１３】
更に、同様のヘテロＥＬＯ窒化物半導体基板層を紫外線ＬＥＤに応用した技術が、下記特許文献１に開示されている。
【００１４】
この特許文献１には、サファイア基板表面上を、上記非特許文献１のストライプ状のマスクパターンに相当するストライプ状の凹凸に加工し、その上に基板凹凸形状を維持したまま低温ＡｌＮバッファ層を形成し、低温ＡｌＮバッファ層の凸部表面からＡｌＮ組成比１０％以下のＡｌＧａＮ層を断面山形になるように選択的に成長させシード結晶層を形成し、更に、シード結晶層上にＡｌＮ組成比１０％以上の低温ＡｌＮバッファ層を形成し、その上にＡｌＧａＮ層を表面が平坦になるように成長させて窒化物半導体基板層を形成とした例が開示されている。このヘテロＥＬＯ窒化物半導体基板の場合、ＡｌＮ組成比が２０％のＡｌＧａＮ層の貫通転位密度として１０７ｃｍ−２以下が得られている。
【００１５】
また、非特許文献１に開示されたストライプ状のマスクパターンを用いて断面山形のシード結晶層を形成して低転位化を図る一般的な手法が、下記の特許文献２及び特許文献３等に開示されている。
【特許文献１】国際公開第０３／０２５２６３号パンフレット
【特許文献２】特開平１１−１３０５９７号公報
【特許文献３】国際公開第９９／０３０３７３号パンフレット
【非特許文献１】Ｓ．  Ｋａｍｉｙａｍａ，他，”ＵＶ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｏｎ  Ｈｅｔｅｒｏ−ＥＬＯ−Ｇｒｏｗｎ  Ａｌ０．２２Ｇａ０．７８Ｎ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ  Ｄｅｎｓｉｔｙ”，ｐｈｙｓｉｃａ  ｓｔａｔｕｓ  ｓｏｌｉｄｉ（ａ）  １９２，  Ｎｏ．２，２９６−３００，２００２年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、非特許文献１或いは特許文献１に開示されたヘテロＥＬＯ窒化物半導体基板層の場合でも、受光素子或いは発光素子の波長域を低波長化するには、デバイス層を構成するＡｌＧａＮ半導体層のＡｌＮ組成比を高くする必要があるが、上述のように下地構造との格子不整合を緩和させるためには、断面山形のシード結晶層上に表面が平坦化されるまで成長されるＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比も、格子不整合が問題とならない程度に高くしておく必要がある。ここで、底部が山形形状で成長を開始して、表面が平坦化するまでに要する結晶成長時間は、ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比に依存して変化する。つまり、ＡｌＧａＮ層のＡｌは厚み方向（ｃ軸方向）への成長が促進するように機能するため、ＡｌＮ組成比が高い程、横方向（ａ軸方向）の成長に対して厚み方向への成長が活性化されて底部の山形形状が閉じ難く、表面が平坦化するまでに要する結晶成長時間が長くなるという問題がある。また、同様の理由から、ＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比が高いと成長速度が遅くなる低温処理化が困難となる。更に、同様の理由から、処理時間と成長温度の制約下では、下地構造におけるＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比を高くして、デバイス層のＡｌＮ組成比を高くすることが困難となり、結果として受光素子或いは発光素子としての低波長化が阻害されることになる。
【００１７】
また、上記非特許文献１、特許文献２、或いは、特許文献３に開示されたＳｉＯ２等のマスクパターンを用いてシード結晶層を形成する場合、シード結晶層としてＡｌＧａＮ層を形成する場合にマスクパターンの非開口部（ＳｉＯ２表面）にＡｌが吸着して非開口部からもＡｌＧａＮ層が成長するため、実質的にシード結晶層としてはＧａＮ層しか成長できないという問題がある。その上層にＡｌＧａＮを主とする受光素子を構成するデバイス層を形成する場合、窒化物半導体基板層内にＧａＮ層を有するため、基板側から光を入射させると、ＡｌＧａＮよりバンドギャップエネルギの小さいＧａＮ層内で検出対象波長の入射光が吸収されてしまうため、入射光は上部からの入射に制限される。
【００１８】
更に、上記特許文献２、或いは、特許文献３に開示されたＳｉ等のマスクパターンを用いてシード結晶層を形成する場合、上記非特許文献１と異なりシード結晶層上に直接ＡｌＧａＮ層を成長させるため、その上にＡｌＧａＮ層を成長させようとするとシード結晶層の頂点部が平坦化してしまい、その分貫通転位が横方向に収束して低転位化するのが阻害され、結果として、シード結晶層上に低貫通転位密度のＡｌＧａＮ層を成長できないという問題が生じる。
【００１９】
本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記問題点を解消し、ヘテロＥＬＯ技術を応用した窒化物半導体基板層の形成に際し、ＡｌＮ組成比の高いＡｌＧａＮ層を短時間で成長できるＧａＮ系化合物半導体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】
【００２０】
この目的を達成するための本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、基板上に、ＧａＮ系化合物半導体の貫通転位密度を低減して結晶品質を改善するための下地半導体層部を形成する工程において、前記下地半導体層部の一部を構成するＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層を、前記シード結晶層の平面視パターンのエッジ部分より前記基板の表面と平行な方向に離間するほど膜厚が厚くなるように、前記エッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成し、前記シード結晶層の上側に直接、或いは、前記山形状の前記シード結晶層の表面に沿って形成された中間層の上に、前記下地半導体層部の一部を構成するＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層を、アルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給して、その表面が平坦になるように形成することを第１の特徴とする。
【００２１】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、基板上に、ＧａＮ系化合物半導体の貫通転位密度を低減して結晶品質を改善するための下地半導体層部を形成する工程において、前記下地半導体層部の一部を構成するＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とするシード結晶層を、前記シード結晶層の平面視パターンのエッジ部分より前記基板の表面と平行な方向に離間するほど膜厚が厚くなるように、前記エッジ部分に沿った傾斜面を有する山形状に形成し、前記シード結晶層の表面上に、前記下地半導体層部の一部を構成するＳｉＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積層を中間層として形成し、前記中間層の上に、前記下地半導体層部の一部を構成するＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層を、アルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給して、その表面が平坦になるように形成することを第２の特徴とする。
【００２２】
上記第１または第２の特徴のＧａＮ系化合物半導体の製造方法によれば、上部下地半導体層の成長時に基板表面と平行な横方向（ａ軸方向）への結晶成長を加速する効果のあるアルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給するので、ＡｌＮ組成比の高いＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層であっても、Ａｌによる厚み方向（ｃ軸方向）への成長が実質的に抑制され、上記元素を供給しない場合（従来手法）に比較して、表面が平坦化した上部下地半導体層を短時間で形成することができる。しかも、上部下地半導体層として、貫通転位密度が１０８ｃｍ−２以下或いは１０７ｃｍ−２以下に低転位化した結晶品質が得られる。また、実用上許容可能な成長時間内で、上記元素を供給しない場合（従来手法）に比較して、より高いＡｌＮ組成比（例えば２５％以上）のＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層を形成することができる。この結果、ヘテロＥＬＯ技術を応用して作製された下地半導体層部上に、ＡｌＧａＮを主とする受光層や発光層等のデバイス層を設けることにより、低貫通転位密度の下地半導体層部上に、高品位のデバイス層が得られ、短波長受光素子や発光素子を実現することができる。
【００２３】
尚、本発明では、アルカリ土類金属は周期表２族元素の総称として使用し、Ｂｅ及びＭｇも含まれる。アルカリ土類金属及びアルカリ金属は、ＡｌＧａＮ半導体層の成長において横方向成長の加速剤として機能する。アルカリ土類金属はＡｌＧａＮに対してｐ型不純物として作用し、その結晶中に取り込まれるが、アルカリ金属は積極的に結晶中に取り込まれることはなく、寧ろ横方向成長を加速する触媒として作用する。
【００２４】
特に、上記第２の特徴のＧａＮ系化合物半導体の製造方法によれば、シード結晶層の表面上にＳｉＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積層の中間層を設けてあるため、ＳｉＯ２等のマスクパターン層上にＧａＮ層のシード結晶層を形成した場合等においても、ＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層を低貫通転位密度で形成することができる。
【００２５】
また、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記第１または第２の特徴に加えて、前記シード結晶層を形成する際に、アルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給することを第３の特徴とする。
【００２６】
上記第３の特徴のＧａＮ系化合物半導体の製造方法によれば、シード結晶層の成長時にもアルカリ土類金属またはアルカリ金属から選択される元素を供給することで横方向（ａ軸方向）の結晶成長が加速されるため、高いＡｌＮ組成比のＡｌＧａＮを主とするシード結晶層を形成でき、結果として、高いＡｌＮ組成比のＡｌＧａＮを主とする上部下地半導体層を低貫通転位密度で形成することができる。
【００２７】
また、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記何れかの特徴に加えて、前記上部下地半導体層のＡｌＮ組成比が１０％以上で、成長温度が１０５０℃以上であることを第４の特徴とする。
【００２８】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記何れかの特徴に加えて、前記上部下地半導体層の上に、ＡｌＮ組成比が１０％以上のｐ型ＡｌＧａＮ層を、成長温度１０５０℃以上で形成することを第５の特徴とする。
【００２９】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記第５の特徴に加えて、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を超格子構造により形成することを第６の特徴とする。
【００３０】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記第１〜第４の何れかの特徴に加えて、前記上部下地半導体層を形成する際に、アルカリ土類金属から選択される元素からなるｐ型不純物を供給し、前記上部下地半導体層をｐ型ＡｌＧａＮ層として形成することを第７の特徴とする。
【００３１】
上記第５〜第７の特徴のＧａＮ系化合物半導体の製造方法によれば、下地半導体層部の上に形成されるダイオード構造のデバイス層において、ｐ型ＡｌＧａＮ層が基板側に形成され、ｎ型ＡｌＧａＮ層が上面側に形成されるので、形成される受光素子或いは発光素子において光の出し入れを、ｎ型ＡｌＧａＮ層を通して行える。このことは、ｎ型ＡｌＧａＮ層はＡｌＮ組成比を高くしても良好な低抵抗層を形成できるのに対して、ｐ型ＡｌＧａＮ層はＡｌＮ組成比を高くすると低抵抗化が困難であるため、ｐ型ＡｌＧａＮ層のコンタクト層を低抵抗化するためにＡｌＮ組成比を例えば１０％以下に抑えることができる。結果として、ｐ型ＡｌＧａＮ層が基板側に配することで、ｐ型ＡｌＧａＮ層のコンタクト層によって光の出し入れが阻害されずに、デバイス層のＡｌＧａＮ層のＡｌＮ組成比を１０％以上とすることができる。
【００３２】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記第５〜第７の何れかの特徴に加えて、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層を形成した後の製造工程途中のＧａＮ系化合物半導体を、一旦反応室から取り出し、前記ｐ型ＡｌＧａＮ層の形成に用いたｐ型不純物の供給路を、水素を流しベーキングするか、或いは、前記ｐ型不純物を供給しない半導体層の成長を少なくとも１回実施することを第８の特徴とする。
【００３３】
上記第８の特徴のＧａＮ系化合物半導体の製造方法によれば、ガス供給路に残留するｐ型不純物に起因する所謂メモリ効果を排除して、ｐ型ＡｌＧａＮ層上に所期の特性のｉ型ＡｌＧａＮ層やｎ型ＡｌＧａＮ層を形成することができる。
【００３４】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記何れかの特徴に加えて、前記基板上に、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積バッファ層を８００℃以下の成長温度で形成し、前記低温堆積バッファ層上に、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とする第１半導体層を形成し、前記第１半導体層の表面を、凹部の中央が平面視において前記シード結晶層の前記エッジ部分に一致する凹凸パターンに加工し、表面が前記凹凸パターンに加工された前記第１半導体層上に、前記シード結晶層を形成することを第９の特徴とする。
【００３５】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記第１〜第８の何れかの特徴に加えて、前記基板の表面を、凹部の中央が平面視において前記シード結晶層の前記エッジ部分に一致する凹凸パターンに加工し、表面が前記凹凸パターンに加工された前記基板上に、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積バッファ層を８００℃以下の成長温度で形成し、前記低温堆積バッファ層上に、前記シード結晶層を形成することを第１０の特徴とする。
【００３６】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記第１〜第８の何れかの特徴に加えて、前記基板上に、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを主とする低温堆積バッファ層を８００℃以下の成長温度で形成し、前記低温堆積バッファ層上に、ＧａＮまたはＡｌＧａＮを主とする第１半導体層を形成し、前記第１半導体層上に、非開口部の中央が平面視において前記シード結晶層の前記エッジ部分に一致するマスクパターン層を形成し、前記マスクパターン層によって開口された前記第１半導体層上から成長を開始し、前記マスクパターン層の非開口部を覆うように前記シード結晶層を形成することを第１１の特徴とする。
【００３７】
上記第９〜第１１の特徴のＧａＮ系化合物半導体の製造方法によれば、形成された凹凸パターンまたはマスクパターンを用いてシード結晶層を形成することができ、結果として、ヘテロＥＬＯ技術を応用した低貫通転位密度の下地半導体層部（窒化物半導体基板層）を形成することができる。
【００３８】
特に、上記第９または第１０の特徴のＧａＮ系化合物半導体の製造方法によれば、マスクパターンを用いないため、マスクパターンの非開口部上からＡｌＧａＮを主とするシード結晶層が直接成長することがなく、ＡｌＧａＮを主とするシード結晶層の成長が可能となる。
【００３９】
更に、本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法は、上記何れかの特徴に加えて、前記基板が、ＺｒＢ２、サファイア、ＳｉＣ、または、Ｓｉの単結晶基板であることを第１２の特徴とする。尚、前記基板は、特に、その上部に形成するＡｌＧａＮの格子定数と略同じ格子定数のＺｒＢ２の単結晶基板であることが好ましい。ＺｒＢ２基板を使用することで、格子不整合が大幅に緩和され、下地半導体層部での低転位化が促進される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法（以下、適宜「本発明方法」という。）の実施の形態につき、図面に基づいて説明する。
【００４１】
〈第１実施形態〉
図１に第１実施形態に係る本発明方法を用いて作製されるＧａＮ系化合物半導体受光素子２の断面構造を示す。受光素子２は、基板１上に、ヘテロＥＬＯを用いて貫通転位密度を低減した下地半導体層部１０を積層し、引き続き、その下地半導体層部１０上に受光デバイス層２０を積層して形成される。
【００４２】
図１及び図２に示すように、下地半導体層１０は、ＺｒＢ２基板１上に、４００℃〜８００℃の温度範囲内（例えば、６１５℃）の低温でＡｌＮの低温堆積バッファ層１１と、約１０００℃でＡｌＧａＮの第１半導体層１２が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法（有機金属化合物気相成長法）を用いて順次形成される（図２（Ａ））。
【００４３】
引き続き、第１半導体層１２の表面に周期的ストライプ状の凹凸加工を施す（図２（Ｂ））。具体的には、４μｍ幅の凹部（窪み）１２ａと２μｍ幅の凸部１２ｂの周期的ストライプ状になるように、深さが２μｍの凹部１２ａをドライエッチング加工する。
【００４４】
引き続き、かかる凹凸加工を施した第１半導体層１２上に、周期的ストライプ（凹凸部１２ａ，１２ｂ）のエッジ部分に沿った、即ち、ストライプの長手方向と平行に延伸する傾斜面を有する垂直断面形状が山形状のシード結晶層１３が形成される（図２（Ｃ））。具体的には、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用し、更に、横方向成長加速剤としてＭｇ（マグネシウム）を供給すべく、元素濃度１０１９ｃｍ−３以上となる流量で（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを流しながら、ＭＯＣＶＤ法で、主として凸部１２ｂの上部からＡｌＧａＮの選択成長（ＥＬＯ成長）を９００℃〜１１００℃の温度範囲内（例えば、約１０５０℃）で行い、ＡｌＮ組成比２０％のＡｌＧａＮのシード結晶層１３が形成される（図２（Ｃ））。ここで、シード結晶層１３はＧａＮを主とするシード結晶層であっても構わない。この場合は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）は供給されない。
【００４５】
引き続き、シード結晶層１３上に、４００℃〜９００℃の温度範囲内（例えば、６１５℃）の低温で、膜厚２０ｎｍのＡｌＮの低温堆積バッファ層１４が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を用いて形成される（図２（Ｄ））。
【００４６】
引き続き、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、更に、横方向成長加速剤としてＭｇ（マグネシウム）を供給すべく、元素濃度１０１９ｃｍ−３以上（例えば１０２０ｃｍ−３）となる流量で（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを流しながらＭＯＣＶＤ法で、低温堆積バッファ層１４上に、ＡｌＧａＮの半導体層１５（上部下地半導体層に相当）が約１０５０℃以上（例えば、１１５０℃）の成長温度で形成される（図２（Ｅ））。半導体層１５の膜厚は約１０μｍで、ＡｌＮ組成比３０％が実現できる。本実施形態では、Ｍｇを供給しながら半導体層１５を成長させるので、横方向（ａ軸方向）の成長が加速されるため、高ＡｌＮ組成比と半導体層１５の平坦化時間の短縮が同時に実現できる。尚、本実施形態では、半導体層１５は、Ｍｇがｐ型不純物としてドープされるためｐ型ＡｌＧａＮ層として形成され、本来は受光デバイス層２０内に形成されるｐ型ＡｌＧａＮコンタクト層として機能する。
【００４７】
上記要領で形成された下地半導体層部１０では、シード結晶層１３を貫通する転位が横方向に成長して、半導体層１５内のシード結晶層１３の頂点間の中央付近に集中して貫通転位密度が低減される。
【００４８】
図１に示すように、低転位化された下地半導体層部１０の上に、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１、ｉ型ＡｌＧａＮ吸収層２２、及び、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３を順次積層して受光デバイス層２０を形成する。
【００４９】
ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１を形成する前に、下地半導体層部１０が形成された段階のデバイス（まだ、受光素子の体を成していない）を一旦、反応室から取り出し、反応装置の配管内壁等に残留しているＭｇを除去するためガス供給配管に水素を流しベーキングを行うクリーニング処理を実行する。
【００５０】
ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１は、膜厚３．６ｎｍのｐ型ＧａＮ層（井戸層）と膜厚１．２ｎｍのＡｌＮ層（バリア層）を順次積層したもの（膜厚４．８ｎｍ）を約５０〜１００層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１は、ＡｌＮ組成比が実行的に２５％となるｐ型ＡｌＧａＮ層と等価な膜厚約２４０〜４８０ｎｍの半導体層となる。ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１のｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層は、夫々ＭＯＣＶＤ法を用いて形成され、ｐ型ＧａＮ層のｐ型不純物のドーピングは、ｐ型ＡｌＧａＮ層１５と同じ要領で行われる。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１のＡｌＮ組成比は、ｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層の膜厚比を調整することで変更できる。ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１の形成後、デバイスを一旦、反応室から取り出し、反応装置の配管内壁等に残留しているＭｇを除去するためガス供給配管に水素を流しベーキングを行うクリーニング処理を実行する。引き続き、ＡｌＮ組成比３０％のｉ型ＡｌＧａＮ吸収層２２が、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。
【００５１】
ｎ型ＡｌＧａＮ層２３は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ４（モノシラン）ガスを流しながら、Ｓｉ（シリコン）を注入（ドープ）したｎ型ＡｌＧａＮ層２３を成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３は、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３の上部から入射する検出対象波長の入射光を受光領域のｉ型ＡｌＧａＮ吸収層２２まで吸収されずに到達させるために、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２のＡｌＮ組成比より大きなＡｌＮ組成比に設定される。ｎ型ＡｌＧａＮの場合は、ｐ型ＡｌＧａＮと異なり、ＡｌＮ組成比が８０％程度でも十分な低抵抗化が図れるため、本実施形態では、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３のＡｌＮ組成比を５０％とする。
【００５２】
ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１を、超格子構造（多重量子井戸構造）を用いて形成することで、バルクｐ型ＡｌＧａＮ層として形成した場合の問題、つまり、バルクｐ型ＡｌＧａＮ中に生成される欠陥によるバンドギャップ内のトラップ準位によって、受光感度域より長波長側、２８０ｎｍ〜３６０ｎｍ程度の波長範囲に感度が発生し、キャリアが拡散するのを抑制し、更に、バルクｐ型ＡｌＧａＮとｐ型ＡｌＧａＮ層１５との間の格子不整合による応力が緩和される。
【００５３】
上記要領で、受光デバイス層２０が積層形成された後、下地半導体層１０のｐ型ＡｌＧａＮ層１５が部分的に露出するように受光デバイス層２０をエッチング除去し、その露出部位にｐ型電極２４が形成され、ｎ型ＡｌＧａＮ層２３上にはｎ型電極２５が形成される。尚、ｐ型電極２４及びｎ型電極２５は、それぞれｐ型ＡｌＧａＮ層１５及びｎ型ＡｌＧａＮ層２３との間の電気的な特性がオーミックなものとなるオーミック電極である。ここで、ｐ型電極２４及びｎ型電極２５は、夫々の極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ等の公知の材料を公知の方法で作製すればよい。例えば、ｐ型電極２４として、第１層にＮｉ（ニッケル）、第２層にＡｕ（金）を夫々１０ｎｍと１００ｎｍの膜厚で電子ビーム蒸着し、所定の平面形状にパターニングする。また、ｎ型電極２５として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕの多層膜を２０ｎｍ／１００ｎｍ／１０ｎｍ／１００ｎｍの膜厚で電子ビーム蒸着し、所定の平面形状にパターニングする。尚、ｎ型電極２５は、ｎ型電極２５を通して入射光を受光デバイス層２０へ導く必要があるため、光を透過させるために、メッシュ状または受光領域へ光を透過させる他の形状または素材で形成される。
【００５４】
尚、上記下地半導体層１０の目的は、受光デバイス層２０の結晶品質を低転位化により良好なものとすることである。本実施形態では、基板１にＺｒＢ２の単結晶基板を用いており、ＺｒＢ２基板１の結晶成長表面における格子間隔と、上記下地半導体層１０及び受光デバイス層２０を構成するＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）の格子定数が概ね一致しているため、ＡｌＧａＮ層を成長させる際に加わる格子不整合による応力を小さくすることができる。その結果、受光デバイス層２０のＡｌＧａＮ層の結晶品質を更に良好にすることができる。
【００５５】
図１に示した受光素子２に対して外部から光が照射された場合、その光はメッシュ状のｎ型電極２５とｎ型ＡｌＧａＮ層２３とを透過して受光領域であるｉ型ＡｌＧａＮ吸収層２２に入射して吸収され、光キャリアが発生する。ｐ型電極２４及びｎ型電極２５の間には所定の逆バイアス電界が印加されており、発生された光キャリアは光電流として外部に出力される。本実施形態では、受光デバイス層２０が、低転位化された下地半導体層部１０上に形成されているため、欠陥準位等によって形成されるバンドギャップエネルギ内の再結合準位が抑制され、カットオフ波長での急峻な感度特性、カットオフ波長の長波長側での不要感度の抑制、低暗電流等の優れた電気的特性が実現できる。
【００５６】
受光デバイス層２０を構成する各ＡｌxＧａ1-xＮ層（０≦ｘ≦１）のバンドギャップエネルギはＡｌＮ組成比ｘを変えることで調整され、ＡｌＮ組成比ｘとバンドギャップエネルギとは図３に示すような関係で示される。図３から読み取れるように、ＡｌＮ組成比ｘを変えることで、ＡｌxＧａ1-xＮのバンドギャップエネルギを３．４２ｅＶから６．２ｅＶにまで調整することができる。従って、ｉ型ＡｌＧａＮ層２２で吸収可能な光の波長範囲（感度域）の長波長端は約３６０ｎｍ〜約２００ｎｍの間で調整可能である。
【００５７】
〈第２実施形態〉
図４に第２実施形態に係る本発明方法を用いて作製されるＧａＮ系化合物半導体発光素子４の断面構造を示す。発光素子（発光ダイオード）４は、基板３上に、ヘテロＥＬＯを用いて貫通転位密度を低減した下地半導体層部３０を積層し、引き続き、その下地半導体層部３０上に発光デバイス層４０を積層して形成される。
【００５８】
図４及び図５に示すように、下地半導体層３０は、（０００１）サファイア基板３上に形成されるが、基板３として、基板表面に周期的ストライプ状の凹凸加工を施したものを用意してこれを使用する（図５（Ａ））。具体的には、凹部（窪み）３ａと凸部３ｂの夫々の幅が４〜６μｍの結晶方位〈１１／２０〉（／２は上線付きの２を意味する）に沿って周期的ストライプ状になるように、深さが２μｍの凹部１ａをドライエッチング加工する。かかる凹凸加工を施した基板３上に、先ず、４００℃〜８００℃の温度範囲内、例えば６１５℃の低温で、膜厚２０ｎｍのＡｌＮの低温堆積バッファ層３１が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を用いて形成される（図５（Ｂ））。尚、この低温堆積バッファ層３１は、ＡｌＧａＮを主とする低温堆積バッファ層であっても構わない。この場合は、トリメチルガリウムがＧａ源として使用される。
【００５９】
引き続き、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法で、主として凸部３ｂの上部の低温堆積バッファ層３１からＧａＮの選択成長（ＥＬＯ成長）を９００℃〜１１００℃の温度範囲内、例えば約１０５０℃で行い、周期的ストライプ（凹凸部３ａ，３ｂ）のエッジ部分に沿った、即ち、ストライプの長手方向と平行に延伸する傾斜面を有する垂直断面形状が山形状のシード結晶層３２が形成される（図５（Ｃ））。ここで、シード結晶層３２はＡｌＧａＮを主とするシード結晶層であっても構わない。この場合は、トリメチルアルミニウムがＡｌ源として使用される。
【００６０】
引き続き、シード結晶層３２上に、４００℃〜９００℃の温度範囲内、例えば６１５℃の低温で、膜厚２０ｎｍのＡｌＮの低温堆積バッファ層３３が、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、アンモニア（窒素源）などの各原料ガスを使用したＭＯＣＶＤ法を用いて形成される（図５（Ｄ））。
【００６１】
引き続き、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、更に、横方向成長加速剤としてＭｇ（マグネシウム）を供給すべく、元素濃度１０１９ｃｍ−３以上（例えば１０２０ｃｍ−３）となる流量で（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを流しながらＭＯＣＶＤ法で、低温堆積バッファ層３３上に、ＡｌＧａＮの半導体層３４（上部下地半導体層に相当）が約１０５０℃以上（例えば、１１５０℃）の成長温度で形成される（図５（Ｅ））。本実施形態では、半導体層３４の膜厚は約１３μｍで、ＡｌＮ組成比は、直接その上層に形成される発光層４０の最下層に当たるｎ型ＡｌＧａＮ層４１のＡｌＮ組成比と同じ２５％とし、格子不整合を防いでいる。
【００６２】
上記要領で形成された下地半導体層部３０では、シード結晶層３２を貫通する転位が横方向に成長して、半導体層３４内のシード結晶層３２の頂点間の中央付近に集中して貫通転位密度が低減される。
【００６３】
図４に示すように、上記要領で低転位化された下地半導体層部３０上に、ｎ型ＡｌＧａＮ層４１、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層４２、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４、及び、ｐ型ＧａＮコンタクト層４５を順次積層して発光デバイス層４０を形成する。
【００６４】
ｎ型ＡｌＧａＮ層４１を形成する前に、下地半導体層部３０の形成された段階のデバイス（まだ、発光素子の体を成していない）を一旦、反応室から取り出し、反応装置の配管内壁等に残留しているＭｇを除去するためガス供給配管に水素を流しベーキングを行うクリーニング処理を実行する。
【００６５】
ｎ型ＡｌＧａＮ層４１は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ｎ型不純物の原料ガスとして、ＳｉＨ４ガスを流しながら、Ｓｉを注入したｎ型ＡｌＧａＮ層４１を成長させる。ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層４１のＡｌＮ組成比は２５％とする。引き続き、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層４２を形成する。
【００６６】
ｉ型ＡｌＧａＮ活性層４２は、ＡｌＮ組成比１５％と２５％のｉ型ＡｌＧａＮ層を交互に６〜８層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。各ｉ型ＡｌＧａＮ層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、ＭＯＣＶＤ法を用いて形成される。
【００６７】
次に、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層４２上に、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３は、膜厚３ｎｍのｐ型ＧａＮ層（井戸層）と膜厚２ｎｍのＡｌＮ層（バリア層）を順次積層したもの（膜厚５ｎｍ）を４０〜１００層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３は、ＡｌＮ組成比が実行的に４０％となるｐ型ＡｌＧａＮ層と等価な膜厚２００〜５００ｎｍの半導体層となる。ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３のｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層は、夫々ＭＯＣＶＤ法を用いて作成され、ｐ型ＧａＮ層のｐ型不純物のドーピングは、第１実施形態のｐ型ＡｌＧａＮ層１５と同じ要領で、（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを供給して行われる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３のＡｌＮ組成比は、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層４２のＡｌＮ組成比以上とし、本実施形態では４０％とする。尚、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３のＡｌＮ組成比は、ｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層の膜厚比を調整することで変更できる。
【００６８】
引き続き、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３の上に、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４を形成する。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４は、膜厚３．６ｎｍのｐ型ＧａＮ層（井戸層）と膜厚１．２ｎｍのＡｌＮ層（バリア層）を順次積層したもの（膜厚５ｎｍ）を４０〜１００層繰り返し積層した多重量子井戸として形成される。この結果、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４は、ＡｌＮ組成比が実行的に２５％となるｐ型ＡｌＧａＮ層と等価な膜厚１９２〜４８０ｎｍの半導体層となる。ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４のｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層は、夫々ＭＯＣＶＤ法を用いて作成され、ｐ型ＧａＮ層のｐ型不純物のドーピングは、ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層４３と同じ要領で、（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを供給して行われる。ここで、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４のＡｌＮ組成比は２５％とする。尚、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４のＡｌＮ組成比は、ｐ型ＧａＮ層とＡｌＮ層の膜厚比を調整することで変更できる。
【００６９】
引き続き、ｐ型ＧａＮコンタクト層４５を、Ｇａ、Ｎの原料として上記の各原料ガスを使用し、更に、キャリア濃度５×１０１７ｃｍ−３以上となる流量で（ＥｔＣｐ）２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルジエチルマグネシウム）ガスを供給して、ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層４４上にＭＯＣＶＤ法で形成する。
【００７０】
上記要領で、発光デバイス層４０が積層形成された後、ｎ型ＡｌＧａＮ層４１が部分的に露出するように発光デバイス層４０をエッチング除去し、その露出部位にｎ型電極４６が形成され、ｐ型ＧａＮコンタクト層４５上にはｐ型電極４７が形成される。ここで、ｐ型電極４７及びｎ型電極４６は、第１実施形態と同様に夫々の極性に応じてＡｌ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｔｉ等の公知の材料を公知の方法で作製すればよい。例えば、ｐ型電極４７として、第１層にＮｉ（ニッケル）、第２層にＡｕ（金）を夫々１０ｎｍと１００ｎｍの膜厚で電子ビーム蒸着し、メッシュ状または所定の平面形状にパターニングする。また、ｎ型電極４６として、Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕの多層膜を２０ｎｍ／１００ｎｍ／１０ｎｍ／１００ｎｍの膜厚で電子ビーム蒸着し、所定の平面形状にパターニングする。
【００７１】
上記要領で作製された発光素子４において、ｐ型電極４７とｎ型電極４６の間に電圧を印加して電流を流すことにより、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層４２に電子及び正孔が注入され、ｉ型ＡｌＧａＮ活性層４２のＡｌＮ組成比で決定されるバンドギャップエネルギに相当する波長の光が放出される。本実施形態では、発光デバイス層４０が、低転位化された下地半導体層部３０上に形成されているため、非発光再結合が抑制され高い量子効率が得られる。更には、高耐圧、低暗電流等の優れた電気的特性が実現できる。
【００７２】
以下に、別の実施形態につき説明する。
【００７３】
〈１〉上記各実施形態では、下地半導体層１０，３０の上部下地半導体層１５，３４の成長時に横方向成長加速剤としてＭｇ（マグネシウム）を（ＥｔＣｐ）２Ｍｇにより供給する場合を説明したが、供給ガスは、（ＥｔＣｐ）２Ｍｇに限定されるものではなく、Ｃｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、或いは、（Ｒ−Ｃｐ）２Ｂｅ［ビス（Ｒ−シクロペンタジエニル）マグネシウム］（Ｒはエチル基以外のアルキル基）を用いても構わない。また、横方向成長加速剤としては、Ｍｇに限らず、Ｂｅ（ベリリウム）やＣａ（カルシウム）等のアルカリ土類金属、または、Ｌｉ（リチウム）やＮａ（ナトリウム）等のアルカリ金属を用いても構わない。
【００７４】
但し、横方向成長加速剤としてアルカリ金属を用いる場合は、第１実施形態における半導体層１５はｐ型ＡｌＧａＮ層とならないため、別途、ｐ型ＡｌＧａＮ層を半導体層１５上に形成するか、或いは、ｐ型電極２４をｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１上に設けるのが好ましい。
【００７５】
更に、上記第１実施形態においてシード結晶層１３の成長時に供給する横方向成長加速剤についても、上記と同様に、供給ガス或いは供給元素の変更が可能である。尚、シード結晶層１３の成長時には、必ずしも横方向成長加速剤は供給する必要はない。また、上記第２実施形態においてシード結晶層３２の成長時に、第１実施形態と同様に、横方向成長加速剤を供給しても構わない。
【００７６】
〈２〉上記各実施形態では、各ｐ型ＡｌＧａＮ層１５，３４，４５及びｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２１，４３，４４の成長に係るｐ型不純物としてＭｇを用いたが、ｐ型不純物としてＭｇに代えてＢｅ（ベリリウム）を用いるのも好ましい。
【００７７】
この場合、各ｐ型ＡｌＧａＮ層は、ＭＯＣＶＤ法を用いて、Ａｌ、Ｇａ、Ｎの原料として上記実施形態と同様に、トリメチルアルミニウム（Ａｌ源）、トリメチルガリウム（Ｇａ源）、アンモニア（窒素源）等の各原料ガスを使用し、ｐ型不純物の原料ガスとして、Ｃｐ２Ｂｅ（ビスシクロペンタジエニルベリリウム）ガス、或いは、（Ｒ−Ｃｐ）２Ｂｅガス［ビス（Ｒ−シクロペンタジエニル）ベリリウム］ガス（Ｒは１〜４価のアルキル基）を流しながら、Ｂｅを注入したｐ型ＡｌＧａＮ層を成長させる。
【００７８】
〈３〉上記第１実施形態では、基板１として、ＺｒＢ２単結晶基板を用い、また、上記第２実施形態では、基板３として、（０００１）サファイア基板を用いたが、基板１，３はこれに限定されるものではなく、他の面方位のサファイア基板、或いは、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｒＢ２等の他の単結晶基板を用いても構わない。但し、第１実施形態において説明したように、ＺｒＢ２基板の場合は、ＡｌＧａＮ層との格子不整合が緩和されるという他の基板材料に比べ優位な効果を発揮する。
【００７９】
〈４〉上記第１実施形態では、受光デバイス層２０は、ＰＩＮ構造で構成される場合を説明したが、受光デバイス層２０の構造はＰＩＮ構造に限定されるものではない。また、上記第２実施形態では、発光デバイス層４０は、発光ダイオードとして構成したが、ｐ型ＧａＮコンタクト層４５をリッジストライプ構造として、半導体レーザとして構成しても構わない。
【００８０】
また、ｐ型ＡｌＧａＮ層として超格子構造を用いた場合によりｐ型ＡｌＧａＮ超格子層２２，３３として形成したが、ｉ型ＡｌＧａＮ層２３，３２のＡｌＮ組成比が小さい場合等において、超格子構造を採用せず、バルク単結晶で形成しても構わない。
【００８１】
〈５〉上記第１実施形態において、シード結晶層１３を第１半導体層１２の表面に加工された周期的ストライプ状の凹凸形状を利用して形成し、上記第２実施形態において、シード結晶層３２を基板３表面の周期的ストライプ状の凹凸形状を利用して形成したが、夫々のシード結晶層１３，３２は、ＳｉＯ２やＳｉＮｘ等で形成されたマスクパターンを形成して、当該マスクパターンの開口部から選択成長により形成するようにしても構わない。
【００８２】
〈６〉上記各実施形態において、シード結晶層１３，３２上にＡｌＮの低温堆積バッファ層１４，３３を形成する場合を説明したが、低温堆積バッファ層１４，３３は必ずしも設けなくても構わない。
【００８３】
〈７〉上記各実施形態において、第１半導体層１２の表面に加工された凹凸形状、及び、基板３表面に加工された凹凸形状は、夫々周期的ストライプ状であったが、凹凸形状のパターンはストライプ状に限定されるものではなく、格子状パターンや６角形状パターンであっても構わない。
【００８４】
〈８〉上記各実施形態において、受光素子２、発光素子４の光の出入りは、各受光デバイス層２０、発光デバイス層４０の上面からを想定したが、夫々、基板１，３側から下地半導体層部１０，３０まで研磨、溶解等により一部或いは全部を剥離して基板側から光を出し入れするようにしても構わない。
【００８５】
〈９〉上記各実施形態において、反応装置の配管内部等に残留するｐ型不純物の影響（メモリ効果）を低減するために、クリーニング処理を行う場合を説明したが、クリーニング処理に代えて、ｐ型不純物を供給しない半導体層の成長を少なくとも１回実施するようにしても構わない。
【００８６】
〈１０〉上記各実施形態において例示した、各層の膜厚、成長温度、使用原料、材料は、あくまでも一例であり、本発明の技術思想の範囲内において適宜変更可能である。また、各半導体層は、ＭＯＣＶＤ法を用いたが、一部または全部を他の成膜方法を用いて形成しても構わない。例えば、受光デバイス層２０、発光デバイス層４０、或いは、受光デバイス層２０、発光デバイス層４０内のｉ型ＡｌＧａＮ層２２，４２をＭＢＥ（分子線エピタキシ）法を用いて形成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法の第１実施形態を用いて作製されるＧａＮ系化合物半導体受光素子の概略構成を示す素子断面図
【００８８】
【図２】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法の第１実施形態による下地半導体層部の作製過程を示す素子断面図
【００８９】
【図３】ＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギを示すグラフ
【００９０】
【図４】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法の第２実施形態を用いて作製されるＧａＮ系化合物半導体発光素子の概略構成を示す素子断面図
【００９１】
【図５】本発明に係るＧａＮ系化合物半導体の製造方法の第２実施形態による下地半導体層部の作製過程を示す素子断面図
【符号の説明】
【００９２】
１          ＺｒＢ２基板
２          ＧａＮ系化合物半導体受光素子
３          サファイア基板
３ａ        基板表面の凹部
３ｂ        基板表面の凸部
４          ＧａＮ系化合物半導体発光素子
１０，３０  下地半導体層部
１１，３１  低温堆積バッファ層
１２        第１半導体層
１２ａ      第１半導体層表面の凹部
１２ｂ      第１半導体層表面の凸部
１３，３２  シード結晶層
１４，３３  低温堆積バッファ層
１５，３４  上部下地半導体層
２０        受光デバイス層
２１        ｐ型ＡｌＧａＮ超格子層
２２        ｉ型ＡｌＧａＮ吸収層
２３        ｎ型ＡｌＧａＮ層
２４，４７  ｐ型電極
２５，４６  ｎ型電極
４０        発光デバイス層
４１        ｎ型ＡｌＧａＮ層
４２        ｉ型ＡｌＧａＮ活性層
４３        ｐ型ＡｌＧａＮ電子バリア層
４４        ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
４５        ｐ型ＧａＮコンタクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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