(57)【要約】【課題】  工程を簡素化すると共に発光特性を改善する。【解決手段】  下地基板１１上にマスク１３を用いて選択成長により形成された３−５族窒化物半導体結晶１４を備えて成る３−５族窒化物半導体積層基板１において、下地基板１１とマスク１３との間に３−５族窒化物半導体結晶１４より結晶性の低い半導体層１２を設ける。この構成を有する３−５族窒化物半導体自立基板の製造は、下地基板１１の上に３−５族窒化物半導体結晶１４より結晶性の低い半導体層１２を形成し、半導体層１２上にマスク１３を形成してから選択成長によって３−５族窒化物半導体結晶１４を形成した後、半導体層１２において下地基板１１を分離する。【選択図】        図３
2006347863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板上に設けられたマスクを用いて選択成長により形成された３−５族窒化物半導体結晶を備えて成る３−５族窒化物半導体積層基板において、
前記下地基板と前記マスクとの間に前記３−５族窒化物半導体結晶より結晶性の低い半導体層を有することを特徴とする３−５族窒化物半導体積層基板。
【請求項２】
前記半導体層内に空隙を有する請求項１記載の３−５族窒化物半導体積層基板。
【請求項３】
前記マスクがストライプ状、ドット状、あるいはマスクされない部分がドット状を有する請求項１又は２記載の３−５族窒化物半導体積層基板。
【請求項４】
前記マスクが、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＣｒＯ2 、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｖ、Ｈｆ、Ｐｄ、ＢＮ、および、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｆｅの窒化物から選ばれる少なくとも１種類の材料からなる請求項１、２又は３記載の３−５族窒化物半導体積層基板。
【請求項５】
前記半導体層が、４００℃〜７００℃で成長されてなるＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）バッファ層である請求項１、２、３又は４記載の３−５族窒化物半導体積層基板。
【請求項６】
下地基板上に３−５族窒化物半導体結晶を選択成長させて３−５族窒化物半導体自立基板を製造するための方法であって、
前記下地基板の上に前記３−５族窒化物半導体結晶より結晶性の低い半導体層を形成する工程と、
該半導体層上にマスクを形成してから選択成長によって前記３−５族窒化物半導体結晶を成長する工程と、
前記半導体層において前記３−５族窒化物半導体結晶と前記下地基板とを分離する工程と
を含むことを特徴とする３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項７】
前記分離する工程が、応力を加えて機械的に前記下地基板を剥離する工程を含む請求項６記載の３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項８】
前記分離する工程が、前記３−５族窒化物半導体結晶の成長後前記マスク材料および又は前記半導体層を化学的にエッチングする工程を含む請求項６記載の３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項９】
下地基板上に３−５族窒化物半導体結晶を選択成長させて３−５族窒化物半導体自立基板を製造するための方法であって、
前記下地基板の上に前記３−５族窒化物半導体結晶より結晶性の低い半導体層を形成する工程と、
該半導体層上にマスクを形成してから選択成長によって前記３−５族窒化物半導体結晶を成長する工程と、
前記マスクと前記３−５族窒化物半導体結晶との界面および又は前記半導体層において前記３−５族窒化物半導体結晶と前記下地基板とを分離する工程と
を含むことを特徴とする３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項１０】
前記分離する工程が、前記３−５族窒化物半導体結晶を成長した後、雰囲気温度を降下させることによって前記下地基板を剥離する工程を含む請求項９記載の３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法。
【請求項１１】
請求項６、７、８、９又は１０記載の製造方法により製造された３−５族窒化物半導体自立基板。
【請求項１２】
請求項１、２、３、４又は５記載の３−５族窒化物半導体積層基板を用いた半導体素子。
【請求項１３】
請求項１１記載の３−５族窒化物半導体自立基板を用いた半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３−５族窒化物半導体積層基板、３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法、及び半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３−５族窒化物半導体は、各種表示装置用として用いられている半導体素子の製造に用いられている。例えば、紫外もしくは青色の発光ダイオードやレーザダイオード等の発光素子や高出力又は高周波の電子素子の材料として、一般式Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体（以下、３−５族窒化物半導体と略称する）が知られている。
【０００３】
ところで、サファイアなどの基板上に、該３−５族窒化物半導体発光素子を形成する手法がよく知られているが、サファイアなど３−５族窒化物半導体とは異なる材料の基板を用いる場合、基板と３−５族窒化物半導体とは格子定数や熱膨張係数が異なるため、３−５族窒化物半導体のエピタキシャル成長後に高密度の転位が発生したり、基板に反りが生じて最悪の場合には割れの原因となる等の問題がある。このため、３−５族窒化物半導体自立基板上に、ｎ型３−５族窒化物半導体層と、活性層としての３−５族窒化物半導体層と、ｐ型３−５族窒化物半導体層とを有するダブルへテロ構造の３−５族窒化物半導体が提案されている。この半導体は低転位の３−５族窒化物半導体自立基板上に成長しているため、結晶性がよく、発光特性の劣化が抑えられた発光素子を与えることが開示されている（例えば、特許文献１）。しかしながら、現在は３−５族窒化物半導体のバルク基板を工業的に安価に得ることはできない。
【０００４】
このため、サファイア基板上に一旦３−５族窒化物半導体を成長した後、その上にＳｉＯ2 マスクを用いた選択成長を行うことにより結晶性の高い基板を得る方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
【０００５】
また、サファイアなどの下地基板上に３−５族窒化物半導体を成長させ、その下地基板から独立した３−５族窒化物半導体を得る方法が提案されている。例えば、特許文献３には、下地基板上に一旦ＧａＮを成長させ、その上にＳｉＯ2 ストライプを形成してから再度ＧａＮを成長し、しかる後、ＳｉＯ2 ストライプまで部分的にエッチングを行ってトレンチ構造を形成し、さらにＧａＮをその上に形成して表面を平坦化した後、トレンチ構造にエッチング液を導入してＳｉＯ2 ストライプをエッチングし、基板とＧａＮ層を分離する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２２３７４３号公報
【特許文献２】特開２００２−１７０７７８号公報
【特許文献３】特開２００１−５３０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２による方法で、サファイア基板上に結晶性の高い３−５族窒化物半導体であるＧａＮを形成するためには、サファイア基板上に低温バッファ層を形成後、１０００℃以上の高温でＧａＮを形成するいわゆる２段階成長方法を行い、該３−５族半導体積層基板を一旦半導体結晶成長装置から取り出し、該３−５族窒化物半導体層上にＳｉＯ2 ストライプマスクを形成し、再度半導体結晶成長装置に入れ、１０００℃以上の高温において３−５族窒化物半導体を形成する必要がある。このように特許文献２に記載されている方法によれば、１０００℃以上の高温が必要な結晶成長を長時間にわたって２回行わなくてはならない。また、特許文献３による方法を用いて、３−５族窒化物半導体基板を得るためには、レジスト露光等の工程を必要とするフォトリソグラフィー技術を用いてトレンチ構造を加工し、さらに、長時間かつ１０００℃以上の高温でＧａＮ結晶成長を３回に分けて形成することが必要なため、特許文献２及び３による方法では、コスト高で長い処理時間を要するという問題点を有している。したがって、安価で高性能の３−５族窒化物半導体発光素子を作ることができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる３−５族窒化物半導体積層基板、３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法、及び半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、３−５族窒化物半導体を成長させる基板（以下、下地基板と称する）上に高品質の３−５族窒化物半導体を積層した３−５族窒化物半導体積層基板（以下、３−５族窒化物半導体積層基板と略記する）を製造する方法について鋭意検討した結果、下地基板上に結晶性の低い層を先ず形成し、その上に無機材料薄膜を形成後、３−５族窒化物半導体を形成することにより、容易に高品質の３−５族窒化物半導体層が得られるだけでなく、該３−５族窒化物半導体層が下地基板から剥がれやすくなることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
請求項１の発明によれば、下地基板上に設けられたマスクを用いて選択成長により形成された３−５族窒化物半導体結晶を備えて成る３−５族窒化物半導体積層基板において、前記下地基板と前記マスクとの間に前記３−５族窒化物半導体結晶より結晶性の低い半導体層を有することを特徴とする３−５族窒化物半導体積層基板が提案される。
【００１０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記半導体層内に空隙を有する３−５族窒化物半導体積層基板が提案される。
【００１１】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２の発明において、前記マスクがストライプ状、ドット状、あるいはマスクされない部分がドット状を有する３−５族窒化物半導体積層基板が提案される。
【００１２】
請求項４の発明によれば、請求項１、２又は３の発明において、前記マスクが、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＣｒＯ2 、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｖ、Ｈｆ、Ｐｄ、ＢＮ、及び、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｆｅの窒化物から選ばれる少なくとも１種類の材料からなる３−５族窒化物半導体積層基板が提案される。
【００１３】
請求項５の発明によれば、請求項１、２、３又は４の発明において、前記半導体層が、４００℃〜７００℃で成長されてなるＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）バッファ層である３−５族窒化物半導体積層基板が提案される。
【００１４】
請求項６の発明によれば、下地基板上に３−５族窒化物半導体結晶を選択成長させて３−５族窒化物半導体自立基板を製造するための方法であって、前記下地基板の上に前記３−５族窒化物半導体結晶より結晶性の低い半導体層を形成する工程と、該半導体層上に前記マスクを形成してから選択成長によって前記３−５族窒化物半導体結晶を成長する工程と、前記半導体層において前記３−５族窒化物半導体結晶と前記下地基板とを分離する工程とを含むことを特徴とする３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法が提案される。
【００１５】
請求項７の発明によれば、請求項６の発明において、前記分離する工程が、応力を加えて機械的に前記下地基板を剥離する工程を含む３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法が提案される。
【００１６】
請求項８の発明によれば、前記分離する工程が、前記３−５族窒化物半導体結晶の成長後前記マスク材料及び又は前記半導体層を化学的にエッチングする工程を含む３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法が提案される。
【００１７】
請求項９の発明によれば、下地基板上に３−５族窒化物半導体結晶を選択成長させて３−５族窒化物半導体自立基板を製造するための方法であって、前記下地基板の上に前記３−５族窒化物半導体結晶より結晶性の低い半導体層を形成する工程と、該半導体層上にマスクを形成してから選択成長によって前記３−５族窒化物半導体結晶を成長する工程と、前記マスクと前記３−５族窒化物半導体結晶との界面及び又は前記半導体層において前記３−５族窒化物半導体結晶と前記下地基板とを分離する工程とを含むことを特徴とする３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法が提案される。
【００１８】
請求項１０の発明によれば、請求項９の発明において、前記分離する工程が、前記３−５族窒化物半導体結晶を成長した後、雰囲気温度を降下させることによって前記下地基板を剥離する工程を含む３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法が提案される。
【００１９】
請求項１１の発明によれば、請求項６、７、８、９又は１０記載の方法により製造された３−５族窒化物半導体自立基板が提案される。
【００２０】
請求項１２の発明によれば、請求項１、２、３、４又は５記載の３−５族窒化物半導体積層基板を用いた半導体素子が提案される。
【００２１】
請求項１３の発明によれば、請求項１１記載の３−５族窒化物半導体自立基板を用いた半導体素子が提案される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、複雑な工程を必要とせず、高品質の３−５族窒化物半導体積層基板及び３−５族窒化物半導体自立基板及び高性能の半導体素子を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明による３−５族窒化物半導体積層基板の実施形態の一例を示す層構造図である。３−５族窒化物半導体積層基板１は、サファイア等の材料から成る下地基板１１上に、半導体層１２、マスク１３、３−５族窒化物半導体結晶１４がこの順序に積層されて成っている。マスク１３は３−５族窒化物半導体結晶１４を下地基板１１上に選択成長させるために設けられたもので、これにより結晶性の良好な３−５族窒化物半導体を下地基板１１上に形成することができる。
【００２５】
本実施の形態では、マスク１３は、複数の帯状体が適宜の間隔をあけて所定の方向に平行に延びるストライプ状のマスクであるが、マスク１３の形態はこれに限定されるものではない。例えば、ドット状のマスク、又はマスクでない部分がドット状となっている形態のマスク等を用いることもできる。また、マスク１３の材料は、３−５族窒化物半導体が成長しない、あるいは成長しにくい材料が好ましい。具体的な材料については後述する通りである。
【００２６】
下地基板１１上に設けられたマスク１３を用いて選択成長により形成された３−５族窒化物半導体結晶１４の結晶性をより改善すると共に、図１に示される３−５族窒化物半導体積層基板１から３−５族窒化物半導体結晶１４を分離して３−５族窒化物半導体結晶１４を主体とした３−５族窒化物半導体自立基板を得る目的で、半導体層１２が設けられている。半導体層１２は、３−５族窒化物半導体結晶１４に比べて結晶性の低い状態のものとして形成されている。ここでは、半導体層１２はバッファ層として設けられている。
【００２７】
半導体層１２の結晶性が低いため、半導体層１２内には、３−５族窒化物半導体結晶１４の形成工程での加熱により生じた多数の空隙１２Ａが形成されている。これらの空隙１２Ａはマスク１３と下地基板１１とに挟まれた領域に多発する傾向を生じる。
【００２８】
このような目的で設けられる半導体層１２（以下、低結晶性半導体層１２ということがある）の所要の機能を充分に果たすことができるようにするため、その材料はＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）から成るのが好ましい。また、その成長温度は、４００℃〜７００℃の範囲であるのが好ましい。すなわち、低結晶性半導体層１２は低温バッファ層として形成されるのが好ましい。
【００２９】
この空隙１２Ａは低結晶性半導体層１２の機械的強度を低下させるので、低結晶性半導体層１２に小さな機械的歪力が生じる何らかの工夫をすることにより、下地基板１１と３−５族窒化物半導体結晶１４とを容易に分離させ、３−５族窒化物半導体結晶１４を主体とした３−５族窒化物半導体自立基板を容易に得ることができる。
【００３０】
３−５族窒化物半導体結晶１４の表面１４Ａ上には、さらに、３−５族窒化物半導体による公知の構成の発光素子機能を有する半導体層１５が形成されており、これにより、３−５族窒化物半導体積層基板１は３−５族窒化物半導体発光素子用基板となっている。この発光素子機能を有する半導体層１５は、例えば発光層をｐ型層とｎ型層とではさんだ、いわゆるダブルヘテロ構造とすることができる。
【００３１】
したがって、図１に示される３−５族窒化物半導体積層基板１を用い、電極１６、１７を取り付けることで、図２に示されるような半導体発光素子を得ることができる。なお、図２では３−５族窒化物半導体１４がｎ型の伝導性を持ち、下地基板１１を分離、除去した状態となっている。
【００３２】
次に、図３を参照して、本発明による３−５族窒化物半導体積層基板及び３−５族窒化物半導体自立基板の製造方法の一実施形態について説明する。図３は、図１に示した層構造を有する基板の場合を例にとってその製造工程の一実施形態を示したものである。
【００３３】
ここで用いることができる該３−５族窒化物半導体のエピタキシャル成長方法としては、種々の公知方法を挙げることができる。例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）、分子線成長法（ＭＢＥ法）、あるいは有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を単独で用いることもでき、また、単一の半導体基板において、それを構成する複数の半導体層の各層毎にこれらを適宜適用して組み合わせて用いることもできる。以下の説明においては、ＭＯＶＰＥ法及びＨＶＰＥ法を採用した場合について説明するが、本発明で用いる３−５族窒化物半導体のエピタキシャル成長方法がこられに限定されるものではない。
【００３４】
先ず、図３（ａ）に示すように、下地基板１１を用意する。下地基板１１は、高品質な３−５族窒化物半導体を得るための成長条件で安定であることが好ましい。具体的には、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ等を用いることができる。特にサファイアは、ＳｉＣやＳｉと比較して、該化合物半導体の結晶成長後の応力によるクラックの発生が少なく、本発明に好適に用いることができる。
【００３５】
次に、図３（ｂ）に示すように、下地基板１１の上に低結晶性半導体層１２を成長する。ここでは、低結晶性半導体層１２は３−５族窒化物半導体によるバッファ層である。低結晶性半導体層１２は、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される低温バッファ層とするのが好ましい。この場合、低結晶性半導体層１２の膜厚が薄すぎると、結晶成長の核となる結晶が後の工程で３−５族窒化物半導体結晶１４を高温で形成する際にエッチングにより蒸発し、３−５族窒化物半導体結晶１４の結晶品質が低下する。また、低結晶性半導体層１２の膜厚が厚すぎると、結晶成長の核となる結晶が多くなるため、３−５族窒化物半導体結晶１４の結晶品質が低下する。したがって、低結晶性半導体層１２の膜厚としては、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下がさらに好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下がより好ましい。低結晶性半導体層１２の成長温度は、低い結晶性とするため、４００℃〜７００℃が好ましく、より好ましくは、４５０°〜６００℃である。
【００３６】
低結晶性半導体層１２を形成した後、低結晶性半導体層１２の上にマスク１３を形成する（図３（ｃ））。マスク１３の材料は、３−５族窒化物半導体が成長しない、あるいは、成長しにくい材料がよく、例えば、ＳｉＯ2 、ＴｉＯ2 、ＺｒＯ2 、ＣｒＯ2 、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｖ、Ｈｆ、Ｐｄ、ＢＮ、及び、Ｗ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｆｅの窒化物から選ばれる少なくとも１種類の材料から選ばれるのが好ましい。Ｗ、Ｔｉなどの金属をマスクとして用いると、水素あるいはアンモニアによる、その上部の３−５族窒化物半導体結晶との界面に対するエッチング作用により、そこに空隙を形成することができ、得られた半導体結晶が剥離しやすくなる場合がある。
【００３７】
マスク１３の形状は、ストライプ状、ドット状、あるいはマスクされない部分（非マスク部分）がドット状を有している等、適宜の形態でよく、またこれらの組み合わせであってもよい。Ｗ、Ｔｉなどの金属をマスクとして用いる場合は、これらの材料はＨ2 又はＮＨ3 でエッチングされ、低結晶性半導体層１２が部分的に露出する場合があり、基板表面全面をマスクで覆うことができる。
【００３８】
ストライプ状のマスクを用いる場合、ストライプの幅は０．１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下、より一層好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。ストライプ幅が広すぎると結晶を埋め込むことが難しく、狭すぎると高品質の結晶が得られにくくなる。また、ストライプの間隔は、０．１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００３９】
下地基板１１がＣ（０００１）面のサファイアである場合、マスク１３のストライプの方向は、〈１−１００〉方向あるいは、〈１１−２０〉方向に平行であるか僅かに傾斜させてもよい。傾斜させる場合は０．０９５°以上９．６°未満が好ましい。
【００４０】
ドット状のマスクを用いる場合は、ドット状マスクの形状は円形、三角形、四角形、六角形などの多角形のいずれでもよく、またこれらの多角形を組み合わせても良い。この場合、マスクの直径（多角形の場合は面積を円で表した時の直径）は０．１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下、より一層好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。マスク直径が大きすぎると結晶を埋め込むことが難しく、狭すぎると高品質の結晶が得られにくくなる。また、マスクの間隔は、０．１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００４１】
ドット状マスクの場合、下地基板１１がＣ（０００１）面のサファイアである場合、ドットの一辺の方向は、〈１−１００〉方向あるいは、〈１１−２０〉方向に平行であるか僅かに傾斜させてもよい。傾斜させる場合は０．０９５°以上９．６°未満が好ましい。
【００４２】
非マスク部分がドット状の形態のマスクである場合は、マスクされない部分のドット形状が、円形、三角形、四角形、六角形などの多角形のいずれでもよく、またこれらの多角形を組み合わせても良い。非マスク部分の直径（多角形の場合は面積を円で表した時の直径）は０．１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上３０μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。マスク直径が大きすぎると結晶を埋め込むことが難しく、狭すぎると高品質の結晶が得られにくくなる。また、マスクの間隔は、０．１μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下であり、さらに好ましくは１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００４３】
マスク１３を低結晶性半導体層１２上に配置した場合、次に述べる３−５族窒化物半導体結晶１４の成長時において、マスク１３の無いところが成長領域Ｑ（図３（ｃ））となる。
【００４４】
次に、エピタキシャル成長により、成長領域Ｑに３−５族窒化物半導体を成長させる。先ず、マスク１３を配置した低結晶性半導体層１２上にファセット構造１４Ａを形成しながら３−５族窒化物半導体を成長させる（図３（ｄ））。さらに、このファセット構造１４Ａを埋め込んで表面を平坦化した３−５族窒化物半導体を結晶成長させ、３−５族窒化物半導体結晶１４を形成する（図３（ｅ））。
【００４５】
図３（ｄ）、（ｅ）に示す工程についてより詳しく説明する。低結晶性半導体層１２は、Ｉｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）層によって形成するが、ＡｌＮが含まれていると分解しにくく、ＩｎＮが含まれていると分解しやすいため，低結晶性半導体層１２はＩｎＧａＮが好ましい。半導体層１２を低温で成長した場合、得られた半導体層１２の結晶性が低い。このため、マスク１３下の低結晶性半導体層１２は結晶化あるいは成長雰囲気である水素ないしはアンモニアによりエッチングされ、低結晶性半導体層１２内であって、特に、マスク１３と下地基板１１との間の領域に空隙１２Ａが形成される。
【００４６】
低結晶性半導体層１２上にマスク１３を配置した後、低結晶性半導体層１２上に３−５族窒化物半導体のエピタキシャル成長方法に従い、原料ガス等を供給すると、３−５族窒化物半導体は、成長領域Ｑから成長（図３）（ｄ））配置したマスク１３を埋め込むようにして低結晶性半導体層１２上に３−５族窒化物半導体が成長する。３−５族窒化物半導体をマスク１３をほぼ埋め込む程度にさらに成長させる。そして、エピタキシャル成長により、マスク１３が３−５族窒化物半導体に埋め込まれた状態となった上に、３−５族窒化物半導体をさらに成長させることにより所要の膜厚の３−５族窒化物半導体結晶１４が形成される（図３（ｅ））。
【００４７】
このように、マスク１３を配置した低結晶性半導体層１２上にファセット構造を形成しながら３−５族窒化物半導体を成長させ、次にファセット構造を埋め込んで表面を平坦化した窒化物半導体を成長させて３−５族窒化物半導体結晶１４を形成する工程を有する製造方法が好ましい。その理由は次の通りである。
【００４８】
低結晶性半導体層１２上にマスク１３を配置した後、成長領域Ｑでファセット構造を形成させる成長を行い、この後、横方向成長を促進させることによりファセット構造を埋め込んで平坦化させるように３−５族窒化物半導体を成長させれば（図１（ｅ））、ファセットまで到達した転位は横方向に曲げられるため、マスク１３を３−５族窒化物半導体結晶１４内に埋没させて含有させることができる。このとき、結晶欠陥を大幅に減らせることができる。また、ファセット構造を埋め込む成長を行うと、３−５族窒化物半導体結晶１４中のマスク１３上の領域には空隙部が発生する場合がある。ファセットまで到達した転位は横方向に曲げられ、該空隙部により転位を終端することができるため、高品質の結晶を得ることが可能である。
【００４９】
次に、３−５族窒化物半導体結晶１４と下地基板１１とを分離する分離工程（図３（ｆ））について説明する。
【００５０】
下地基板１１を分離する工程の前に、３−５族窒化物半導体結晶１４を支持基板（図示せず）に貼り合わせる工程を設けてもよい。この場合、支持基板としては、金属薄膜、高分子などの樹脂フィルムなど公知の薄膜が使用することが可能である。金属基板の場合は公知の方法により低温合金などを用いて貼り合わせることが可能である。また、樹脂フィルムを支持基板として用いる場合は熱硬化樹脂や光硬化樹脂を用いることができる。
【００５１】
低結晶性半導体層１２及びマスク１３を配置した下地基板１１上に３−５族窒化物半導体結晶１４を成長させる場合、マスク１３下の低結晶性半導体層１２が３−５族窒化物半導体結晶１４成長時にエッチングされるため、下地基板１１と３−５族窒化物半導体結晶１４とは弱く接続された状態となっている。このため、３−５族窒化物半導体結晶１４の厚さを十分に大きくすれば、内部応力又は外部応力が、この弱い接続となっている下地基板１１と３−５族窒化物半導体結晶１４との間の領域に集中的に作用しやすくなる。その結果、特にこれらの応力は、当該領域に対する剪断応力等として作用し、この応力が大きくなった時に、下地基板１１と３−５族窒化物半導体結晶１４との接続部分が破断し、両者が分離する。このように、下地基板１１と３ー５族窒化物半導体結晶１４との間での破断は、具体的には、下地基板１１と低結晶性半導体層１２との境界領域、低結晶性半導体層１２とマスク１３との境界領域、低結晶性半導体層１２と３ー５族窒化物半導体結晶１４との境界領域、もしくはマスク１３と３ー５族窒化物半導体結晶１４との境界領域、又はこれらの境界領域の中の複数の境界領域において生じる。
【００５２】
３−５族窒化物半導体結晶１４と下地基板１１とを分離する別の方法として、応力を加えて機械的に分離する方法が挙げられる。該応力は、内部応力でも外部応力でもよい。具体的には、内部応力及び又は外部応力を下地基板１１と３−５族窒化物半導体結晶１４との間の領域に加える方法が挙げられる。該内部応力及び又は外部応力を当該領域に加えることにより、容易に下地基板１１と３−５族窒化物半導体結晶１４とを分離（剥離）することができる。
【００５３】
内部応力を用いる方法としては、３−５族窒化物半導体結晶１４成長後、３−５族窒化物半導体結晶１４と下地基板１１との熱膨張係数差に基く応力を利用して下地基板１１を自然剥離する方法が挙げられる。具体的には、３−５族窒化物半導体結晶１４の成長温度から室温に向けての冷却、室温から液体窒素等の低温媒体を用いた冷却、及び室温から再度加熱した後に液体窒素等の低温媒体を用いた冷却等を用いることができる。
【００５４】
外部応力としては、３−５族窒化物半導体結晶１４又は下地基板１１の一方を固定して、他方に機械的な衝撃を加える方法が挙げられる。
【００５５】
上記の方法により、下地基板１１から独立した３−５族窒化物半導体結晶１４を主体とする３−５族窒化物半導体結晶を３−５族窒化物半導体自立基板として得ることができる。
【００５６】
下地基板１１から分離した３−５族窒化物半導体結晶１４の裏面は、マスク１３を含有しているため、エッチングなどの化学的、あるいは研削や研磨等の物理的な加工処理によりこれを除去して使用してもよい。例えばＳｉＯ2 などの酸化物は酸により除去可能である。この場合は、下地基板１１に酸などのエッチング液がマスク１３材料まで到達しやすいように予め下地基板１１に溝もしくは貫通孔を設けても良い。３−５族窒化物半導体結晶１４形成後３−５族窒化物半導体結晶１４表面から貫通孔、あるいは溝を設けても良い。また、レーザなどの放射線を下地基板１１と低結晶性半導体層１２の界面に吸収させ、低結晶性半導体層１２を部分的に分解させ、下地基板１１との剥離を促進させてもよい。
【００５７】
３−５族窒化物半導体結晶１４のエピタキシャル成長方法としては、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法、ＭＢＥ法などが挙げられる。ＭＯＶＰＥ法を用いて低結晶性半導体層１２又は３−５族窒化物半導体結晶１４を結晶成長させる場合、以下のような化合物を出発原料として用いることができる。
【００５８】
３族原料としては、例えばトリメチルガリウム［（ＣＨ3 ）3 Ｇａ、以下ＴＭＧと記すことがある］、トリエチルガリウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｇａ、以下ＴＥＧと記すことがある］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｇａ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルガリウム；トリメチルアルミニウム［（ＣＨ3 ）3 Ａｌ、以下ＴＭＡと記すことがある］、トリエチルアルミニウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ａｌ、以下ＴＥＡと記すことがある］、トリイソブチルアルミニウム［（ｉ−Ｃ4 Ｈ9 ）3 Ａｌ］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ａｌ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルアルミニウム；トリメチルアミンアラン［（ＣＨ3 ）3 Ｎ：ＡｌＨ3 ］；トリメチルインジウム［（ＣＨ3 ）3 Ｉｎ、以下ＴＭＩと記すことがある］、トリエチルインジウム［（Ｃ2 Ｈ5 ）3 Ｉｎ］等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｉｎ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は、低級アルキル基を示す。）で表されるトリアルキルインジウム、ジエチルインジウムクロライド［（Ｃ2 Ｈ5 ）2 ＩｎＣｌ］などのトリアルキルインジウムから１ないし２つのアルキル基をハロゲン原子に置換したもの、インジウムクロライド［ＩｎＣｌ］など一般式ＩｎＸ（Ｘはハロゲン原子）で表されるハロゲン化インジウム等が挙げられる。これらは、単独で用いても混合して用いてもよい。これらの３族原料の中で、ガリウム源としてはＴＭＧ、アルミニウム源としてはＴＭＡ、インジウム源としてはＴＭＩが好ましい。
【００５９】
５族原料としては、例えばアンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、１，１−ジメチルヒドラジン、１，２−ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミンなどが挙げられる。これらは単独で又は任意の組み合わせで混合して用いることができる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは、分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素の汚染が少なく好適であり、高純度品が入手しやすい観点からアンモニアがより好適である。
【００６０】
ＭＯＶＰＥ法においては、成長時雰囲気ガス及び有機金属原料のキャリアガスとしては、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなどの気体を単独あるいは混合して用いることができ、水素、ヘリウムが好ましい。
【００６１】
以上の原料ガスを反応炉に導入して窒化物半導体を成長させる。反応炉は、原料供給装置から原料ガスを反応炉に供給する原料供給ラインを備え、反応炉内には基板を加熱するためのサセプタが設けられている。サセプタは、窒化物半導体層を均一に成長させるために、通常は回転装置によって回転できる構造となっている。サセプタの内部には、サセプタを加熱するための赤外線ランプ等の加熱装置が備えられている。この加熱により、原料供給ラインを通じて反応炉に供給される原料ガスが成長基板上で熱分解し、基板上に所望の化合物を気相成長させることができるようになっている。反応炉に供給された原料ガスのうち未反応の原料ガスは、排気ラインより反応炉の外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。
【００６２】
また、ＨＶＰＥ法を用いて窒化物半導体層を結晶成長させる場合、以下のような化合物を出発原料として用いることができる。
【００６３】
３族原料としては、ガリウム金属を塩化水素ガスと高温で反応させて生成する塩化ガリウムガスやインジウム金属を塩化水素ガスと高温で反応させて生成する塩化インジウムガス等が挙げられる。５族原料としては、アンモニアが挙げられる。キャリアガスとしては、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなどの気体を単独あるいは混合して用いることができ、水素、ヘリウムが好ましい。以上の原料ガスを反応炉に導入して窒化物半導体を成長させる。
【００６４】
また、ＭＢＥ法を用いて窒化物半導体層を結晶成長させる場合、以下のような化合物を出発原料として用いることができる。
【００６５】
３族原料としては、ガリウム、アルミニウム及びインジウム等の金属が挙げられる。５族原料としては、窒素やアンモニア等のガスが挙げられる。キャリアガスとしては、窒素、水素、アルゴン、ヘリウムなどの気体を単独あるいは混合して用いることができ、水素、ヘリウムが好ましい。以上の原料ガスを反応炉に導入して窒化物半導体を成長させる。
【００６６】
図３（ｅ）の工程終了後、３−５族窒化物半導体結晶１４の上に別の３−５族窒化物半導体層を形成することもできる。この場合、３−５族窒化物半導体結晶１４の上に更にマスクを配置させ、さらにファセット構造を形成し、ファセット構造を埋め込んで平坦化させればよい。この場合も、ファセットまで到達した転位は横方向に曲げられるため、マスクを窒化物半導体層内に埋没させて含有させることができる。このとき、結晶欠陥を大幅に減らすことができる。３−５族窒化物半導体層は、アンドープでも不純物をドープしてもよい。
【００６７】
この３−５族窒化物半導体の成長は、ＭＯＶＰＥでもＨＶＰＥでもよい。応力による剥離を行う場合の３−５族窒化物半導体層の合計膜厚は、３μｍ以上５００μｍ以下であり、好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは、１０μｍ以上６５μｍ以下、さらにこのましくは、１０μｍ以上４５μｍ以下である。膜厚化により転位密度が低減される傾向にあるが、厚く積層するとそれだけ製造コストがかかるため、厚すぎるのは好ましくない。該３−５族窒化物半導体積層基板を冷却後反応炉から取り出し、下地基板と分離してから再度反応炉に入れｎ型コンタクト層、発光層、ｐ型層を形成してもよい。
【００６８】
また、３−５族窒化物半導体が所定の厚さ形成された３−５族窒化物半導体積層基板上に、続けてｎ型コンタクト層、発光層、ｐ型層を形成してもよい。その後、エピタキシャル基板を反応炉から取り出し、基板を除去し、これにより得られた窒化物半導体基板に公知の手段で電極を取り付け、発光素子とすることができる。  
【００６９】
ｎ型コンタクト層は、発光素子の動作電圧を上昇させないために、ｎ型キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3以上とし、かつ、１×１０19ｃｍ-3以下とすることが好ましい。このようなｎ型コンタクト層は、成長温度８５０℃〜１１００℃でのＩｎx Ｇａy Ａｌz Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ＜１、０＜ｙ≦１、０≦ｚ＜１）結晶成長時に、ｎ型ドーパントガス、あるいは有機金属原料を適当量混入させる公知方法により容易に得られる。ｎ型ドーパント原料としては、シラン、ジシラン、ゲルマン、テトラメチルゲルマニウムなどが好適である。
【００７０】
またＩｎ、Ａｌの混晶比が高いと特に低温では結晶品質が低下し、キャリア濃度が高くなるため、Ｉｎ組成は好ましくは５％以下、より好ましくは１％以下である。また、Ａｌ組成は好ましくは５％以下、より好ましくは１％以下である。ｎ型コンタクト層はＧａＮであることが最も好ましい。
【００７１】
前ｎ型コンタクト層と発光層との間に、一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表される３−５族窒化物半導体層を設けてもよい。該３−５族窒化物半導体は組成及び又はキャリア濃度の異なる多層構造であってもよい。
【００７２】
ｎ型コンタクト層の上に発光層を形成する。発光層は、障壁層である一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）と、井戸層である一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）からなる多重量子井戸構造としている。井戸層を多層にしてもよいが、少なくとも１つの井戸層があればよい。
【００７３】
発光層と後述のｐ型コンタクト層との間に、一般式Ｉｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）で表される層を有してもよく、該層はＡｌＧａＮ層が好ましい。ＡｌＧａＮ層はｐ型、でもｎ型でもよく、ｎ型である場合は、キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3以下、より好ましくは１×１０17ｃｍ-3以下、更に好ましくは、１×１０16ｃｍ-3以下である。ＡｌＧａＮ層のｎ型キャリア濃度を低減させるためにＭｇをドープする。尚、ｐ型コンタクト層とＡｌＧａＮ層との間にＡｌＧａＮ層より空間電荷密度の低いＩｎd Ｇａe Ａｌf Ｎ（ただし、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１）で表される層とを有してもよい。
【００７４】
前記ＡｌＧａＮ層の上にｐ型コンタクト層を形成する。ｐ型コンタクト層は発光素子の動作電圧を上昇させないためにＰ型キャリア濃度５×１０15ｃｍ-3以上とすることが好ましい。より好ましくは、１×１０16〜５×１０19ｃｍ-3である。このようなＰ型コンタクト層は、成長温度８００℃〜１１００℃でのＩｎa Ｇａb Ａｌc Ｎ（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１）結晶成長時にドーパント用原料ガスを適当量、混入させて結晶成長した後、熱処理をする等の公知方法により容易に得られる。
【００７５】
ｐ型コンタクト層は、Ａｌの混晶比が高いと接触抵抗が高くなる傾向にあるので、Ａｌ組成は通常５％以下、好ましくは１％以下である。より好ましくはＧａＡｌＮ、ＧａＮ、最も好ましくはＧａＮである。
【００７６】
ＭＯＶＰＥ法を用いて上記のような各層を成長させる場合は、以下のような原料から適宜選択し、これを用いることができる。
【００７７】
３族のガリウム原料としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｇａ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は低級アルキル基を示す）で表されるトリアルキルガリウムが挙げられる。
【００７８】
アルミニウム原料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、トリイソブチルアルミニウム等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ａｌ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は低級アルキル基を示す）で表されるトリアルキルアルミニウムが挙げられる。
【００７９】
インジウム原料としては、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルインジウム等の一般式Ｒ1 Ｒ2 Ｒ3 Ｉｎ（ここで、Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3 は低級アルキル基を示す）で表されるトリアルキルインジウム、ジエチルインジウムクロライドなどのトリアルキルインジウムから１ないし３つのアルキル基をハロゲン原子に交換したもの、インジウムクロライドなど一般式ＩｎＸ（Ｘはハロゲン原子）で表されるハロゲン化インジウム等があげられる。
【００８０】
また、５族原料としては、例えばアンモニア、ヒドラジン、メチルヒドラジン、１, １−ジメチルヒドラジン、１, ２−ジメチルヒドラジン、ｔ−ブチルアミン、エチレンジアミン、などがあげられる。これらは単独で、又は任意の組み合わせで混合して用いることができる。これらの原料のうち、アンモニアとヒドラジンは分子中に炭素原子を含まないため、半導体中への炭素汚染の影響が少なく好適である。
【００８１】
ｐ型ドーパントとしては、例えばＭｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃａ、Ｂｅ等があげられる。なかでもＭｇ、Ｃaが好ましく使用される。ｐ型ドーパントであるＭｇの原料としては、例えばビスシクロペンタジエチルマグネシウム［（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｍｇ］、ビスメチルシクロペンタジエチルマグネシウム［（Ｃ5 Ｈ4 ＣＨ3 ）2 Ｍｇ］、ビスエチルシクロペンタジエチルマグネシウム［（Ｃ5 Ｈ4 Ｃ2 Ｈ5 ）2 Ｍｇ］などを使用することができる。Ｃａの原料としては、ビスシクロペンタジエニルカルシウム（（Ｃ5 Ｈ5 ）2 Ｃａ）及びその誘導体、例えば、ビスメチルシクロペンタジエニルカルシウム（（Ｃ5 Ｈ4 ＣＨ3 ）2 Ｃａ）、ビスエチルシクロペンタジエニルカルシウム（（Ｃ5 Ｈ4 Ｃ2 Ｈ5 ）2 Ｃａ）、ビスパーフロロシクロペンタジエニルカルシウム（（Ｃ5 Ｆ5 ）2 Ｃａ）、又は、ジ−1−ナフタレニルカルシウム及びその誘導体、又は、カルシウムアセチリド及びその誘導体、例えば、ビス（４，４−ジフロロー３−ブテン−１−イニル）−カルシウム、ビスフェニルエチニルカルシウムなどを使用することができる。これらの原料を単独あるいは、複数混合して使用してもよい
【００８２】
なお、本実施形態ではＭＯＶＰＥ法を用いた場合を説明したが、本発明はこの方法に限定されるものではなく、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）など他の公知の３−５族窒化物半導体結晶成長方法も用いることができる。
【００８３】
本発明の製造方法によれば、例えば低温バッファのような結晶性の低い層の上にマスクを形成することを特徴としている。結晶性の低い層の上にマスクを形成して、３−５族窒化物半導体を横方向成長させ、マスクを埋め込むように成長することで、低転位の高品質の３−５族窒化物半導体結晶を得ることが可能となる。
【００８４】
さらにマスクと基板との間の結晶性の低い層が窒化物半導体を成長する間に結晶化あるいは雰囲気の水素ないしはアンモニアによってエッチングされ、該界面での基板との接合強度が弱まり、３−５族窒化物半導体が基板と剥離しやすくなり、熱あるいは機械的な応力による歪によって基板と３−５族窒化物半導体を剥離させることができる。
【００８５】
また、レーザなどの放射線を下地基板と３−５族窒化物半導体あるいはマスクとの界面に吸収させることにより、下地基板と窒化物半導体を剥離させ、高品質の３−５族窒化物半導体基板を得ることができるのである。あるいは、下地基板と窒化物基板を分離する際には、マスク材料ないしは結晶性の低い層を化学的に除去してもよい。
【００８６】
以上説明した３−５族窒化物半導体自立基板上に発光機能を有する層を積層した窒化物半導体基板は、そのまま用いてもよいが、放熱及び／または剛性の向上のため、適宜支持部材に取り付けて用いることができる。また支持部材は後の工程で取り外してもよい。
【００８７】
例えば図９に示すように、所用の厚みを有する金属製の支持基板１８上に接着その他の適宜の手段で３−５族窒化物半導体自立基板１９を取り付ける構成とすることができる。又は支持基板１８上に３−５族窒化物半導体自立基板１９を用いた窒化物半導体基板を取り付けてもよい。あるいは、図１０に示すように、半導体発光素子用パッケージ２０に接着その他の適宜の方法で窒化物半導体基板２１を貼り付けてもよい。
【００８８】
このように本発明の窒化物半導体基板を高熱伝導度の半導体発光素子用パッケージに直接貼り付けると、熱伝導度の低いサファイアを介していないため、高電流密度まで輝度−電流直線の直線性を保つことができる。
【実施例】
【００８９】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００９０】
（実施例１）
以下のようにして、図１に示す３−５族窒化物半導体積層基板１を作成した。下地基板１１はサファイアのＣ面を鏡面研磨したものを用いた。エピタキシャル成長には常圧ＭＯＶＰＥ法を用いた。１気圧で、サセプタの温度を４８５℃、キャリアガスを水素とし、キャリアガス、アンモニア及びＴＭＧを供給して、厚みが約６０ｎｍのＧａＮバッファ層（低結晶性半導体層１２）を成長した。
【００９１】
一旦成長炉から下地基板１１を取り出し、ＳｉＯ2 ストライプ（ストライプ幅５μｍ／ストライプ間隔５μｍ、ストライプはサファイア基板の〈１−１００〉方向と平行）をマスク１３として８０ｎｍの膜厚で形成し、再度成長炉に下地基板１１をセットした。
【００９２】
次に、以下のようにして３−５族窒化物半導体結晶１４を形成した。先ず、反応炉の圧力を５００Ｔｏｒｒとし、サセプタの温度を１０２０℃にしたのち、キャリアガス、アンモニアを４．０ｓｌｍ、及びＴＭＧ２０ｓｃｃｍを７５分間供給して、アンドープＧａＮ層を成長した。次に、反応炉の圧力を５００Ｔｏｒｒに保ったまま、サセプタ温度１１２０℃にして、キャリアガス、アンモニアを４．０ｓｌｍ及びＴＭＧ３５ｓｃｃｍを９０分間供給してアンドープＧａＮ層を形成した。さらに反応炉圧力を５００Ｔｏｒｒに保ったまま、サセプタ温度を１０８０℃とした後、キャリアガス、アンモニア４．０ｓｌｍ、及びＴＭＧ５０ｓｃｃｍを３６０分間供給してアンドープＧａＮ層を形成した。最終的にアンドープＧａＮ層は３５μｍまで成長させ、３−５族窒化物半導体結晶１４とした。
【００９３】
その後反応炉温度を室温まで冷却して反応炉から取り出した。これにより、成長基板１１であるサファイア基板との界面で剥離が生じ、サファイア基板から独立した窒化物半導体自立基板（ＧａＮ単結晶）を得た。Ｘ線回折から求められる（０００４）の半値幅はＸ線受光側の水平スリット幅６２．５μｍの時、ＳｉＯ2 ストライプと平行にＸ線を入射した場合、１６５arcsec、垂直にＸ線を入射した場合、１８９arcsecと結晶性の高いＧａＮ自立基板が得られた。
【００９４】
（実施例２）
実施例１においてＳｉＯ2 ストライプを（ストライプ幅７μｍ／ストライプ間隔３μｍストライプはサファイア基板の〈１−１００〉方向と平行）とした以外は実施例１と同様の操作を行い、サファイア基板上にＧａＮ層を３５μｍまで成長させて３−５族窒化物半導体結晶１４とした。
【００９５】
その後反応炉温度を室温まで冷却して反応炉から取り出した。これにより、サファイア基板との界面で剥離が生じ、サファイア基板から独立した窒化物半導体基板（ＧａＮ単結晶）を得た。得られたＧａＮ層のＸ線回折から求められる（０００４）の半値幅はＳｉＯ2 ストライプと平行にＸ線を入射した場合１５６arcsec、垂直に入射した場合、１２０arcsecと結晶性の高いＧａＮ自立基板が得られた。
【００９６】
（実施例３）
実施例１においてＳｉＯ2 ストライプを（ストライプ幅３μｍ／ストライプ間隔７μｍストライプはサファイア基板の〈１−１００〉方向と平行）とした以外は実施例１と同様の操作を行い、サファイア基板上にＧａＮ層を３５μｍまで成長させて３−５族窒化物半導体結晶１４とした。
【００９７】
その後反応炉温度を室温まで冷却して反応炉から取り出した。得られたＧａＮ層のＸ線回折から求められる（０００４）の半値幅は、ＳｉＯ2 ストライプと平行にＸ線を入射した場合には１８４arcsec、垂直に入射した場合には１２５arcsecと、結晶性の高いＧａＮ自立基板が得られた。
【００９８】
（比較例１）
実施例１においてＳｉＯ2 ストライプを形成しない以外は実施例１と同様の操作を行い、ＧａＮ層を３５μｍ形成して３−５族窒化物半導体結晶１４とした。ＧａＮ層のサファイア基板からの剥離は観察されなかった。この時のＸ線回析から求められる（０００４）の半値幅はＸ線の入射方向に関係なく３６０arcsecであった。
【００９９】
（実施例４）
実施例１〜３、及び比較例１の試料を励起ピーク波長３６４ｎｍとして、ＧａＮ結晶表面カソードルミネッセンス（以下ＣＬと略記する）で非発光箇所を観察した。非発光箇所はダークスポットと呼び、転位に対応していると考えられるため、非発光箇所の個数から転位密度を計算した。その結果を纏めれば、以下の通りである。
ストライプ幅／間隔                転位密度
実施例１            ５μｍ／５μｍ              ５〜８×１０7 ｃｍ-2
実施例２            ７μｍ／３μｍ              ５〜８×１０7 ｃｍ-2
実施例３            ３μｍ／７μｍ                  ４×１０8 ｃｍ-2
比較例１            なし                          ＞１×１０9 ｃｍ-2
【０１００】
（実施例５）
実施例１と同様にサファイア上にＧａＮ層を３５μｍまで成長させた。このときＧａＮ層の電子輸送性を付与するため、シランをドープし、３５μｍのＳｉドープＧａＮ層とした。これらの層の上に以下の方法で青色ＬＥＤ用の発光層３７を積層した。まず、反応炉温度を下げて７８０℃とし、窒素をキャリアガスとしてＧａＮ、（ＩｎＧａＮ、ＧａＮ）×５を成長後、Ａｌ組成０．０５のＭｇドープＡｌＧａＮ層を２５ｎｍ成長した。次に反応炉温度を１０４０℃に上げ、キャリアガス、アンモニア、ＴＭＧ、Ｃｐ2 Ｍｇを導入して、成長時間３０分で厚さが１５０ｎｍのＭｇをドープしたＧａＮを形成した。その後反応炉温度を室温まで冷却して反応炉から取り出した。これにより、成長基板との界面で剥離が生じ、成長基板から独立した窒化物半導体基板を得た。
【０１０１】
以上により作製した３−５族化合物半導体基板を反応炉から取出したのち、窒素中で８００℃、２０分アニールを施し、ＭｇをドープしたＧａＮ層を低抵抗のｐ型層にした。こうして得た試料に常法により電極を形成し、発光ダイオード（ＬＥＤ）とした。ｐ電極としてＮｊ−Ａｕ合金、ｎ電極としてＡｌを用いた。
【０１０２】
こうして得られた発光素子に電圧を印加してウエハ状態で発光特性を調べたところ、明瞭な青色発光を示した。
【０１０３】
（参考例１）
バッファ層成長、ＳｉＯ2 ストライプを形成し、１０２０℃７５分間アンドープＧａＮ層の成長までは実施例１と同様な操作を行い、アンドープＧａＮ層を形成した。冷却後、断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察を行った。図４に示す通り、マスク下の低温バッファ層には多くの空隙が形成されていた。また、図５の鳥瞰ＳＥＭ像に示す通り、側面に［１１−２  ２］ファセット面を持つＧａＮが形成されていた。
【０１０４】
（参考例２）
参考例１のＧａＮ結晶成長に引き続いて、実施例１と同様に１１２０℃で９０分間アンドープＧａＮ層の成長までは実施例１と同様な操作を行い、アンドープＧａＮ層を形成した。冷却後、ＧａＮ結晶の鳥瞰ＳＥＭ像を観察した。図６に示す通り、表面は全面で平坦な膜が得られた。
【０１０５】
（参考例３）
参考例２の成長温度を１１００℃にする以外は参考例２と同様な操作を行い、アンドープＧａＮ層を形成した。冷却後、ＧａＮ結晶の鳥瞰ＳＥＭ像を観察した。図７に示す通り、表面は埋めこまれなかった。
【０１０６】
（参考例４）
参考例２の成長温度を１１４０℃にする以外は参考例２と同様な操作を行い、アンドープＧａＮ層を形成した。冷却後、ＧａＮ結晶の鳥瞰ＳＥＭ像を観察した。図８に示す通り、表面は全面で平坦な膜が得られた。
【０１０７】
（比較例２）
下地基板に予め２段階成長によりサファイア基板上にＧａＮ層を２μｍ積層し、その表面にＳｉＯ2 ストライプ（ストライプ幅５μｍ／ストライプ間隔５μｍ、ストライプはサファイア基板の〈１−１００〉方向と平行）を形成し、反応炉でＧａＮ結晶を最終的に３５μｍ成長して３−５族窒化物半導体結晶１４を形成した。冷却後反応炉から取り出したが、該ＧａＮ層は、サファイア基板から剥離しなかった。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の一実施形態を説明するための層構造図。
【図２】図１の基板を用いて構成した半導体発光素子の層構造図。
【図３】本発明の方法の一実施形態を説明するための工程説明図。
【図４】本発明の参考例１の断面ＳＥＭ像。
【図５】本発明の参考例１の鳥瞰ＳＥＭ像。
【図６】本発明の参考例２の鳥瞰ＳＥＭ像。
【図７】本発明の参考例３の鳥瞰ＳＥＭ像。
【図８】本発明の参考例４の鳥瞰ＳＥＭ像。
【図９】本発明の一実施形態を説明するための構造図。
【図１０】本発明の一実施形態を説明するための構造図。
【符号の説明】
【０１０９】
１  ３−５族窒化物半導体積層基板
１１  下地基板
１２  半導体層
１２Ａ  空隙
１３  マスク
１４  ３−５族窒化物半導体結晶
１５  発光素子機能を有する半導体層
１６、１７  電極
１８  支持基板
１９  ３−５族窒化物半導体自立基板
２０  半導体発光素子用パッケージ
２１  窒化物半導体基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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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８】
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