(57)【要約】      （修正有）【課題】A軸配向の窒化物系半導体をR面サファイア基板上に選択横方向成長させるエピタキシャル基板の製造方法ならびにこの方法により製造した基板全面において貫通転位密度が低く、かつ、表面平坦性の優れたエピタキシャル基板を提供する。【解決手段】Ｒ面を有するサファイヤ基板４の主面上に、凹状の溝部１１ｃと凸状のテラス部１１ｂとを交互に有し、上記溝部の幅が０．５〜３０μm、深さが０．３〜３μmであり、かつ、テラス部の幅が０．５〜５μmであるＲ面サファイア基板４上に、下地層１３，１４を介してあるいは介さずに窒化物系半導体層１５を成長させる。該窒化物系半導体層成長時に、III族原料の供給量に対するV族原料の供給量の比を０．０１〜１００とすることにより選択横方向成長を促進する。  【選択図】図１
2006232640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｒ面を有するサファイヤ基板の主面上に、凹状の溝部と凸状のテラス部とを交互に有し、上記溝部の幅が０．５〜３０μm、深さが０．３〜３μmであり、かつ、テラス部の幅が０．５〜５μmであることを特徴とするＲ面サファイア基板。
【請求項２】
請求項１記載のＲ面サファイア基板の主面上に、A面を主面とした窒化物系半導体層を有したことを特徴とするエピタキシャル基板。
【請求項３】
上記溝部を上記窒化物系半導体層によって埋め込んだことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル基板。
【請求項４】
上記窒化物系半導体層上に半導体素子構造を有することを特徴とする請求項２または３に記載のエピタキシャル基板。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のエピタキシャル基板を用いることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
上記サファイア基板上に、上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項７】
上記Ｒ面サファイア基板上に窒化物系半導体の結晶核を生成させないマスキングを配置する工程と、
上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させる工程
とからなることを特徴とする請求項６に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項８】
上記マスクの間の幅が、０．５〜３０μmであり、かつ、該マスクの幅が０．５〜５μm、高さが０．０５〜３μmであることを特徴とする請求項７に記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【請求項９】
上記窒化物系半導体層を成長させる時のIII族原料の供給量に対するV族原料の供給量の比を０．０１〜１００とすることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板、窒化物系半導体からなるエピタキシャル基板、及び、それを用いた半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮという。）、窒化ガリウム（以下、ＧａＮという。）、窒化インジウム（以下、ＩｎＮという。）、あるいは、それらの混晶である窒化アルミニウムガリウムインジウム（以下、ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）という。）などの窒化物系半導体は受発光素子や電子走行素子に用いることができるため、近年、その結晶成長や半導体装置への応用について、幅広く研究がなされており、発光ダイオード、レーザダイオードに関しては、既に実用化されているものもある。
【０００３】
窒化物系半導体は大型のバルク単結晶が成長できないため、一般的には、（０００１）サファイア（以下C面サファイアという）、（１１−２０）サファイア、もしくは、（０００１）４Ｈ-ＳｉＣ、（０００１）６H−ＳｉＣなどの基板を用いてヘテロエピタキシャル成長させている。
【０００４】
エピタキシャル成長の方法としては、有機金属気相成長(ＭＯＶＰＥ) 法、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)法、ハライド気相成長（ＨＶＰＥ）法などがあるが、実用化の面で最も一般的なのはＭＯＶＰＥ法である。
【０００５】
上記のように、既に実用化されている半導体装置に用いられている窒化物系半導体は、結晶構造が、反転対象性を持たない六方晶系のウルツ鋼構造であることに起因し、大きな圧電性を有している。また、図１０は、異なる材料からなる２層（第１層１０１、及び、第２層１０２）が積層された窒化物系半導体のヘテロ接合を示しているが、結晶成長方位は全てへテロ接合界面１０１ａがC軸１０３として直交しており、これをC軸配向と呼ぶ。従って、格子定数の異なる２層を積層してなるヘテロ接合を作製した場合、結晶内に歪によって大きなピエゾ部電界を生じる。
【０００６】
例えば、発光ダイオードやレーザダイオードなどの発光装置の場合、C軸配向した結晶を用いると、多重量子井戸構造など、ヘテロ接合により構成する活性層には上記ピエゾ電界が生じ、バンド構造が変化することによりキャリアの再結合確率を低減していた。このため、輝度向上が妨げられ、成長条件を最適化しても限界があることから高輝度の発光装置の作製は困難であった。
【０００７】
このように、窒化物系半導体におけるピエゾ電界の問題は、半導体装置の特性に大きな影響を与えるが、このピエゾ電界による問題が存在しない結晶成長方法として、(11-20)配向（以下、A軸配向という。）、もしくは、（１０−１０）配向させればよいことが非特許文献１において既に報告されている。
【０００８】
窒化物系半導体を（１０−１０）配向させる方法については、有効なものが無い一方で、窒化物系半導体を（１１−２０）配向させる方法としては、（１−１０２）サファイア基板（以下、R面サファイア基板という。）を用いる方法が非特許文献２に、及び、（１１−２０）４Ｈ−ＳｉＣ基板上にＡｌNを成長する方法が非特許文献３に記載されている。これらの中で、後者の方法は、現状の（１１−２０）４Ｈ-ＳｉＣ基板自体の作製技術において大型化が難しく、量産性が悪いため適さない。一方、R面サファイア基板は既に８インチ基板が現状でも製造可能であり、基板口径の問題はない。
【０００９】
また、シリコンを用いた半導体装置と同様の半導体装置製造プロセスが利用可能な点や、ＳＯＳ（シリコン・オン・サファイア）装置と結びつけた応用が可能な点を考慮すると、工業的な魅力は大きい。従って、量産性、コストの面から考えてR面サファイア基板上に窒化物系半導体を成長させる方法が最も有利であると考えられている。
【００１０】
また、発光装置の試作例もすでに報告例があり、非特許文献４には、R面サファイア基板上に、（１１−２０）面のＧａＮ層を形成したＧａＮ／ＧａＩｎＮ多重量子井戸構造発光装置の試作例が既に報告されている。上記文献によると、図１１に示すように、Ｒ面を主面とするサファイア基板１１１上に、ＭＯＶＰＥ法により、ｎ型ＧａＮ層（３０μｍ）１１２、ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層（１００ｎｍ）１１３、ＧａＮ/Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ多重量子井戸構造活性層１１４、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層（５０ｎｍ）１１５、ｐ型ＧａＮ層（２００ｎｍ）１１６を順次積層している。これに、反応性イオンエッチングによるメサ加工、及び、ｐ側電極１１７とｎ側電極１１８の形成を行い、発光装置を形成している。
【００１１】
R面サファイア基板上に窒化物計半導体を成長させる場合、その大きな格子定数差や、サファイアが無極性であることに起因する多量の貫通転位、及び、積層欠陥が導入されてしまうという問題、及び、半導体装置の製造に必要な急峻な界面の形成を困難にする劣悪な結晶形態の問題が存在していることが、本発明者ら、及び、その他の研究により明らかになっている。
【００１２】
貫通転位密度の低減のひとつの手法として、選択横方向成長が非特許文献５に示されている。図１２に示すように、Ｒ面を主面とするサファイア基板１１１上に、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ層１２１を成長した後、既存のフォトリソグラフィー技術、及び、ウエットエッチング技術により、ＳｉＯ２からなるマスク１２２を形成し、その後、ＭＯＶＰＥ法により、再成長ＧａＮ層１２３を再成長している。この方法によりマスク１２２が貫通転位が再成長層に伝搬するのを防止し、貫通転位密度を低減している。
【００１３】
しかし、この論文は、ＧａＮ層の結晶方位に対してマスク１２２の配置方向を変化させて再成長ＧａＮ層１２３中の転位の挙動を観察しただけであり、マスク１２２の寸法については検討が成されていない。
【００１４】
また、特許文献１には、サファイア基板に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、非特許文献６には、窒化物系半導体層に周期段差溝加工を施した後の選択横方向成長が、さらに、特許文献２には、窒化物系半導体層上にマスクを用いた選択横方向成長が、それぞれ、示されている。これらは、選択横方向成長による貫通転位密度の低減が示しているが、いずれもC軸配向した窒化物系半導体層を用いている。そして、その寸法を規定しているものもある。しかし、今回取り上げているA軸配向の窒化物系半導体は、C軸配向のものと成長のメカニズムが全く異なるため、それらの知見は全く当てはまらない。それはサファイアの原子配置の異方性に起因し、格子定数整合の問題が、サファイア基板面方位がC面かR面かにより、大きく異なるためである。
【非特許文献１】Japanese Journal of Applied Physics, Vol.39 (2000) 413-416
【非特許文献２】Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 42 (2003) L818-820
【非特許文献３】Applied Physics Letters Vol. 83, (2003) 5208-5210
【非特許文献４】Applied Physics Letters Vol. 84, (2004)  3663-3665
【非特許文献５】Applied Physics Letters, Vol. 81 (2002) 1201-1203
【特許文献１】公開特許公報  特開2000-106455
【非特許文献６】Journal of Crystal Growth 272 (2004) 377-380
【特許文献２】公開特許公報  特開2004-262757
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記に鑑みて、本発明は、基板全面において低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、A軸配向した窒化物系半導体をR面サファイア基板上に成長するための選択横方向成長について提案を行い、発光ダイオード、レーザダイオード、トランジスタ等、高性能の半導体装置を作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記に鑑みて本発明は、Ｒ面を有するサファイヤ基板の主面上に、凹状の溝部と凸状のテラス部とを交互に有し、上記溝部の幅が０．５〜３０μm、深さが０．３〜３μmであり、かつ、テラス部の幅が０．５〜５μmであることを特徴とするＲ面サファイア基板。
【００１７】
さらに上記R面サファイア基板の主面上に、A面を主面とした窒化物系半導体層を有したことを特徴とする。
【００１８】
さらに上記溝部を上記窒化物系半導体層によって埋め込んだことを特徴とする請求項２に記載のエピタキシャル基板。
【００１９】
さらに上記窒化物系半導体層上に半導体素子構造を有することを特徴とする。
【００２０】
さらに上記エピタキシャル基板を用いることを特徴とする。
【００２１】
さらに上記サファイア基板上に、上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させることを特徴とする。
【００２２】
さらに上記Ｒ面サファイア基板上に窒化物系半導体の結晶核を生成させないマスキングを配置する工程と、
さらに上記窒化物系半導体層を選択的に横方向に成長させる工程
とからなることを特徴とする。
【００２３】
さらに上記マスクの間の幅が、０．５〜３０μmであり、かつ、該マスクの幅が０．５〜５μm、高さが０．０５〜３μmであることを特徴とする。
【００２４】
さらに上記窒化物系半導体層を成長させる時のIII族原料の供給量に対するV族原料の供給量の比を０．０１〜１００とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、低貫通転位密度で、かつ、表面平坦性の優れた、A軸配向した窒化物系半導体をR面サファイア基板に成長するための選択横方向成長を可能とし、高性能の発光ダイオード、レーザダイオードが作製可能なエピタキシャル基板の提供を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図1は、R面サファイア基板上に周期段差溝構造を形成した後、選択横方向成長により成長させた場合の、本発明の窒化物系半導体のエピタキシャル基板の構造を示す断面図である。
【００２８】
R面サファイア基板４の表面に周期段差溝加工が施され、溝部１１ｃ、及び、テラス部１１ｂが形成されている。その上に、第１の下地層１３、第２の下地層１４を順次成長され、その後、最後に窒化物系半導体層１５が成長されている。窒化物系半導体層１５は選択横方向成長して、Ｒ面サファイア基板１１に形成された周期段差溝構造を埋め込み、エピタキシャル基板１となる。
【００２９】
次に、図１のエピタキシャル基板１の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、図２のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてR面サファイア基板１１上に、ライン・アンド・スペースのマスク１２を形成する。その時の周期構造は、マスク部１１ｂが０．５μm以上５μm以下であり、かつ、マスク開口部１１ａの幅が０．５μm以上３０μm以下となるようにする。マスク１２の高さは後に行うエッチングにおける、R面サファイア１１とマスク１２の材料の選択比によって規定され、必要な厚みより厚くしておくことが望ましい。
【００３１】
次に、図３のようにエッチングによりＲ面サファイア基板１１表面のマスク開口部１１ａの一部を除去し、溝部１１ｃを形成する。マスク部１１ｂはエッチングされないため、テラス部１１ｂとなり、周期段差溝構造が形成される。R面サファイア基板１１のエッチング法は、既存の技術を用いれば良く、塩素系、または、フッ素系のガスを用いたドライエッチングが一般的である。この場合のマスク１２の材料はニッケルや酸化珪素を用いると良いが、これ以外でも良い。
【００３２】
次に、図４のように、R面サファイア基板１１表面からマスク１２を除去する。マスク１２の材料に応じて適切な薬液を選ぶ。このようにして、周期段差溝構造を有するＲ面サファイア基板４を得る。
【００３３】
次に、図１のようにＭＯＶＰＥ法により上記R面サファイア基板４上に窒化物系半導体層１５を成長する。膜厚や組成を制御して第１の下地層１３、第２の下地層１４を順次積層してやることで、その上には、表面が平坦で比較的結晶性の良いＡ軸配向した窒化物系半導体層１５を成長することができる。第１の下地層１３としてＡｌＮ、第２の下地層１４としてＡｌ０．５Ｇａ０．５Ｎを用いると良いが、これについては、本発明において特筆すべき点ではない。従って、平坦化が成されるのであれば、下地層１１及び１２の組み合わせは限定されるものではなく、また、一層のみで下地層を構成しても良いし、下地層を用いずに直接窒化物系半導体層１５をR面サファイア基板４上に成長しても良い。
【００３４】
また、V／III比とは、成長時のIII族原料である有機金属の供給量に対する、V族原料であるアンモニア（以下、ＮＨ３という。）の供給量の比であり、例えば、４０００μｍｏｌ／分のＮＨ３と８０μｍｏｌ／分のトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧという。）を供給する場合は、V／III比は５０となるのだが、窒化物系半導体層１５の成長時においては、V／III比を０．０１〜１００とするのが良い。この範囲のV／III比で成長を行うことで選択横方向成長を促進し、第２の下地層１４の表面が凹凸形状を埋め込んで平坦化される。０．０１以下のV／III比は制御が難しく実施困難である。一方、V／III比が１００以上では、窒化物系半導体層１５の表面に成長ピットが形成されるなど、平坦化させることが出来ない。これは、V／III比によって成長速度の異方性が変化し、窒化物系半導体層１５の結晶が横方向に伸びなくなるためである。
【００３５】
一般に、Ｃ軸配向した窒化物系半導体であれば、V／III比を増加させることで選択横方向成長が促進されるため、さらに高いV／III比とする。勿論、積層する材料にもよるが、例えば、GaNの場合、６００以上、２０００以下とすることが多い。この点で、R面サファイア基板１１上に成長させた、A軸配向の窒化物系半導体層１５の選択横方向成長は特有である。
【００３６】
また、上記のサファイア基板に形成した周期段差溝加工の寸法については、ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク部では、窒化物系半導体層１５中に貫通転位が多く生成してしまうので、なるべくその幅は小さい方がよい。しかし、幅が小さすぎると、マスク作製が困難であるため、０．５μm以上が良い。また、第１の下地層１３または第２の下地層１４の、成長初期におけるドメインの大きさが１〜３μmであるため、マスク部の幅は５μm以下であることが望ましく、好ましくは３μm以下であることがよい。
【００３７】
ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク開口部１１ａは、エッチングにより溝部１１ｃが形成される。その側壁から選択横方向成長が始まり、貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体層１５の貫通転位密度の低減に寄与する。
【００３８】
マスク開口部１１ａの幅は、上記のマスク部１１ｂと同様に、幅が小さすぎると、マスク１２の作製が困難であるため、０．５μm以上が良い。あまりに広いマスク開口部１１ａ上の幅は窒化物系半導体層１５の初期成長ドメインが、溝の底部からも成長するため膜厚方向に成長し、貫通転位密度の低減が困難となる。C軸配向した窒化物系半導体層では、精々２０μm程度が限界であるが、R面サファイア基板４上に成長させたA軸配向の窒化物系半導体層１５の場合は、３０μmまでの溝部１１ｃを用いることが可能である。これは、成長方位依存性により、溝部１１ｃの底からの成長よりも、選択横方向成長しているドメインの成長を促進することの方が優位だからである。
【００３９】
また、エッチング法により形成するR面サファイア基板４表面の周期段差溝構造の深さは、転位密度の低減の効果を十分にえるためには０．３μm以上が良く、好ましくは０．５μm以上がよい。一方、機械的に堅牢であり、かつ、化学的にも安定なサファイアの加工は困難であるため、３μm以上の深さの周期段差溝構造は形成困難である。また、深い溝を埋め込むための窒化物系半導体層１５の成長が長時間となるため好ましくない。
【００４０】
以上のようにして成長したA軸配向の窒化物系半導体１５は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板５が作製される。
【００４１】
次に、本発明における別の実施の形態について説明する。図５は、R面サファイア基板上に成長させた窒化物系半導体層に周期段差溝加工を施し、再成長により選択横方向成長させる場合の断面図である。
【００４２】
まず、上記第１の実施の形態と同様に、ＭＯＶＰＥ法により上記R面サファイア基板５１上に、膜厚や組成を制御して第１の下地層５２、第２の下地層５３を、最初に順次積層してやることで、表面が平坦で、比較的結晶品質の良いＡ軸配向した窒化物系半導体層５４を成長することができる。その後、試料を一度反応炉より取り出す。
【００４３】
次に、図６のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いて窒化物系半導体層５４上に、ライン・アンド・スペースのマスク５５を形成する。その時の周期構造は、上記第１の実施の形態と同様に、マスク開口部５４ａの幅が０．５μm以上３０μm以下であり、かつ、マスク部５５ｂが０．５μm以上５μm以下となるようにする。マスク５５の厚みは後に行うエッチングにおける、R面サファイア５１とマスク５５の材料の選択比によって規定され、必要な厚みより厚くしておくことが望ましい。
【００４４】
次に、エッチング法により窒化物系半導体層５４の表面のマスク開口部の一部を除去する。窒化物系半導体層１５のエッチング方法は、既存の技術を用いれば良く、塩素系、または、フッ素系のガスを用いたドライエッチングが一般的である。マスク５５はニッケルや酸化珪素を用いると良いが、これ以外でも良い。また、適切なマスク材料とエッチング溶液があれば、ウエットエッチングで行っても良い。
【００４５】
次に、そのマスクの材料に応じて適切な薬液を選び、窒化物系半導体層５４表面からマスク５５を除去する。
【００４６】
その後、図７に示すように、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層５４上に、上記窒化物系半導体再成長層５６を再成長させる。成長時のV／III比は、上記第１の実施の形態と同様に、０．０１〜１００とするのが良い。
【００４７】
また、上記窒化物系半導体層５４に形成された周期段差溝加工の寸法については、上記と同様の理由により、ライン・アンド・スペースのマスク５５におけるマスク部の幅は、０．５μm以５μm以下とするのが良い。
【００４８】
ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク開口部５４ａの幅は、上記と同様の理由により、０．５μm以上３０μm以下とするのが良い。ライン・アンド・スペースのマスクにおけるマスク開口部５４ａは、エッチングにより溝部５４ｃが形成されている。従って、上記窒化物系半導体層５４に形成された周期段差溝加工の側壁から選択横方向成長が始まり、貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体層５５の貫通転位密度の低減に寄与する。このようにすることで、窒化物系半導体層５４に形成された周期段差溝構造を埋め込むように成長させることが可能である。
【００４９】
また、エッチング法により形成する窒化物系半導体層５４の溝部５４ｃの深さは、転位密度の低減の効果を十分にえるためには０．３μm以上が良く、好ましくは０．５μm以上がよい。一方、深い溝を埋めるための窒化物系半導体層１５の成長が長時間となるため好ましくないので、溝部５４ｃの深さは３μm以下とするのがよい。
【００５０】
以上のように成長したA軸配向の窒化物系半導体５５は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板５が作製される。
【００５１】
次に、本発明のさらに別の実施例について説明する。図８は、窒化物系半導体層上に周期配置されたマスクを形成し、上記窒化物系半導体層の選択横方向再成長により、該マスクを埋め込む場合の断面図である。
【００５２】
まず、ＭＯＶＰＥ法により上記R面サファイア基板１１上に窒化物系半導体層８４を成長する。上記第１の実施の形態と同様に、膜厚や組成を制御して第１の下地層８２、第２の下地層８３を、最初に順次積層してやることで、表面が平坦で、比較的結晶品質の良いＡ軸配向した窒化物系半導体層８４を成長することができる。その後、試料を一度取り出す。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いて窒化物系半導体層８４上に、ライン・アンド・スペースのマスクを形成する。その時の周期構造は、上記第１の実施の形態と同様に、マスク開口部８４ａの幅が０．５μm以上３０μm以下、かつ、マスク８５幅が０．５μm以上５μm以下でありとなるようにする。
【００５４】
その後、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層８４上に、上記窒化物系半導体層８４を再成長させる。その成長時のV／III比は、上記第１の実施の形態と同様に、０．０１〜１００とするのが良い。このようにすることで、マスク開口部８４ａから再成長が始まり、次第にマスク８５を覆うように窒化物系半導体再成長層８６が選択横方向成長し、最後にはマスク８５を埋め込むことが可能である。この選択横方向成長時に貫通転位が横方向に伝搬するので膜厚方向に伸びる転位を減少させることができ、窒化物系半導体再成長層８６中の貫通転位密度の低減に寄与する。
【００５５】
マスク８５の高さは、０．０５μｍ以上あれば、貫通転位密度の伝搬を十分に遮蔽できる。高さの大きいマスク８５を用いると、マスク８５を埋めるための窒化物系半導体層８４の成長が長時間となるため好ましくないので、周期段差溝の深さは５μm以下とするのがよい。
【００５６】
以上のように成長したA軸配向の窒化物系半導体８５は、表面平坦性に優れ、結晶性の改善による発光特性の向上がフォトルミネセンス法などにより観察される。このようにしてエピタキシャル基板８が作製される。
【００５７】
また、上記３つの実施の形態のいずれかにおいて説明されたエピタキシャル基板は、窒化物系半導体層までしか積層しなかったが、半導体素子構造を有していても構わない。
【００５８】
半導体素子構造は、発光ダイオード、レーザダイオード、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタなどが挙げられる。半導体素子構造は既存の技術により構成することが出来るが、窒化物系半導体層が低転位密度化している。
【００５９】
従って、このエピタキシャル基板は特性の良い半導体装置を作製可能となる。電界効果型トランジスタであれば、ピエゾ電界が掛からないことを利用してエンハスメント型動作をさせることが可能である。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００６１】
（第１の実施例）
R面サファイア基板に周期段差溝加工を施した場合について説明する。
【００６２】
まず、図２のように、フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてR面サファイア基板１１上に、ニッケルからなるライン・アンド・スペースのマスク１２を形成した。その膜厚は、１５０ｎｍとした。また、その周期構造は、マスク部１１ｂ幅が３μm、マスク開口部１１ａの幅が１５μmとした。
【００６３】
次に、塩素を用いた反応性イオンエッチングにより、サファイア表面のマスク開口部１１ａの一部を除去し、溝部１１ｃとなった。その深さは２μmとした。
【００６４】
次に、王水を用いてサファイア基板１１表面からマスク１２を除去した。このようにして、周期段差溝構造を有するサファイア基板４が作製された。
【００６５】
次に、MOVPE法により、成長温度１１００℃でＡｌＮからなる第１の下地層１３を１００ｎｍ、及び、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎからなる第２の下地層１４を順次成長させた。これらの層の成長時は、V／III比は８００であった。その後、成長時のV／III比を６０に減少させ、GaNからなる窒化物系半導体層１５を積層した。これによりR面サファイア基板４に形成された周期段差溝構造が埋められ、平坦な表面を有する窒化物系半導体層１５が得られた。X線回折によりA軸配向であることが確認され、また、この表面を原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭという。）により測定したところ、自乗根平均の面粗さは０．３ｎｍであった。さらに、ヘリウム-カドミウムレーザを光源に用いた顕微フォトルミネセンス法により、窒化物系半導体層１５の発光分布を調べた。その結果を図９に示す。その後、周期溝構造に対応する明瞭なコントラストが確認でき、特に、マスク開口部１１ａに形成された選択横方向成長領域は、明るく光っていた。隣接するマスク部１１ｂ、及び、溝部１１ｃの発光強度比は約２０倍に達していた。選択横方向成長により結晶性が向上しているものと推測できる。
【００６６】
以下に、周期段差溝構造の形状の変化による、表面平坦性、及び、貫通転位密度を評価するため、以下に示す実験を行った。
【００６７】
まず、ライン・アンド・スペースのマスクにおける、マスク開口部１１ａ、マスク部１１ｂの寸法、及び、周期段差溝構造の深さを種々変化させ、様々な周期段差溝構造のR面サファイア基板４を作製した。次いで、MOVPE法により、それぞれのR面サファイア基板４上に、上記と同様の構造を成長させ、ＡＦＭを用いて表面平坦性を、及び、平面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察により貫通転位密度を評価した。
【００６８】
その結果を表１に示す。
【表１】
2006232640.tif 000003
【００６９】
溝部１１ｃ幅を変化させた条件１〜１５（実施例１〜１１、及び、比較例１〜４）を比較すると、条件溝部１１ｃ幅が３０μmより大きい条件１３〜１５（比較例２〜４）の場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部１１ｃ幅は３０μm以下が良かった。一方、条件１（比較例１）のように、溝部１１ｃ幅が０．４μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとした場合は、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件２〜１２（実施例１〜１１）のように、溝部１１ｃ幅は０．５μm以上３０μm以下が良い。
【００７０】
また、テラス部１１ｂ幅を変化させた条件１６〜２２（実施例１２〜１６、及び、比較例５、６）を比較すると、テラス部１１ｂ幅が５μmより大きい条件２２（比較例６）の場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２以上となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部１１ｃ幅は５μm以下が良かった。一方、条件１６（比較例５）のように、溝部１１ｃ幅が０．４μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。すなわち、条件１７〜２１（実施例１２〜１６）のように溝部幅は０．５μm以上５μm以下が良い。
【００７１】
また、溝部１１ｃ深さを変化させた条件２３〜３０（実施例１７〜２２、及び、比較例７、８）を比較すると、条件２３（比較例７）のように０．３μm未満の深さでは、窒化物系半導体層１５の選択横方向成長が十分でなく、溝部１１ｃからも結晶核形成が起こるため、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２以上となって結晶性が良くないので適さない。条件２４〜３０（実施例１７〜２２、及び、比較例８）のように、溝部１１ｃ深さを大きくすると貫通転位密度は低減できるものの、段差を埋め込むのに必要な窒化物系半導体層１５の成長時間は長くとる必要が生じる。これは製造コスト増大に繋がるので、１２０分以内で埋め込みが終了しない条件３０（比較例８）は好ましくない。従って、条件２４〜２９（実施例１７〜２２）のように、溝深さは０．３μm以上３μm以下とするのが良い。
【００７２】
（第２の実施例）
以下に、窒化物系半導体層を形成し、それに周期段差溝加工を施した後に再成長を行う場合について説明する。
【００７３】
まず、図６のように、MOVPE法により、R面サファイア基板５１上に成長温度１１００℃でＡｌＮからなる第１の下地層５２を１００ｎｍ、及び、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎからなる第２の下地層５３を２００ｎｍ順次成長させた。これらの層の成長時は、V／III比は８００であった。その後、成長時のV／III比を６０に減少させ、GaNからなる窒化物系半導体層５４を２μm積層した。X線回折によりA軸配向であることが確認され、また、この表面をＡＦＭにより測定したところ、自乗根平均の面粗さは０．３ｎｍであった。
【００７４】
フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いてR面サファイア基板５１上に、ニッケルからなるライン・アンド・スペースのマスク５５を形成した。その膜厚は、１５０ｎｍとした。また、その周期構造は、テラス部５４ｂが３μm、マスク開口部５４ａの幅が１５μmとした。
【００７５】
次に、図７のように、塩素を用いた反応性イオンエッチングにより、上記窒化物系半導体層５４のマスク開口部５４ａの一部を除去した。その深さは２μmとした。
【００７６】
次に、王水を用いて窒化物系半導体層５４の表面からマスク５５を除去した。このようにして、周期段差溝構造を有する窒化物系半導体層５４が作製された。
【００７７】
その後、図５のように、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層５４上に、窒化物系半導体層５５を再成長させた。成長時のV／III比は６０とした。これにより窒化物系半導体層５４に形成された周期段差溝構造が埋められ、平坦な表面を有する窒化物系半導体層５５が得られた。この表面をＡＦＭにより測定したところ、２乗根平均の面粗さは０．３ｎｍであった。
【００７８】
以下に、周期段差溝構造の形状の変化による、表面平坦性、及び、貫通転位密度を評価するため、以下に示す実験を行った。
【００７９】
まず、MOVPE法により、それぞれのR面サファイア基板５１上に、上記と同様の構造を成長させた。次いで、ライン・アンド・スペースのマスクを調節して溝部５４ｃ、テラス部５４ｂの寸法を、そして、エッチング条件を調節して周期段差溝構造の深さを種々変化させ、様々な周期段差溝構造の窒化物系半導体層５４を作製した。さらに、ＭＯＶＰＥ法により、窒化物系半導体層５５を再成長させ、ＡＦＭを用いて表面平坦性、及び、平面ＴＥＭ観察により貫通転位密度を評価した。
【００８０】
その結果を表２に示す。
【表２】
2006232640.tif 000004
【００８１】
溝部５４ｃ幅を変化させた条件３１〜４５（実施例２３〜３３、及び、比較例９〜１２）を比較すると、溝部５４ｃ幅が３０μmより大きい条件４３〜４５（比較例１０〜１２）の場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２となって結晶性が良くないので適さない。従って、溝部５４ｃ幅は３０μm以下が良かった。一方、条件３１（比較例９）のように、溝部５４ｃ幅が０．４μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件３２〜４２（実施例２３〜３３）のように、溝部５４ｃ幅は０．５μm以上３０μm以下が良い。
【００８２】
また、テラス部５４ｂ幅を変化させた条件４６〜５２（実施例３４〜３８、及び、比較例１３、１４）を比較すると、テラス部５４ｂ幅が５μmより大きい条件５２（比較例１４）の場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２以上となって結晶性が良くないので適さない。従って、テラス部５４ｂ幅は５μm以下が良かった。一方、条件４６（比較例１３）のように、テラス部５４ｂ幅が０．４μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件４７〜５１（実施例３４〜３８）のように、テラス部５４ｂ幅は０．５μm以上５μm以下が良い。
【００８３】
また、溝５４ｃ部深さを変化させた条件５３〜６０（実施例３９〜４４、及び、比較例１５、１６）を比較すると、条件５３（比較例１５）のように、０．３μm未満の深さでは、窒化物系半導体層５５の選択横方向成長が十分でなく、溝部からも結晶核形成が起こるため、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２以上となって結晶性が良くなかった。条件５４〜６０（実施例３９〜４４、及び、比較例１６）のように、溝部５４ｃ深さを大きくすると貫通転位密度は低減できるものの、段差を埋め込むのに必要な窒化物系半導体層５５の成長時間は長くとる必要が生じた。これは製造コスト増大に繋がるので、１２０分以内で埋め込みが終了しない条件６０（比較例１６）は好ましくない。従って、条件５４〜５９（実施例３９〜４４）のように、溝深さは０．３μm以上３μm以下とするのが良い。
【００８４】
（第３の実施例）
以下に、窒化物系半導体層を形成し、マスクを形成した後、再成長によりマスクを埋め込む場合について説明する。
【００８５】
まず、図８のように、MOVPE法により、R面サファイア基板８１上に成長温度１１００℃でＡｌＮからなる第１の下地層８２を１００ｎｍ、及び、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ｎからなる第２の下地層８３を２００ｎｍ、順次成長させた。これらの層の成長時は、V／III比は８００であった。その後、成長時のV／III比を６０に減少させ、GaNからなる窒化物系半導体層８４を２μm積層した。X線回折によりA軸配向であることが確認され、また、この表面をＡＦＭにより測定したところ、自乗根平均の面粗さは０．３ｎｍであった。
【００８６】
フォトリソグラフィー技術と蒸着技術等を用いて窒化物系半導体層８４上に、炭化珪素からなるライン・アンド・スペースのマスク８５を形成した。その膜厚は、１５０ｎｍとした。また、その周期構造は、マスク８５部が３μm、マスク開口部８４ａの幅が１５μmとした。
【００８７】
その後、MOVPE法により、上記窒化物系半導体層８４上に、窒化物系半導体再成長層８６を再成長させた。成長時のV／III比は６０とした。これにより窒化物系半導体層８４に形成されたマスク８５が埋められ、平坦な表面を有する窒化物系半導体再成長層８６が得られた。この表面をＡＦＭにより測定したところ、２乗根平均の面粗さは０．３ｎｍであった。
【００８８】
以下に、ライン・アンド・スペースのマスク８５の形状の変化による、表面平坦性、及び、貫通転位密度を評価するため、以下に示す実験を行った。
【００８９】
まず、MOVPE法により、それぞれのR面サファイア基板８１上に、上記と同様の構造を成長させた。次いで、ライン・アンド・スペースのマスク８５を調節してマスク部８５、マスク開口部８４ａの寸法を、そして、エッチング条件を調節して周期段差溝構造の深さを種々変化させ、様々な周期段差溝構造の窒化物系半導体層８４を作製した。さらに、ＭＯＶＰＥ法により、窒化物系半導体再成長層８６を再成長させ、ＡＦＭを用いて表面平坦性を、及び、平面ＴＥＭ観察により貫通転位密度を評価した。
【００９０】
その結果を表３に示す。
【表３】
2006232640.tif 000005
【００９１】
マスク部８５幅を変化させた条件６１〜７５（実施例４５〜５５、及び、比較例１７〜２２）を比較すると、マスク部８５幅が３０μmより大きい条件７３〜７５（比較例１８〜２０）の場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２となって結晶性が良くないので適さない。従って、マスク部８５幅は３０μm以下が良かった。一方、条件６１（比較例１７）のようにマスク部８５幅が０．４μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件６２〜７２（実施例４５〜５５）のように、マスク部８５幅は０．５μm以上３０μm以下が良い。
【００９２】
また、マスク開口部８４ａ幅を変化させた条件７６〜８２（実施例５６〜６０、及び、比較例２１、２２）を比較すると、マスク開口部８４ａ幅が５μmより大きい条件８２（比較例２２）の場合は、ＲＭＳ表面粗さがｎｍオーダーで粗くなっており、また、貫通転位密度も１０９／ｃｍ２以上となって結晶性が良くないので適さない。従って、マスク開口部８４ａ幅は５μm以下が良かった。一方、条件７６（比較例２１）のようにマスク開口部８４ａ幅が０．４μmのパターンをフォトリソグラフィー技術で作製しようとしたが、あまりに精密で作製が困難であった。従って、条件７７〜８１（実施例５６〜６０）のように、マスク開口部８４ａ幅は０．５μm以上が良い。
【００９３】
また、マスク８５高さを変化させた条件８３〜９０（実施例６１〜６６、及び、比較例２３、２４）を比較すると、条件８３（比較例２３）のように、０．０５μm未満のマスク高さでは、パターン形成時に剥がれてしまい、適さない。従って、０．０５μm以上の高さがよい。条件８４〜９０（実施例６１〜６６、及び、比較例２４）のように、マスク８５高さを大きくするとマスク８５を埋め込むのに必要な窒化物系半導体層８５の成長時間は長くとる必要が生じた。これは製造コスト増大に繋がるので、１２０分以内で埋め込みが終了しない条件９０（比較例２４）は好ましくない。従って、条件８４〜８９（実施例６１〜６６）のように、溝深さは０．３μm以上３μm以下とするのが良い。貫通転位密度は、埋め込みが終了すれば、いずれもほぼ同等であった。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明のエピタキシャル基板を説明する断面図である。
【図２】本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。
【図３】本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。
【図４】本発明のR面サファイア基板について説明する断面図である。
【図５】本発明のエピタキシャル基板を説明する断面図である。
【図６】本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。
【図７】本発明のエピタキシャル基板の製造方法を説明する断面図である。
【図８】本発明のエピタキシャル基板を説明する断面図である。
【図９】本発明の効果を示す顕微フォトルミネセンスマッピング像図である。
【図１０】C軸配向した窒化物系半導体のヘテロ接合を説明する模式図である。
【図１１】従来の半導体装置を示す断面図である。
【図１２】従来の結晶成長方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００９５】
１     エピタキシャル基板
４     Ｒ面サファイア基板
５     エピタキシャル基板
８     エピタキシャル基板
１１ａ マスク開口部
１１ｂ テラス部
１１ｃ 溝部
１２          マスク
１３   第１の下地層
１４   第２の下地層
１５   窒化物系半導体層
５１   Ｒ面サファイア基板
５２   第１の下地層
５３   第２の下地層
５４   窒化物系半導体層
５４ａ マスク開口部
５４ｂ テラス部
５４ｃ 溝部
５５   マスク
５６   窒化物系半導体再成長層
８１   Ｒ面サファイア基板
８２   第１の下地層
８３   第２の下地層
８４   窒化物系半導体層
８４ａ マスク開口部
８５   マスク
８６   窒化物系半導体再成長層
１０１ 第１層
１０１ａ       ヘテロ接合界面
１０２ 第２層
１０３ C軸
１１１ Ｒ面サファイア基板
１１２ ｎ型ＧａＮ層
１１３ ｎ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
１１４ ＧａＮ/Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ多重量子井戸構造活性層
１１５ ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層
１１６ ｐ型ＧａＮ層
１１７ ｐ側電極
１１８ ｎ側電極
１２１ ＧａＮ層
１２２ マスク
１２３ 再成長ＧａＮ層
【図１】
2006232640.tif 000006
【図２】
2006232640.tif 000007
【図３】
2006232640.tif 000008
【図４】
2006232640.tif 000009
【図５】
2006232640.tif 000010
【図６】
2006232640.tif 000011
【図７】
2006232640.tif 000012
【図８】
2006232640.tif 000013
【図９】
2006232640.tif 000014
【図１０】
2006232640.tif 000015
【図１１】
2006232640.tif 000016
【図１２】
2006232640.tif 000017