(57)【要約】【課題】平坦でかつ結晶欠陥が極端に少ない（好ましくは無転位の）窒化ガリウム半導体層をｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム基板上に形成することができる窒化物半導体製造方法を提供する。【解決手段】ＧａＮ単結晶基板１は、ｃ面以外の主面（たとえばｍ面）を持つ。このＧａＮ単結晶基板１上に、有機金属化学気相成長法によって、ＧａＮ半導体層２が形成される。この際に、ガリウム原料に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が１０００以上の条件を用い、前記Ｖ／III比が１０００未満の条件を用いることなく、また、ＧａＮ単結晶基板１の表面に、バッファ層を介在させることなく、ＧａＮ半導体層２を成長させる。【選択図】図１
2008091488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム単結晶基板上に、有機金属化学気相成長法によってIII族窒化物半導体を再成長させる方法であって、
III族元素原料に対する窒素原料の割合であるＶ／III比が１０００以上の条件を用い、前記Ｖ／III比が１０００未満の条件を用いることなく、前記窒化ガリウム単結晶基板の表面に、バッファ層を介在させることなく、有機金属化学気相成長法によって窒化ガリウム半導体を成長させる窒化ガリウム半導体成長工程を含む、窒化物半導体製造方法。
【請求項２】
少なくとも窒素原料ガスを前記窒化ガリウム単結晶基板に供給しながら、当該窒化ガリウム単結晶基板の温度を１０００℃〜１１００℃まで上昇させる工程をさらに含む、請求項１記載の窒化物半導体製造方法。
【請求項３】
前記窒化ガリウム半導体成長工程が、Ｎ型層およびＰ型層を有する積層構造を成長する工程を含む、請求項１または２記載の窒化物半導体製造方法。
【請求項４】
前記窒化ガリウム単結晶基板の主面は、無極性面または半極性面であり、それぞれの面方位からのオフ角が±１°以内の面である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化物半導体発光素子（発光ダイオード、レーザダイオード等）や、パワーデバイス高周波デバイス等の窒化物半導体電子デバイス（トランジスタ、ダイオード等）の作製に適用することができる窒化物半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体は「III族窒化物半導体」と呼ばれ、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）が代表例である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができ、これを、「窒化ガリウム半導体」または「ＧａＮ半導体」ということにする。
【０００３】
ｃ面を主面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）基板上にIII族窒化物半導体を有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって成長させる窒化物半導体の製造方法が知られている。この方法を適用することにより、Ｎ型層およびＰ型層を有するＧａＮ半導体積層構造を形成することができ、この積層構造を利用した発光デバイスを作製できる。このような発光デバイスは、たとえば、液晶パネル用バックライトの光源として利用可能である。
【０００４】
ｃ面を主面とするＧａＮ基板上に再成長されたＧａＮ半導体の主面はｃ面である。このｃ面から取り出される光は、ランダム偏光（無偏光）状態となっている。そのため、液晶パネルに入射する際に、入射側偏光板に対応した特定偏光以外は遮蔽され、出射側への輝度に寄与しない。そのため、高輝度な表示を実現し難い（効率は最大でも５０％）という問題がある。
【０００５】
この問題を解決するために、ｃ面以外、すなわち、ａ面、ｍ面等の無極性（ノンポーラ）面、または半極性（セミポーラ）面を主面とするＧａＮ半導体を成長させて、発光デバイスを作製することが検討されている。無極性面または半極性面を主面とするＧａＮ半導体層によってＰ型層およびＮ型層を有する発光デバイスを作製すると、強い偏光状態の発光が可能である。そこで、このような発光デバイスの偏光の方向と、液晶パネルの入射側偏光板の通過偏光の方向とを一致させておくことにより、入射側偏光板での損失を少なくすることができる。その結果、高輝度な表示を実現できる。
【０００６】
ところが、無極性面または半極性面上に、転位（結晶欠陥）が少なく、かつ、表面状態のよいＧａＮ半導体の再成長層を形成するための条件は極めて厳しい。より具体的には、ｃ面を主面とするＧａＮ基板上にＧａＮ半導体を再成長させる場合には、ガリウム原料に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が３０００程度の条件でのＭＯＣＶＤ法が適用される。
【０００７】
一方、ｍ面を主面とするＧａＮ基板上にＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ半導体層を成長させる際に、Ｖ／III比を１０００未満とすることにより、転位および積層欠陥の発生を抑制することが提案されている。しかし、Ｖ／III比が低いと、Ｎ空乏が多く発生し、ミクロな結晶性が悪くなり、言い換えると、非発光再結合が増えることで発光効率が下がるという問題があった。
【０００８】
さらに、非極性面はｃ面に比べると安定ではないため、成長を開始する際に、ＧａＮ基板上にバッファ層を形成し、このバッファ層上にＧａＮ半導体層をＭＯＣＶＤ法で再成長させることが提案されているが、この場合には、バッファ層表面からの転位が多く入り込み、結晶性の良好なＧａＮ半導体層を成長させることが妨げられる。
このように、現在までのところ、転位および積層欠陥といった結晶欠陥がなく、かつ、良好な表面状態のＧａＮ半導体層を無極性面または半極性面上に形成する方法は確立されていなかった。
【０００９】
したがって、結晶欠陥が多く、また表面状態の悪いＧａＮ半導体層を用いて発光デバイスを作製しても、外部量子効率が低く、満足な発光特性を得ることができない。
【非特許文献１】T. Takeuchi et al., Jap. J. Appl. Phys. 39, 413-416, 2000
【非特許文献２】A. Chakraborty, B. A. Haskell, H. S. Keller, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura and U. K. Mishra: Jap. J. Appl. Phys. 44 (2005) L173
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明の目的は、平坦でかつ結晶欠陥が極端に少ない（好ましくは無転位の）窒化ガリウム半導体層をｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム基板上に形成することができる窒化物半導体製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム単結晶基板上に、有機金属化学気相成長法によってIII族窒化物半導体を再成長させる方法であって、III族元素原料（より具体的にはガリウム原料）に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が１０００以上の条件を用い、前記Ｖ／III比が１０００未満の条件を用いることなく、前記窒化ガリウム単結晶基板の表面に、バッファ層を介在させることなく、有機金属化学気相成長法によって窒化ガリウム半導体を（好ましくは０．１μｍ以上）成長させる窒化ガリウム半導体成長工程を含む、窒化物半導体製造方法である。
【００１２】
この発明によれば、ｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム単結晶基板を用い、かつ、従来では適切でないとされてきた１０００以上のＶ／III比の条件での有機金属化学気相成長法を適用することによって、バッファ層を用いることなく、平坦で、かつ、無転位の窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。すなわち、たとえば、ｃ面を主面とする基板上への窒化ガリウム半導体の再成長の場合と同様に、Ｖ／III比を３０００以上の条件として、無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
【００１３】
再成長させられた窒化ガリウム半導体は、むろん、極性面であるｃ面以外の面、すなわち、無極性面または半極性面を主面とする。したがって、この窒化ガリウム半導体層を用いて発光デバイスを作製すれば、強く偏光した光を取り出すことができる。しかも、窒化ガリウム半導体の結晶性が良好であるので、理論的に予測された性能を損なわずに、高い外部量子効率を実現できる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、少なくとも窒素原料ガスを前記窒化ガリウム単結晶基板に供給しながら、当該窒化ガリウム単結晶基板の温度を１０００℃〜１１００℃まで上昇させる工程をさらに含む、請求項１記載の窒化物半導体製造方法である。
この発明によれば、窒素原料ガスを供給しながら基板温度を１０００℃〜１１００℃まで昇温でき、基板表面の荒れを抑制しつつ、その後の窒化ガリウム半導体結晶成長を行える。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記窒化ガリウム半導体成長工程が、Ｎ型層およびＰ型層を有する積層構造を成長する工程を含む、請求項１または２記載の窒化物半導体製造方法である。
この発明により、Ｎ型層およびＰ型層を有する電子デバイスを作製することができる。とくに、発光層を有する発光デバイスを作製すれば、優れた外部量子効率で偏光発光が可能なデバイスを実現できる。
【００１６】
請求項４記載の発明は、前記窒化ガリウム単結晶基板の主面は、無極性（ノンポーラ）面または半極性（セミポーラ）面であり、それぞれの面方位からのオフ角が±１°以内の面である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法である。
この発明では、窒化ガリウム単結晶基板の主面のオフ角が、ノンポーラ面の面方位に対して±１°以内、またはセミポーラ面の面方位に対して±１°以内となっていることにより、より確実に無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードは、ＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶基板１上にIII族窒化物半導体層としてのＧａＮ半導体層２を再成長させて構成されている。ＧａＮ半導体層２は、ＧａＮ単結晶基板１側から順に、Ｎ型コンタクト層２１、発光層としての量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、Ｐ型電子阻止層２３、およびＰ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。Ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されており、さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、Ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
【００１８】
ＧａＮ単結晶基板１は、支持基板（配線基板）１０に接合されている。支持基板１０の表面には、配線１１，１２が形成されている。そして、接続部４と配線１１とがボンディングワイヤ１３で接続されており、カソード電極５と配線１２とがボンディングワイヤ１４で接続されている。さらに、図示は省略するが、前記発光ダイオード構造と、ボンディングワイヤ１３，１４とが、エポキシ樹脂等の透明樹脂によって封止されることにより、発光ダイオード素子が構成されている。
【００１９】
Ｎ型コンタクト層２１は、シリコンをＮ型ドーパントとして添加したＮ型ＧａＮ層からなる。層厚は３μｍ以上とすることが好ましい。シリコンのドーピング濃度は、たとえば、１０18cm-3とされる。
量子井戸層２２は、シリコンをドープしたＩｎＧａＮ層（たとえば３ｎｍ厚）とＧａＮ層（たとえば９ｎｍ厚）とを交互に所定周期（たとえば５周期）積層したものである。この量子井戸層２２と、Ｐ型電子阻止層２３との間に、ＧａＮファイナルバリア層２５（たとえば４０ｎｍ厚）が積層される。
【００２０】
Ｐ型電子阻止層２３は、Ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを添加したＡｌＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、２８ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、３×１０19cm-3とされる。
Ｐ型コンタクト層２４は、Ｐ型ドーパントとしてのマグネシウムを高濃度に添加したＧａＮ層からなる。層厚は、たとえば、７０ｎｍである。マグネシウムのドーピング濃度は、たとえば、１０20cm-3とされる。Ｐ型コンタクト層２４の表面はＧａＮ半導体層２の表面２ａをなし、この表面２ａは鏡面となっている。より具体的には、表面２ａの凹凸は、１００ｎｍ以下である。ＧａＮの屈折率をｎ2（ｎ2≒２．５）とし、発光波長をλとすると、表面２ａの凹凸がλ／ｎ2以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面２ａは、量子井戸層２２で発生した光が取り出される光取り出し側表面である。
【００２１】
アノード電極３は、Ｎｉ（屈折率１．８）とＡｕ（屈折率は１．６）とから構成される透明な薄い金属層（たとえば、２００Å以下）で構成される。ＧａＮ半導体層２の表面２ａが鏡面であるので、この表面２ａに接して形成されるアノード電極３の表面３ａ（光取り出し側表面）も鏡面となる。すなわち、この表面３ａの凹凸は、たとえば１００ｎｍ以下である。アノード電極３の屈折率をｎ1（ｎ1は１．６〜１．８）とし、発光波長をλとすると、表面３ａの凹凸がλ／ｎ1以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。このように、ＧａＮ半導体層２の光取り出し側表面２ａおよびアノード電極３の光取り出し側表面３ａがいずれも鏡面であるので、量子井戸層２２から発生した光は、その偏光状態にほとんど影響を与えることなく、アノード電極３側へと取り出されることになる。
【００２２】
カソード電極は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ単結晶基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮ単結晶からなる基板である。より具体的には、無極性面または半極性面を主面とするものである。さらに具体的には、ＧａＮ単結晶基板１の主面は、無極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面であるか、または半極性面の面方位から±１°以内のオフ角を有する面である。
【００２３】
図２は、III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。III族窒化物半導体の結晶構造は、六方晶系で近似することができ、六角柱の軸方向に沿うｃ軸を法線とする面（六角柱の頂面）がｃ面（０００１）である。III族窒化物半導体では、分極方向がｃ軸に沿っている。そのため、ｃ面は、＋ｃ軸側と−ｃ軸側とで異なる性質を示すので、極性面(Polar Plane)と呼ばれる。一方、六角柱の側面がそれぞれｍ面（１０-１０）であり、隣り合わない一対の稜線を通る面がａ面（１１-２０）である。これらは、ｃ面に対して直角な結晶面であり、分極方向に対して直交しているため、極性のない平面、すなわち、無極性面(Nonpolar Plane)である。さらに、ｃ面に対して傾斜している（平行でもなく直角でもない）結晶面は、分極方向に対して斜めに交差しているため、若干の極性のある平面、すなわち、半極性面(Semipolar Plane)である。半極性面の具体例は、（１０-１-１）面、（１０-１-３）面、（１１-２２）面などの面である。
【００２４】
非特許文献１に、ｃ面に対する結晶面の偏角と当該結晶面の法線方向の分極との関係が示されている。この非特許文献１から、（１１-２４）面、（１０-１２）面なども分極の少ない結晶面であり、大きな偏光状態の光を取り出すために採用される可能性のある有力な結晶面であると言える。
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板は、ｃ面を主面としたＧａＮ単結晶から切り出して作製することができる。切り出された基板のｍ面は、たとえば、化学的機械的研磨処理によって研磨され、（０００１）方向および（１１−２０）方向の両方に関する方位誤差が、±１°以内（好ましくは±０．３°以内）とされる。こうして、ｍ面を主面とし、かつ、転位や積層欠陥といった結晶欠陥のないＧａＮ単結晶基板が得られる。このようなＧａＮ単結晶基板の表面には、原子レベルの段差が生じているにすぎない。
【００２５】
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が成長させられる。
図３は、ＧａＮ半導体層２を構成する各相を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ単結晶基板１を構成するＧａＮ単結晶ウエハである。
【００２６】
処理室３０には、排気配管３６が接続されている。排気配管３６はロータリポンプ等の排気設備に接続されている。これにより、処理室３０内の圧力は、１／１０気圧〜常圧力（好ましくは１／５気圧程度）とされ、処理室３０内の雰囲気は常時排気されている。
一方、処理室３０には、サセプタ３２に保持されたウエハ３５の表面に向けて原料ガスを供給するための原料ガス供給路４０が導入されている。この原料ガス供給路４０には、窒素原料ガスとしてのアンモニアを供給するアンモニア原料配管４１と、ガリウム原料ガスとしてのトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を供給するガリウム原料配管４２と、アルミニウム原料ガスとしてのトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を供給するアルミニウム原料配管４３と、インジウム原料ガスとしてのトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を供給するインジウム原料配管４４と、マグネシウム原料ガスとしてのエチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ2Ｍｇ）を供給するマグネシウム原料配管４５と、シリコンの原料ガスとしてのシラン（ＳｉＨ4）を供給するシリコン原料配管４６とが接続されている。これらの原料配管４１〜４６には、それぞれバルブ５１〜５６が介装されている。各原料ガスは、いずれも水素もしくは窒素またはこれらの両方からなるキャリヤガスとともに供給されるようになっている。
【００２７】
たとえば、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶ウエハをウエハ３５としてサセプタ３２に保持させる。この状態で、バルブ５２〜５６は閉じておき、アンモニア原料バルブ５１を開いて、処理室３０内に、キャリヤガスおよびアンモニアガス（窒素原料ガス）が供給される。さらに、ヒータ３１への通電が行われ、ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃（たとえば、１０５０℃）まで昇温される。これにより、表面の荒れを生じさせることなくＧａＮ半導体を成長させることができるようになる。
【００２８】
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびシリコン原料バルブ５６が開かれる。これにより、原料ガス供給路４０から、キャリヤガスとともに、アンモニア、トリメチルガリウムおよびシランが供給される。その結果、ウエハ３５の表面に、シリコンがドープされたＧａＮ層からなるＮ型コンタクト層２１が成長する。
【００２９】
次に、シリコン原料バルブ５６が閉じられ、量子井戸層２２の成長が行われる。量子井戸層２２の成長は、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびインジウム原料バルブ５４を開いてアンモニア、トリメチルガリウムおよびトリメチルインジウムをウエハ３５へと供給することによりＩｎＧａＮ層を成長させる工程と、インジウム原料バルブ５４を閉じ、アンモニア原料バルブ５１およびガリウム原料バルブ５２を開いてアンモニアおよびトリメチルガリウムをウエハ３５へと供給することにより、無添加のＧａＮ層を成長させる工程とを交互に実行することによって行える。たとえば、ＧａＮ層を始めに形成し、その上にＩｎＧａＮ層を形成する。これを５回に渡って繰り返し行った後、最後に、ＩｎＧａＮ層上にＧａＮファイナルバリア層２５が形成される。量子井戸層２２およびＧａＮファイナルバリア層２５の形成時には、ウエハ３５の温度は、たとえば、７００℃〜８００℃（たとえば７３０℃）とされることが好ましい。
【００３０】
次いで、Ｐ型電子阻止層２３が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２、アルミニウム原料バルブ５３およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウム、トリメチルアルミニウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＡｌＧａＮ層からなるＰ型電子阻止層２３が形成されることになる。このＰ型電子阻止層２３の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００３１】
次に、Ｐ型コンタクト層２４が形成される。すなわち、アンモニア原料バルブ５１、ガリウム原料バルブ５２およびマグネシウム原料バルブ５５が開かれ、他のバルブ５３，５４，５６が閉じられる。これにより、ウエハ３５に向けて、アンモニア、トリメチルガリウムおよびエチルシクロペンタジエニルマグネシウムが供給され、マグネシウムがドープされたＧａＮ層からなるＰ型コンタクト層２４が形成されることになる。Ｐ型コンタクト層２４の形成時には、ウエハ３５の温度は、１０００℃〜１１００℃（たとえば１０００℃）とされることが好ましい。
【００３２】
こうして、ウエハ３５上にＧａＮ半導体層２が成長させられると、このウエハ３５は、エッチング装置に移され、たとえばプラズマエッチングによって、図１に示すように、Ｎ型コンタクト層２１を露出させるための凹部７が形成される。凹部７は、量子井戸層２２、Ｐ型電子阻止層２３およびＰ型コンタクト層２４を島状に取り囲むように形成されてもよく、これにより、量子井戸層２２、Ｐ型電子阻止層２３およびＰ型コンタクト層２４をメサ形に整形するものであってもよい。
【００３３】
さらに、抵抗加熱または電子線ビームによる金属蒸着装置によって、アノード電極３、接続部４、カソード電極５が形成される。これにより、図１に示す発光ダイオード構造を得ることができる。
このようなウエハプロセスの後に、ウエハ３５の劈開によって個別素子が切り出され、この個別素子は、ダイボンディングおよびワイヤボンディングによってリード電極に接続された後、エポキシ樹脂等の透明樹脂中に封止される。こうして、発光ダイオード素子が作製される。
【００３４】
ウエハ３５（ＧａＮ単結晶基板１）上にＧａＮ半導体層２の構成層２１〜２４の成長に際しては、いずれの層の成長の際も、処理室３０内のウエハ３５に供給されるガリウム原料（トリメチルガリウム）のモル分率に対する窒素原料（アンモニア）のモル分率の比であるＶ／III比は、３０００以上の高い値に維持される。このような高いＶ／III比は、ｃ面を主面とするＧａＮ結晶の成長には適用されてきたが、ｃ面以外の面を主面とするIII族窒化物半導体層の成長に適用した報告はなされていない。
【００３５】
この実施形態では、このような高いＶ／III比を用い、かつ、ＧａＮ単結晶基板１とＧａＮ半導体層２との間にバッファ層を介在することなく、ｍ面等を主面とするＧａＮ半導体層２が、無転位の状態で、かつ、平坦に成長する。
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、本願発明者によるデバイス作製例を示す顕微鏡写真である。この例では、ｍ面を主面とするＧａＮ単結晶基板１上にｍ面を主面とするＧａＮ半導体層２が成長させられている。図４Ａおよび図４Ｂは、ａ面に沿う断面を示す電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：走査透過電子顕微鏡）写真であり、写真の左右方向はｃ軸に平行である。図４Ｂは量子井戸層２２付近の拡大写真である。また、図４Ｃは、アノード電極３を形成する前のＮ型コンタクト層２１の表面を撮影した光学顕微鏡写真である。これらの図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃからは、転位の存在を表す条線が見られず、かつ、表面状態が平坦（この例では鏡面）であることがわかる。このように、無転位でかつ平坦な表面状態をもつｍ面ＧａＮ半導体層２を成長させることができる。その際に、従来から必要とされてきた、低いＶ／III比は不要であることがわかる。ただし、ＧａＮ単結晶基板１の主面のオフ角は前述の範囲に制御されなければならない。ＧａＮ半導体層２の表面２ａが平坦であるので、この表面２ａ上に形成されるアノード電極３の表面３ａもまた平坦な表面となる。
【００３６】
図５は、オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長した場合の表面の状態を撮影した光学顕微鏡写真である。ＧａＮ結晶がテラス状に成長しており、オフ角を±１°以内とした場合のような平坦な表面状態とすることができない。
図６は、この実施形態の構成の発光ダイオード素子について、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）特性を測定した結果を示す。図６において、曲線Ｌ１は種々の持続波（ＣＷ）駆動電流（Forward Current）に対するＥＬ出力パワー(Output Power)を示し、曲線Ｌ２は種々の持続波駆動電流に対する外部量子効率（External Quantum Efficiency）を示す。
【００３７】
たとえば、駆動電流が２０ｍＡ（駆動電圧５Ｖ）のとき、ＥＬ出力パワーは１．７９ｍＷであり、このときの外部量子効率は３．１％である。このＥＬ出力パワーは、たとえば、非特許文献２で報告されている値（駆動電流２０ｍＡで２４０μＷ）に比較して７倍も大きな値である。このような高いＥＬ出力パワーは、転位の削減によってもたらされたものと考えられる。
【００３８】
また、曲線Ｌ１に見られるように、１００ｍＡまでの駆動電流の増加に対して、ＥＬ出力パワーは良好な線形性（リニアリティ）を示している。
波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザによる光励起によって内部量子効率（１２Ｋでの発光強度に対する３００Ｋでの発光強度の比）を測定したところ、５．５％であった。
図７には、種々の駆動電流に対するＥＬスペクトルが示されている。横軸は波長(Wavelength)、縦軸は任意単位でのＥＬ強度(EL Intensity)である。駆動電流２０ｍＡにおけるピーク波長は４３５ｎｍ（青色領域）である。駆動電流１ｍＡにおけるピーク波長は４３７ｎｍであり、駆動電流１００ｍＡにおけるピーク波長は４３４ｎｍである。すなわち、駆動電流によるピーク波長の変動は３ｎｍである。ＧａＮ半導体層２の表面２ａおよびアノード電極３の表面３ａの凹凸は、前述のとおり、１００ｎｍ以下であるので、前記波長域の光の偏光に対して、ほとんど影響を与えることがない。
【００３９】
前記ＥＬ発光の偏光方向が、ｃ軸に対して直交していることも確認された。偏光比は、駆動電流１ｍＡのとき、０．７７であった。偏光比とは、ｃ軸に直交する偏光強度Ｉoおよびｃ軸に平行な偏光強度Ｉpにより、（Ｉo−Ｉp）／（Ｉo＋Ｉp）で与えられる値である。
図８は、この発明の第２の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。この図８において、前述の図１に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、ＧａＮ単結晶基板１上にＧａＮ半導体層２が成長させられた後、ＧａＮ単結晶基板１が研削処理等によって除去される。これにより、Ｎ型コンタクト層２１が露出している。この露出したコンタクト層２１の表面（下面）に、カソード電極５が形成されている。このカソード電極５は、支持基板１０上の配線１２に接合（ダイボンディング）されている。これにより、発光ダイオード構造が支持基板１０に固定されている。一方、ＧａＮ半導体層２の光取り出し側の表面２ａに接して形成されたアノード電極（透明電極）３は、接続部４を介して、ボンディングワイヤ１３によって支持基板１０上の配線１１に接続されている。
【００４０】
このような構成においても、ＧａＮ半導体２の光取り出し側表面２ａおよびアノード電極３の光取り出し側表面３ａがいずれも鏡面となるので、ＧａＮ半導体層２から発生した光を、その偏光状態をほとんど乱すことなくアノード電極３側に取り出すことができる。
図９は、この発明の第３の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。この図９において、前述の図１に示された各部に対応する部分には同一の参照符号を付して示す。この実施形態においても、前述の第２の実施形態の場合と同様に、ＧａＮ単結晶基板１が研削処理等によって除去されることにより、Ｎ型コンタクト層２１が露出させられる。さらに、この実施形態では、このＮ型コンタクト層２１の表面２１ａに対して、化学的機械的研磨等の研磨処理（鏡面処理）が施され、これにより、この表面２１ａが鏡面とされる。すなわち、この表面２１ａは、その凹凸が１００ｎｍ以下とされる。ＧａＮの屈折率をｎ2（ｎ2≒２．５）とし、発光波長をλとすると、表面２１ａの凹凸がλ／ｎ2以下であれば、この凹凸は光に対して実質的に影響を与えることのない鏡面であるといえる。この表面２１ａは、支持基板１０とは反対側に向けられ、光取り出し面となる。
【００４１】
Ｐ型コンタクト層２４の表面に形成されたアノード電極３は、支持基板１０上の配線１１に接合（ダイボンディング）されている。これにより、発光ダイオード構造は、図１や図８の場合とは反転した姿勢で支持基板１０に固定されている。この場合、アノード電極３は、透明電極である必要はない。
一方、Ｎ型コンタクト層２１の表面２１ａには、その一部の領域に接合してカソード電極５が形成されている。このカソード電極５は、ボンディングワイヤ１４によって支持基板１０上の配線１２に接続されている。
【００４２】
この実施形態の構成においても、ＧａＮ半導体層２の光取り出し側の表面２１ａが鏡面となっているので、量子井戸層２２から発生した光の偏光状態にほとんど影響を与えることなく、当該光を外部に取り出すことができる。
図１０は、この発明の第４の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。この図１０において、図９に示された各部に対応する部分には、図９の場合と同一の参照符号を付して示す。この実施形態の構造は、第３の実施形態の構造と類似していて、Ｎ型コンタクト層２１と支持基板１０上の配線１２との接続構造が異なる。
【００４３】
すなわち、Ｎ型コンタクト層２１の支持基板１０とは反対側に位置する表面２１ａ（光取り出し側表面）は、第３の実施形態の場合と同様に、鏡面に仕上げられている。その一方、ＧａＮ半導体２は、支持基板１０側からＮ型コンタクト層２１が露出するまでエッチング（たとえばプラズマエッチング）されていて、凹部１７が形成されている。この凹部１７に、Ｎ型コンタクト層２１に接するカソード電極５が形成されている。このカソード伝の行く５と、と支持基板１０上の配線１２とが、金属ポスト１８によって接続されている。
【００４４】
この実施形態の構成においても、ＧａＮ半導体層２の光取り出し側の表面２１ａが鏡面となっているので、量子井戸層２２から発生した光の偏光状態にほとんど影響を与えることなく、当該光を外部に取り出すことができる。
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、発光ダイオード構造の形成に本願発明が適用された例について説明したが、この発明は、レーザダイオード等の他の発光デバイスはもちろんのこと、トランジスタやダイオードといった他の電子デバイスの作製にも適用することができる。
【００４５】
また、前述の実施形態では、透明電極としてのアノード電極３をＮｉ／Ａｕ膜で構成した例について説明したが、ＺｎＯやＩＴＯのような金属酸化物膜からなる透明電極をアノード電極３に適用してもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。
【図２】III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。
【図３】ＧａＮ半導体層を構成する各相を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
【図４Ａ】本願発明者によるデバイス作製例を示す電子顕微鏡写真であり、ａ面に層断面を示す。
【図４Ｂ】本願発明者によるデバイス作製例を示す電子顕微鏡写真であり、ａ面に層断面を拡大して示す。
【図４Ｃ】本願発明者によるデバイス作製例を示す光学顕微鏡写真であり、ＧａＮ半導体層の表面を示す。
【図５】オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長した場合の表面の状態を撮影した光学顕微鏡写真である。
【図６】この実施形態の構成の発光ダイオード素子について、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）特性を測定した結果を示す。
【図７】前記発光ダイオード素子における、種々の駆動電流に対するＥＬスペクトルが示されている。
【図８】この発明の第２の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。
【図９】この発明の第３の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。
【図１０】この発明の第４の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    ＧａＮ単結晶基板
２    ＧａＮ半導体層
２ａ  ＧａＮ半導体層の表面（鏡面）
３    アノード電極（透明電極）
３ａ  アノード電極の表面（鏡面）
４    接続部
５    カソード電極
７    凹部
１０    支持基板
１１，１２    配線
１３，１４    ボンディングワイヤ
１８    金属ポスト
２１    Ｎ型コンタクト層
２１ａ  Ｎ型コンタクト層の表面（ＧａＮ半導体層の表面：鏡面）
２２    量子井戸層
２３    Ｐ型電子阻止層
２４    Ｐ型コンタクト層
２５    ファイナルバリア層
３０    処理室
３１    ヒータ
３２    サセプタ
３３    回転軸
３４    回転駆動機構
３５    ウエハ
３６    排気配管
４０    原料ガス供給路
４１    アンモニア原料配管
４２    ガリウム原料配管
４３    アルミニウム原料配管
４４    インジウム原料配管
４５    マグネシウム原料配管
４６    シリコン原料配管
５１    アンモニア原料バルブ
５２    ガリウム原料バルブ
５３    アルミニウム原料バルブ
５４    インジウム原料バルブ
５５    マグネシウム原料バルブ
５６    シリコン原料バルブ
【図１】
2008091488.tif 000003
【図２】
2008091488.tif 000004
【図３】
2008091488.tif 000005
【図６】
2008091488.tif 000006
【図７】
2008091488.tif 000007
【図８】
2008091488.tif 000008
【図９】
2008091488.tif 000009
【図１０】
2008091488.tif 000010
【図４Ａ】
2008091488.tif 000011
【図４Ｂ】
2008091488.tif 000012
【図４Ｃ】
2008091488.tif 000013
【図５】
2008091488.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム単結晶基板上に、有機金属化学気相成長法によってIII族窒化物半導体を成長させる方法であって、
III族元素原料に対する窒素原料の割合であるＶ／III比が１０００以上の条件を用い、前記Ｖ／III比が１０００未満の条件を用いることなく、前記窒化ガリウム単結晶基板の表面に、バッファ層を介在させることなく、有機金属化学気相成長法によって窒化ガリウム半導体を成長させる窒化ガリウム半導体成長工程を含む、窒化物半導体製造方法。
【請求項２】
前記窒化ガリウム半導体成長工程は、複数の窒化ガリウム半導体層を前記Ｖ／III比が１０００以上の条件を用いて積層成長させる工程を含む、請求項１記載の窒化物半導体製造方法。
【請求項３】
前記窒化ガリウム半導体成長工程は、前記Ｖ／III比が３０００以上の条件を用いて窒化ガリウム半導体を成長させる工程である、請求項１または２記載の窒化物半導体製造方法。
【請求項４】
少なくとも窒素原料ガスを前記窒化ガリウム単結晶基板に供給しながら、当該窒化ガリウム単結晶基板の温度を１０００℃〜１１００℃まで上昇させる工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
【請求項５】
前記窒化ガリウム半導体成長工程が、Ｎ型層およびＰ型層を有する積層構造を成長する工程を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
【請求項６】
前記窒化ガリウム単結晶基板の主面は、無極性面または半極性面であり、それぞれの面方位からのオフ角が±１°以内の面である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
【請求項７】
前記窒化ガリウム単結晶基板の主面がｍ面である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム単結晶基板上に、有機金属化学気相成長法によってIII族窒化物半導体を成長させる方法であって、III族元素原料（より具体的にはガリウム原料）に対する窒素原料の割合（モル比）であるＶ／III比が１０００以上の条件を用い、前記Ｖ／III比が１０００未満の条件を用いることなく、前記窒化ガリウム単結晶基板の表面に、バッファ層を介在させることなく、有機金属化学気相成長法によって窒化ガリウム半導体を（好ましくは０．１μｍ以上）成長させる窒化ガリウム半導体成長工程を含む、窒化物半導体製造方法である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
この発明によれば、ｃ面以外の主面を持つ窒化ガリウム単結晶基板を用い、かつ、従来では適切でないとされてきた１０００以上のＶ／III比の条件での有機金属化学気相成長法を適用することによって、バッファ層を用いることなく、平坦で、かつ、無転位の窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。すなわち、たとえば、ｃ面を主面とする基板上への窒化ガリウム半導体の成長の場合と同様に、Ｖ／III比を３０００以上の条件として、無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
成長させられた窒化ガリウム半導体は、むろん、極性面であるｃ面以外の面、すなわち、無極性面または半極性面を主面とする。したがって、この窒化ガリウム半導体層を用いて発光デバイスを作製すれば、強く偏光した光を取り出すことができる。しかも、窒化ガリウム半導体の結晶性が良好であるので、理論的に予測された性能を損なわずに、高い外部量子効率を実現できる。
請求項２記載の発明は、前記窒化ガリウム半導体成長工程が、複数の窒化ガリウム半導体層を前記Ｖ／III比が１０００以上の条件を用いて積層成長させる工程を含む、請求項１記載の窒化物半導体製造方法である。
請求項３記載の発明は、前記窒化ガリウム半導体成長工程が、前記Ｖ／III比が３０００以上の条件を用いて窒化ガリウム半導体を成長させる工程である、請求項１または２記載の窒化物半導体製造方法である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
請求項４記載の発明は、少なくとも窒素原料ガスを前記窒化ガリウム単結晶基板に供給しながら、当該窒化ガリウム単結晶基板の温度を１０００℃〜１１００℃まで上昇させる工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法である。
この発明によれば、窒素原料ガスを供給しながら基板温度を１０００℃〜１１００℃まで昇温でき、基板表面の荒れを抑制しつつ、その後の窒化ガリウム半導体結晶成長を行える。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
請求項５記載の発明は、前記窒化ガリウム半導体成長工程が、Ｎ型層およびＰ型層を有する積層構造を成長する工程を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法である。
この発明により、Ｎ型層およびＰ型層を有する電子デバイスを作製することができる。とくに、発光層を有する発光デバイスを作製すれば、優れた外部量子効率で偏光発光が可能なデバイスを実現できる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項６記載の発明は、前記窒化ガリウム単結晶基板の主面は、無極性（ノンポーラ）面または半極性（セミポーラ）面であり、それぞれの面方位からのオフ角が±１°以内の面である、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法である。
この発明では、窒化ガリウム単結晶基板の主面のオフ角が、ノンポーラ面の面方位に対して±１°以内、またはセミポーラ面の面方位に対して±１°以内となっていることにより、より確実に無転位で平坦な窒化ガリウム半導体結晶を成長させることができる。
請求項７記載の発明は、前記窒化ガリウム単結晶基板の主面がｍ面である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の窒化物半導体製造方法である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。この発光ダイオードは、ＧａＮ（窒化ガリウム）単結晶基板１上にIII族窒化物半導体層としてのＧａＮ半導体層２を成長させて構成されている。ＧａＮ半導体層２は、ＧａＮ単結晶基板１側から順に、Ｎ型コンタクト層２１、発光層としての量子井戸（ＱＷ：Quantum Well）層２２、ＧａＮファイナルバリア層２５、Ｐ型電子阻止層２３、およびＰ型コンタクト層２４を積層した積層構造を有している。Ｐ型コンタクト層２４層の表面には、透明電極としてのアノード電極３が形成されており、さらに、このアノード電極３の一部には、配線接続のための接続部４が接合されている。また、Ｎ型コンタクト層２１には、カソード電極５が接合されている。こうして、発光ダイオード構造が形成されている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
このようにして得られるＧａＮ単結晶基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって、発光ダイオード（ＬＥＤ）構造が成長させられる。
図３は、ＧａＮ半導体層２を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。処理室３０内に、ヒータ３１を内蔵したサセプタ３２が配置されている。サセプタ３２は、回転軸３３に結合されており、この回転軸３３は、処理室３０外に配置された回転駆動機構３４によって回転されるようになっている。これにより、サセプタ３２に処理対象のウエハ３５を保持させることにより、処理室３０内でウエハ３５を所定温度に昇温することができ、かつ、回転させることができる。ウエハ３５は、前述のＧａＮ単結晶基板１を構成するＧａＮ単結晶ウエハである。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
【図１】この発明の一実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解的な断面図である。
【図２】III族窒化物半導体の結晶構造のユニットセルを表した図解図である。
【図３】ＧａＮ半導体層を構成する各層を成長させるための処理装置の構成を説明するための図解図である。
【図４Ａ】本願発明者によるデバイス作製例を示す電子顕微鏡写真であり、ａ面に層断面を示す。
【図４Ｂ】本願発明者によるデバイス作製例を示す電子顕微鏡写真であり、ａ面に層断面を拡大して示す。
【図４Ｃ】本願発明者によるデバイス作製例を示す光学顕微鏡写真であり、ＧａＮ半導体層の表面を示す。
【図５】オフ角を２°としたｍ面ＧａＮ単結晶基板上にＧａＮ半導体層を成長した場合の表面の状態を撮影した光学顕微鏡写真である。
【図６】この実施形態の構成の発光ダイオード素子について、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）特性を測定した結果を示す。
【図７】前記発光ダイオード素子における、種々の駆動電流に対するＥＬスペクトルが示されている。
【図８】この発明の第２の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。
【図９】この発明の第３の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。
【図１０】この発明の第４の実施形態に係る発光ダイオードの構造を説明するための図解図である。