(57)【要約】【課題】ｃ面以外の成長主面を持ち、かつ結晶欠陥が少ないIII族窒化物半導体層を有する窒化物半導体積層構造およびその製造方法、ならびにそのような窒化ガリウム半導体積層構造を備えた窒化物半導体装置を提供する。【解決手段】ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面（たとえばｍ面）を持つ。このＧａＮ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。ＧａＮ半導体基板１の主面には、ｃ面に平行なストライプ状に複数の凸条６０が形成されている。この凸条６０の−ｃ軸側側面６２に沿って、ｃ面に平行な成長規制面６６を有するマスク６０が形成されている。Ｎ型コンタクト層２１は、マスク６０の間の領域から当該マスクを覆うように、＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によって形成されたものである。【選択図】図１
2008153286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｃ面以外の主面を有する半導体層と、
この半導体層上にｃ面と平行なストライプ状に形成され、ｃ面に平行な成長規制面を有するとともに、III-Ｖ族半導体以外の材料からなるマスクと、
このマスクの間の領域から当該マスクを覆うように、＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によって形成され、ｃ面以外の主面を持つIII族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体積層構造。
【請求項２】
前記半導体層の主面にストライプパターンの凸部が形成されており、当該半導体層の凸部の−ｃ軸側側面に沿って、前記マスクが配置されている、請求項１記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項３】
前記凸部が前記半導体層の主面を凹凸状に加工して形成されたものである、請求項２記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項４】
前記凸部が前記半導体層の平坦な主面にIII族窒化物半導体からなる凸部を付加して形成されたものである、請求項２記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項５】
前記マスクは、前記半導体層の平坦な主面に形成された断面Ｌ字形または断面逆Ｔ字形の帯状部を含む、請求項１記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項６】
前記半導体層がｃ面以外の主面を有する基板を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項７】
前記半導体層が、前記基板上に形成され、ｃ面以外の成長主面を有するIII族窒化物半導体層を含む、請求項６記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項８】
前記III族窒化物半導体層の主面が、無極性面または半極性面である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項９】
前記マスクが、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層構造。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層構造と、
前記III族窒化物半導体層上に形成され、不純物をドープして導電型を制御した複数のIII族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体装置。
【請求項１１】
ｃ面以外の主面を有する半導体層上に、ｃ面に平行な成長規制面を有するIII-Ｖ族半導体以外の材料からなるマスクを、ｃ面と平行なストライプ状に形成するマスク形成工程と、
前記ストライプ状のマスクの間の領域から、＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によってIII族窒化物半導体を成長させ、当該マスクを覆うとともに、ｃ面以外の主面を持つIII族窒化物半導体層を形成する工程とを含む、窒化物半導体積層構造の製造方法。
【請求項１２】
前記III族窒化物半導体層を形成する工程が、ハイドライド気相成長法、有機金属化学気相成長法または分子線エピタキシー法によって行われる、請求項１１記載の窒化物半導体積層構造の製造方法。
【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）などの窒化物半導体装置、およびこのような窒化物半導体装置の作製に適用することができる窒化物半導体積層構造、ならびに窒化物半導体積層構造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）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、ｍ面（１０−１０）もしくはａ面（１１−２０）などの無極性面または（１０−１１）（１０−１３）もしくは（１１−２２）などの半極性面上に、ＧａＮ半導体を成長させると、横方向または斜め方向に（０００−１）面などのＮ極性面（−ｃ面）が形成され、ＧａＮ半導体成長層に多くの積層欠陥が入ってしまう。
このように結晶欠陥の多い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】
【０００７】
この発明の目的は、ｃ面以外の成長主面を持ち、かつ結晶欠陥が少ないIII族窒化物半導体層を有する窒化物半導体積層構造およびその製造方法、ならびにそのような窒化ガリウム半導体積層構造を備えた窒化物半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、ｃ面以外の主面を有する半導体層と、この半導体層上にｃ面と平行なストライプ状に形成され、ｃ面に平行な成長規制面（−ｃ軸方向への成長を規制する成長規制面）を有するとともに、III-Ｖ族半導体以外の材料からなるマスクと、このマスクの間の領域から当該マスクを覆うように、＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によって形成され、ｃ面以外の主面を持つIII族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体積層構造である。
【０００９】
この構成によれば、ストライプ状のマスクは、ｃ面に平行な成長規制面を有しているので、マスク間の領域にIII族窒化物半導体層を横方向選択成長させる際に、−ｃ軸方向への結晶成長を抑制できる。これにより、Ｎ極性面（−ｃ面）の形成を抑制し、Ｇａ極性面（＋ｃ面）のみを選択的に成長させることができるので、III族窒化物半導体層は、結晶欠陥の少ない良好なものとなる。よって、このような半導体積層構造を用いることによって、優れた特性の窒化物半導体デバイスを実現できる。たとえば、発光デバイスを作製した場合に、外部量子効率を高めることができ、優れた発光特性を実現できる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、前記半導体層の主面にストライプパターンの凸部が形成されており、当該半導体層の凸部の−ｃ軸側側面に沿って、（好ましくは、当該凸部よりも高い）前記マスクが配置されている、請求項１記載の窒化物半導体積層構造である。
前記ストライプパターンの凸部は、ストライプパターンのマスクに対応して、ｃ面と平行なストライプ状をなす。この凸部の−ｃ軸側側面がマスクによって覆われている。マスクの表面において、凸部の−ｃ軸側側面を覆う表面は、当該凸部から−ｃ軸方向への結晶成長を規制する成長規制面となる。このような構成によって、マスク間の領域に成長させられたIII族窒化物半導体層は、凸部の＋ｃ軸側側面から＋ｃ軸方向へと異方的に成長させて得られた半導体層となり、良好な結晶性を持つ。
【００１１】
前記マスクは、凸部よりも高く形成されて、当該凸部の−ｃ軸側側面から突出していることが好ましい。この場合、その突出部分における＋ｃ軸側の表面もまた成長規制面となる。すなわち、このような構成によって、マスク間の領域に成長させられたIII族窒化物半導体層は、凸部の＋ｃ軸側側面から＋ｃ軸方向へと異方的に成長させられるととともに、凸部の上方でも、マスクの成長規制面によって−ｃ軸方向への成長を規制しつつ、＋ｃ軸方向への異方成長によって得られた層となる。したがって、このようなIII族窒化物半導体層は、良好な結晶性を持つ。
【００１２】
請求項３に記載されているように、前記凸部は、前記半導体層の主面を凹凸状に加工して形成されたものであってもよい。
また、請求項４に記載されているように、前記凸部が前記半導体層の平坦な主面にIII族窒化物半導体からなる凸部を付加して形成されたものであってもよい。
さらにまた、請求項５に記載されているように、前記マスクは、前記半導体層の平坦な主面に形成された断面Ｌ字形または断面逆Ｔ字形の帯状部を含むものであってもよい。
【００１３】
この場合には、断面Ｌ字形またはＴ字形帯状部の間から露出する半導体層の表面をシードとした結晶成長によってIII族窒化物半導体層が形成されることになる。この場合、帯状部間における半導体層の露出部が、帯状部間の中間位置よりも−ｃ軸方向寄りの位置にあって、マスクの成長規制面（＋ｃ軸側の面）の近くに位置していることが好ましい。これにより、−ｃ軸方向への結晶成長をマスクの成長規制面によって効果的に抑制できるので、III族窒化物半導体層は、その結晶性が優れたものとなる。
【００１４】
請求項６に記載されているように、前記半導体層は、ｃ面以外の主面を有する基板を含むものであってもよい。そして、この基板の表面にマスクが形成されていて、III族窒化物半導体層は、基板の表面から成長させられたものであってもよい。
また、請求項７に記載されているように、前記半導体層が、前記基板上に形成され、ｃ面以外の成長主面を有するIII族窒化物半導体層を含むものであってもよい。この場合には、III族窒化物半導体層の表面にマスクが形成されていて、III族窒化物半導体層は当該III族窒化物半導体層の表面から成長させられたものであってもよい。
【００１５】
前記基板としては、サファイア基板（たとえば、ｒ面を主面とするもの）、炭化シリコン基板（たとえばｍ面を主面とするもの）、窒化ガリウム基板（たとえば、ａ面またはｍ面を主面とするもの）などを用いることができる。
これらと組み合わせられるIII族窒化物半導体層としては、その成長主面がａ面またはｍ面のものを例示できる。より具体的には、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮ層を形成したり、ｍ面炭化シリコン基板上にｍ面ＧａＮ層を形成したり、ａ面窒化ガリウム基板上にａ面ＧａＮ層を形成したり、ｍ面窒化ガリウム基板上にｍ面ＧａＮ層を形成したりすればよい。
【００１６】
そして、請求項８に記載されているように、前記III族窒化物半導体層の主面が、無極性面または半極性面であってもよい。III族窒化物半導体層の主面の面方位は、半導体層の主面の面方位に従うことになる。
請求項９に記載されているように、前記マスクは、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化窒化シリコンを含むものであることが好ましい。
【００１７】
請求項１０記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の窒化物半導体積層構造と、前記III族窒化物半導体層上に形成され、不純物をドープして導電型を制御した複数のIII族窒化物半導体層とを含む、窒化物半導体装置である。これにより、ダイオードやトランジスタなどの半導体デバイスを構成することができる。
請求項１１記載の発明は、ｃ面以外の主面を有する半導体層上に、ｃ面に平行な成長規制面（−ｃ軸方向への成長を規制する成長規制面）を有するIII-Ｖ族半導体以外の材料からなるマスクを、ｃ面と平行なストライプ状に形成するマスク形成工程と、前記ストライプ状のマスクの間の領域から、＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によってIII族窒化物半導体を成長させ、当該マスクを覆うとともに、ｃ面以外の主面を持つIII族窒化物半導体層を形成する工程とを含む、窒化物半導体積層構造の製造方法である。
【００１８】
この方法によれば、マスクの成長規制面によって−ｃ軸方向への結晶成長を抑制しながら＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によってIII族窒化物半導体層を成長させることができる。これにより、Ｎ極性面（−ｃ面）の成長を抑制できるから、すぐれた結晶性のIII族窒化物半導体層を形成できる。
請求項１２に記載されているように、前記III族窒化物半導体層を形成する工程は、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法または分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法によって行われることが好ましい。
【００１９】
その他、窒化物半導体積層構造の製造方法に関しても、窒化物半導体積層構造の発明の場合と同様な変形が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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）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。
【００２１】
ＧａＮ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。
【００２２】
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。より具体的には、Ｎ型コンタクト層２１は、ＧａＮ基板１上（またはＡｌＮ層８上）に結晶成長させられたＮ型ＧａＮ半導体からなる。
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。
【００２３】
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。
【００２４】
アノード電極３は、ＮｉとＡｕ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。
カソード電極は、ＴｉとＡｌ層とから構成される膜である。
ＧａＮ基板１は、ｃ面以外の主面を有するＧａＮ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。ＧａＮ基板１の主面には、凹凸加工が施されており、所定間隔で平行に形成された複数本の凸条６０がｃ面に平行なストライプ状に形成されている。各凸条６０は、断面が矩形であり、一方の側面は、ＧａＮ基板１の＋ｃ軸方向に向いた＋ｃ軸側側面６１であり、他方の側面はＧａＮ基板１の−ｃ軸方向に向いた−ｃ軸側側面６２である。これらの側面６１，６２の間には、ＧａＮ基板１の主面と平行な頂面６３が形成されている。
【００２５】
各凸条６０の−ｃ軸側側面６２は、帯状のマスク６５で覆われている。したがって、マスク６５は、ＧａＮ基板１の主面上においてｃ面に平行なストライプ状に形成されている。マスク６５は、この例では、断面矩形に形成されており、凸条６０の−ｃ軸側側面６２の全域を覆っている。また、マスク６５は、凸条６０よりも高く形成されており、−ｃ軸側側面６２の上方に突出している。このマスク６５の表面において、＋ｃ軸方向を向いた表面が成長規制面６６をなす。すなわち、成長規制面６６は、凸条６０の−ｃ軸側側面６２を覆う部分と、凸条６０の上方に突出した部分とを有する。
【００２６】
Ｎ型コンタクト層２１は、ストライプ状のマスク６５間の領域において露出したＧａＮ基板１の表面からエピタキシャル成長させて得られたものであり、成長規制面６６の働きによって、−ｃ軸方向への結晶成長を抑制しつつ、＋ｃ軸方向への異方的な選択横方向成長によって形成されたものである。そのため、Ｎ極性面（−ｃ面）の形成が抑制されているので、すぐれた結晶性を有している。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）構造を成長させることができる。
図３は、Ｎ型コンタクト層２１の形成方法を工程順に示す断面図である。
まず、ｍ面（１０−１０）（またはａ面（１１−２０））を主面とするＧａＮ基板１の当該主面に、エッチング処理によって凹凸加工が施され、複数本の凸条６０がストライプ状に形成される（図３(a)）。そして、各凸条６０の−ｃ軸側側面６２を覆うようにストライプ状パターンのマスク６５が形成される（図３(b)）。マスク６５は、たとえば、酸化シリコン、窒化シリコンまたは酸化窒化シリコンで構成することができる。このような材料の膜をＧａＮ基板１の全面に形成した後、フォトリソグラフィ技術によって、マスク６５のパターンに対応するレジストパターンを基板１上に形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとしてエッチングを行うことによって、ストライプ状のマスク６５を形成できる。
【００３０】
この後、ＭＯＣＶＤ法によって、シリコンをドープしながら、ｃ面が成長しやすい条件でＧａＮ半導体をＧａＮ基板１上に成長させることにより、マスク６５間の領域からマスク６５の上方を覆うＮ型コンタクト層２１を形成することができる。
ＧａＮ半導体２０は、凸条６０の頂面６３および＋ｃ軸側側面６１、ならびに凸条６０とマスク６５との間のＧａＮ基板１表面をシードとして結晶成長する（図３(c)）。このとき、ｃ面が成長しやすい条件で結晶成長を行うので、＋ｃ軸側側面６１からの横方向選択成長が進行する。その一方で、凸条６０の−ｃ軸側側面６２はマスク６５の成長規制面６６によって覆われており、さらに、成長規制面６５は凸条６０よりも高い位置まで延びているので、−ｃ軸方向への結晶成長が抑制される。これにより、＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長が進行することになる。この横方向選択成長によってマスク６５間の領域が埋め尽くされると、ＧａＮ半導体２０は、マスク６５の上方の領域を覆うように成長する。こうして、Ｎ型コンタクト層２１が得られる（図３(d)）。なお、図３(c)および図３(d)においては、ＧａＮ半導体２０の結晶成長の様子を表すために、成長途中の結晶の表面形状を段階的に示してある。
【００３１】
このＮ型コンタクト層２１は、Ｎ極面（−ｃ面）の形成が抑制された状態で結晶成長させて得られるため、結晶欠陥密度が低く、良好な結晶性を有することになる。Ｎ型コンタクト層２１の主面の面方位は、ＧａＮ基板１の主面の面方位に従う。すなわち、ＧａＮ基板１の主面がｍ面なら、Ｎ型コンタクト層２１の主面もｍ面であり、ＧａＮ基板１の主面がａ面なら、Ｎ型コンタクト層２１の主面もａ面である。
【００３２】
このＮ型コンタクト層２１の上にさらにエピタキシャル成長させられる各層２２〜２５もまた、Ｎ型コンタクト層２１と同じ主面を有することになる。
図４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基板１を構成する、たとえば、ＧａＮ単結晶ウエハである。このウエハ３５の主面には、ストライプパターンの凸条６０と、同じくストライプパターンのマスク６５とが形成されている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
ウエハ温度が１０００℃〜１１００℃に達するまで待機した後、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、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。
【００３６】
このＮ型コンタクト層２１の成長過程においては、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、１０００〜１００００の範囲内の値（たとえば、３０００）となるように、窒素原料ガスとガリウム原料ガスとの各流量が設定される。これにより、ｃ面の成長が促進される条件となり、ＧａＮ基板１上において、ＧａＮ半導体の横方向選択成長を行わせることができる。
【００３７】
Ｎ型コンタクト層２１を形成した後には、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
前述のとおり、この実施形態では、Ｎ型コンタクト層２１は、−ｃ軸方向への結晶成長を抑制し、＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によって形成される。そのため、Ｎ型コンタクト層２１は、結晶欠陥が少なくなり、それに応じて、Ｎ型コンタクト層２１上に形成される各層２２〜２４の欠陥密度も抑制される。これにより、非発光再結合を抑制して、発光効率を向上することができる。
【００４３】
図５は、Ｎ型コンタクト層２１の第２の形成工程を説明するための断面図である。この例では、ｍ面を主面（この例では平坦な表面）とするＧａＮ基板１上にｍ面を主面とするＧａＮ半導体層６９がエピタキシャル成長させられている。このＧａＮ半導体層６９の表面には、エッチング処理によって凹凸加工が施されており、これにより、複数本の凸条７０がストライプ状に形成されている。複数本の凸条７０は、所定の間隔を開けて平行に形成されており、その形成方向は、ｃ面に平行とされている。各凸条７０は、断面が矩形に形成されており、＋ｃ軸側側面７１と、−ｃ軸側側面７２と、これらの側面７１，７２間の頂面７３とを有している。
【００４４】
各凸条７０の−ｃ軸側側面７２に沿って、断面矩形の帯状のマスク７５が形成されている。したがって、帯状のマスク７５は、ＧａＮ半導体層６９の主面上にストライプ状に複数本形成されている。各帯状のマスク７５の延在方向は、ｃ面に平行である。マスク７５は、凸条７０よりも上方に突出する高さに形成されている。マスク７５の＋ｃ軸側側面は、成長規制面７６である。この成長規制面７６は、凸条７０の−ｃ軸側側面７２を覆い、この側面７２からの結晶成長を規制するとともに、凸条７０の上方においても、−ｃ軸方向への結晶成長を規制する。マスク７５の形成は、フォトリソグラフィ工程によって行われる。
【００４５】
マスク７５の形成の後、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型コンタクト層２１が形成される。この形成方法は、前述の場合と同様である。この場合に、Ｎ型コンタクト層２１を構成するＧａＮ半導体の結晶は、主として、凸条７０の＋ｃ軸側側面７１からの＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によって形成されることになる。図５には、ＧａＮ半導体の結晶成長の様子を表すために、成長途中の結晶の表面形状を段階的に示してある。
【００４６】
凸条７０の頂面７３までの領域では、マスク７５の成長規制面７６が凸条７０の−ｃ軸側側面７２を覆っていることより、−ｃ軸側への結晶成長が規制される。そして、凸条７０の上方の領域でも、−ｃ軸方向への結晶成長が、マスク７５の成長規制面７６の働きによって抑制される。こうして、Ｎ極性面（−ｃ面）の形成を抑制しつつ、ＧａＮ半導体を結晶成長させてＮ型コンタクト層２１を形成できる。したがって、Ｎ型コンタクト層２１は、欠陥密度の低い良好な結晶性を有することになる。
【００４７】
図６は、Ｎ型コンタクト層２１の第３の形成工程を説明するための断面図である。この例では、平坦な主面（ｍ面）を有するＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体を付加することによって、複数本の凸条８０が形成されている。この複数本の凸条８０は、ＧａＮ半導体基板１上にＧａＮ半導体層をエピタキシャル成長させ、このＧａＮ半導体層を、ＧａＮ半導体基板１が露出するまで、ストライプパターンにエッチングすることによって得ることができる。
【００４８】
凸条８０の延在方向は、ｃ面に平行である。凸条８０は、断面矩形に形成されており、＋ｃ軸側側面８１と、−ｃ軸側側面８２と、これらの間の頂面８３とを有している。
各凸条８０の−ｃ軸側側面８２に沿って、断面矩形の帯状のマスク８５が形成されている。したがって、帯状のマスク８５は、ＧａＮ基板１の主面上にストライプ状に複数本形成されている。各帯状のマスク８５の延在方向は、ｃ面に平行である。マスク８５は、凸条８０よりも上方に突出する高さに形成されている。マスク８５の＋ｃ軸側側面は、成長規制面８６である。この成長規制面８６は、凸条８０の−ｃ軸側側面８２を覆い、この側面８２からの結晶成長を規制するとともに、凸条８０の上方においても、−ｃ軸方向への結晶成長を規制する。マスク８５の形成は、フォトリソグラフィ工程によって行われる。
【００４９】
マスク８５の形成の後、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型コンタクト層２１が形成される。この形成方法は、前述の場合と同様である。この場合に、Ｎ型コンタクト層２１を構成するＧａＮ半導体結晶は、主として、凸条８０の＋ｃ軸側側面８１からの＋ｃ軸方向への異方的な横方向選択成長によって形成される。図６には、ＧａＮ半導体の結晶成長の様子を表すために、成長途中の結晶の表面形状を段階的に示してある。
【００５０】
凸条８０の頂面８３までの領域では、マスク８５の成長規制面８６が凸条８０の−ｃ軸側側面８２を覆っていることより、−ｃ軸側への結晶成長が規制される。そして、凸条８０の上方の領域でも、−ｃ軸方向への結晶成長が、マスク８５の成長規制面８６の働きによって抑制される。こうして、Ｎ極性面（−ｃ面）の形成を抑制しつつＧａＮ半導体を結晶成長させることができるので、Ｎ型コンタクト層２１は、欠陥密度の低い良好な結晶性を有することになる。
【００５１】
図７は、Ｎ型コンタクト層２１の第４の形成工程を説明するための断面図である。この例では、ＧａＮ基板１の主面（ｍ面）は平坦であり、この平坦な主面上に断面Ｌ字形の複数本の帯状マスク９０がストライプ状に形成されている。マスク９０の延在方向は、ｃ面に平行である。各マスク９０は、ＧａＮ基板１の主面に平行な底部９１と、この底部９１の＋ｃ軸側側縁から立ち上がった成長規制壁９２とを有している。この成長規制壁９２の＋ｃ軸側側面が成長規制面９３である。底部９１の−ｃ軸側側縁と成長規制面９３との間の帯状領域において、ＧａＮ基板１が露出している。この露出部９５がＧａＮ半導体結晶（Ｎ型コンタクト層２１）を成長させるときのシードとなる。
【００５２】
マスク８５の形成は、フォトリソグラフィ工程によって行われる。より具体的には、まず、底部９１をフォトリソグラフィで形成し、この底部９１の＋ｃ軸側側縁上に成長規制壁９２を、やはりフォトリソグラフィで形成すればよい。
マスク８５の形成の後、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型コンタクト層２１が形成される。この場合に、Ｎ型コンタクト層２１を構成するＧａＮ半導体結晶は、まず、露出部９５からの縦方向選択成長によって、マスク９０の底部９１から突出する状態まで成長させられる。その後は、横方向選択成長によって、＋ｃ軸方向への異方的な成長が行われる。−ｃ軸側への結晶成長は、マスク９０の成長規制面９３の働きによって抑制される。ＧａＮ半導体結晶がマスク９０の上端まで達した後にさらに結晶成長を継続することによって、マスク９０を覆う領域に至るＮ型コンタクト層２１が形成される。こうして、Ｎ極性面（−ｃ面）の形成を抑制しつつＧａＮ半導体を結晶成長させることができるので、Ｎ型コンタクト層２１は、欠陥密度の低い良好な結晶性を有することになる。
【００５３】
図８は、Ｎ型コンタクト層２１の第５の形成工程を説明するための断面図である。この図８において、前述の図７に示された各部に対応する部分には、図７の場合と同一の参照符号を付して示す。この例では、ＧａＮ基板１の主面（ｍ面）は平坦であり、この平坦な主面上にＧａＮ半導体層８９がエピタキシャル成長させられている。このＧａＮ半導体層８９の主面（ｍ面）は平坦面であり、この主面上に断面Ｌ字形の複数本の帯状マスク９０がストライプ状に形成されている。マスク９０の延在方向は、ｃ面に平行である。各マスク９０は、ＧａＮ半導体層８９の主面に平行な底部９１と、この底部９１の＋ｃ軸側側縁から立ち上がった成長規制壁９２とを有している。この成長規制壁９２の＋ｃ軸側側面が成長規制面９３である。底部９１の−ｃ軸側側縁と成長規制面９３との間の帯状領域において、ＧａＮ半導体層８９が露出している。その露出部９６がＧａＮ半導体結晶（Ｎ型コンタクト層２１）を成長させるときのシードとなる。
【００５４】
マスク８５の形成の後、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型コンタクト層２１が形成される。この場合に、Ｎ型コンタクト層２１を構成するＧａＮ半導体結晶は、まず、露出部９６からの縦方向選択成長によって、マスク９０の底部９１から突出する状態まで成長させられる。その後は、横方向選択成長によって、＋ｃ軸方向への異方的な成長が行われる。−ｃ軸側への結晶成長は、マスク９０の成長規制面９３の働きによって抑制される。ＧａＮ半導体結晶がマスク９０の上端まで達した後にさらに結晶成長を継続することによって、マスク９０を覆う領域に至るＮ型コンタクト層２１が形成される。こうして、Ｎ極性面（−ｃ面）の形成を抑制しつつＧａＮ半導体を結晶成長させることができるので、Ｎ型コンタクト層２１は、欠陥密度の低い良好な結晶性を有することになる。
【００５５】
図９は、Ｎ型コンタクト層２１の第６の形成工程を説明するための断面図である。この図９において、前述の図８に示された各部と同等の部分には同一の参照符号を付して示す。この例では、この例では、ＧａＮ半導体層８９の平坦な主面（ｍ面）上に、断面逆Ｔ字形の複数本の帯状マスク１００がストライプ状に形成されている。マスク１００の延在方向は、ｃ面に平行である。各マスク１００は、ＧａＮ半導体層８９の主面に平行な底部１０１と、この底部１０１の＋ｃ軸側側縁寄りの位置から立ち上がった成長規制壁１０２とを有している。この成長規制壁１０２の＋ｃ軸側側面が成長規制面１０３である。隣接するマスク１００間には、一方のマスク１００における底部１０１の−ｃ軸側側縁と、他方のマスク１００における底部１０１の＋ｃ軸側側縁との間の帯状領域において、ＧａＮ半導体層８９が露出している。その露出部９６がＧａＮ半導体結晶（Ｎ型コンタクト層２１）を成長させるときのシードとなる。
【００５６】
マスク１００の形成は、フォトリソグラフィ工程によって行われる。より具体的には、まず、底部１０１をフォトリソグラフィで形成し、この底部１０１の＋ｃ軸側側縁寄りの位置に、フォトリソグラフィによって成長規制壁１０２を形成すればよい。
マスク１００の形成の後、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｎ型コンタクト層２１が形成される。この場合に、Ｎ型コンタクト層２１を構成するＧａＮ半導体結晶は、まず、露出部９６からの縦方向選択成長によって、マスク１００の底部１０１から突出する状態まで成長させられる。その後は、横方向選択成長によって、＋ｃ軸方向への異方的な成長が行われる。−ｃ軸側への結晶成長は、マスク１００の成長規制面１０３の働きによって抑制される。ＧａＮ半導体結晶がマスク１００の上端まで達した後にさらに結晶成長を継続することによって、マスク１００を覆う領域に至るＮ型コンタクト層２１が形成される。こうして、Ｎ極性面（−ｃ面）の形成を抑制しつつＧａＮ半導体を結晶成長させることができるので、Ｎ型コンタクト層２１は、欠陥密度の低い良好な結晶性を有することになる。
【００５７】
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。
【００５８】
また、前述の実施形態では、主としてｍ面を主面とするＧａＮ基板１を用いた例について説明したが、ａ面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。また、（１０−１１）面、（１０−１３）面、（１１−２２）などといったセミポーラ面を主面とするＧａＮ基板を用いてもよい。
また、前述の例では、ＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体層やＧａＮ半導体層２を再成長させた例について説明したが、たとえば、ｍ面を主面とした炭化シリコン基板上に、成長主面をｍ面としたＧａＮ半導体を成長させるようにしてもよいし、ｒ面を主面とするサファイア基板上にａ面を主面とするＧａＮ半導体を成長させるようにしてもよい。
【００５９】
さらに、前述の実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によってＧａＮ基板１上にＧａＮ半導体をエピタキシャル成長させる例について説明したが、ＨＶＰＥ法やＭＢＥ法などの他のエピタキシャル成長法が適用されてもよい。
また、前述の図３、図５および図６の例では、凸条６０，７０，８０よりもマスク６５，７５，８５が高く形成される例について説明したが、凸条６０，７０，８０と同程度の高さにマスク６５，７５，８５を形成してもよい。この場合でも、凸条６０，７０，８０の−ｃ軸側側面６２，７２，８２からの−ｃ軸方向への結晶成長を規制することができる。
【００６０】
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】
【００６１】
【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】Ｎ型コンタクト層の形成方法を工程順に示す断面図である。
【図４】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５】Ｎ型コンタクト層の第２の形成工程を説明するための断面図である。
【図６】Ｎ型コンタクト層の第３の形成工程を説明するための断面図である。
【図７】Ｎ型コンタクト層の第４の形成工程を説明するための断面図である。
【図８】Ｎ型コンタクト層の第５の形成工程を説明するための断面図である。
【図９】Ｎ型コンタクト層の第６の形成工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１    ＧａＮ基板
２    ＧａＮ半導体層
３    アノード電極
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
２０    ＧａＮ半導体
２１    Ｎ型コンタクト層
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
６０    凸条
６１    ＋ｃ軸側側面
６２    −ｃ軸側側面
６３    頂面
６５    マスク
６５    成長規制面
６６    成長規制面
６９    ＧａＮ半導体層
７０    凸条
７１    ＋ｃ軸側側面
７２    −ｃ軸側側面
７３    頂面
７５    マスク
７６    成長規制面
８０    凸条
８１    ＋ｃ軸側側面
８２    −ｃ軸側側面
８３    頂面
８５    マスク
８６    成長規制面
８９    ＧａＮ半導体層
９０    マスク
９１    底部
９２    成長規制壁
９３    成長規制面
９５    露出部
９６    露出部
１００    マスク
１０１    底部
１０２    成長規制壁
１０３    成長規制面
【図１】
2008153286.tif 000003
【図２】
2008153286.tif 000004
【図３】
2008153286.tif 000005
【図４】
2008153286.tif 000006
【図５】
2008153286.tif 000007
【図６】
2008153286.tif 000008
【図７】
2008153286.tif 000009
【図８】
2008153286.tif 000010
【図９】
2008153286.tif 000011