(57)【要約】【課題】大面積の低転位領域を有するIII族窒化物自立基板を提供する。【解決手段】サファイア基板１０００上にＧａＮ膜１００２が設け、その上に、マスク幅の異なる複数のマスク１００３を形成する。ＧａＮ膜１００２の表面からマスク１００３の開口部を介して厚膜のＧａＮ層１００４が成長させ、結晶成長用基板とする。ＧａＮ層１００４は、マスク１００３の開口部から成長した小ファセット構造１００７と、小ファセット構造１００７が合体することにより形成される巨大ファセット構造１００８とを含む。ＧａＮ層１００４には、図中矢線で示した多くの転位が含まれており、これらの転位は、小ファセット構造１００７および巨大ファセット構造１００８によって転位の進行方向が曲げられ、この結果、ＧａＮ層１００４表面に到達する転位１００６は、ＧａＮ膜１００２表面付近に存在する転位よりも大幅に低減される。【選択図】        図１２
2004193371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
III族窒化物半導体層を含む自立基板であって、基板水平面に対して斜めに位置するファセット面を側面とするファセット構造を含み、該ファセット構造を覆うように前記III族窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする自立基板。
【請求項２】
請求項１に記載の自立基板において、
前記ファセット構造がストライプ形状を有することを特徴とする自立基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の自立基板において、
前記ファセット構造のストライプ幅が２０μｍ以上であることを特徴とする自立基板。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の自立基板において、
前記ファセット構造は、そのファセット構造よりも小さい複数の小ファセット構造を内包することを特徴とする自立基板。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の自立基板において、
前記ファセット構造は、底辺が２０μｍ以上の三角形または台形の断面形状を有することを特徴とする自立基板。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の自立基板において、
複数の前記ファセット構造が、前記ストライプ方向と垂直な方向に周期的に形成されていることを特徴とする自立基板。
【請求項７】
基材と、該基材の上部に形成されたIII族窒化物半導体層と、を備え、前記III族窒化物半導体層中において前記基材から上部に向かって伝播する転位が、前記基材と略水平な方向に複数回折れ曲がっていることを特徴とする自立基板。
【請求項８】
III族窒化物半導体層を含む自立基板であって、
表面平均転位密度が１０-6ｃｍ-2未満の低転位密度領域が基板水平面内の一方向に周期的に形成されており、
前記低転位密度領域の幅が２０μｍ以上であり、前記低転位密度領域のチルト角が１度以下であることを特徴とする自立基板。
【請求項９】
請求項８に記載の自立基板において、
前記低転位密度領域に含まれる転位の５０％以上が混合転位からなることを特徴とする自立基板。
【請求項１０】
基材と、該基材の表面に設けられた、所定の開口部を有するマスクパターンと、前記開口部から成長し前記マスクパターンを覆うように形成されたIII族窒化物半導体層と、を備え、
前記マスクパターンは、ストライプ状に延在する複数の第１マスクと、隣接する前記第１マスク間に位置し、前記第１マスクよりも幅の狭い第２マスクと、を含むことを特徴とする自立基板。
【請求項１１】
請求項１０に記載の自立基板において、
前記第１マスクおよび前記第２マスクは、いずれも略同一方向に延在するストライプ形状を有し、前記第２マスクは前記第１マスクの周期よりも小さい周期で形成されていることを特徴とする自立基板。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の自立基板において、
前記第１マスクのストライプ方向が、前記III族窒化物半導体の結晶構造を基準として［１１−２０］方向、［１−１００］方向またはこれらの方向から３０度以内のずれ角をなす方向であることを特徴とする自立基板。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２いずれかに記載の自立基板において、隣接する前記第１マスク間の間隔が２０μｍ以上であることを特徴とする自立基板。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３いずれかに記載の自立基板において、隣接する前記第１マスクによって区画された領域を底辺とするストライプ形状のファセット構造を含むことを特徴とする自立基板。
【請求項１５】
請求項１４に記載の自立基板において、
前記ファセット構造は、そのファセット構造よりも小さい複数の小ファセット構造を内包することを特徴とする自立基板。
【請求項１６】
請求項１乃至１５いずれかに記載の自立基板を基板として用い、該基板上に素子構造を設けたことを特徴とする半導体素子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体素子において、
前記素子構造が、少なくとも活性層を含むレーザ構造であることを特徴とする半導体素子。
【請求項１８】
基材上にIII族窒化物半導体を成長させ、基材水平面に対して斜めに位置するファセット面を側面とする小ファセット構造を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体をさらに成長させ、前記小ファセット構造を内包するストライプ形状のファセット構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の成長方法において、
前記ストライプ形状のファセット構造のストライプ幅が２０μｍ以上であることを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２０】
請求項１８または１９に記載の成長方法において、
前記ストライプ形状のファセット構造は、底辺が２０μｍ以上の三角形または台形の断面形状を有することを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２１】
請求項１８乃至２０いずれかに記載の成長方法において、複数の前記ストライプ形状のファセット構造が、ストライプ方向と垂直な方向に周期的に形成されていることを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２２】
基材表面に、ストライプ状に延在する複数の第１マスクと、隣接する前記第１マスク間に位置し前記第１マスクよりも幅の狭い第２マスクと、を含むマスクパターンを形成する工程と、
該マスクパターンの開口部を成長領域として、基材水平面に対して鋭角をなすファセット面を形成させながら前記基材上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる工程と、
を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の成長方法において、
前記第１マスクおよび前記第２マスクはいずれもストライプ形状を有し、前記第２マスクを、前記第１マスクの周期よりも小さい周期で形成することを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２４】
請求項２２または２３に記載の成長方法において、
前記第１マスクのストライプ方向が、前記III族窒化物半導体の結晶構造を基準として［１１−２０］方向、［１−１００］方向またはこれらの方向から３０度以内のずれ角をなす方向であることを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法。
【請求項２５】
基材上にIII族窒化物半導体層を形成する工程を含む自立基板の製造方法であって、
III族窒化物半導体層を形成する前記工程を、請求項１８乃至２４いずれかに記載の成長方法により行うことを特徴とする自立基板の製造方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の製造方法において、
前記基材は前記III族窒化物半導体と異なる材料からなる異種材料基板を含み、
III族窒化物半導体層を形成する前記工程の後、前記異種材料基板を除去する工程をさらに実施することを特徴とする自立基板の製造方法。
【請求項２７】
請求項１８乃至２４いずれかに記載の成長方法により、基材上にIII族窒化物半導体層を形成する工程と、
前記III族窒化物半導体層上に、さらにIII族窒化物半導体からなる層を積層して素子構造を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、III族窒化物自立基板およびそれを用いた半導体素子ならびにそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いて下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。ところが、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。この結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となることから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する技術が盛んに検討されている。
【０００４】
そのような技術の一つに、結晶成長用の下地層として厚膜のＧａＮ層を用い、この上に素子部を構成する半導体多層膜を形成する技術が知られており、結晶中の転位の少ないＧａＮ下地層を形成する手法として、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術が知られている。ＥＬＯは、マスクにより下地の一部を覆い、下地から垂直に伸びる貫通転位の伝播を妨げる結晶成長方法である。この方法においては、結晶はマスク開口部から横方向に結晶成長していき、最終的にマスク全体を覆う連続膜が形成される。特開平１１−２５１２５３号公報（特許文献１）では、このＥＬＯ技術を用いることにより、ウェーハ表面近傍の結晶欠陥が１×１０5個／ｃｍ2以下のＧａＮ基板が得られたとされている。しかしながら、ＥＬＯを用いた場合、ウェーハ表面の全面にわたって結晶欠陥密度を低減することが困難であった。ＥＬＯでは、マスクの開口部からＧａＮが横方向に選択成長する。マスクの形成されている領域では転位が上部に進行することが妨げられるのであるが、開口部では下地層から転位がそのまま引き継がれ、その上部の領域では多くの貫通転位を含む構造となる。したがって、ＥＬＯによる結晶成長では、たしかに結晶欠陥の少ない部分が形成される一方、貫通転位の多い領域も同時に形成され、ウェーハ表面の全面にわたって結晶欠陥を低減させることは困難であった。上記公報の実施例には、表面近傍の結晶欠陥密度をＴＥＭにより観察したところ１×１０4以下であったと記載されているが、このような結晶欠陥の低い領域が形成される一方、多数の結晶欠陥を含む領域も同時に形成される。実際に「Applied Physics Letter Volume 71 1997 pp.2472-2474」（非特許文献１）には、SiO2マスク上では、ほとんど転位が観察されないが、マスク開口部では108〜109 cm-2の転位が観察されることが報告されている。
【０００５】
一方、本発明者らは、ＥＬＯの手法をさらに発展させたＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）技術を開発している（非特許文献２：「応用物理」（第６８巻、第７号、１９９９年、第７７４頁〜第７７９頁））。この技術は、ＳｉＯ2マスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯと共通するが、その際、マスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝播方向を変え、エピタキシャル成長層の上部に至る貫通転位を低減するものである。この方法を用いることにより、たとえばサファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後下地基板を除去することにより、結晶欠陥の比較的少ない良質のＧａＮ基板を得ることができ、これを利用することにより、従来よりも優れた性能の素子を得ることができる。
特開２００２−３３２８８号公報（特許文献２）には、ＥＬＯの手法を改良した結晶成長方法が記載されている。この公報には、マスク開口部に凹凸部を有する半導体層を露出させ、この層を下地として結晶成長させることにより転位密度の低減を図る技術が開示されている。この文献には、マスク開口部内部に結晶の凹凸を形成し、その凹凸部から結晶成長を開始してマスク上に横方向成長させる方法が開示されている。凹凸部では、横方向成長することで凹部が埋め残され、その部分に空隙が残ることで下地結晶との間に不連続性が生じ、貫通転位が減少するとされている。当該公報の図８および段落００５０〜００５１には、マスク開口部全面を結晶成長を阻害するアンチサーファクタントで覆い、そのピンホール部分から結晶成長させる技術が記載されている。この開口部おいて、はじめはピンホール部分から島状に成長が始まり、さらに成長が進んでマスク上まで延在されるようにＧａＮ層が広がる過程が記載されている。この方法によれば、垂直に伸びる貫通転位が確実に遮断され、転位を低減できることが記載されている。
【０００６】
しかしながら、現在、素子の高性能化の観点から転位の低減についてさらに高い水準が望まれており、上記従来技術はその要請に充分応えるものではなかった。
特許文献１、２に示されるＥＬＯは、マスクで下地を覆うことによって貫通転位の伝播を防止するものであり、マスクの存在しない箇所の上方では高密度の転位が発生する。したがって、素子形成領域として低転位領域を大面積で形成することが困難である。低転位領域を大面積で形成するためにはマスク幅を大きくすることも考えられるが、その場合、結晶軸（ｃ軸）が乱れ、良好な品質の結晶を得ることが困難となる。マスク成長において、マスク幅が大きくなるとｃ軸の配向性が悪化することはよく知られており、たとえば非特許文献３のＦＩＧ．４に記載されている。また、これらの従来技術は、基本的には転位の進行をマスクによって遮断する発想に基づくものであり、ＦＩＬＥＯのように転位を曲げることにより表面へ到達する転位を低減するという概念は含まれていない。
【０００７】
一方、非特許文献２に示されるＦＩＥＬＯは、転位低減に有効であり、素子形成領域として低転位領域を比較的大面積で形成することも可能である。しかしながら、現在望まれているような高い水準の結晶品質を実現するためにはマスク上の結晶層をある程度厚膜にする必要があり、また、低転位領域の大面積化に対する要請に対して必ずしも充分に対応するものではなく、なお改善の余地を有していた。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２５１２５３号公報
【特許文献２】
特開２００２−３３２８８号公報
【非特許文献１】
Applied Physics Letter Volume 71 1997 pp.2472-2474
【非特許文献２】
「応用物理」（第６８巻、第７号、１９９９年、第７７４頁〜第７７９頁）
【非特許文献３】
2nd Intern. Symp. on Blue Laser and Light Emitting Diodes, Chiba, Japan,Sept.29-Oct.2, 1998, P488-491（ＦＩＧ.４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑み、転位が顕著に低減されたIII族窒化物自立基板を提供することを目的とする。また本発明の別の目的は、低転位領域を大面積で形成することにある。また本発明の別の目的は、結晶軸配向性を乱すことなくこうした大面積の低転位領域を形成することにある。また本発明の別の目的は、転位低減のために厚膜の半導体層を成長させることなく、こうした大面積の低転位領域を形成することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、II族窒化物半導体層を含む自立基板であって、基板水平面に対して斜めに位置するファセット面を側面とするファセット構造を含み、該ファセット構造を覆うように前記III族窒化物半導体層が形成されていることを特徴とする自立基板が提供される。
【００１１】
この自立基板は、基板水平面に対して斜めに位置するファセット面によって下地から伝播する転位が折れ曲がるため、III族窒化物半導体層中の転位密度が顕著に低減される。「ファセット構造」とは、基板水平面に対して斜めに位置するファセット面を側面とする多面体構造をいう。ファセット構造とその外部の結晶層は、通常、連続工程で形成され同じ組成の半導体層となっているが、これらは成長速度が異なり、これにともない不純物濃度も相違する。したがって、ファセット構造の輪郭は所定の方法により明瞭に把握することができる。この点については実施の形態の項にて後述する。
【００１２】
また本発明によれば、基材と、該基材の上部に形成されたIII族窒化物半導体層と、を備え、前記III族窒化物半導体層中において前記基材から上部に向かって伝播する転位が、前記基材と略水平な方向に複数回折れ曲がっていることを特徴とする自立基板が提供される。
【００１３】
この自立基板は、複数回基材と平行な方向に折れ曲がっている。転位進行方向が変換されることによって層成長方向へ伝播する転位の数が低減されるため、本発明によれば、顕著な転位低減効果が得られる。従来技術の項で述べたＦＩＥＬＯでは転位の折れ曲がりが一回であったのに対し、本発明の方法は複数回の折れ曲がりが起こるため、転位低減効果が格段に向上する。前述したＦＩＥＬＯでは、非特許文献２の図５の断面ＴＥＭ像に示されるように、水平方向への転位の折れ曲がりは一回のみである。これに対し本発明では複数回の折れ曲がりとすることにより、顕著な転位低減を実現している。
【００１４】
また本発明によれば、III族窒化物半導体層を含む自立基板であって、表面平均転位密度が１０-6ｃｍ-2未満の低転位密度領域が基板水平面内の一方向に周期的に形成されており、前記低転位密度領域の幅が２０μｍ以上であり、前記低転位密度領域のチルト角が１度以下であることを特徴とする自立基板が提供される。
【００１５】
この自立基板では、低転位で結晶配向性の良好な領域が、周期的に、かつ大面積で形成されている。このため、自立基板上に素子形成領域を好適に形成することができる。表面平均転位密度は、後述するようにエッチピットの観察等により測定することができる。低転位密度領域の表面平均転位密度は、好ましくは１０-5ｃｍ-2未満とする。こうすることにより、従来にない優れた性能の発光素子や電子素子を実現することができる。
【００１６】
また本発明によれば、基材と、該基材の表面に設けられた、所定の開口部を有するマスクパターンと、前記開口部から成長し前記マスクパターンを覆うように形成されたIII族窒化物半導体層と、を備え、前記マスクパターンは、ストライプ状に延在する複数の第１マスクと、隣接する前記第１マスク間に位置し、前記第１マスクよりも幅の狭い第２マスクと、を含むことを特徴とする自立基板が提供される。
この自立基板では、第２マスクから成長した小ファセット構造と、隣接する前記第１マスク間に形成され小ファセット構造を内包するファセット構造とが安定的に形成される。このため、低転位で結晶配向性の良好な領域が大面積で形成される。
【００１７】
また本発明によれば、上記いずれかの自立基板を基板として用い、この基板上に素子構造を設けたことを特徴とする半導体素子が提供される。素子構造は、たとえば、少なくとも活性層を含むレーザ構造とすることができる。
【００１８】
また本発明によれば、基材上にIII族窒化物半導体を成長させ、基材水平面に対して斜めに位置するファセット面を側面とする小ファセット構造を形成する工程と、前記III族窒化物半導体をさらに成長させ、前記小ファセット構造を内包するストライプ形状のファセット構造を形成する工程と、を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法が提供される。
【００１９】
この成長方法では、小ファセット構造を内包するストライプ形状のファセット構造を形成する。このため、基材から垂直方向に伝播する転位は、小ファセット構造の側面およびストライプ形状のファセット構造の側面の両方によりその方向が変換される。転位進行方向が変換されることによって層成長方向へ伝播する転位の数が低減されるため、本発明によれば、顕著な転位低減効果が得られる。従来技術の項で述べたＦＩＥＬＯでは転位の折れ曲がりが一回であったのに対し、本発明の方法は複数回の折れ曲がりが起こるため、転位低減効果が格段に向上する。
【００２０】
また本発明によれば、基材表面に、ストライプ状に延在する複数の第１マスクと、隣接する前記第１マスク間に位置し前記第１マスクよりも幅の狭い第２マスクと、を含むマスクパターンを形成する工程と、該マスクパターンの開口部を成長領域として、基材水平面に対して鋭角をなすファセット面を形成させながら前記基材上にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させる工程と、を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体層の成長方法が提供される。
【００２１】
この成長方法によれば、第２マスク間開口部の成長領域から小ファセット構造が形成され、次いで隣接する第１マスク間においてこの小ファセットを内包するストライプ状のファセット構造が形成される。基材から垂直方向に伝播する転位は、小ファセット構造の側面およびストライプ形状のファセット構造の側面等によりその方向が変換されるため、顕著な転位低減効果が得られる。
【００２２】
また本発明によれば、上記した成長方法により、基材上にIII族窒化物半導体層を形成する工程と、前記III族窒化物半導体層上に、さらにIII族窒化物半導体からなる層を積層して素子構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。
この成長方法によれば、転位の少ない良質な結晶からなる素子構造を得ることができ、優れた素子性能を実現することができる。
【００２３】
なお、本発明における自立基板は、上述した構成のIII族窒化物半導体層を含むものであるが、さらに、他の半導体層を適宜積層した構成としてもよい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明におけるファセット構造とは、結晶成長時に最も成長速度の遅い特定の低面指数を有する結晶面が取り残されて、その結晶特有な形状を有した構造のことを指す。本実施の形態のようにＷｕｒｔｚｉｔｅ構造を有するＧａＮで、マスクのストライプ方向をＧａＮの＜１１−２０＞方向とした場合、開口部では｛１−１０１｝面の成長速度が最も遅く、この面が基板面に平行な（０００１）面と６２°の角度を成すために断面が三角形のファセット構造が形作られる。面の成長速度は、結晶固有の性質の他に、成長手法や、成長条件によっても異なり、本実施の形態のように｛１−１０１｝から成る三角形ばかりではなく、これとは角度の異なる三角形構造や、側面が垂直なファセット構造、また、台形など形状が出現する場合がある。成長を続けると、ファセット構造同士が合体して大きな三角形のファセットが形成され、さらに成長を続けることでマスクＡの間に大きな三角形のファセット構造が形成される。このようなファセットの形成過程は、例えば図１１に示す断面の蛍光顕微鏡写真で観察することができる。この蛍光顕微鏡は紫外線を光源としており、成長層からの可視光帯の発光を捕らえている。不純物の取り込まれ方が面方位によって異なり、このような成長パターンに対応したコントラストとして観察することができる。この写真から、最初に開口部に三角形の小さなファセット構造が形成されて、最終的に、幅広マスク間の領域で大きなファセット構造が形成される様子がわかる。
【００２５】
図１２に、本発明に係る自立基板の断面構造の例およびファセット多重化に伴う転位の動きを模式的に示す。この断面構造では、サファイア基板１０００上にＧａＮ膜１００２が設けられ、その上に所定の開口部を有するマスク１００３が形成されている。図示したように、マスク１００３は、狭幅のマスクと広幅のマスクを含む。このマスク１００３の開口部を介してＧａＮ膜１００２の表面から厚膜のＧａＮ層１００４が成長している。
【００２６】
マスク１００３の開口部から成長したファセット構造体およびこれらが合一したファセット構造体を、図１２では小ファセット構造１００７として表示している。このうちの大きい方の小ファセット構造１００７が合体することにより、巨大ファセット構造１００８が形成される。この巨大ファセットは、広幅のマスクの存在により安定的に形成される。
【００２７】
ＧａＮ層１００４には、図中矢線で示した多くの転位が含まれている。これらの転位は、小ファセット構造１００７および巨大ファセット構造１００８によって転位の進行方向が曲げられており、この結果、ＧａＮ層１００４表面に到達する転位１００６は、ＧａＮ膜１００２表面付近に存在する転位よりも大幅に低減されている。
【００２８】
ファセットが形成されることで、上述したように貫通転位の７〜８割を占める刃状転位、および２〜３割の混合転位は、基板面と平行な方向に向きを変える。この結果、貫通転位の密度が大幅に減少することになる。しかしながら、ファセット同士の会合部では、特に混合転位の一部が再び成長表面に向かって上昇する。上記構造では、この転位をさらに次のファセット構造、あるいはその次のファセット構造で曲げることで転位の低減を図っている。転位は、最終的に形成された巨大ファセットの端に追いやられる。
【００２９】
以上、本発明に係る自立基板の構造の例を挙げて説明したが、この転位低減のメカニズムの理解のため、対比としてＦＩＥＬＯによる層成長過程について説明する。図１３は、従来のＦＩＥＬＯによる層成長過程を示す工程断面図である。初めに、サファイア基板２０１上にＧａＮを含む下地結晶膜２０２を成長し、その表面上にフォトリソグラフィー法とウェットエッチング法を用いてストライプ状のマスク２０４を形成し、成長領域２０３を形成する（図１３（ａ））。この成長領域２０３を起点としてファセット面２０５にて結晶を成長させながら（図１３（ｂ）〜（ｄ））、最終的に平坦なＧａＮ層を形成する（図１３（ｅ））。このプロセスにおいては、図１３（ｅ）で示されるファセット面２０５によって一回だけ転位が折れ曲がるのみである。また、マスク幅は２μｍ、開口幅は５μｍ程度とするのが通常であり、この場合、大面積の低転位領域を得ることは困難であった。大面積の低転位領域を得るためにマスク幅を大きくすることも考えられるが、その場合、ＧａＮ層の結晶軸の乱れが発生しがちとなる。本発明は、こうした課題を解決し、良好な品質の自立基板や結晶膜を実現するものである。
【００３０】
本発明における「小ファセット構造」は「ファセット構造」よりもサイズが小さいものをいう。たとえば、第１マスク間に第２マスクを設けたマスクパターンを利用する場合においては、第２マスクの開口部から形成されたファセット構造体や、このファセット構造体が複数、合体して形成されたものを「小ファセット構造」といい、この「小ファセット構造」を含み隣接する第１マスク間において形成されるファセット構造体を「ファセット構造」という。「小ファセット構造」は任意の形状とすることができるが、「ファセット構造」はストライプ形状を有することが好ましい。ファセット構造の上部は低転位密度領域となることから、こうすることにより、素子領域を形成するのに好適な形状、面積を有する低転位密度領域を得ることができる。ファセット構造をストライプ形状とする場合、ストライプ幅を２０μｍ以上とするのが好ましい。このようにすれば大面積の低転位密度領域を得ることができる。なお、「小ファセット構造」および「ファセット構造」の両方をストライプ形状とした場合、大面積の低転位密度領域をより一層好適に形成することができる。
【００３１】
本発明において、ファセット構造は、そのファセット構造よりも小さい複数の小ファセット構造を内包することが好ましい。このようにすれば転位の折れ曲がりを複数回にすることができ、より一層顕著な転位低減効果が得られる。
【００３２】
ファセット構造の断面形状は任意であるが、たとえば、底辺が２０μｍ以上の三角形または台形の断面を有する形状とすることができる。断面三角形状とした場合、上面に平坦部がないため、下地から層成長方向への転位の伝播がより一層抑制され、好ましい。断面台形形状とした場合も、その上底の幅を狭くすれば転位の伝播を顕著に抑制することができる。たとえば、マスク成長により当該ファセット構造を形成する場合、上底の幅をマスク幅よりも小さくすることにより、マスク開口部から上方に進行する転位をより効果的に低減することが可能となる。
【００３３】
ファセット構造は、そのストライプ方向と垂直な方向に周期的に形成されていることが好ましい。このようにすれば素子領域を形成すべき低転位密度領域を安定的に形成することができ、素子形成工程における歩留まりが向上する。
【００３４】
本発明において、低転位密度領域に含まれる転位の５０％以上が混合転位からなる構成とすることができる。転位の種類として刃状転位と混合転位があるが、自立基板上に形成される素子構造の特性を向上させる観点からは、刃状転位をファセット形成領域上部で大幅に減少させることが重要となる。この理由について、以下、半導体レーザの例を挙げて説明する。半導体レーザではよく知られているように活性層中での導波光に対して光学的利得を得る条件が達成されなければならない。しかし、刃状転位は結晶中の小傾角粒界の発生原因であり、この小傾角粒界においては光散乱が起こりやすい。こうしたことから、半導体レーザにおいては刃状転位が低減されていることが望まれる。
【００３５】
本発明において、第１マスクおよび第２マスクは、いずれも略同一方向に延在するストライプ形状を有し、第２マスクは第１マスクの周期よりも小さい周期で形成されている構成とすることができる。こうすることにより、第２マスク間開口部の成長領域から小ファセット構造が形成され、隣接する第１マスク間においてこの小ファセットを内包するストライプ状のファセット構造が形成されるファセットの重畳構造を好適に形成することができる。これにより、顕著な転位低減効果が得られる。
本発明において、第１マスクの幅は、第２マスクの幅よりも広くする。第１マスクの幅は、第２マスクの幅の１倍よりも大きくし、好ましくは１．２倍以上、より好ましくは１．５倍以上とする。こうすることによって、第１マスク間に成長する大型のファセット構造をより安定的に形成することができ、この結果、より顕著な転位低減効果が得られる。
第１マスクおよび第２マスクは、それぞれすべて同じマスク幅とする必要はない。たとえば、第２マスクの幅を複数種類とすることにより、ファセット構造の多重化をより促進することができ、転位低減効果がさらに顕著とすることが可能である。
【００３６】
ここで、第１マスクのストライプ方向は、前記III族窒化物半導体の結晶構造を基準として［１１−２０］方向、［１−１００］方向またはこれらの方向から３０度以内のずれ角をなす方向とすることができる。こうすることにより、優れた転位低減作用を示すファセット構造が安定的に形成される。
【００３７】
隣接する前記第１マスク間の間隔は、たとえば２０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上とする。こうすることにより、２０μｍ以上、あるいは３０μｍ以上の底面幅を有するファセット構造が形成され、大面積の低転位密度領域を得ることができる。
【００３８】
本発明の自立基板を用いると、その上部に優れた結晶品質の素子構造を形成することができる。活性層を含む素子構造を形成して発光素子とした場合は、優れた発光特性の素子が得られる。
【００３９】
本発明の自立基板の製造方法において、前記基材は前記III族窒化物半導体と異なる材料からなる異種材料基板を含み、III族窒化物半導体層を形成する前記工程の後、前記異種材料基板を除去する工程をさらに実施する構成とすることができる。この構成によれば、III族窒化物半導体により構成された自立基板を好適に形成することができる。
【００４０】
本発明において、ファセット構造を形成する下地となる基材は種々の形態のものを採用することができる。基材の例としては、サファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＬＧＯ、ＮＧＯ、ＺｒＢ2、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ2Ｏ3等の異種材料基板、III族窒化物半導体基板、およびこれらの基板の上部にIII族窒化物半導体層が形成されたもの等が挙げられる。下地層の表面形状については特に制限がなく、平坦面であっても凹凸面であってもよい。また、上記基材に溝を形成し、この上にファセット構造を形成するようにしてもよい。たとえばＰＥＮＤＥＯやＬＥＰＳ等の手法を組み合わせて用い、ファセット構造による転位低減効果とＰＥＮＤＥＯ等の転位低減効果の相乗作用を得る構成とすることも有効である。
【００４１】
次に、自立基板の評価方法について述べる。
【００４２】
自立基板表面転位密度の分布のもっとも簡単な測定方法は、表面に転位が突き出した部分を化学溶液によって選択的にエッチングし、形成された窪み（これをエッチピットと呼ぶ）の密度を光学顕微鏡、あるいは、走査型電子顕微鏡を用いて計数することである。これによって、転位密度、および分布が容易に測定できる。また、エッチピットの大きさと形状により、混合転位と刃状転位の区別も容易に把握できる。なお、これらの転位の種類の判別はＴＥＭ観察によっても行うことができる。
【００４３】
なお結晶性の評価としては、エッチピットの観察の他に、二結晶法によるＸ線ロッキングカーブの半値幅が用いても調べることができる。この半値幅は、結晶性の改善、特に転位の低減によって小さくなるので結晶性の評価方法として有効である。
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。
【００４４】
図１は、本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。ここでは、一例として（１０００）面サファイア基板結晶上へのＧａＮ膜の作製工程の例を挙げる。先ず、（１０００）面サファイア基板１１上に、ＭＯＶＰＥ（Metal Organic Vapora Phase Epitaxy）によりIII族窒化物一例として、低温バッファ層を含む第一の  ＧａＮ膜１２の形成を行う。ここではＧａＮを用いたが、この層は、ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）等のIII族元素のうち少なくとも一種類と、Ｖ族元素として少なくともＮを含むものである。また、上記ＭＯＶＰＥは、常圧、減圧、加圧いづれの手法を用いることができる。さらには、塩化物を原料とするＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ハイドライド気相成長）法や、Ｇａを昇華させて形成するサブリメーション法なども用いることができる。
次に、この結晶膜の上に、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法によって酸化シリコン（ＳｉＯ2）や窒化シリコンからなる絶縁膜を形成する。この絶縁膜は酸化シリコン（ＳｉＯ2）と窒化シリコンの多層膜であってもよい。さらに、チタン、タングステン等の高融点金属を用いることも可能である。次に、リソグラフィ技術とウエットエッチング技術によりこの絶縁膜や高融点金属膜に開口部を形成する。一例としてマスク材料をＳｉＯ2とし、９μｍの幅のストライプ状のマスクＡの間に、５μｍ幅のマスクＢを６本有し、それぞれのマスクの間は３μｍ幅の開口部を有した１周期６０μｍのマスクパターンを形成した。なお、ストライプ方向はＧａＮ膜１２の＜１１−２０＞方向とした。ここで、開口部幅は、０．５〜１０μｍであることが望ましいが、電子ビーム露光などを用いることで、数ｎｍ〜数百ｎｍの開口幅とすることも可能である。また、マスクＡ、マスクＢともその幅は、０．５〜２０μｍが好ましい。この例では、マスクＡとして９μｍ幅マスク、マスクＢとして５μｍ幅マスクを用いたが、Ａ＞Ｂの関係が満たすことが出来ればこの幅に限定されるものではない。マスクのストライプ方向は、＜１１−２０＞方向もしくはこの方向と垂直な＜１−１００＞方向からそれぞれ３０度以内の方向が好ましく、＜１１−２０＞方向もしくは＜１−１００＞方向がさらに好ましい。特に、成長手法がＨＶＰＥ法では＜１１−２０＞方向もしくは＜１−１００＞方向、ＭＯＶＰＥ法では＜１１−２０＞方向が好ましい。
【００４５】
次に、マスクパターンを形成した基板結晶をＨＶＰＥ法の成長装置の反応管内にセットして、ＧａＮの成長を行う。ＧａＮの成長は開口部１４で露出したＧａＮ膜１２表面から始まる。最初に、図１の（ｂ）に示すように、（１−１０１）面を側面とする断面三角形状のファセット構造からなるＧａＮ結晶が開口部に形成される。
【００４６】
本実施形態では、マスクＡの周期が６０μｍであり、このマスクＡの間で形成されたファセットが最終的に形成される巨大ファセット構造となる。巨大ファセット構造の形成後、ＨＶＰＥ法でさらに成長を行い、最終的に厚さ２００μｍの平坦化したＧａＮ結晶膜を作製した。この結晶膜の表面の転位密度の分布を測定した結果を図７に示す。６０μｍの周期の転位分布が観察され、ファセット構造が作製された中央部では、１．５×１０5ｃｍ-2という低い値が得られている。従来のＥＬＯやＰＥＮＤＥＯなどの手法と比較して広い領域で低転位化が実現される。これは、レーザダイオードなどの素子構造を作製する場合には極めて都合が良い。
【００４７】
本実施の形態のように基板と平行な面（０００１）面の他に、（１−１０１）などの結晶面が形成されることで、例えばシリコン（Ｓｉ）などの不純物の取り込まれ方が面によって異なる。具体的には、（１−１００）の方がＳｉなどの不純物を取り込みやすく、その分、ファセット構造が形成されるとこの領域のキャリア濃度が上昇し、抵抗値が小さくなる。したがって、このファセットが形成された領域の上部に素子構造を作成した場合、低い電気抵抗によって熱の発生を抑制し、素子の性能向上を図ることが可能となる。
【００４８】
図６は、他の実施の形態を示す図である。ここではＰＥＮＤＥＯ型の基板を用いている。この基板は、例えば図１の開口部をサファイア基板までエッチングすることで得られる。このエッチングには、例えば塩素ガスを用いた反応性エッチングを用いることができる。この基板を用いて、例えばＨＶＰＥ法でＧａＮの成長を行うと、柱上に残ったＧａＮ層の側壁からだけ横方向へ成長が始まり、次第に隣の成長層と合体すると同時に、上部にはファセット構造が形成される。成長を継続するとファセット同士が合体しながら、次第に大きなファセット構造が成長し、最終的には最も幅の広いマスクの周期で規定されるファセット構造となり、第１の実施の形態で示したと同様な転位低減効果が得られる。さらに、この場合には、初期成長が横方向成長のみから開始されるために、貫通転位の影響が少なくなり、より低転位化が可能となる。
【００４９】
上記実施の形態における成長方法としては、ＨＶＰＥ法など成長速度の大きな手法を用いることが好ましい。最終的なファセット構造を埋め込んで平坦な膜を得るためには、１００μｍ〜１ｍｍの厚さに成長させる必要があるからである。このＨＶＰＥ法の原料には、III族元素のＢ、Ａｌ，Ｇａ、Ｉｎ金属単体や、そのハライド化合物、あるいは有機金属化合物を用いる。III族金属単体を用いる場合には、反応管中でIII族元素のハライド化合物を発生させるために、塩化水素（ＨＣｌ）、臭化水素（ＨＢｒ）、ヨウ化水素（ＨＩ）を用いる。さらに窒素原料にはアンモニア、ヒドラジン系原料、有機アミンなどが用いられる。また、伝導度を制御するために不純物をドーピングすることが望ましい。例えば、ｎ型不純物としては、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ、Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅのうち少なくとも１種類以上の元素を用いる。また、ｐ型の不純物としては、Ｃ，Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｂｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｚｎ，Ｃｄのうち、少なくとも１種類以上の元素を用いる。これらの不純物原料としては、単体元素、水素化物、塩化物をなどのハライド化物、あるいは、有機金属などを用いることができる。
【００５０】
上記実施の形態において、サファイア基板１１の裏面にレーザを照射し、基板の剥離処理を行ってもよい。このレーザの波長を、サファイア基板を透過してIII族窒化物半導体結晶膜で吸収されるように選ぶことで、サファイア基板に接するIII族窒化物層の一部を溶融でき、サファイア基板だけを容易に剥離することができる。このようなレーザとしては、発振波長が２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ、発振波長が３５５ｎｍのＮｄ3+：ＹＡＧレーザの３倍高調波などがある。また、基板の機械的研磨や、溶液エッチングによって基板結晶のみを溶解させて、III族窒化物結晶膜だけを分離することができる。
【００５１】
本実施の形態で説明したIII族窒化物結晶膜の製造方法により、低転位密度の窒化ガリウム基板を作製することが可能になる。この窒化ガリウム基板を用いて、ＬＥＤ(Light Emitting Diode)やＬＤ(Laser Diode)、またはＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などを作製でき、これまでのサファイア基板やＳｉＣ基板上に作製されたものに比較して、より高性能な機能を得ることができる。
【００５２】
上記実施形態において、マスクの形状は種々変更することができる。たとえば本実施の形態で用いたストライプ状のパターンの他に、三角形、四角形やさらにさまざま多角形、円形、楕円形などでも転位密度低減に対して同様な結果を得ることが出来る。しかしながら、本実施の形態のように、ストライプ型活性層を使用するレーザの作製などには、最終的には、ストライプ状に、転位密度の低い領域が存在している結晶膜の方が好ましい。
【００５３】
低転位密度領域の幅は、レーザストライプ幅に対して充分に広いことが望ましい。従来のＰＥＮＤＥＯや、ＥＬＯの技術を用いた場合、低転位密度領域の幅が数μｍ程度となり、２μｍ程度のレーザストライプ幅に対して低転位領域の幅が充分に得られなかった。このため、低転位領域の両側に存在する高転位領域がレーザ構造に影響して素子特性を悪化させることがあった。
【００５４】
【実施例】
実施例１
本実施例では、サファイア基板上にＧａＮ結晶を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。
【００５５】
図１は、（１０００）面サファイア基板結晶上へのＧａＮ膜の作製工程の概略断面図を示す。基板１１には、（１０００）面サファイア基板を用い、これを結晶成長用下地基板としてIII族窒化物半導体層を成長させ、III族窒化物自立基板を得る。ＧａＮ膜１２の形成には、III族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、Ｖ族原料にアンモニアガス（ＮＨ3）を用いる有機金属化学的気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ法）を用いた。また、ＳｉＯ2膜１３は、ジシラン（ＳｉＨ4）と酸素（Ｏ2）の反応により形成し、開口部１４の形成は、リソグラフィ技術を用いた。ＧａＮ膜１５の形成には、III族原料にガリウム（Ｇａ）と塩化水素（ＨＣｌ）の反応生成物である塩化ガリウム（ＧａＣｌ）と、Ｖ族原料にＮＨ3ガスを用いるハイドライド法気相成長（ＨＶＰＥ法）を用いた。
【００５６】
作製工程の詳細は、次の通りである。
【００５７】
先ず、サファイア基板１１の成長表面を洗浄し、ＭＯ−ＶＰＥ装置の反応管内にセットする。キャリアガスに水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）ガスの混合ガスを用い、サファイア基板１１を１０５０℃程度の温度に昇温して、１０分間程度熱処理を行い、その後サファイア基板１１を５００℃の温度に降温する。温度が安定してから、ＴＭＧａとＮＨ3を供給して、３５０ｎｍの厚さのＧａＮ膜を形成し、再び、１０５０℃の温度にサファイア基板１１を昇温する。昇温中はＮＨ3ガスを供給する。温度が安定してからＴＭＧを供給し、平坦化した約２μｍの厚さのＧａＮ膜１２を形成した。ＧａＮ膜１２を形成した後、ＴＭＧの供給を停止して、常温まで降温して成長装置より取り出す。次に、ＧａＮ膜１２を形成したサファイア基板１１をＳｉＯ2膜形成装置にセットする。Ｎ2ガス雰囲気で４５０℃の温度に昇温し、温度が安定してからＳｉＨ4ガスとＯ2ガスを供給して、ＧａＮ膜１２上に０．５μｍの厚さのＳｉＯ2膜１３を形成した。ＳｉＯ2膜１３を形成した後、ＳｉＨ4ガスとＯ2ガスの供給を停止して、常温まで降温し、形成装置より取り出す。次に、リソグラフィ技術を用いてパターン化を行い、ウエットエッチングによりＳｉＯ2膜１３にストライプ状の開口部１４を形成する。開口部幅はすべて３μｍである。開口部と開口部の間のＳｉＯ2膜（マスクと呼ぶ）幅として５μｍ幅のマスク６本、および、これらの両脇に９μｍ幅のマスク２本からなるパターンを１周期として、ＧａＮ結晶表面全体にこのパターンを作製した。開口部１４のストライプ方向は、ＧａＮ膜１２の＜１−１００＞方向である（図１（ａ））。
【００５８】
次に、開口部１４を形成したサファイア基板１１をＨＶＰＥ法の成長装置の反応管内にセットする。キャリアガスにＨ2ガスを用いて、３０００ｃｃ／ｍｉｎの流量を供給しながらサファイア基板１１を１０４０℃の温度に昇温した。サファイア基板が６００℃前後から流量１５００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ3ガスを加えて開口部１４に露出したＧａＮ膜１２表面の分解を抑えた。反応管内のＧａソースは、８５０℃の温度に昇温した。反応管全体の温度が安定してからＧａソース上に流量１０ｃｃ／ｍｉｎのＨＣｌガスを供給して反応させ生成したＧａＣｌを成長領域に供給し、ＮＨ3ガスと反応させＧａＮを成長する。ＧａＮの成長は、開口部１４で露出したＧａＮ膜１２表面から始まり、約５分間の成長で、図１の（ｂ）に示すような、（１−１０１）面を側壁とする、断面三角形状の第一のファセット構造を有するＧａＮ膜１５が成長する。さらに成長を続けると、約２０分間の成長で、隣接するファセット構造同士が合体し、図１（ｃ）に示すような断面三角形状の第二のファセット構造を有するＧａＮ膜１５が成長する。さらに約１２０分間の成長を行うと、隣接するファセット構造同士が合体し、図１（ｄ）に示すように断面三角形状の第三のファセット構造（巨大ファセット構造）が成長する。本実施例では９μｍ幅の広幅マスクを設けているため、第三のファセット構造が安定的に形成される。
その後、Ｇａソース上に供給するＨＣｌ流量を５０ｃｃ／ｍｉｎに増加して成長を続け、第三のファセット構造を有するＧａＮ膜１５が合体して平坦な表面のＧａＮ膜１５が出現するまで成長を続けた。平坦化したＧａＮ膜１５の膜厚は約２５０μｍである。ＧａＮ膜１５の成長後、Ｇａソース上に供給したＨＣｌガスを停止して、反応管の温度を降温した。ＮＨ3ガスを供給しながら常温まで冷却し、基板を取り出した。
【００５９】
上記のようにして得られたIII族窒化物自立基板について、以下のような評価を行った。
【００６０】
形成したＧａＮ膜１５の表面をリン酸と硫酸の混合液によりエッチングしてエッチピットを測定した。ＧａＮ膜１５の＜１−１００＞方向に１０μｍ間隔でエッチピット密度を測定したところ、図８に示したような分布を示した。ファセット構造が形成された領域ではエッチピット密度が１．２×１０5／ｃｍ2と低い値が得られた。これとは対照的に第３の断面三角形状のファセット構造を有するＧａＮ膜１５の会合部領域では１．５×１０6／ｃｍ2と転位密度が高くなった。すなわち、第３のファセット構造（巨ファセット構造）が形成された領域では、ファセットの会合部に比較して１桁以上低い欠陥密度が得られた。また、転位の少ない領域では、５０％以上が混合転位であることがわかった。
【００６１】
さらに、成長表面の（０００２）反射Ｘ線ロッキングカーブ測定から求めたＣ軸のチルト角は、８０秒と小さいことがわかった。本発明の手法を用いず、本実施例と同じ６０μｍ周期内にほぼ等価のマスク幅を有する図１３に示した通常のＥＬＯパターン（マスク幅４０μｍ、開口部幅が２０μｍ）を用いて、２５０μｍの厚さにＨＶＰＥ法を用して成長したＧａＮ膜では、転位密度は開口部上の表面で５×１０7ｃｍ-2、マスク上の表面で３×１０8ｃｍ-2と高く、マスク上部ではチルト角は１０度と大きいことがわかった。また、このＣ軸の傾きのために、表面が平坦な膜を得ることができなかった。
【００６２】
実施例２
本実施例では、ＧａＮ基板を結晶成長用下地基板としてその上にIII族窒化物半導体層を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。用いたＧａＮ基板の表面転位密度は、エッチピット密度で１×１０7／ｃｍ2程度であった。以下、図２を参照して説明する。
【００６３】
先ず、ＧａＮ基板２１表面を有機溶剤や、酸処理を行い、上記実施例１で用いたＳｉＯ2膜形成装置で、１μｍの厚さＳｉＯ2膜２２を形成する。次に、リソグラフィ技術とウエットエッチング技術によりＳｉＯ2膜２２の一部を除去して、開口部２３を形成する。開口部２３の幅はすべて５μｍである。開口部と開口部の間のＳｉＯ2膜（マスクと呼ぶ）幅として５μｍ幅のマスク４本、および、これらの両脇に１５μｍ幅のマスク２本からなるパターンを１周期として、ＧａＮ結晶表面全体にこのパターンを作製した。開口部のストライプ方向は、ＧａＮ膜１２の＜１−１００＞方向から５度傾けた方向とした（図２（ａ））。
【００６４】
次に、開口部２３を形成したＧａＮ基板２１を上記実施例１で用いたＨＶＰＥ法の成長装置の反応管内にセットする。流量３０００ｃｃ／ｍｉｎのＨ2ガスと５００ｃｃ／ｍｉｎのＮ2ガスを供給しながらＧａＮ基板２１を昇温する。反応管の基板領域が６００℃前後の温度に到達した時点で流量２０００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ3ガスを加え、１０６０℃の温度にする。反応管内のＧａソースの温度は８５０℃に昇温した。反応管内の温度が安定してからＧａソース上に流量１０ｃｃ／ｍｉｎのＨＣｌガスを供給して反応生成したＧａＣｌを成長領域に供給し、ＮＨ3ガスと反応させてＧａＮ膜２４を成長する。
【００６５】
ＧａＮ膜２４は、開口部２３のＧａＮ基板２１表面から成長する。約６分間の成長で、図２（ｂ）に示すように、断面三角形状の第一のファセット構造を有するＧａＮ膜２４が成長する。さらに成長を続けると、約３５分間の成長で隣接する第一のファセット構造２〜３個が合体し、図２（ｃ）に示すように、断面三角形状の第二のファセット構造を有するＧａＮ膜２４が成長する。さらに成長を続け、１００分間の成長で、隣接する第二のファセット構造が２０μｍの幅のＳｉＯ2膜２２上で合体し、図２（ｄ）に示すように断面三角形状の第三のファセット構造が成長する。さらに、Ｇａソース上に供給するＨＣｌ流量を５０ｃｃ／ｍｉｎに増やし、ＮＨ3流量を１０００ｃｃ／ｍｉｎに減らし成長を続け、隣接する第三のファセット構造が合体して平坦な表面のＧａＮ膜２４が形成できる（図２（ｅ））。平坦化したＧａＮ膜２４の膜厚を３００μｍの厚さなるよう形成した。ＧａＮ膜２４の形成後、Ｇａソース上に供給したＨＣｌガスを停止して、反応管の温度を降温する。反応管の温度が５００℃前後で、ＮＨ3ガスの供給を停止し常温まで冷却して、ＧａＮ基板２１を反応管より取り出した。
【００６６】
上記のようにして得られたIII族窒化物自立基板について、以下のような評価を行った。
【００６７】
形成したＧａＮ膜２４の表面を上記実施例１と同様にリン酸と硫酸の混合液によりエッチングしてエッチピットを測定した第３のファセット構造を有するＧａＮ膜２４上の平坦領域で、エッチピット密度が８×１０4／ｃｍ2と低い値が得られた。
【００６８】
本実施例では、開口部の方向を＜１１−００＞方向から５度傾けて形成したが、第３の断面三角形状のファセット構造ができた後に合体することができれば、上記のストライプ方向に限らず、任意の角度で傾けても同様の効果が得られる。
【００６９】
実施例３
本実施例では、基板結晶として、５μｍの厚さのＧａＮ膜３２が形成されたＳｉＣ基板３１を用い（図３）、これを結晶成長用下地基板としてIII族窒化物半導体層を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。以下、図３を参照して説明する。
【００７０】
はじめに、ＧａＮ膜３２表面に、実施例１で用いたＳｉＯ2膜形成装置を用いて０．２μｍの厚さのＳｉＯ2膜３３を形成する。次に、リソグラフィ技術とウエットエッチング技術により、ＳｉＯ2膜３３に開口部３４を形成する。開口部３４の幅は２μｍとして、マスク幅（開口部間の間隔）を、図中左からそれぞれ、１０μｍ、４μｍ、４μｍ、７μｍ、４μｍ、４μｍ、１０μｍ、・・・となるように形成した。開口部５４のストライプ方向は、サファイア基板５１の＜１−１００＞方向に２度傾斜して形成した（図５（ａ））。
次に、開口部３４を形成したＳｉＣ基板３１を上記実施例１で用いたＨＶＰＥ法の成長装置の反応管内にセットする。流量３０００ｃｃ／ｍｉｎのＨ2ガスを供給しながらＧａＮ基板２１を昇温し、反応管の基板領域が６００℃前後の温度から流量２０００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ3ガスを加えて１０５０℃の温度にする。反応管内のＧａソースの温度は、８００℃に昇温する。反応管内の温度が安定してからＧａソース上に流量５ｃｃ／ｍｉｎのＨＣｌガスを供給して反応生成したＧａＣｌを成長領域に供給し、ＮＨ3ガスを反応させＧａＮを成長する。ＧａＮの成長は、開口部３４のＧａＮ膜３２表面から成長が行われ、約１０分間の成長で、図３（ｂ）に示すように断面三角形状の第一のファセット構造を有するＧａＮ膜３５が成長する。さらに成長を続けると、隣接するファセット構造が合体したあと、図３（ｃ）に示すように断面三角形状の第二のファセット構造を有するＧａＮ膜３５が成長する。さらに、Ｇａソース上に供給するＨＣｌ流量を５０ｃｃ／ｍｉｎに増やして成長を続けると、隣接するファセット構造が合体して平坦化する（図３（ｄ））。平坦化したＧａＮ膜３５の膜厚を２７０μｍの厚さになるよう形成した。ＧａＮ膜３５の形成後、上記実施例と同様にＧａソース上に供給したＨＣｌガスを停止して、反応管の温度を降温する。反応管の温度が５００℃前後で、ＮＨ3ガスの供給を停止し、２００℃前後でＨ2ガスからＮ2ガスの切り替え常温まで冷却して、基板を反応管より取り出した。
【００７１】
以上のようにしてIII族窒化物自立基板を得た。得られた基板は、転位の少ない良好な結晶品質のものであった。
【００７２】
実施例４
本実施例では、ＧａＮ基板を結晶成長用下地基板としてその上にIII族窒化物半導体層を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。用いたＧａＮ基板の表面転位密度は、エッチピット密度で１×１０7／ｃｍ2程度であった。以下、図４を参照して説明する。
【００７３】
まず、ＧａＮ基板４１表面を洗浄してから、上記実施例で示したＳｉＯ2膜形成装置で、１μｍの厚さのＳｉＯ2膜４２を形成する。次に、ＳｉＯ2膜４２に開口部４３を形成する。開口部４３は、リソグラフィ技術とウエットエッチング技術により形成した。開口部４３幅を３μｍとして、ＳｉＯ2膜４２の幅を、４μｍ、６μｍ、４μｍ、８μｍ、４μｍ、６μｍ、４μｍ、および１０μｍを周期的に変化させ、ＧａＮ基板４１表面全体にマスクパターンを形成した。開口部４３の方向は、＜１１−２０＞方向とした（図４（ａ））。
【００７４】
次に、開口部４３を形成したＧａＮ基板４１を上記、実施例と同様にＨＶＰＥ法の成長装置の反応管内にセットする。流量２０００ｃｃ／ｍｉｎのＨ2と１０００ｃｃ／ｍｉｎのＮ2ガスを供給しながらＧａＮ基板４１を昇温し、サファイア基板が６００℃前後から流量１０００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ3ガスを加えて１０２０℃の温度に昇温する。反応管内のＧａソースの温度は８６０℃に昇温した。反応管内の温度が安定してからＧａソース上に流量２０ｃｃ／ｍｉｎのＨＣｌガスを供給して反応させて生成したＧａＣｌを成長領域に供給し、ＮＨ3ガスと反応させＧａＮを成長する。ＧａＮの成長は、開口部４３のＧａＮ基板４１表面から起こる。約３分間の成長で、図４（ｂ）に示すように断面三角形状の第一のファセット構造を有するＧａＮ膜４４が成長する。さらに成長を続けると、約１５分間の成長で隣接する第一のファセット構造が合体し、図４（ｃ）に示すように断面三角形状の第二のファセット構造を有するＧａＮ膜４４が成長する。さらに成長を続け、４０分間の成長で、隣接する第二のファセット構造が合体して、図４（ｄ）に示すように断面三角形状の第三のファセット構造を有するＧａＮ膜４４が成長する。さらに、成長を続けて、８０分間の成長で、隣接する第三のファセット構造が合体して、図４（ｅ）に示すように断面三角形状の第四のファセット構造を有するＧａＮ膜４４が成長する。その後、Ｇａソース上に供給するＨＣｌ流量を７０ｃｃ／ｍｉｎに増やして成長を続け、隣接する第四のファセット構造を有するＧａＮ膜４４が合体して平坦な表面のＧａＮ膜４４を形成した（図４（ｆ））。平坦化したＧａＮ膜の膜厚は、３５０μｍの厚さに形成した。ＧａＮ膜４４の形成後、ＨＣｌガスの供給を停止して、反応管の温度を降温する。反応管の温度が５００℃前後まで、ＮＨ3ガスを供給し、２００℃前後でＨ2ガスからＮ2ガスの切り替え常温まで冷却して、サファイア基板１１を反応管より取り出した。
【００７５】
形成したＧａＮ膜４４の表面を上記実施例１と同様にリン酸と硫酸の混合液によりエッチングしてエッチピットを測定した。第４のファセット構造を有するＧａＮ膜４４上の平坦領域で、エッチピット密度が２×１０4／ｃｍ2と低い値が得られた。
【００７６】
実施例５
本実施例では、サファイア基板上にＧａＮ結晶を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。以下、図５を参照して説明する。
【００７７】
本実施例では、基板として、ｃ軸が０．１５度傾斜した（１０００）面サファイア基板を用いた。ＧａＮ膜の形成には、III族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、Ｖ族原料にアンモニアガス（ＮＨ3）を用いる有機金属化学的気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ法）を利用した。また、ＳｉＯ2膜５３の形成には、ジクロロシラン（ＳｉＨ4）と酸素（Ｏ2）の反応により形成し、開口部５４の形成は、リソグラフィ技術を用いて作製した。
【００７８】
以下、工程の詳細について説明する。まずサファイア基板５１の成長表面を洗浄し、サファイア基板５１をＳｉＯ2膜形成装置にセットする。サファイア基板５１をＮ2ガス雰囲気で、４５０℃の温度に昇温する。温度が安定してから０．０４％のＳｉＨ4ガスと０．４％のＯ2ガスを供給して、ＧａＮ膜５２上に０．５μｍの厚さのＳｉＯ2膜５３を形成する。ＳｉＯ2膜５３を形成した後、ＳｉＨ4ガスとＯ2ガスの供給を停止して、常温まで降温して成長装置より取り出す。
【００７９】
次に、ＳｉＯ2膜５３に開口部５４を形成する。開口部５４の幅は３μｍとして、マスク幅（開口部間の間隔）を、それぞれ、３μｍ、５μｍ、３μｍ、７μｍ、３μｍ、５μｍ、３μｍ、９μｍとなるように形成した。開口部５４のストライプ方向は、サファイア基板５１の＜１−１００＞方向に２度傾斜して形成した（図５（ａ））。
【００８０】
次に、開口部５４を形成したサファイア基板５１をＭＯ−ＶＰＥ装置の反応管内にセットする。キャリアガスに水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）ガスの混合ガスを供給しながらサファイア基板５１を１０５０℃程度の温度に昇温して、１０分間程度熱処理を行い、サファイア基板５１を５２０℃の温度に降温する。温度が安定してから、ＴＭＧａとＮＨ3を供給して、３００ｎｍの厚さのＧａＮ膜を形成する。再び、ＮＨ3ガスを供給しながら１０５０℃の温度にサファイア基板５１を昇温する。昇温時間は約１２分間で行う。この昇温工程で、ＳｉＯ2膜５３上のＧａＮは蒸発する。温度が安定してからＴＭＧを供給して、開口部５４上に（１−１０１）面を側壁とするファセット構造を有するＧａＮ膜５５を形成する（図５（ｂ）。
【００８１】
さらに成長を続けて、図５（ｃ）のように、隣接するファセット構造を有するＧａＮ膜５５が合体して、第二のファセット構造を有するＧａＮ膜５５を形成する。さらに成長を続けて、隣接する第二のファセット構造を合体させ、第三のファセット構造を有するＧａＮ膜５５を形成する（図５（ｄ））。
【００８２】
さらに成長を続けて、隣接する第三のファセット構造を合体させ、平坦な表面５６を持つ第四のファセット構造を有するＧａＮ膜５５を形成する（図５（ｅ））。その後、ＴＭＧの供給を停止して、常温まで降温して成長装置より取り出した。降温中の温度が５００℃前後となるまで、ＮＨ3ガスを供給した。
【００８３】
形成したＧａＮ膜５５の表面を上記実施例１と同様にリン酸と硫酸の混合液によりエッチングしてエッチピットを測定した。第４のファセット構造を有するＧａＮ膜５５の平坦領域で、エッチピット密度が２×１０5／ｃｍ2と低い値が得られた。
【００８４】
実施例６
本実施例では、サファイア基板上にＧａＮ結晶を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。以下、図６を参照して説明する。
【００８５】
作製工程の詳細は、次の通りである。基板には、０．２度傾斜した（１０００）面サファイア基板６１を用い、III族原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、Ｖ族原料にアンモニアガス（ＮＨ3）を用いる有機金属化学的気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ法）を用いて、表面に約１μｍのＧａＮ膜６２を形成した。次いでジクロロシラン（ＳｉＨ4）と酸素（Ｏ2）を用いる熱ＣＶＤ法により０．５μｍの厚さのＳｉＯ2膜６３を形成した。ドライエッチングによりＳｉＯ2膜６３に開口部６４を設けた後、ＳｉＯ2膜６３をマスクとして、ＧａＮ膜６２およびサファイア基板６１を０．５μｍ以上ドライエッチングした（図６（ａ））。エッチングガスはＣｌ2ガスを用いた。ここで、開口部６４の幅は４μｍとし、マスク幅（開口部間の間隔）を、６μｍ、６μｍ、６μｍ、１０μｍ、６μｍ、６μｍ、６μｍ、１０μｍ、・・・とした。すなわち、６μｍ幅のマスクを３本、および、これらの両脇に１０μｍ幅のマスク２本からなるパターンを１周期として、ＧａＮ結晶表面全体にこのパターンを作製した。開口部６４のストライプ方向は、サファイア基板６１の＜１−１００＞方向に形成した。
【００８６】
次に、上記の処理を行った基板をＨＶＰＥ法の成長装置の反応管内にセットする。流量２０００ｃｃ／ｍｉｎのＨ2と１０００ｃｃ／ｍｉｎのＮ2ガスを供給しながらサファイア基板６１を昇温し、６００℃前後から流量１０００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ3ガスを加えて１０２０℃の温度に昇温する。反応管内のＧａソースの温度は８６０℃に昇温した。反応管内の温度が安定してからＧａソース上に流量５ｃｃ／ｍｉｎのＨＣｌガスを供給して反応させて生成したＧａＣｌを成長領域に供給し、ＮＨ3ガスと反応させＧａＮを成長する。ＧａＮの成長は、溝６５内のＧａＮ膜６２の側壁面から成長を行われ、約８分間の成長で、図６（ｂ）に示すように開口部にＧａＮからなる第一のファセット構造が成長する。次に、Ｇａソース上に供給するＨＣｌ流量を５０ｃｃ／ｍｉｎに増加し、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを供給してＧａＮ成長を続けると、図６（ｃ）に示すように、が幅広に形成されたＳｉＯ2膜６３間で、断面三角形状の第二のファセット構造を有するＧａＮ膜６６が成長する。さらに、成長を続けて、隣接する断面三角形状のファセット構造を有するＧａＮ膜６６が合体して、図６（ｄ）に示すように平坦な表面のＧａＮ膜６６になるまで成長を続ける。平坦な表面のＧａＮ膜６６を形成した後、ＨＣｌガスの供給を停止して、反応管の温度を降温する。ＮＨ3ガスを供給しながら常温まで冷却し、サファイア基板を取り出した。
【００８７】
形成したＧａＮ膜６６の表面を上記実施例１で用いたリン酸と硫酸の混合液によりエッチングしてエッチピットを測定した。＜１−１００＞方向に、ＧａＮ膜６６が最終的にファセット構造を形成した中心部領域で、エッチピット密度が４×１０5／ｃｍ2と低い値が得られ、また、ホール測定をしたところ、２×１０18／ｃｍ3のキャリア濃度が得られた。
【００８８】
ＧａＮ膜６６を形成した後、サファイア基板６１を除去し、ＧａＮ膜６６の裏面を研磨等により平坦化して、単体のＧａＮ基板６６を作製することができる。サファイア基板６１の除去は、研磨、レーザ剥離、エッチング等の方法を用いることができる。
【００８９】
実施例７
本実施例では、サファイア基板上にＧａＮ結晶を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。以下、図７を参照して説明する。
【００９０】
基板には、０．１５度傾斜した（１０００）面サファイア基板７１を用いた。このサファイア基板７１上に、厚さ４μｍ以上のレジスト膜７２を形成し、リソグラフィ技術により、レジスト膜７２に、開口部７３を形成した。
【００９１】
ここで、開口部７３の幅は４μｍとし、マスク幅（開口部間の間隔）を、６μｍ、６μｍ、６μｍ、６μｍ、８μｍ、６μｍ、６μｍ、６μｍ、６μｍ、８μｍ、・・・とした。すなわち、６μｍ幅のマスクを４本、および、これらの両脇に８μｍ幅のマスク２本からなるパターンを１周期としてマスクパターンを作製した。開口部７３のストライプ方向は、サファイア基板７１の＜１−１００＞方向に形成した（図７（ａ））。
【００９２】
次に、Ｃｌ2ガスを用いたドライエッチング手法により、開口部７３のサファイア基板７１の表面をエッチングして、深さ４μｍ以上の溝７４を形成した（図７（ｂ））。
【００９３】
次に、レジスト膜７２を除去して、ＭＯ−ＶＰＥ装置の反応管内にセットする。キャリアガスに水素（Ｈ2）と窒素（Ｎ2）ガスの混合ガスを供給しながらサファイア基板７１を１０７０℃程度の温度に昇温して、１５分間程度熱処理を行い、サファイア基板７１を５２０℃の温度に降温する。温度が安定してから、ＴＭＧａとＮＨ3を供給して、２５０ｎｍの厚さのＧａＮ膜を形成する。再び、ＮＨ3ガスを供給しながら１０５０℃の温度にサファイア基板７１を昇温する。温度が安定してからＴＭＧを供給して、ＧａＮの成長を行う。２０分間の成長で図７（ｃ）に示すように、サファイア基板７１表面にはＧａＮ膜７５が形成され、溝７４の底面にはＧａＮ７６の成長が起こる。
【００９４】
ファセット構造を有するＧａＮ膜７５を形成した後、ＴＭＧの供給を停止して、常温まで降温して成長装置より基板を取り出す。降温中の温度が５００℃前後まで、ＮＨ3ガスを供給する。
【００９５】
次に、上記実施例で用いたＨＶＰＥ法の成長装置の反応管内にセットする。キャリアガスにＨ2とＮ2の混合ガス（流量比  １：２）を用いて、４０００ｃｃ／ｍｉｎの流量を供給しながらサファイア基板７１を１０６０℃の温度に昇温する。サファイア基板７１が６００℃前後から温度に達してから流量１５００ｃｃ／ｍｉｎのＮＨ3ガスを供給する。反応管内のＧａソースは、８４０℃の温度に昇温した。反応管全体の温度が安定してからＧａソース上に流量５０ｃｃ／ｍｉｎのＨＣｌガスを供給して反応させ生成したＧａＣｌを成長領域に供給し、ＮＨ3ガスと反応させＧａＮを成長する。また、Ｓｉ不純物をドーピングするために、ＳｉＨ2Ｃｌ2ガスを０．０１５ｃｃ／ｍｉｎ流量を供給した。ＧａＮの成長はＧａＮ膜７５表面から起こる。溝７４の底のＧａＮ膜は成長が遅くなり、図７（ｃ）に示す状態となる。
【００９６】
さらに成長を続けると、巨大ファセット構造を含むＧａＮ膜７５が形成され（図７（ｄ））、ひきつづき２００分間の成長を行うと平坦な表面のＧａＮ膜７５が形成される（図７（ｅ））。ＧａＮ膜７５の膜厚は、３２０μｍの厚さで平坦化した。ＧａＮ膜７５の形成後、Ｇａソース上に供給したＨＣｌガスを停止して、反応管の温度を降温する。反応管の温度が５００℃前後まで、ＮＨ3ガスを供給し、２００℃前後でＨ2ガスからＮ2ガスの切り替え常温まで冷却し、基板を取り出した。
【００９７】
形成したＧａＮ膜７５の表面を、上記実施例１で用いたリン酸と硫酸の混合液によりエッチングしてエッチピットを測定したと。＜１−１００＞方向に１０μｍ間隔で測定した。ＧａＮ膜６５がファセット構造上の中心領域のエッチピット密度にて２×１０5／ｃｍ2と低い値が得られた。
【００９８】
本実施例では、サファイア基板７１の溝形成にドライエッチングを利用したが、リン酸系の混合液を用いて形成しても同様な効果が得られる。
【００９９】
実施例８
本実施例では、実施例１で作製したIII族窒化物自立基板を用いて半導体レーザ構造を作製した。以下、図９を参照して説明する。
【０１００】
レーザ構造の作製には、III族原料に有機金属を用いる有機金属化学気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ）を用いた。上記実施例１で作製したIII族窒化物自立基板をＭＯ−ＣＶＤ装置にセットした。Ｈ2ガスとＮＨ3ガスを供給しながら１０５０℃の温度に昇温した。温度が安定してからＳｉを添加した厚さ１μｍのｎ型ＧａＮ層９１を形成した。さらに、Ｓｉを添加した厚さ０．４μｍのｎ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ｎクラッド層９２、Ｓｉを添加した厚さ０．１μｍのｎ型ＧａＮ光ガイド層９３を形成した。つづいて７９０℃の温度で、厚さ２．５ｎｍのアンドープＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ量子井戸層と厚さ５ｎｍのアンドープＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ障壁層からなる３周期の多重量子井戸構造活性層９４を形成した。その後、１０００℃の温度で、
Ｍｇを添加した厚さ０．１μｍのｐ型ＧａＮ光ガイド層９５、
Ｍｇを添加した厚さ０．４μｍのｐ型Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎクラッド層９６、
Ｍｇを添加した厚さ０．５μｍのｐ型ＧａＮコンタクト層９７、
を順次形成し、レーザ素子構造を形成した（図９（ａ））。
【０１０１】
レーザ構造を作製後、ＮＨ3ガスを供給しながら５００℃の温度まで冷却し、さらに、Ｈ2ガスを供給しながら常温まで冷却した。
【０１０２】
冷却後、レーザ構造を形成した基板を装置より取り出し、０．５μｍの厚さＳｉＯ2膜９８を形成した。さらに、リソグラフィ技術によりファセット構造を形成した領域に１．８μｍの幅の開口部９９を形成した。さらに、開口部９９のｐ型のＧａＮコンタクト層９７上に厚さ５０ｎｍのパラジウム（Ｐｄ）と厚さ０．３μｍの金（Ａｕ）のｐ型電極１００を形成し、Ｎ2ガス雰囲気で、４５０℃の温度で熱処理を行った。
【０１０３】
次に、全体の膜厚を１００μｍ程度になるように裏面からサファイア基板１１、ＧａＮ膜１２、ＧａＮ膜１５を研磨した。研磨した裏面のＧａＮ膜１５をリン酸系の溶液でエッチングしてから厚さ５０ｎｍのＴｉ及び厚さ０．３μｍのアルミニム（Ａｌ）からなるｎ電極１０１を形成する（図９（ｂ））。つづいてＧａＮ膜１５のへき開方向であるＭ面でへき開して、レーザ構造の共振器ミラー面を形成した。
【０１０４】
以上のようにして作製した半導体レーザを室温（２５℃）で発振させ。閾値を測定した。得られたレーザの閾値電流は２０ｍＡ（電流密度：〜３．５ＫＡ／ｃｍ2）前後の良好な値を示した。また、レーザ寿命は６０°Ｃ、３０ｍＷ出力で５０００時間を越え、光ディスクのピックアップ用光源として実用的なレベルであることが確認された。
【０１０５】
本実施例において優れた発光性能が得られた理由は、活性層を含むレーザ素子構造に導入される転位が大幅に低減されていることによるものと考えられる。特に刃状転位が低減されていることも、特性向上の原因の一つと考えられる。前述したように、刃状転位は結晶中の小傾角粒界の発生原因であり、この小傾角粒界において光散乱が起こりやすい。本実施例では、活性層においてこうした刃状転位が顕著に低減されているため、レーザ特性が顕著に向上したものと考えられる。
【０１０６】
実施例９
本実施例では、ＧａＮ基板を結晶成長用下地基板とし、その上に様々なマスクパターンを用いてIII族窒化物半導体層を成長させ、III族窒化物自立基板を得た。用いたＧａＮ基板の表面転位密度は、エッチピット密度で１×１０7／ｃｍ2程度であった。
【０１０７】
図１０は、本実施例で用いたマスクパターンの概略図である。マスクはいずれもＳｉＯ2膜とし、膜厚を０．５μｍとした。
【０１０８】
図１０において、ＳｉＯ2膜１１０の幅を１０μｍとし、他のＳｉＯ2膜１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７の幅より広くなるように形成した。ＳｉＯ2膜１１０の間隔は２０μｍ以上とした。基板表面が露出する開口部１１１の幅は、１．５μｍ以上とした。ＳｉＯ2膜１１０の方向は、下地となるＧａＮ基板の＜１−１００＞方向とした。
【０１０９】
図１０（ａ）のマスクパターンでは、隣接するＳｉＯ2膜１１０の間にＳｉＯ2膜１１２が形成されている。ＳｉＯ2膜１１２のサイズは、幅５μｍ、長さが５μｍ〜５０μｍである。
【０１１０】
図１０（ｂ）のマスクパターンでは、隣接するＳｉＯ2膜１１０の間にＳｉＯ2膜１１３が形成されている。基板水平面内におけるＳｉＯ2膜１１３の形状は、三角形および菱形である。
【０１１１】
図１０（ｃ）のマスクパターンでは、隣接するＳｉＯ2膜１１０の間にＳｉＯ2膜１１４が形成されている。基板水平面内におけるＳｉＯ2膜１１４の形状は、中抜き部を含む長方形となっている。長方形の幅（短辺）は１μｍ程度とした。
【０１１２】
図１０（ｄ）のマスクパターンでは、隣接するＳｉＯ2膜１１０の間にＳｉＯ2膜１１５が形成されている。基板水平面内におけるＳｉＯ2膜１１５は、幅５μｍ、長さ２０μｍの平行四辺形である。
【０１１３】
図１０（ｅ）のマスクパターンでは、隣接するＳｉＯ2膜１１０の間にＳｉＯ2膜１１６が形成されている。基板水平面内におけるＳｉＯ2膜１１６は、一辺が７μｍ程度の三角形である。
【０１１４】
図１０（ｆ）のマスクパターンでは、隣接するＳｉＯ2膜１１０の間にＳｉＯ2膜１１７が形成されている。基板水平面内におけるＳｉＯ2膜１１７は、直径１０μｍ程度の円形である。
【０１１５】
次に、図１０（ａ）〜（ｆ）の形状のマスクパターンが形成された基板を用い、上記実施例と同様にしてＨＶＰＥ法やＭＯＶＰＥ法によりＧａＮ膜のエピタキシャル成長を行った。
【０１１６】
成長過程は、上記実施例と同様に、開口部１１１よりＧａＮ膜の成長が行われ、ファセット構造が形成される。成長を続けることで隣接するファセット構造の合体を繰り返し、基板結晶上に、ＳｉＯ2膜１１０の間で巨大三角形状のファセット構造を有するＧａＮ膜が形成される。さらに成長を続けると、巨大三角形状のファセット構造を有するＧａＮ膜も合体して平坦な表面の領域を持つＧａＮ膜が形成される。
【０１１７】
上記各マスクパターンを用いて形成したＧａＮ膜の表面の欠陥を測定した。いずれも巨大ファセット構造を形成した領域においてエッチピット密度を２×１０5／ｃｍ2に低減できた。
【０１１８】
以上、実施例に基づいて本発明を説明した。実施例１〜８で得られた自立基板は、いずれも大ファセット構造が、小さい複数の小ファセット構造を内包する構造となっている。ファセット構造は、底辺が２０μｍ以上の三角形または台形の断面形状を有しており、形成されたIII族窒化物半導体層中において、基材から上部に向かって伝播する転位が、基材と略水平な方向に複数回折れ曲がっている。
また、上記実施例１〜８で得られた自立基板は、エッチピットの観察により、いずれも、
(i)表面平均転位密度が１０-6ｃｍ-2未満の低転位密度領域が基板水平面内の一方向に周期的に形成されていること
(ii)低転位密度領域の幅が２０μｍ以上であること
(iii) 低転位密度領域に含まれる転位の５０％以上が混合転位からなることが確認された。
【０１１９】
また、実施例１で述べた方法で低転位密度領域のチルト角を測定したところ、いずれも１度以下であることが確認された。
【０１２０】
以上、本発明について実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されることはなく、種々構成を変更することも可能である。
【０１２１】
たとえば上記実施例では、マスクとして０．５μｍの厚さのＳｉＯ2膜を用いたが、ＳｉＯ2膜上にエピタキシャル成長でＧａＮが析出しないで、ファセット構造が形成できる厚さであれば良い。マスク材料についても、ＳｉＯ2膜以外にＳｉＮ（ｘ）膜、Ａｌ2Ｏ3膜等を用いることができる。また、マスク開口幅やストライプ方向についても適宜、変更することができる。
【０１２２】
また、下地基板についても、上記実施例で挙げた以外のものを用いることも可能である。
【０１２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、転位が顕著に低減されたIII族窒化物自立基板を得ることができる。この自立基板に形成される低転位密度領域は大面積であり、その上に好適に素子構造を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図２】本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図３】本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図４】本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図５】本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図６】本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図７】本発明に係る自立基板の製造方法の一例を示す工程断面図である。
【図８】実施例１におけるエッチピット密度の測定結果を示す図である。
【図９】実施例で示した半導体レーザの製造方法の工程断面図である。
【図１０】実施例で用いたマスクパターンの例を示す図である。
【図１１】電子顕微鏡によって観察されたファセット多重構造を示す図である。
【図１２】ファセット構造による転位の折れ曲がりの様子を示す模式図である。
【図１３】ＦＩＥＬＯによる結晶成長の過程を示す図である。
【符号の説明】
１１  サファイア基板
１２  ＧａＮ膜
１３  ＳｉＯ2膜
１４  開口部
１５  ＧａＮ膜
２１  ＧａＮ基板
２２  ＳｉＯ2膜
２３  開口部
２４  ＧａＮ膜
３１  ＳｉＣ基板
３２  ＧａＮ膜
３３  ＳｉＯ2膜
３４  開口部
３５  ＧａＮ膜
４１  ＧａＮ基板
４２  ＳｉＯ2膜
４３  開口部
４４  ＧａＮ膜
５１  サファイア基板
５２  ＧａＮ膜
５３  ＳｉＯ2膜
５４  開口部
５５  ＧａＮ膜
５６  平坦な表面
６１  サファイア基板
６２  ＧａＮ膜
６３  ＳｉＯ2膜
６４  開口部
６５  溝
６６  ＧａＮ膜
７１  サファイア基板
７２  レジスト膜
７２  溝
７３  開口部
７４  溝
７５  ＧａＮ膜
９１  ＧａＮ層
９２  クラッド層
９３  ｎ型ＧａＮ光ガイド層
９４  多重量子井戸構造活性層
９５  ｐ型ＧａＮ光ガイド層
９６  クラッド層
９７  コンタクト層
９８  ＳｉＯ2膜
９９  開口部
１００  ｐ型電極
１０１  ｎ型電極
１１０  ＳｉＯ2膜
１１１  開口部
１１２  ＳｉＯ2膜
１１３  ＳｉＯ2膜
１１４  ＳｉＯ2膜
１１５  ＳｉＯ2膜
１１６  ＳｉＯ2膜
１１７  ＳｉＯ2膜
２０１  サファイア基板
２０２  下地結晶膜
２０３  成長領域
２０４  マスク
２０５  ファセット面
１０００  サファイア基板
１００２  ＧａＮ膜
１００３  マスク
１００４  ＧａＮ層
１００６  転位
１００７  小ファセット構造
１００８  巨大ファセット構造
【図１】
2004193371.tif 000003
【図２】
2004193371.tif 000004
【図３】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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