(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、前記シリコン基板の主面上に形成された一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層とを有する半導体素子であって、前記シリコン基板は、前記シリコン基板の主面より、６２度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を備え、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成され、前記斜面に対して垂直な軸は前記化合物半導体層のｃ軸であり、前記化合物半導体層の成長面は（１−１０１）ファセット面であることを特徴とする半導体素子。
【請求項２】
一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を有する半導体素子において、前記化合物半導体層が、（１００）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に３度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され、前記シリコン基板は、(１１１)面を斜面として有する溝を備え、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成され、前記斜面に対して垂直な軸は前記化合物半導体層のｃ軸であり、前記化合物半導体層の成長面は（１−１０１）ファセット面であることを特徴とする半導体素子。
【請求項３】
前記化合物半導体層の＜０００１＞方向は前記斜面に略垂直であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記半導体素子は、発光層を有する半導体発光素子であり、
前記化合物半導体層は前記発光層を含み、
該発光層は（１−１０１）面を成長面として有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子。
【請求項５】
シリコン基板の主面に、該主面より６２度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を形成する工程と、
前記斜面上に一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を形成する工程とを備え、
前記斜面に垂直な軸を化合物半導体膜のｃ軸として前記化合物半導体層の結晶成長が進行し、前記化合物半導体層の（１−１０１）ファセット面が平面として形成されることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【請求項６】
（１００）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面もしくはこの面から任意の方向に３度以内傾けた範囲内にある面で構成される主面を有するシリコン基板の前記主面に、（１１１）面を斜面として有する溝を形成する工程と、
前記斜面上に一般式ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を形成する工程とを備え、
前記斜面に垂直な軸を化合物半導体膜のｃ軸として前記化合物半導体層の結晶成長が進行し、前記化合物半導体層の（１−１０１）ファセット面が平面として形成されることを特徴とする、半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記溝はＳｉ基板上に複数設けられてなり、前記各溝の斜面上から形成された前記化合物半導体層を、結晶成長にしたがって合体させることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記化合物半導体層形成後に、前記シリコン基板を除去する工程を備えることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項９】
シリコン基板の主面に、該主面より６２度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を複数形成する工程と、
前記斜面上に一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体結晶を形成する工程と、
前記各溝の斜面上から形成された化合物半導体結晶を、さらに成長して合体させることにより、連続した膜状の化合物半導体結晶を得る工程と、
前記膜状の化合物半導体結晶を得た後、前記シリコン基板を除去し、該化合物半導体結晶からなる半導体基板を得る工程とを備え、
前記斜面に垂直な軸を化合物半導体結晶のｃ軸として前記化合物半導体結晶の成長が進行し、前記化合物半導体結晶の（１−１０１）ファセット面が平面として形成されることを特徴とする、半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系半導体素子において、例えば、シリコン基板（００１）面より［０１−１］軸のまわりで７．３±３度回転した基板を用い、シリコンの(１１１)面をもつ溝部をエッチング技術により形成し、その溝部に対して窒化物半導体膜の結晶成長を行なうことで、その半導体膜が（１−１０１）面を面方位として有することを特徴とする窒化物系半導体素子およびその基板の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮおよびそれらの混晶半導体からなる窒化物半導体材料を用いて、これまで、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板もしくはシリコン（１１１）基板上にＩｎxＧａ1-xＮ結晶を発光層として用いた発光素子が作製されている。特にＳｉ基板は、他の基板と比較して大面積で品質の一定したものが安価に得られるため、これを採用することにより低コストで上記発光素子を製造できるのではないかと期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところがシリコン（１１１）基板を用い、窒化物半導体の成長を行なうとＣ面を成長面として有する窒化物半導体膜が得られるものの、このエピタキシャル半導体膜は、原子レベルでの平坦性があまり良くなかった。
【０００４】
例えばこれらの基板上にｎ型のクラッド層、量子井戸型のＩｎxＧａ1-xＮからなる発光層、ｐ型のクラッド層を積層し微細構造の半導体素子を作製した場合、膜の非平坦性が与える影響から、発光層の厚みやＩｎ組成の不均一が生じるため、その発光に影響を及ぼし、４０ｎｍと半値幅の広い発光スペクトルを有する半導体発光素子しか得られなかった。また、このような発光素子の光出力はサファイア基板あるいはＳｉＣ基板上の素子と比較すると劣るものしか得られていなかった。
【０００５】
またこれらの基板を用い、ＡｌＧａＮ層からなる高抵抗層を介し、Ｓｉドープを行なったＧａＮ層を成長させ作製を行なった膜にソース、ドレイン、ゲートからなる電極を作製したＧａＮ系ＭＥＳＦＥＴ(Metal  semiconductor Field  effect  transistor)、さらにはＧａＮチャネル層上にＳｉの変調ドープを行なったＧａＮ系ＭＯＤＦＥＴ（Modulation  dope  Field effect transistor)においてもその平坦性が低い理由から、チャネル層界面の急峻性が乏しいため、凹凸散乱によってチャネル層内を走行する電子の移動度が下がり、その遮断周波数などで電気的特性の良好な半導体素子は得られなかった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するものである。すなわち、本発明は、窒化物系半導体の積層構造において、原子レベルでの平坦性を良くすることで急峻性を上げ、素子の光電特性をあげるため、シリコン基板を用いて高品質で、平坦性の優れた窒化物エピタキシャル膜の結晶成長を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体素子は、１つの局面では、シリコン基板と、シリコン基板の主面上に形成された一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層とを有する半導体素子であって、シリコン基板は、このシリコン基板の主面より、６２度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を備え、前記化合物半導体層は前記斜面上に形成され、該斜面に対して垂直な軸は化合物半導体層のｃ軸であり、化合物半導体層の成長面は（１−１０１）ファセット面である。
【０００８】
本発明に係る半導体素子は、他の局面では、一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を有する半導体素子であり、化合物半導体層が、（１００）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面、もしくは、この面から任意の方向に３度以内傾けた範囲にある面で構成される主面を有するシリコン基板を用いて形成され上記シリコン基板は、(１１１)面を斜面として有する溝を備え、化合物半導体層は上記斜面上に形成され、該斜面に対して垂直な軸は化合物半導体層のｃ軸であり、化合物半導体層の成長面は（１−１０１）ファセット面である。
【０００９】
上記化合物半導体層の＜０００１＞方向は前記斜面に略垂直である。なお、（１−１０１）面を面方位として有するとは、化合物半導体層の主面の面方位が実質的に（１−１０１）面であることを示す。
【００１０】
また、上記半導体素子は、発光層（活性層）を有する半導体発光素子であり、上記化合物半導体層は該発光層（活性層）を含み、該発光層（活性層）は（１−１０１）面を面方位として有する。
【００１１】
本発明に係る半導体素子の製造方法は、１つの局面では次の各工程を備える。シリコン基板の主面に、該主面より６２度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を形成する。この斜面上に一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を形成する。そして、斜面に垂直な軸を化合物半導体膜のｃ軸として化合物半導体層の結晶成長が進行し、該化合物半導体層の（１−１０１）ファセット面が平面として形成される。
【００１２】
本発明に係る半導体素子の製造方法は、他の局面では次の各工程を備える。（１００）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面もしくはこの面から任意の方向に３度以内傾けた範囲内にある面で構成される主面を有するシリコン基板の主面に、（１１１）面を斜面として有する溝を形成する。この斜面上に一般式ＡｌxＧａyＩｎzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体層を形成する。そして、斜面に垂直な軸を化合物半導体膜のｃ軸として化合物半導体層の結晶成長が進行し、該化合物半導体層の（１−１０１）ファセット面が平面として形成される。
【００１３】
上記溝はＳｉ基板上に複数設けられてなり、前記各溝の斜面上から形成された化合物半導体層を、結晶成長にしたがって合体させてもよい。
【００１４】
上記化合物半導体層形成後に、シリコン基板を除去する工程を備えるものであってもよい。
【００１５】
本発明に係る半導体基板の製造方法は、シリコン基板の主面に、該主面より６２度の傾斜した面か、もしくはこの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を斜面として有する溝を複数形成する工程と、該斜面上に一般式ＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１）で表される化合物半導体結晶を形成する工程と、各溝の斜面上から形成された化合物半導体結晶を、さらに成長して合体させることにより、連続した膜状の化合物半導体結晶を得る工程と、該膜状の化合物半導体結晶を得た後、シリコン基板を除去し、該化合物半導体結晶からなる半導体基板を得る工程とを備える。そして、斜面に垂直な軸を化合物半導体結晶のｃ軸として化合物半導体結晶の成長が進行し、化合物半導体結晶の（１−１０１）ファセット面が平面として形成される。
【００１６】
ＧａＮは配向性の強い結晶であり通常の方法では、主面に垂直にｃ軸配向し、よって得られる結晶はＣ面を主面とするものが得られる。Ｃ面とは異なる面を有する結晶を得ることは困難であった。
【００１７】
そこで、例えば、シリコン基板（００１）面より［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した基板もしくは、この面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面に対して、部分的にＳｉＯ2５２によるマスクを施し、そのＳｉＯ2５２からなるマスクのない開口部分に対してエッチングを行なうことで、このオフ基板（主面）６０から６２度の関係の(１１１) ファセット面６１をもつ溝を形成し、その面に窒化物系半導体膜をエピタキシャル成長させることで、ＧａＮ系半導体の（１−１０１）ファセット面７０を成長面とし、成長が行なわれることが、本発明者の数々の実験より導かれた。
【００１８】
このファセット面７０は極めて平坦性の優れた面であり、この基板を用い成長を行なうことで原子レベルにおいて平坦性の高い窒化物半導体膜が得られた。
【００１９】
さらにこの場合、ＧａＮ膜のｃ軸を傾けることで、シリコン基板とこの基板の間の熱膨張係数差が、小さくなるため、クラックが入りにくくなり、
また、このように、（１−１０１）ファセット面７０を半導体発光素子の成長面として用いた場合、活性層内の井戸および障壁層界面にピエゾ効果によって生じる電界がＣ軸を傾けることにより減少するため、電子正孔対のキャリア再結合確率が上がるため、発光効率が上がる結果が得られた。
【００２０】
そこでこの膜を用い、その半導体膜状にＡｌＧａＩｎＮ系窒化物半導体からなる半導体発光素子の作製を行ない、その特性を測定した。その結果、活性層においても極めて平坦性の高く、その層厚のゆらぎが少ないため、発光スペクトルにおいて半値幅１５ｎｍと狭い半導体発光素子が得られた。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下に実施の形態を示しつつ説明する。
【００２２】
＜実施の形態１＞
図１は本実施の形態における窒化物半導体膜の(１−１０１)ファセット面７０を形成するための概念図、図２は、本窒化物半導体発光素子の構造を示す概略断面図である。本実施の形態の窒化物半導体発光素子は、［０−１−１］方向への７．３°（００１）Ｓｉオフ基板１上に、部分的にＳｉＯ2５２によるマスクを施し、そのＳｉＯ2５２からなるマスクのない部分に対してエッチングを行なうことで、このオフ基板（主面）６０から６２度の関係の(１１１) ファセット面６１をもつ溝を形成し、そのファセット面６１から下記の説明の通りに順次平坦化されて積層されていくｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層１０、ｎ−ＧａＩｎＮからなる第一のクラッド層２，ＩｎxＧａ1-xＮからなる発光層３，ｐ−ＡｌＧａＩｎＮからなるキャリアブロック層４、ｐ−ＧａＩｎＮからなる第二のクラッド層５が順に積層された構造を有する。さらに、シリコン基板下面には電極１５が、第二のクラッド層５の上面には透明電極１６が設けられ、透明電極１６の上面の一部には、ボンディング電極１７が設けられている。なお、図２においてＳｉＯ2マスク５２、溝等の構造は省略されている。
【００２３】
ＩｎxＧａ1-xＮ発光層はＧａxＩｎ1-xＮの組成ｘを変えることにより、バンド間発光の波長を紫外から赤色まで発光させることができるが、本実施の形態では、Ｇａの固相の組成がＸ＝０．８２からなる、青色で発光するものとした。マグネシウムがドープされｐ伝導型の第二のクラッド層５は抵抗が大きい。従って、第二のクラッド層５の一端へボンディング電極１７のみから電流、即ち正孔を注入しても、電流密度が発光層３の全域において均一とならないおそれがある。そこで、電極１７と第二のクラッド層５との間に、第二のクラッド層５のほぼ全面にわたる薄膜の透明電極１６が設けられ、この部分より多くの発光を取り出すことができる。ｎ伝導型のシリコン基板上に接続される電極１５には金属を用いればよく、Ａｌ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，のいずれかを含むことが望ましい。ｐ伝導型のＧａＮ第二のクラッド層５に接続される透明電極１６には、２０ｎｍ以下の膜厚の金属を用いればよく、Ｔａ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕのいずれかを含むことが望ましい。
【００２４】
次に、本実施形態の発光素子の製造方法について図１も参照しつつ説明する。
まず、シリコン基板を洗浄し、その上に、スパッタもしくはＣＶＤの技術を用い、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜５２を、１００ｎｍ堆積させる。その後、フォトリソグラフの技術を行なうことで、部分的にシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜をストライプ状に除去する。さらにそのウエハーを、バッファードフッ酸などの酸エッチング等によって、Ｓｉ（１１１）ファセット面６１をもつ溝を形成する。この溝は、Ｓｉ［０１−１］方向に延伸したストライプ状の溝である。図１に示す通り、（１１１）ファセット面６１は、シリコン基板の主面６０を上記所定の面方位としたのでこれに対して６２度の関係を有しているものであった。この面は、従来知られている酸エッチャントの温度を適宜調整し、エッチング速度を適宜調整することで容易に形成できる。また、ＫＯＨ等のアルカリのエッチャントを用いることでも容易に形成できる。また、溝およびＳｉ基板表面上において、上記所定の（１１１）ファセット面６１からの結晶成長を優先的に行わせるために、これの露出する以外の領域は、シリコン窒化物、シリコン酸化物等のその上に窒化物半導体が成長することが抑制されるような材料でマスクしておくことが好ましい。
【００２５】
そして、その基板上にＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法を用いて、以下の成長条件で窒化物半導体膜を成長する。
【００２６】
この基板を用いた場合、図３に示す通り、シリコン基板から６２度の関係を有するファセット面６１に対して、垂直な軸を窒化物半導体膜のｃ軸として結晶成長が進行し、さらに窒化物半導体膜の(１−１０１)ファセット面が平面７０として形成される。
【００２７】
ここで用いたシリコン基板は（００１）面から７．３°［０−１−１］方向に傾けた、すなわち（００１）面から［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した主面６０を持つものでありこれより平面７０はシリコン基板の主面６０とほぼ同じ面方位を持つことができる。この面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いてあった場合も、実質的に（１−１０１）面を有する極めて平坦なＧａＮ面が得られた。図１のように溝上にのみ、窒化物半導体膜を成長し、窒化物半導体膜の（１−１０１）ファセット面７０の上につづけて発光素子構造を形成してもよいが、さらに窒化物半導体膜の成長を続けた場合、図３内の左図から右図のようにしだいに結晶成長が進行し、できた連続膜の上に半導体発光素子を形成することも可能である。本実施の形態ではこの様にして得た連続膜の上に素子を形成した。
【００２８】
まず、上記で記したプロセスによって溝を形成したシリコン基板１をＭＯＣＶＤ装置内に導入し、水素（Ｈ2）雰囲気の中で、約１１００℃の高温でクリーニングを行なう。
【００２９】
その後、キャリアガスとしてＮ2を１０l/min.流しながら、８００℃でＮＨ3とトリメチルアルミニュウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジュウム（ＴＭＩ）、ＳｉＨ4(シラン)ガスを、それぞれ5l/min.、１0μmol/min.、17μmol/min. 0.1μmol/min.導入して、約１０ｎｍの厚みのシリコンドープＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層１０を成長する。
【００３０】
続いて、同じ温度で、ＴＭＡの供給を停止し、トリメチルガリュウム（ＴＭＧ）、ＴＭＩ、ＳｉＨ4(シラン)ガスを約20μmol/min.、100μmol/min. 、0.05μmol/min.それぞれ導入し、約３ミクロンの厚さのシリコンドープＧａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ第一のクラッド層２を成長する。
【００３１】
これによって、溝部は埋められ、さらに隣接するＧａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ第一のクラッド層２がそれぞれつながり、Ｓｉ基板上に平坦な(１−１０１)面７０を有するＧａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ第一のクラッド層２が形成される。
【００３２】
この第一のクラッド層２は前記ＡｌＩｎＮ中間層１０を堆積した後、その成長温度を高温に上げ、ＧａＮの膜としても構わなかったが、Ｉｎを含みＡｌを含まないＧａＩｎＮクラッド層を用いることで、高温に成長温度を上げることなく低温成長が可能となり、この場合クラックの発生が少なかった。
【００３３】
その後、ＴＭＡ、ＴＭＩ、ＴＭＧの供給を停止して、基板温度を７６０℃までまで降温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を６．５μmol/min.、ＴＭＧを２．８μmol/min.導入し、Ｉｎ0.18Ｇａ0.82Ｎよりなる3nm厚の井戸層を成長する。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを14μmol/min.導入しＧａＮよりなる障壁層を成長する。同様に井戸層，障壁層の成長を繰り返し、４ペアーからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３を成長する。
【００３４】
上記発光層の成長が終了した後、最後の障壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１μmol/min.、ＴＭＡを１.1μmol/min.、ＴＭＩを４０μmol/min.ｐ型ドーピング原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウムを（Ｃｐ2Ｍｇ）を10nmol/min.流し、５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブロック層４を成長する。キャリアブロック層４の成長が終了すると、同じ成長温度において、ＴＭＡの供給を停止し、８０nm厚のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第二のクラッド層５の成長を行ない発光素子構造の成長を終了する。成長が終了すると、ＴＭＧ，ＴＭＩおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止した後、室温まで冷却し、ＭＯＣＶＤ装置より取り出す。その後、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層からなる第二のクラッド層の上面に透明電極１６を、さらにその上の一部にボンディング電極１７を、Ｓｉ基板下面に電極１５を形成し、本実施の形態の発光素子が完成する。
【００３５】
そして、作製した半導体素子の特性を測定した。その結果、活性層においても極めて平坦性の高く、その層厚のゆらぎが少ないため、発光スペクトルにおいて半値幅１５ｎｍと狭い半導体発光素子が得られた。またその発光強度は、従来技術であるＳｉ（１１１）基板上に形成した素子と比較して、１０倍以上であった。
【００３６】
＜実施の形態２＞
実施の形態１においては、（００１）面より７．３度傾けたシリコン基板上に直接発光素子構造の作製を行なったが、このシリコンオフ基板をＧａＮ基板作製のための下地基板として用い、シリコンを除去することで得られた平坦なＧａＮ基板を用い半導体素子を作製することも可能であった。
【００３７】
ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法を用い、このＳｉオフ基板上に一旦ＡｌＮ中間層を用いてＧａＮの成長を行なう。ただしこの中間層はＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ中間層を用いても同様の結果が得られた。
【００３８】
その基板をＨＶＰＥ（ハイドライドＶＰＥ）装置内に導入する。Ｎ2キャリアガスとＮＨ3を、それぞれ5l/min.流しながら、基板の温度を約１０５０℃まで昇温する。その後、基板上にＧａClを100cc/min.導入してＧａＮの厚膜の成長を開始する。ＧａClは約８５０℃に保持されたＧａ金属にＨＣｌガスを流すことにより生成される。また、基板近傍まで単独で配管してある不純物ドーピングラインを用いて不純物ガスを流すことにより、任意に成長中に不純物のドーピングを行なうことができる。本実施例ではSiをドーピングする目的で、成長を開始すると同時に、モノシラン（ＳｉＨ4）を200nmol/min.供給（Si不純物濃度約3.8x1018cm-3）してSiドープＧａＮ膜を成長した。
【００３９】
上記方法で、８時間の成長を行ない、膜厚の合計が約３５０μmの厚さのＧａＮをＳｉ基板上に成長した。成長後、研磨乃至はエッチングによりＳｉ基板を除去し、（１−１０１）面を有する極めて平坦なＧａＮ基板を得る。こうして、本実施の形態によれば、（１−１０１）面を表面に有するＧａＮ基板を得ることが出来る。
【００４０】
そして、洗浄したこのこのＧａＮ基板をＭＯＣＶＤ装置内に導入した後、ＧａＮ基板上に、基板温度を７６０℃まで昇温し、インジウム原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を６．５μmol/min.、ＴＭＧを２．８μmol/min.導入し、Ｉｎ0.18Ｇａ0.72Ｎよりなる3nm厚の井戸層を成長する。その後再び、８５０℃まで昇温し、ＴＭＧを14μmol/min.導入しＧａＮよりなる障壁層を成長する。同様に井戸層，障壁層の成長を繰り返し、４ペアーからなる多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３を成長する。
【００４１】
上記発光層の成長が終了した後、最後の障壁層と同じ温度で、ＴＭＧを１１μmol/min.、ＴＭＡを１.1μmol/min.、ＴＭＩを４０μmol/min.ｐ型ドーピング原料ガスであるビスシクロペンタジエニルマグネシウムを（Ｃｐ2Ｍｇ）を10nmol/min.流し、５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブロック層４を成長する。キャリアブロック層４の成長が終了すると、同じ成長温度において、ＴＭＡの供給を停止し、８０nm厚のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第二のクラッド層５の成長を行ない発光素子構造の成長を終了する。成長が終了すると、ＴＭＧ，ＴＭＩおよびＣｐ2Ｍｇの供給を停止した後、室温まで冷却し、ＭＯＣＶＤ装置より取り出す。その後、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層からなる第二のクラッド層の上面に透明電極１６を、さらにその上の一部にボンディング電極１７を、ＧａＮ基板下面に電極１５を形成し、本実施の形態の発光素子の作製を行なった。
【００４２】
上記のごとく、Ｓｉ基板を出発基板として、（１−１０１）面７０を有する極めて平坦なＧａＮ基板を作製し、その後、半導体素子を作製することで、発光スペクトルにおいて半値幅１５ｎｍと狭い半導体発光素子が得られた。また、こうして得られた発光素子の発光強度は実施の形態１の素子のさらに３倍以上であり、きわめて高輝度のものであった。
【００４３】
＜実施の形態３＞
実施の形態１においては、（００１）面より７．３度傾けたシリコン基板上に有機金属を用いた気相成長法を用いた発光素子構造の作製を行なったが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法による成長法によって作製することも可能であった。本実施の形態では、実施の形態１のＭＯＣＶＤ成長工程を以下のＭＢＥ成長工程に変更した。
【００４４】
Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎソースとしてはそれぞれ金属Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎを用いた。またＮのソースとしてはＮＨ3を用いた。
【００４５】
洗浄したシリコン基板１をＭＢＥ装置内に導入し、高真空中、約１１００℃の高温でクリーニングを行なう。
【００４６】
その後、８００℃でＮＨ3と金属Ａｌ、Ｉｎを導入して、約２０ｎｍの厚みのＡｌ0.85Ｉｎ0.15Ｎ層１０を成長する。
【００４７】
続いて、同じ温度で、金属Ａｌの供給を停止し、金属Ｇａ、Ｉｎをそれぞれ導入し、約３００ｎｍの厚さのシリコンドープＧａ0.92Ｉｎ0.08Ｎ第一のクラッド層２を成長する。
【００４８】
その後、金属Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ供給を停止して、基板温度を７６０℃までまで降温した後、多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる発光層３を成長する。
【００４９】
上記発光層の成長が終了した後、最後の障壁層と同じ温度で、金属Ｇａを金属Ａｌ，Ｉｎおよびｐ型ドーピング原料ガスであるＭｇを導入し５０ｎｍ厚のｐ型Ａｌ0.20Ｇａ0.75Ｉｎ0.05Ｎキャリアブロック層４を成長する。キャリアブロック層４の成長が終了すると、同じ成長温度において、金属Ａｌの供給を停止し、８０nm厚のｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ第二のクラッド層５の成長を行ない発光素子構造の成長を終了する。以上のようにＭＢＥ法の後、ｐ型Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層からなる第二のクラッド層の上面に透明電極１６を、さらにその上の一部にボンディング電極１７を、Ｓｉ基板下面に電極１５を形成し、本実施の形態の発光素子が完成する。
【００５０】
＜実施の形態４＞
実施の形態１では、Ｓｉ（１１１）面が、エッチャントを用いたエッチング方法（湿式エッチング）により容易に形成される性質を利用し、シリコン主面から約６２度傾斜した溝斜面を得ていた。こうして得られた斜面は、いわゆる結晶ファセットであり、加工精度が安定しているだけでなく、平坦性にも優れており、窒化物半導体を成長させる下地として優れている。しかしながら、本発明の適用範囲はこれだけに限られるものではない。発明者の数々の実験より、（００１）面より７．３度傾けたシリコン基板を主面として用いるだけでなく、他の面においてもシリコン主面に実施の形態１と同様に、部分的にマスク５２を施し、さらにエッチングの温度、速度を変えることで、主面に対して６２度からなる傾斜溝を形成することが可能となった。
【００５１】
そこで、その面を用い検討を行なった場合、同様の結果が得られた。つまり、実施の形態１と同じように、ＧａＮ（１−１０１）面が、基板主面とほぼ平行になるような結晶成長が可能であり、このような成長を続ける結果、平坦なＧａＮ（１−１０１）面を表面にもつ連続した結晶膜が得られた。ＧａＮは配向性の強い結晶であり通常の方法では、主面に垂直にｃ軸配向し、よって得られる結晶はＣ面を主面とするものしか得られずＣ面とは異なる面を有する結晶を得ることは困難であったが、本発明により、ＧａＮ（１−１０１）面を表面にもつ結晶が容易に得られるようになった。
【００５２】
＜実施の形態５＞
本発明の半導体素子の製造方法についてさらに具体的に説明する。
【００５３】
(００１)面より［０−１−１］方向に７．３°オフした傾けたシリコン基板に、図４の通り、ファセット形成用のシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなる厚さ１００ｎｍのマスク５２を、スパッタ法等の製膜技術、さらに、フォトリソグラフィーの技術を用い、Ｓｉ［０１−１］方向に延伸したストライプ状パターンをもって形成する。その後、図５の通り、希釈したＫＯＨ水溶液によって（１１１）ファセット面６１を斜面に有する溝をエッチング形成する。このとき、溝の形状自体は、Ｖ字もしくは底の領域が平坦になっている変形のＶ字等の形状を持ち、もう一方の斜面は、（１−１−１）ファセット面となる。なお、シリコン基板がオフ基板であるために、Ｖ字の形状は左右対称でなく、（１１１）斜面は基板主面に対して約６２°傾斜した面であるが、（１−１−１）斜面は同約４７°傾斜した面である。この基板をスパッタ装置内で傾けた状態で設置することで（１１１）ファセット面６１には膜がつかないように、製膜を行い、（１−１−１）ファセット面も覆うようにシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなるマスク５２を施し、図６の通りとする。これを、窒化物半導体膜作成用の基板とする。図８に、この際のＳｉ基板とファセット面等の方位関係について示した。
【００５４】
そして、この処理を行ったＳｉ基板に、ＭＯＣＶＤ法を用い成長を行う。このＳｉオフ基板上に、ＡｌＩｎＮ中間層の成長を行い、続いてＧａＮの成長を行なうことで、図７（ａ）〜（ｄ）のような成長過程を経て、連続膜からなるＧａＮ基板を作製することが可能となる。結晶成長は（１１１）ファセット上から結晶成長が開始する（ａ）。成長する窒化物半導体は、斜面に対して＜０００１＞方向が垂直に配向する。成長した結晶の上面には、基板主面にほぼ平行にＧａＮ（１−１０１）面が現れ、そのため、成長途中の段階ではストライプ方向に伸びた三角柱のような形状の結晶となる（ｂ）。さらに成長が進むにしたがって、三角柱の径は大きくなり、ついには隣接する三角柱状結晶同士が接触するようになる（ｃ）。またさらに成長を続けると、分離していた各三角柱状結晶は合体し、表面に平坦なＧａＮ（１−１０１）面をもったＧａＮ結晶膜が得られることになる（ｄ）。
【００５５】
成長初期に用いたこの中間層としてはＡｌＩｎＮ中間層、ＡｌＧａＮ中間層、ＡｌＧａＩｎＮ中間層を用いても同様の結果が得られた。
【００５６】
ここでは、上記所要の（００１）面シリコンオフ基板を用い、（１１１）ファセット面を主面から６２°傾斜した斜面として用いたが、KOHのエッチャント濃度、温度を制御することで（１１１）の代わりに、（２１１）からなるＳｉファセット面をエッチングにより形成することもできる。この場合、（２−１−１）面から［１００］方向に８．６°オフしたシリコン基板上に、［０１−１］方向に延伸したストライプ状溝を作成することで（２１１）ファセット面を主面から６２°傾斜した斜面として形成することが出来、これによっても上記同様な表面が平坦なＧａＮ結晶膜が得られた。
【００５７】
これは窒化物半導体結晶が、この（２１１）ファセット面に対しても垂直軸をｃ軸として、成長が行われ、この場合にも、（２１１）面から６２°の角度の関係を有するＳｉオフ基板を用いることで、同様な平坦なＧａＮ基板が得られるものと考えられる。
【００５８】
このように本発明では、Ｓｉ基板を用いた場合、窒化物半導体膜は基板に対してｃ軸配向の結晶成長が行われやすく、ファセットと基板のオフ角の関係が６２°からなる基板を用いることで、平坦な窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面を有す結晶膜を用いることができる。
【００５９】
このようにして得られた連続膜からなる窒化物半導体膜上に、実施の形態１と同様にして図２の通りの半導体発光素子を形成することでＳｉ基板上への高輝度の半導体発光素子の作製が可能となった。こうして得られた半導体発光素子は、その発光層（活性層）が（１−１０１）面を主面として有している。これは、従来、サファイア基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ（１１１）基板を用いて形成されていた素子が（０００１）を主面としていたのと異なっている。ウルツ鉱構造結晶である窒化物半導体の（０００１）を主面としていた薄膜は、その主面に平行な方向では、バンド構造的に等価であるが、本発明のように（１−１０１）面を主面とした薄膜は、その主面に平行な方向もバンド構造的に等価ではない。よって、本発明を応用した発光素子は、発光層（活性層）に平行な方向のバンドの縮退が解けており、よって、発光効率が高く、また、半導体レーザ素子に応用した場合に格段の低閾値を実現することが出来る。
【００６０】
＜実施の形態６＞
実施の形態５においては、図７（ｄ）に示される成長過程までを経て、連続膜からなる窒化物半導体膜を形成し、その上に、半導体発光素子を作製したが、本実施例の形態においては、成長過程（ａ）から（ｂ）の過程、すなわち、個々の三角柱形状の結晶体が合体しない状態で各窒化物半導体層の結晶成長を終え、図９の通りに示すように、個々の三角柱形状の結晶体に半導体発光素子を別個に形成して、個別に発光素子を発光させることを可能とするものである。
【００６１】
素子の構成としては、Ｓｉ基板上に形成したファセット面６１に順次積層されたｎ−ＡｌＧａＩｎＮ中間層１０、ｎ-ＧａＮ下地層１１、ｎ−ＧａＩｎＮからなる第一のクラッド層２，ＩｎxＧａ1-xＮからなる発光層３，ｐ−ＡｌＧａＩｎＮからなるキャリアブロック層４、ｐ−ＧａＩｎＮからなる第二のクラッド層５が順に積層された構造を有する。さらに、シリコン基板下面には電極１５が、第二のクラッド層５の上面には透明電極１６が設けられ、透明電極１６の上面の一部には、ボンディング電極１７が設けられている。
【００６２】
＜実施の形態７＞
実施の形態１ないし４の説明では、Ｓｉ基板に設けたストライプ溝の片側の斜面にのみ、窒化物半導体を成長させることを説明したが、本実施の形態では両サイドの斜面を主面からの所定のオフ角度を有するものとして形成し、図１０に示す通り、両サイドのＳｉ斜面に、実施の形態６の説明と同様に個々の半導体発光素子を形成した。
【００６３】
上記実施の形態では、主に、半導体素子としてＬＥＤである半導体発光素子をとりあげて説明したが、本発明の適用範囲はこれに限られるものではなく、半導体レーザ素子に適用してもよく、また上記手法を用い、ＡｌＧａＮ層からなる高抵抗層を介し、Ｓｉドープを行なったＧａＮ層を成長させ作製を行なった膜にソース、ドレイン、ゲートからなる電極を作製したＧａＮ系ＭＥＳＦＥＴ(Metal  semiconductor Field  effect  transistor)、さらにはＧａＮチャネル層上にＳｉの変調ドープを行なったＧａＮ系ＭＯＤＦＥＴ（Modulation  dope  Field effect transistor)にも適用でき、これらにおいては各層の平坦性を向上できることからが、チャネル層界面の急峻性が良く、凹凸散乱によるチャネル層内を走行する電子の移動度の向上が実現でき、その遮断周波数などで電気的特性の良好な半導体素子が得られると共に、Ｓｉ基板との窒化物半導体層との間の導電性を確保することができることから、Ｓｉ基板上にも一体に素子を形成し、集積化した半導体素子回路を製造することが出来るようになる。
【００６４】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン基板上に作製する窒化物半導体素子に関し、シリコン基板の主面より６２度傾斜した面、シリコン基板（００１）面を［０１−１］軸のまわりで７．３度回転した面、もしくは、これらの面から任意の方向に３度以内の範囲で傾いた面を用いることで、（１−１０１）エピタキシャル面を有する極めて平坦な高品質結晶膜を得ることが可能となり、そのエピタキシャル面を用いることで界面の急峻な、優れた光電特性を有する半導体素子を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】  窒化物半導体膜の(１−１０１)ファセット面を形成するための概念図である。
【図２】  本発明の実施の形態の発光素子を示す断面図である。
【図３】  本発明に用いた基板窒化物半導体膜の関係を示す図である。
【図４】  本発明の化合物半導体の製造方法を説明するための図である。
【図５】  本発明の化合物半導体の製造方法を説明するための図である。
【図６】  本発明の化合物半導体の製造方法を説明するための図である。
【図７】  本発明の化合物半導体の製造方法を説明するための図である。
【図８】  実施の形態５のＳｉ基板における結晶方位関係を説明するための図である。
【図９】  実施の形態６の半導体発光素子を示す断面図である。
【図１０】  実施の形態７の半導体発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
１  Ｓｉ（００１）オフ基板、２  ｎ−ＧａＩｎＮからなる第一のクラッド層、３  ノンドープＩｎＧａＮ発光層、４  ｐ−ＡｌＧａＩｎキャリアブロック層、５  ｐ−ＧａＩｎＮからなる第二のクラッド層、１０  ｎ−ＡｌＧａＩｎＮ層、１１  ＧａＮ下地層、１５  電極、１６  透明電極、１７  ボンディング電極、５２  マスク（シリコン酸化膜、もしくはシリコン窒化膜）、５３  窒化物半導体結晶、６０  シリコンの（００１）面、６１  シリコンの（１１１）ファセット面、７０  窒化物半導体の（１−１０１）ファセット面、７１  窒化物半導体の（０００１）ファセット面、７２  連続膜の状態になった窒化物半導体の（１−１０１）面、８０  窒化物半導体のｃ軸、８１  窒化物半導体の成長進行方向。
【図１】
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【図２】
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【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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