(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に複数のストライプ状の溝が周期的に形成された基板上部の全面にバッファ層を形成する第１のステップと、
前記バッファ層の上部に第１の窒化物半導体薄膜を成長させる第２のステップと、
前記ストライプ状の溝が形成されていない領域の上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜の上部を露出させ、前記溝上の上部表面を完全にマスクするように、前記溝上に成長された欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜の上部表面を誘電体マスクパターンでマスキングする第３のステップと、
前記誘電体マスクパターンを介して露出された、第１の窒化物半導体薄膜をエッチングし、周期的なストライプ状に突出している第１の窒化物半導体薄膜パターンを形成し、前記誘電体マスクパターンを除去する第４のステップと、
前記窒化物半導体薄膜パターンを用いて、前記溝上に突出して形成された前記欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜から横方向に側面成長を行って第２の窒化物半導体薄膜を形成する第５のステップとを含むことを特徴とする欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項２】
前記上部に複数のストライプ状の溝が周期的に形成された基板は、
前記基板上部に所定の間隔ｄ２で基板が露出される誘電体マスクパターンを形成し、
前記誘電体マスクパターンにより露出された基板を所定の深さｄ３だけエッチングし、
前記誘電体マスクパターンを除去して形成されることを特徴とする請求項１に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項３】
前記誘電体マスクパターンにより露出された基板の間隔ｄ２は、０.１〜１５μｍであることを特徴とする請求項２に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項４】
前記エッチングされる基板の深さは、０.１〜１０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項５】
前記基板は、シリコンカーバイド(SiC)、サファイヤ(Sapphire)、ガリウム砒素(GaAs)及び窒化ガリウム(GaN)のうちから選択されたいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項６】
前記バッファ層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１-ｘ-ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ＳｉＮ層及びこれらが積層された積層膜のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項７】
前記第２のステップを行った後の第１の窒化物半導体薄膜は、前記ストライプ状の溝が形成されていない領域の上部に形成された領域は、欠陥密度が高く、前記ストライプ状の溝の上部に形成された領域は、欠陥密度が低く形成されることを特徴とする請求項１に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項８】
前記誘電体マスクパターンは、欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜領域をマスキングし、欠陥密度の高い第１の窒化物半導体薄膜領域を露出させることを特徴とする請求項７に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項９】
上部に複数の溝が形成された基板上部の全面にバッファ層を形成する第１のステップと、
前記バッファ層の上部に第１の窒化物半導体薄膜を成長させる第２のステップと、
前記複数の溝が形成されていない領域の上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜の上部を露出させ、前記溝上の上部表面を完全にマスクするように、前記溝上に成長された欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜の上部表面を誘電体マスクパターンでマスキングする第３のステップと、
前記誘電体マスクパターンを介して露出された、第１の窒化物半導体薄膜をエッチングし、第１の窒化物半導体薄膜パターンを形成し、前記誘電体マスクパターンを除去する第４のステップと、
前記窒化物半導体薄膜パターンを用いて、前記溝上に突出して形成された前記欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜から横方向に側面成長を行って第２の窒化物半導体薄膜を形成する第５のステップとを含むことを特徴とする欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項１０】
前記複数の溝は、周期的に形成されたことを特徴とする請求項９に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項１１】
前記複数の溝は、多角形状または円形状であることを特徴とする請求項９に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項１２】
前記バッファ層は、前記溝内部の側壁の高さよりも小さい厚さで形成することを特徴とする請求項９に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【請求項１３】
前記バッファ層は、ＡｌｘＧａｙＩｎ１-ｘ-ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ＳｉＮ層及びこれらが積層された積層膜のいずれかで形成されることを特徴とする請求項１０に記載の欠陥の少ない窒化物半導体薄膜の成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、欠陥の少ない窒化物半導体薄膜及びその成長方法に関し、より詳しくは、基板上部に複数の溝を形成し、その基板の全面にバッファ層と一次窒化物半導体薄膜とを順次形成し、欠陥密度の高い一次窒化物半導体薄膜領域はエッチングした後、二次窒化物半導体薄膜を側面成長させることにより、欠陥密度の低い窒化物半導体薄膜が得られる欠陥の少ない窒化物半導体薄膜及びその成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、窒化物半導体薄膜は、広いバンドギャップ(Band-gap)を利用して短波長領域の光を出せる光素子に応用されており、高温、高周波及び高電力の電子素子への応用のための研究が盛んに行われている。
このような窒化物半導体薄膜は、主として高温で安定なサファイヤ基板に成長させる。
【０００３】
しかし、窒化物半導体薄膜とサファイヤ基板とは、熱膨張係数や格子定数に大きな差があり、貫通電位(break through potential)などの欠陥が多く発生するという欠点を有する。
最近、サファイヤ基板や窒化物半導体薄膜の欠陥を低減するために、サファイヤ基板の上部にＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ＳｉＮまたはこれらの物質が積層された積層膜をバッファ(Buffer)層として形成した後、窒化物半導体薄膜を成長させている。
【０００４】
このように、バッファ層の上部に窒化物半導体薄膜を成長させると、成長された窒化物半導体薄膜には、１０8〜１０9cm-2の貫通電位密度(break through potential density)を有することになり、欠陥密度が減少することになる。
【０００５】
一方、青紫色レーザーダイオードや高出力、高効率、高信頼性の発光ダイオードを製造するためには、欠陥密度を低減することが必須である。
【０００６】
このような貫通電位を低減する方法としては、１）サファイヤ基板にパターンを形成して縦方向と横方向の成長を調整する方法、２）サファイヤ基板上部に窒化物半導体薄膜を成長させ、その上部に所定の形状の誘電膜を形成した後、窒化物半導体薄膜を再び成長させるＬＥＯ(Lateral Epitaxial Overgrowth)成長法、３）サファイヤ基板の上部に窒化物半導体薄膜を成長させ、窒化物半導体薄膜を所定の形状でエッチングした後、再び窒化物半導体薄膜を成長させるペンデオ(Pendeo)成長法などが使用されている。
【０００７】
図１ａ〜１ｅは、従来の技術によるマスクパターンを形成したサファイヤ基板を用いて窒化物半導体薄膜を成長させる工程図であり、先ず、サファイヤ基板１０の上部に所定の間隔でサファイヤ基板１０が露出される誘電体マスクパターン１１を形成する(図１ａ)。
その後、誘電体マスクパターン１１により露出されたサファイヤ基板１０を所定の厚さｄだけエッチングする（図１b）。
【０００８】
次いで、図１ｃに示すように、誘電体マスクパターン１１を除去すると、上部に所定の間隔で凹溝１０ａの形成されたサファイヤ基板１０が完成される。
【０００９】
その次、サファイヤ基板１０の上部の全面にバッファ層１２を成長させる（図１ｄ）。
最後に、バッファ層１２の上部に窒化物半導体薄膜１３を成長させる（図１ｅ）。
【００１０】
このとき、サファイヤ基板１０の側面１０ｂで成長される窒化物半導体薄膜１３Ａの貫通電位は互いに消滅され、パターンが形成されたサファイヤ基板上には欠陥密度が減少することになる。
【００１１】
最近は、前述のマスクパターンを形成したサファイヤ基板を用いて窒化物半導体薄膜を成長させる方法は、高出力及び高効率の発光ダイオードの製造に適用されている。
【００１２】
図２〜２ｃは、従来の技術によるＬＥＯ(Lateral Epitaxial Overgrowth)により窒化物半導体薄膜を成長させる工程図であり、サファイヤ基板２０の上部に第１の窒化物半導体薄膜２１を形成し、第１の窒化物半導体薄膜２１の上部に所定の間隔で第１の窒化物半導体薄膜２１が露出される誘電体マスクパターン２２を形成する(図２a)。
【００１３】
その次、誘電体マスクパターン２２により選択的に露出された第１の窒化物半導体薄膜２１の上部に第２の窒化物半導体薄膜２３を成長させる（図２b）。
【００１４】
ここで、それぞれの誘電体マスクパターン２２の上部では、露出された第１の窒化物半導体薄膜２１の上部に成長された第２の窒化物半導体薄膜２３が加えられ、継続して第２の窒化物半導体薄膜２３が成長され、図２ｃに示すように、誘電体マスクパターン２２の上部に成長される第２の窒化物半導体薄膜２３は、欠陥が減少することになる。
【００１５】
図３a〜３ｃは、従来の技術によるペンデオ(Pendeo)成長法により窒化物半導体薄膜を成長させる工程図であり、サファイヤ基板３０の上部に第１の窒化物半導体薄膜３１を形成し(図３a)、成長された第１の窒化物半導体薄膜３１を周期的なストライプパターン(Stripe pattern)３１ａを有するようにエッチングを行い（図３b）、周期的なストライプパターン３１ａを用いて側面成長させて第２の窒化物半導体薄膜３２を成長させる（図３ｃ）。
【００１６】
これにより、側面成長した第２の窒化物半導体薄膜３２Ａの貫通電位密度は、減少することになる。
【００１７】
前述のように、従来の技術による窒化物半導体の欠陥低減方法においては、パターンが形成された領域または誘電体パターン領域に側面成長した窒化物半導体薄膜の欠陥は減少するが、パターンまたは誘電体パターン領域が形成されていない部分では、欠陥がそのまま存在し、結晶性が改善されないという欠点がある。
【００１８】
すなわち、平均的には、欠陥密度が減少するが、局部的には、欠陥密度の高い領域と低い領域が周期的に存在することになるという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、上部に複数の溝が形成された基板にバッファ層と一次窒化物半導体薄膜とを順次形成し、一次窒化物半導体薄膜にて欠陥密度の高い領域はエッチングを行い、欠陥密度の低い領域は周期的なストライプ状のパターンを形成した後、このパターンを用いて二次窒化物半導体薄膜を側面成長させることにより、欠陥密度の低い窒化物半導体薄膜を製造できる欠陥の少ない窒化物半導体薄膜及びその成長方法を提供することを目的とする。
【００２０】
また、本発明は、欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜に第２の窒化物半導体薄膜が形成されるため、第２の窒化物半導体薄膜は少ない欠陥を維持して成長され、誘電体マスクパターンのある領域は、ＬＥＯ(Lateral Epitaxial Overgrowth)方式で窒化物半導体薄膜が成長されることになり、全領域で欠陥密度の低い第２の窒化物半導体薄膜が得られる欠陥の少ない窒化物半導体薄膜及びその成長方法を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の本発明の目的を達成するための好ましい第１の態様は、上部に複数のストライプ状の溝が周期的に形成された基板上部の全面にバッファ層を形成する第１のステップと、
前記バッファ層の上部に第１の窒化物半導体薄膜を成長させる第２のステップと、
前記ストライプ状の溝のそれぞれの上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜の上部をマスキングし、ストライプ状の溝が形成されていない領域の上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜の上部が露出するように誘電体マスクパターンを前記第１の窒化物半導体薄膜の上部に形成する第３のステップと、
前記誘電体マスクパターンを介して露出された、第１の窒化物半導体薄膜をエッチングし、周期的なストライプ状に突出している第１の窒化物半導体薄膜パターンを形成し、前記誘電体マスクパターンを除去する第４のステップと、
前記窒化物半導体薄膜パターンを用いて、側面成長を行って第２の窒化物半導体薄膜を形成する第５のステップとを含むことを特徴する。
【００２３】
上記の本発明の目的を達成するための好ましい第２の態様は、上部に複数の溝が形成された基板上部の全面にバッファ層を形成する第１のステップと、
前記バッファ層の上部に第１の窒化物半導体薄膜を成長させる第２のステップと、
前記複数の溝のそれぞれの上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜の上部をマスキングし、溝の形成されていない領域の上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜の上部が露出するように、誘電体マスクパターンを前記第１の窒化物半導体薄膜の上部に形成する第３のステップと、
前記誘電体マスクパターンを介して露出された、第１の窒化物半導体薄膜をエッチングし、第１の窒化物半導体薄膜パターンを形成し、前記誘電体マスクパターンを除去する第４のステップと、
前記窒化物半導体薄膜パターンを用いて、側面成長を行って第２の窒化物半導体薄膜を形成する第５のステップとを含むことを特徴する。
【００２５】
上記の本発明の目的を達成するための好ましい第３の態様は、基板上部に複数の溝を形成するステップと、
その基板の全面にバッファ層と一次窒化物半導体薄膜とを順次形成するステップと、
前記複数の溝の上部に形成された一次窒化物半導体薄膜領域を除いて、残りの一次窒化物半導体薄膜領域をエッチングするステップと、
前記二次窒化物半導体薄膜を形成するステップとを含むことを特徴する。
【発明の効果】
【００２８】
このような本発明による欠陥の少ない窒化物半導体薄膜及びその成長方法によれば、基板上部に複数の溝を形成し、その基板の全面にバッファ層と一次窒化物半導体薄膜とを順次形成し、欠陥密度の高い一次窒化物半導体薄膜領域は、エッチングした後、二次窒化物半導体薄膜を側面成長させることにより、欠陥密度の低い窒化物半導体薄膜を得ることができ、優れた結晶質を有する窒化物半導体薄膜を使用して、高効率、高出力、高信頼性の特性を有する光素子や電子素子を製造することができ、高い歩留まりが得られるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面に基づいて詳しく説明する。
図４a〜４ｆは、本発明の第１の実施形態によって欠陥の少ない窒化物半導体薄膜を成長させる工程図であり、図４aに示すように、上部にストライプ状の複数の溝１１０ａが周期的に形成された基板１００を準備し、基板１００の上部の全面にバッファ層１２０を形成する（図４b）。
【００３０】
ここで、ストライプ状の複数の溝１１０ａは、基板１００を平面上で見るとき、基板１００上に互いに離隔された複数の溝が列と行とで配列されて形成される。
そして、バッファ層１２０は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）、ＳｉＮ層及びこれらが積層された積層膜のうちの何れかで形成することが好ましい。
【００３１】
また、基板１００は、シリコンカーバイド(SiC)、サファイヤ(Sapphire)、ガリウム砒素(GaAs)及び窒化ガリウム(GaN)のうちの選択された何れかを使用すれば良い。
【００３２】
次いで、バッファ層１２０の上部に第１の窒化物半導体薄膜１３０を成長させる(図４ｃ)。
【００３３】
このとき、成長された第１の窒化物半導体薄膜１３０は、欠陥密度の高い領域(ストライプ状の溝が形成されていない領域の上部に形成された領域には、欠陥２０１が多く生成される)と低い領域(ストライプ状の溝の上部に形成された領域には、欠陥２０２が少なく生成される)とが交互に形成されることになる。
【００３４】
その次、図４ｄに示すように、ストライプ状の溝の上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜１３０の上部をマスキングし、ストライプ状の溝が形成されていない領域の上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜１３０の上部が露出するように、誘電体マスクパターン１４０を第１の窒化物半導体薄膜１３０の上部に形成する。
【００３５】
すなわち、誘電体マスクパターン１４０は、欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜領域をマスキングしており、欠陥密度の高い第１の窒化物半導体薄膜領域を露出させている。
その後、誘電体マスクパターン１４０を介して露出された第１の窒化物半導体薄膜をエッチングし、ストライプ状に突出している第１の窒化物半導体薄膜パターン１３０ａを形成し、誘電体マスクパターン１４０を除去する（図４ｅ）。
【００３６】
ここで、誘電体マスクパターン１４０を介して露出された、欠陥密度の高い第１の窒化物半導体領域はエッチングされ、欠陥密度の低い第１の窒化物半導体領域には、ストライプ状に突出している窒化物半導体薄膜パターン１３０ａが形成される。
【００３７】
次いで、窒化物半導体薄膜パターン１３０ａを用いて、側面成長を行って第２の窒化物半導体薄膜１５０を形成する(図４ｆ)。
【００３８】
従って、本発明は、上部にストライプ状の溝が周期的に形成された基板にバッファ層と一次窒化物半導体薄膜とを形成し、一次窒化物半導体薄膜にて欠陥密度の高い領域はエッチングし、欠陥密度の低い領域は周期的なストライプ状のパターンを形成した後、このパターンを用いて二次窒化物半導体薄膜を側面成長させることにより、欠陥密度の低い窒化物半導体薄膜を製造することが可能となる。
【００３９】
図５a〜５ｃは、本発明の第２実施形態によって欠陥の少ない窒化物半導体薄膜を成長させる工程図であり、本発明の第２実施形態は、本発明の第１実施形態の図４ｃの工程後に行われるもので、すなわち、図５aでストライプ状の溝が周期的に形成されている基板上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜１３０の上部を露出させ、ストライプ状の溝が形成されていない基板上部に成長された第１の窒化物半導体薄膜１３０の上部がマスキングされるように、誘電体マスクパターン１４０を第１の窒化物半導体薄膜１３０の上部に形成する。
【００４０】
つまり、本発明の第２実施形態では、誘電体マスクパターン１４０は、欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜領域を露出させ、欠陥密度の高い第１の窒化物半導体薄膜領域をマスキングしている。
よって、欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜領域は、ストライプ状に露出することになる。
【００４１】
その後、誘電体マスクパターン１４０を介して露出された、第１の窒化物半導体薄膜の上部に、側面成長を行って第２の窒化物半導体薄膜１５０を形成する（図５b及びｃ）。
【００４２】
従って、本発明の第２実施形態では、欠陥密度の低い第１の窒化物半導体薄膜で第２の窒化物半導体薄膜が形成されるため、第２の窒化物半導体薄膜は、少ない欠陥を維持して成長され、誘電体マスクパターンのある領域は、ＬＥＯ(Lateral Epitaxial Overgrowth)方式で窒化物半導体薄膜が成長することになり、全領域で欠陥密度の低い第２の窒化物半導体薄膜が得られることになる。
【００４３】
図６a〜６ｃは、本発明により基板上にストライプ状の溝を周期的に形成する工程図であり、基板１００の上部に所定の間隔ｄ２で基板１００が露出される誘電体マスクパターン１１０を形成する(図６a)。
【００４４】
このとき、誘電体マスクパターン１１０により露出された基板１００の間隔ｄ２は、０.１〜１５μｍであることが好ましい。
【００４５】
その後、誘電体マスクパターン１１０により露出された基板１００を所定の深さｄ３だけエッチングする(図６b)。
【００４６】
ここで、エッチングされる基板１００の深さは、０.１〜１０μｍであることが好ましい。
そして、誘電体マスクパターン１１０を除去すると、基板１００の上部には、周期的に形成されたストライプ状の溝が形成される。
【００４７】
前述の本発明の第１及び第２の実施形態において、複数の溝は、多角形状または円形状に形成しても良い。
【００４８】
そして、バッファ層は、溝内部の側壁の高さよりも小さい厚さで形成すれば、溝内部のバッファ層で第１の窒化物半導体薄膜を側面成長させて、欠陥をさらに低減することができる。
【００４９】
以上のように、上記実施の形態を参照して詳細に説明され図示されたが、本発明は、これに限定されるものでなく、このような本発明の基本的な技術的思想を逸脱しない範囲内で、当業界の通常の知識を有する者にとっては、他の多くの変更が可能であろう。また、本発明は、添付の特許請求の範囲により解釈されるべきであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】a〜ｅは、従来の技術によるマスクパターンを形成したサファイヤ基板を用いて窒化物半導体薄膜を成長させる工程図である。
【図２】a〜ｃは、従来の技術によるＬＥＯ(Lateral Epitaxial Overgrowth)により窒化物半導体薄膜を成長させる工程図である。
【図３】a〜ｃは、従来の技術によるペンデオ成長法(Pendeo epitaxial growth)により窒化物半導体薄膜を成長させる工程図である。
【図４】a〜ｆは、本発明の第１の実施形態によって欠陥の少ない窒化物半導体薄膜を成長させる工程図である。
【図５】a〜ｃは、本発明の第２の実施形態によって欠陥の少ない窒化物半導体薄膜を成長させる工程図である。
【図６】a〜ｃは、本発明によって基板上にストライプ状の溝を周期的に形成する工程図である。
【符号の説明】
【００５１】
１００  基板
１１０、１４０  誘電体マスクパターン
１１０ａ  溝
１２０  バッファ層
１３０、１５０  窒化物半導体薄膜
１３０ａ  窒化物半導体薄膜パターン
【図１】
0004614125.tif 000002
【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】
0004614125.tif 000007