(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長面として（１１−２３）面を有するサファイア基板を備える段階と、
前記サファイア基板上に非極性ｍ面（１０−１０）窒化物半導体を成長させる段階と
を含み、
前記非極性ｍ面窒化物半導体を成長させる段階の前に、前記サファイア基板上にｍ面六方晶構造を有する緩衝層を成長させる段階をさらに含み、
前記窒化物半導体は、ＧａＮであり、
前記緩衝層は、ＺｎＯ或いはＳｉＣであることを特徴とする、
窒化物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記サファイア基板の結晶面がｃ軸方向に対して±５°以内のオフ角を有することを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項３】
前記サファイア基板の結晶面がｃ軸と垂直の方向に対して±５°以内のオフ角を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記ｍ面窒化物半導体から前記サファイア基板を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記窒化物半導体を成長させる段階は、ハイドライド気相成長工程により実施されることを特徴とする請求項４に記載の窒化物半導体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物半導体の製造方法に関するものであって、より詳しくは、非極性ｍ面窒化物半導体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ＩＩＩ族窒化物半導体は、可視光全体領域のみならず、紫外線領域に至る広い範囲の光を発することができるという特性を有し、青緑色を具現するための発光素子物質として脚光を浴びている。
【０００３】
窒化物半導体は、主にサファイア（Ａｌ2Ｏ3）またはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）のような異種基板上に、有機金属化学気相成長法［ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）］、ハイドライド気相成長法［ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）］などの気相成長法或いは分子線エピタキシー法［ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）］を用いて成長される。
【０００４】
従来は、窒化物発光素子として上記異種基板のｃ軸方向［０００１］から成長された窒化物単結晶が主に使用されたが、この場合に強い圧電性を表すため、発光素子の効率が低下されるという問題があった。即ち、ｃ面窒化物層の場合に、ＧａＮの固有特性により活性層の内部から圧電効果による電場、即ち「圧電場（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）」が外部電場と逆方向に印加される。図１ａに図示す通り、電子及び正孔の波動関数が空間的に食い違ってしまい再結合効率が低下する。
【０００５】
最近は、このような分極特性を制御して発光効率を高めるために、ａ面もしくはｍ面の非極性窒化物層を成長させ発光素子に適用する方案が活発に研究されつつある。非極性窒化物層の場合には結晶方向自体に分極がないため、極性窒化物層とは異なって内部に電場が印加されない。従って、非極性窒化物層が適用された活性層では、図１ｂのように電子と正孔の波動関数もほぼ理想的に一致させることができる。
【０００６】
従来の非極性窒化物層の成長方法として、特許文献１に開示された通り、ｒ面（１０−１２）サファイア基板を使用したり、ａ面ＺｎＯ或いはＳｉＣのような六方晶系基板を使用することにより、ａ面（１０−１０）窒化物層を成長する方法が主に使用されてきた。
【０００７】
ところが、ａ面窒化物層はｍ面窒化物層に比べて表面エネルギーの側面で安定していないため、成長時に表面にストライプパターンが形成されることが知られている。また、極性に他の成長異方性問題によりピット（ｐｉｔ）が発生する問題がある。図２は、表面にストライプパターンでピットが形成されたａ面ＧａＮ層の断面を撮影した写真である。このようなピットは、発光素子において漏れ電流の経路として提供されるため、発光効率を大きく低下させる原因となることがある。
【０００８】
その反面、ｍ面（１０−１０）窒化物半導体は、ａ面と同一の非極性を表すが、ａ面に比べて表面エネルギーが低くてより安定しているため、成長時に比較的平らな表面を有する長所がある。このようなｍ面窒化物半導体は独特の格子定数を有するため、成長基板としてＬｉＡｌＯ2及びｍ面のＺｎＯとｍ面のＳｉＣのような基板のみ実験的に使用されてきた。
【０００９】
しかし、このような基板は、ｍ面窒化物半導体の成長基板としては重大な短所を有している。例えば、ＬｉＡｌＯ2基板の場合には単価が高過ぎて、ＺｎＯの場合には化学的に不安定であり、ＳｉＣ基板もＺｎＯ基板と同様に面積が限られているため、ｍ面窒化物半導体の成長を実用することは困難である。
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０１９８８３７号明細書（公開日：２００３．１０．２３、発明者：Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｄ．Ｃｒａｖｅｎ他）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述の従来技術の問題点を解決するためのものであって、その目的は、結晶品質に優れている比較的大口径のサファイア基板を用いたｍ面窒化物半導体の成長方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の技術的課題を達成すべく、本発明は、ほぼ（１１−２３）面であるサファイア基板を備える段階と、上記サファイア基板上に非極性ｍ面（１０−１０）窒化物半導体を成長させる段階と、を含む窒化物半導体の製造方法を提供する。
【００１３】
具体的には、上記サファイア基板の結晶面がｃ軸方向に対して約±５°以内のオフ角を有することができ、ｃ軸と垂直の方向に対して約±５°以内のオフ角を有することができる範囲を含む。
【００１４】
本発明の一実施形態では、上記非極性ｍ面窒化物半導体を成長させる段階の前に、上記サファイア基板上にｍ面六方晶構造を有する緩衝層を成長する段階をさらに含むことができる。例えば、上記緩衝層はＺｎＯまたはＳｉＣであることができる。
【００１５】
本発明が適用可能な窒化物半導体は、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ組成式（ここで、０≦x≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を満足する物質からなることができる。上記窒化物半導体を成長させる段階は、窒化物の高速成長に有利なＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）工程により実施することができる。
【００１６】
また、窒化物単結晶基板を提供するために、上記ｍ面窒化物半導体から上記サファイア基板を除去する段階をさらに含むことができる。
【００１７】
本発明は、他の六方晶結晶構造半導体の製造方法にも類似に適用されることができる。即ち、上記製造方法は、ほぼ（１１−２３）面であるサファイア基板を備える段階と、上記サファイア基板上に上面がｍ面（１０−１０）である六方晶結晶構造を有する半導体を成長させる段階とを含む。
【００１８】
本明細書に表記されたミラー指数では、数字上のバー（ｂａr）表記に代えて数字の前に「−」を使用したことに注意されたい。例えば、（１１−２３）において、「−２」は「２」の上にバーがあるものと同じであると理解すべきである。
【００１９】
このように、本発明は窒化物成長基板として普遍的に使用されるサファイア基板から、ｍ面窒化物半導体、特にｍ面ＧａＮの成長条件に満足できる結晶面を選択し、その結晶面を有するよう加工されたサファイア基板を成長基板として使用しｍ面ＧａＮを成長させる方法を提供する。
【００２０】
本発明に採用されたサファイア基板は、成長面として（１１−２３）面を有する。例えば、（１１−２３）面はｃ軸方向を基準に斜めに切断した面として理解できる。サファイア基板の（１１−２３）面はｍ面ＧａＮとの格子定数の差を最小化して従来のｒ面サファイア基板上のａ面ＧａＮの成長と類似な水準の条件を提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によると、既に常用化されたサファイア基板の（１１−２３）面を結晶成長面として用いることにより、非極性面でありながらも従来のａ面より表面状態が安定したｍ面（１０−１０）窒化物半導体を容易に製造することができる。従って、従来の他の基板に比べて低価であるだけでなく、結晶品質に優れて相対的に大口径が可能なため、優れた品質を有するｍ面窒化物半導体を実用化水準で提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付の図面を参照に本発明を詳しく説明する。
【００２３】
図３（ａ）には、六方晶系サファイア（Ａｌ2Ｏ3）結晶構造が概略的に図示されている。矢印で表示された通り、本発明では成長面（即ち、上面）が（１１−２３）面であるサファイア基板を採用する。
【００２４】
図３（ｂ）は（１１−２３）面サファイア基板とｍ面（１０−１０）ＧａＮの格子点を比べた概略図である。図３（ｂ）に図示された通り、本発明に採用される（１１−２３）面サファイア基板は、ｍ面ＧａＮの格子と非常に類似な格子を有していることが確認できる。
【００２５】
具体的には、ＧａＮのｍ面（１０−１０）はａ軸方向に６．３６８Åで、ｃ軸方向に１０．３６８Åの格子定数を有し、サファイア基板の（１１−２３）面はａ軸方向に５．５７４Åで、ｃ軸方向に９．８８２Åの格子定数を有する。
【００２６】
従って、（１１−２３）面サファイア基板上にｍ面ＧａＮを成長させる際に発生する圧縮応力は、ａ軸方向に１４％、ｃ軸方向に５％に過ぎない。このような圧縮応力は、従来の技術において、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮ層を成長する際に発生する圧縮応力（ｃ軸方向：１．１％、ｍ軸方向：１６％）と類似な水準であることが分かる。
【００２７】
このように、本発明では、既に常用化されたサファイア基板の格子不一致の程度を最小化できる（１１−２３）面を有するよう特定方向に切断することにより、ｍ面（１０−１０）ＧａＮ薄膜を容易に成長させることができる基板を比較的安価かつ安定した品質で提供することができる。
【００２８】
本発明の製造方法から得ようとするｍ面（１０−１０）ＧａＮは、先に説明した通り、非極性であるだけでなく安定した表面状態を有するため、非極性ａ面から発生するピットによる問題を解決することができる。
【００２９】
上述のｍ面ＧａＮ層を成長するための格子一致条件は、図３（ｂ）に提示された数値に厳しく限定されるものではない。即ち、サファイア基板は正確に（１１−２３）に限定されることを意味しない。従って、本発明に採用可能なサファイア基板は、（１１−２３）面に対して一定範囲に限ってティルティングされてもｍ面ＧａＮ成長のための基板として使用することができる。
【００３０】
このような点を踏まえたときに、本発明に採用されるサファイア基板の（１１−２３）面は、ｃ軸方向を基準に約±５°以内のオフ角を有することができ、ｃ軸と垂直の方向を基準に約±５°以内のオフ角を有することができる範囲を含んだものと説明することができる。
【００３１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、従来のａ面窒化物層と本発明によるｍ面窒化物層の断面図である。
【００３２】
図４（ａ）を参照すると、緩衝層４２が形成されたｒ面（１０−１２）サファイア基板４１上に、非極性ａ面（１１−２０）ＧａＮ薄膜４５を成長させた状態が図示されている。緩衝層４２としては、六方晶系結晶構造を有する物質が主に使用される。非極性ａ面ＧａＮ薄膜４５は、高い表面エネルギー（約１２３ ｍｅＶ／Å2）を有するため、相対的に安定したｍ面になろうとする傾向を有することになりピットが形成されることができる。このようなピットは、先に説明した通り、発光素子において漏れ電流の経路として提供され発光効率を低下させるだけでなく、素子の信頼性を大きく低下させることができる。
【００３３】
これに対して、図４（ｂ）のように、（１１−２３）サファイア基板５１上に緩衝層５２を形成した後、その上に非極性ｍ面（１０−１０）ＧａＮ薄膜５５を成長させた状態が図示されている。本発明においても結晶品質を向上させるため、ｍ面六方晶構造の物質を有する緩衝層５２を採用することができる。好ましくは、ｍ面（１０−１０）ＧａＮ薄膜５５を成長するための緩衝層５２としてはＺｎＯ或いはＳｉＣ物質を使用することができる。
【００３４】
本発明に従って成長されたｍ面ＧａＮ薄膜５５は、ａ面ＧａＮと同様に非極性であるが、ａ面に比べて相対的に低い表面エネルギー（約１１８ｍｅＶ/Å2）を有するため非常に安定した状態を有する。従って、ピットの発生を大きく抑制することができ、発光素子の結晶として優れた特性を有する非極性ＧａＮ層として非常に有用に使用することができる。
【００３５】
本発明は、直接発光素子を形成するための窒化物単結晶の成長工程に限られず、フリースタンディング窒化物単結晶基板を製造する方法として応用することができる。この場合、図４（ｂ）では、ｍ面ＧａＮから上記サファイア基板を除去する工程をさらに含むことができる。サファイア基板の除去工程は、通常のレーザーリフトオフ工程により具現されることができる。
【００３６】
また、発光素子を製造する工程では、通常のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が有益に適用されることができるが、窒化物基板のための工程では窒化物の高速成長に有利なＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）工程により実施されることができる。
【００３７】
上述の実施形態では、ｍ面（１０−１０）ＧａＮ薄膜を例示して説明したが、本発明はＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ｎ組成式（ここで、０≦x≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である）を満足する窒化物半導体の製造工程として適用されることができる。
【００３８】
さらに、本発明は他の六方晶結晶構造半導体の製造方法にも非極性ｍ面の結晶を得るための工程として適用されることができる。このような製造工程は、上述のｍ面窒化物半導体の製造工程と類似に、ほぼ（１１−２３）面であるサファイア基板を備える段階と、上記サファイア基板上に上面がｍ面（１０−１０）である六方晶結晶構造を有する半導体を成長させる段階とを含む。
【００３９】
このように本発明は、上述の実施例及び添付の図面により限定されず、添付の特許請求の範囲により限定するものである。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で当技術分野において通常の知識を有している者により様々な形態の置換、変形及び変更を行うことが可能であって、これらもまた本発明の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１ａ】圧電場による影響を説明するための活性層のエネルギーバンド図と電子及び正孔の波動関数を示したグラフである。
【図１ｂ】圧電場による影響を説明するための活性層のエネルギーバンド図と電子及び正孔の波動関数を示したグラフである。
【図２】通常のａ面窒化物半導体の断面を撮影したＳＥＭ写真である。
【図３】本発明に採用される（ａ）サファイア基板の結晶構造と、（ｂ）（１１−２３）サファイア基板とｍ面窒化ガリウムの格子とを比べる概略図である。
【図４】（ａ）従来のａ面窒化物層と（ｂ）本発明によるｒ面窒化物層とを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
５１  （１１−２３）面サファイア基板
５２  ｍ面（１０−１０）六方晶構造緩衝層
５５  ｍ面（１０−１０）ＧａＮ薄膜
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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