(57)【要約】【課題】デバイス特性に優れ、生産性の良いIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法、並びに、それに用いられるIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法、III−Ｖ族窒化物系半導体基板のロットを提供する。【解決手段】チップ形状をなしていると共に、III−Ｖ族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を有し、該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスにおいて、前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっており、前記エピタキシャル層の劈開面は、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面と同一面にある。【選択図】      図１
2005150287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップ形状をなしていると共に、III−Ｖ族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を有し、該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスにおいて、
前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっており、
前記エピタキシャル層の劈開面は、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面と同一面にあることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイス。
【請求項２】
前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていることを特徴とする請求項１記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイス。
【請求項３】
III−Ｖ族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を成長し、当該基板と共に当該エピタキシャル層を劈開して当該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法において、
前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっているものを準備し、前記基板上に前記エピタキシャル層を成長した後、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面の位置で前記基板と共に前記エピタキシャル層を劈開し、前記エピタキシャル層の劈開面と、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面とが同一面となるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを形成することを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法。
【請求項４】
前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていることを特徴とする請求項３記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法。
【請求項５】
下地基板上に、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長し、成長完了後に下地基板を除去し、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を製造する方法であって、前記下地基板は、以下に述べるIII−Ｖ族窒化物系半導体基板のオフ方向と劈開面が平行となるようなオフ方向でオフが付けられているものを用い、前記III−Ｖ族窒化物系半導体基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっていることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項６】
六方晶のＣ面を表面とするサファイア下地基板上に、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長し、成長完了後にサファイア下地基板を除去し、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を製造する方法であって、前記サファイア下地基板は、その結晶のＣ軸がＭ軸方向に傾いたものを用い、前記III−Ｖ族窒化物系半導体基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっていることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項７】
複数のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板から構成されるIII−Ｖ族窒化物系半導体基板のロットであって、前記ロットを構成する個々の基板が、請求項５又は６に記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法によって得られたIII−Ｖ族窒化物系半導体基板であることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板のロット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法、III−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法、III−Ｖ族窒化物系半導体基板のロットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）、窒化ガリウムアルミニウム（ＧａＡｌＮ）等の窒化物系半導体材料は、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、短波長発光デバイスへの適用が盛んに検討されている。又、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、電子デバイスへの応用も期待されている。
【０００３】
既に世の中に広く普及しているシリコン（Ｓｉ）や砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等は、それぞれＳｉ基板、ＧａＡｓ基板といった同種の材料からなる基板の上に、半導体デバイスを作るためのエピタキシャル成長層を、ホモエピタキシャル成長させて使用されている。同種基板上のホモエピタキシャル成長では、成長の初期からステップフローモードで結晶成長が進行するため、結晶欠陥の発生が少なく、平坦なエピタキシャル成長表面が得られやすい。ＧａＡｓ基板上に格子定数の近いＡｌＧａＩｎＰなどの混晶層を成長させる場合は、エピタキシャル層の表面モフォロジが荒れやすくなる傾向が見られるが、下地基板の面方位を基準となる低指数面から、特定方向に故意に傾ける（これを一般にオフを付けると称する）ことで、結晶欠陥の発生が少なく、平坦なエピタキシャル成長表面を得ることができている。
【０００４】
一方、窒化物系半導体は、バルク結晶成長が難しく、最近ようやく実用に耐えるレベルのＧａＮ自立基板が開発され、使われ始めた段階にある。現在、広く実用に供されているＧａＮ成長用の下地基板はサファイアであり、単結晶のサファイア下地基板の上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法で、一旦ＧａＮをヘテロエピタキシャル成長させ、その上に連続で、あるいは一旦取り出した後、別の成長炉で半導体デバイスを作るための窒化物系半導体エピタキシャル層を成長させる方法が一般に用いられている。
【０００５】
サファイア下地基板は、ＧａＮと格子定数が異なるため、サファイア下地基板上に直接ＧａＮを成長させたのでは単結晶膜を成長させることができない。このため、サファイア下地基板上にＳｉなどをヘテロ成長させる目的で考案された、低温バッファ層技術（特許文献１）をＧａＮの成長に応用して、サファイア下地基板上に一旦５００℃程度の低温でＡｌＮやＧａＮのバッファ層を成長させ、この低温成長バッファ層で格子の歪みを緩和させてからその上にＧａＮを成長させる方法が考案された（特許文献２）。この低温成長窒化物層をバッファ層として用いることで、サファイア下地基板上のＧａＮの単結晶エピタキシャル成長は可能になった。しかし、この方法でも、やはり下地基板と結晶の格子のずれは如何ともし難く、成長の開始当初は前述のステップフローモードではなく、３次元島状成長モードで結晶成長が進行する。このため、こうして得られたＧａＮは、１０9〜１０10cm-2もの転位密度を有している。この欠陥は、ＧａＮ系半導体デバイス、特にＬＤ（レーザダイオード）や紫外発光ＬＥＤを製作する上で障害となる。
【０００６】
最近では、サファイア下地基板等の異種下地基板上に、転位密度を低減したＧａＮ層を厚くエピタキシャル成長させ、成長後にＧａＮ層を下地基板から剥離して、得られたＧａＮ層を自立したＧａＮ基板として用いる方法がいろいろ提案されている。たとえば、特許文献３には、サファイア下地基板上にＧａＮ層の厚膜を成長させた後、サファイア下地基板を除去する方法が開示されており、又、特許文献４では、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth:非特許文献１）と呼ばれる転位低減技術を用いてサファイア下地基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア下地基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることが提案されている。ＶＡＳ法（Void-Assisted Separation:非特許文献２、特許文献５）は、サファイア等の下地基板上で、網目構造のＴｉＮ薄膜を介してＧａＮを成長することにより、下地基板とＧａＮ層の界面にボイドを形成し、ＧａＮ基板の剥離と低転位化を同時に可能にしたものである。
【０００７】
サファイア下地基板上にＧａＮを結晶成長する際、ＧａＮエピタキシャル層の表面モフォロジの平坦性、再現性を高めるため、一般的にサファイア下地基板もオフを付けたものを用いることが多い。オフの付いた下地基板上に成長したエピタキシャル層は、下地基板に倣った方向にオフを付けたまま結晶成長する傾向があり、従って、オフを付けたサファイア下地基板上に成長したＧａＮ層は、サファイア下地基板を除去した後でも、オフの付いた自立基板となっている。
【０００８】
又、この自立基板を用いて半導体デバイスを製造するには、自立基板上にデバイス構造のエピタキシャル層を成長させデバイス用エピタキシャル基板を形成した後、そのデバイス用エピタキシャル基板を切り分け、チップ状に形成するが、この時に、結晶の持っている劈開性を利用して切り分けることが多い。一般に、劈開で得られた結晶端面は、ダイサーなどにより切断された端面に比べてきれいで、又、切り代のロスも無いという利点を有している。特に、ファブリペロー（Fabry Perot）型のレーザダイオードでは、共振器面を劈開で作製することが一般的に行われている。例えば、特許文献６には、III−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオードの共振器面を劈開で作製する例が記載されている。
【特許文献１】特公昭６２−２９３９７号公報
【特許文献２】特開平４−２９７０２３号公報
【特許文献３】特開平１０−２５６６６２号公報
【特許文献４】特開平１１−２５１２５３号公報
【特許文献５】特開２００３−１７８９８４号公報
【特許文献６】特開平１０−２２５２６号公報
【非特許文献１】Appl.Phys.Lett.71(18)2638(1997)
【非特許文献２】Y.Oshima et.al.,Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)pp.L1−L3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このような方法で作製したIII−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオード等のIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスには解決すべき課題が残されていた。
【００１０】
前述の通り、ＧａＮの自立基板には、製造に用いる下地基板の影響で、必然的にオフが付いたものが得られることが多い。ＧａＮ基板にオフが付いていること自体は、決して悪いことではなく、エピタキシャル成長用の基板としては、オフの付いていない基板に比べて、エピタキシャル層の表面平坦性が向上しやすいなど、優位な点も多い。しかし、この基板のオフが、半導体デバイスを作る際に問題となることを見つけた。
【００１１】
図３にIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図を、図４にＧａＡｓ基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図を示す。ＳｉやＧａＡｓのように、立方晶系の（００１）面を基板に使った半導体デバイスは、図４に示すように、劈開面が４回対称に出るため、劈開だけで直方体の半導体デバイスを作製することが可能である。しかし、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶は、一般に六方晶系の（０００１）面が使われるため、劈開面は図３のような６回対称にしか出ない。窒化物系半導体結晶においては、｛１０−１０｝面と｛１１−２０｝面の両方の面において、原子の配列面に垂直な方向の結合手が一本であり、劈開面になりえる。しかし、実際には、｛１０−１０｝面に較べると、｛１１−２０｝面の劈開性は弱く、｛１１−２０｝面で劈開しようとしても、きれいな劈開面を得ることは困難である。従って、実際に有効に使える劈開面は、６回対称にしか出ない｛１０−１０｝面だけと言う事ができる。
【００１２】
このため、劈開だけでIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを作製しようとすると、半導体デバイス形状は三角柱又は上面が平行四辺形の角柱になってしまい、直方体とはならない。従って、直方体の半導体デバイスを得るには、一対の平行な面だけを劈開で形成し、それに垂直なもう一対の面は、ダイサーを用いた切断などの方法に依らなければならない。これが、従来の立方晶系半導体では起こらなかった、六方晶系のIII−Ｖ族窒化物系半導体結晶固有の問題を引き起こすことになる。
【００１３】
図２（ａ）は、理想的な直方体形状の半導体デバイス、図２（ｂ）は、オフの付いた基板を劈開して作製し、劈開面が半導体デバイス表面に対する垂直面から傾いてしまった半導体デバイスの一例を示す模式図である。
【００１４】
オフの付いた基板を、劈開すると、基板のオフ方向によっては、劈開面が基板表面と垂直ではなくなってしまう。このため、図２（ａ）に示すように、理想的には直方体であるべき半導体デバイス形状が、図２（ｂ）のように、劈開面１２が半導体デバイス表面１３に対する垂直面から傾き、少しゆがんだ形になってしまう。これが、ＬＥＤデバイスや、電子デバイスであれば、それほど大きな問題になることはないが、劈開面を共振器面とするファブリペロー型のレーザダイオードでは、大きな問題となる。
【００１５】
ファブリペロー型のレーザダイオードにおいては、電流注入されて発光した光が、相対する共振器面間で反射することにより発振する。このとき、共振器面が半導体デバイス表面から傾いていると、一方の共振器面で反射された光が、もう一方の共振器に戻る割合が減ってしまう。その結果、発振閾電流が増える、発光出力が低下するなどのレーザデバイス特性の劣化につながってしまうのである。
【００１６】
ＧａＡｓの半導体レーザダイオードの場合も、共振器面が傾いていれば、上述のレーザデバイス特性の劣化が起こる。しかし、劈開面が４回対称に出るので、オフ方向が、劈開方向と平行であれば、半導体デバイス表面から傾いた一対の劈開面の他に、必ず半導体デバイス表面に垂直な一対の劈開面が存在することになる。これに対し、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶では、劈開面が６回対称に出るので、オフ方向を劈開方向と同じにし、且つオフ方向と平行な劈開面を用いて共振器を作製しない限り、他の劈開面では、必ず共振器面に傾きが生じることになってしまうのである。
【００１７】
しかしながら、従来は、III−Ｖ族窒化物系半導体基板のオフは、あまり論じられることがなく、オフ方向と半導体デバイスの劈開面との関係に注意が払われていない状況にあった。
【００１８】
これは、サファイア下地基板のオフ方向やオフの大きさに統一がとれておらず、サファイア下地基板を購入するメーカ毎にばらばらであるという事実からも容易にうかがい知ることができる。サファイア下地基板のオフ方向やオフの大きさがばらついていれば、これを利用して作製したＧａＮ基板のオフ方向やオフの大きさもばらばらになってしまうのである。
【００１９】
このため、従来のIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイス、特にIII−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオードでは、デバイス特性のばらつきが大きく、又歩留りが悪いという問題があった。
【００２０】
本発明は、上記課題を解決し、デバイス特性に優れ、生産性の良いIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法、並びに、それに用いられるIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法、III−Ｖ族窒化物系半導体基板のロットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、チップ形状をなしていると共に、III−Ｖ族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を有し、該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスにおいて、前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっており、前記エピタキシャル層の劈開面は、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面と同一面にあることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスにある。
【００２２】
前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていてもよい。
【００２３】
又、本発明は、III−Ｖ族窒化物系半導体の基板上に、デバイス構造のエピタキシャル層を成長し、当該基板と共に当該エピタキシャル層を劈開して当該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面が劈開面であるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法において、前記基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっているものを準備し、前記基板上に前記エピタキシャル層を成長した後、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面の位置で前記基板と共に前記エピタキシャル層を劈開し、前記エピタキシャル層の劈開面と、前記基板のオフ方向と平行な前記基板の劈開面とが同一面となるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを形成することを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法にある。
【００２４】
前記エピタキシャル層のデバイス構造は、レーザダイオード構造であり、前記エピタキシャル層の劈開面は、レーザダイオードの共振器面となっていてもよい。
【００２５】
又、本発明は、下地基板上に、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長し、成長完了後に下地基板を除去し、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を製造する方法であって、前記下地基板は、以下に述べるIII−Ｖ族窒化物系半導体基板のオフ方向と劈開面が平行となるようなオフ方向でオフが付けられているものを用い、前記III−Ｖ族窒化物系半導体基板は、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっていることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法にある。
【００２６】
前記下地基板として、結晶のＣ軸がＭ軸方向に傾いたサファイア下地基板を用い、そのサファイア下地基板のＣ面上に、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長して、成長完了後にサファイア下地基板を除去し、III−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を製造することによって、基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、基板表面に対して傾いてオフが付いていると共に、前記低指数面の傾きの方向であるオフ方向が、当該基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっているIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を得てもよい。
【００２７】
又、本発明は、複数の前記III−Ｖ族窒化物系半導体基板から構成されるIII−Ｖ族窒化物系半導体基板のロットである。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明によれば、デバイス特性を向上、安定させ、信頼性を高めることが可能になる。又、半導体デバイスのプロセス工程が容易となり、上記のデバイス特性向上効果と併せて、半導体デバイスの良品取得歩留りが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明者らは、III−Ｖ族窒化物系半導体基板にオフを設ける際、そのオフ方向を基板の劈開方向に合わせるとともに、オフ方向が基板内に３つある劈開方向のうち、どの劈開方向に合っているかが特定できるようにして、このオフ方向に平行な劈開面を有するIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイス、特にIII−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオードを形成すれば、半導体デバイスの劈開面が常に半導体デバイス表面と垂直に形成できるようになるため、デバイス特性を向上、安定させ、信頼性を高めることができることを見出した。
【００３０】
本発明に係るIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの一実施の形態を示すと、次の通りである。
【００３１】
チップ形状をなしていると共に、ＧａＮ基板上に、レーザダイオード構造のエピタキシャル層を有する半導体レーザダイオードであって、該半導体レーザダイオードのエピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面がレーザダイオードの共振器面であり、且つ劈開面となっており、前記ＧａＮ基板は、オフが付いていると共に、そのオフ方向が、当該ＧａＮ基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっており、前記エピタキシャル層の劈開面は、前記ＧａＮ基板のオフ方向と平行な前記ＧａＮ基板の劈開面と同一面にあるIII−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオードである。
【００３２】
本発明に係るIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法の一実施の形態示すと、次の通りである。
【００３３】
ＧａＮ基板上に、レーザダイオード構造のエピタキシャル層を成長し、当該ＧａＮ基板と共に当該エピタキシャル層を劈開して当該エピタキシャル層の少なくとも一組の平行な側面がレーザダイオードの共振器面であり、且つ劈開面であるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法において、前記ＧａＮ基板は、オフが付いていると共に、そのオフ方向が、当該ＧａＮ基板の等価な劈開面の内の１つの面と平行となっているものを準備し、前記ＧａＮ基板上に前記エピタキシャル層を成長した後、前記ＧａＮ基板のオフ方向と平行な前記ＧａＮ基板の劈開面の位置で前記ＧａＮ基板と共に前記エピタキシャル層を劈開し、前記エピタキシャル層の劈開面と、前記ＧａＮ基板のオフ方向と平行な前記ＧａＮ基板の劈開面とが同一面となるIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを形成するIII−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオードの製造方法である。
【００３４】
なお、ここで、ＧａＮ基板にオフが付いているとは、ＧａＮ基板表面に最も近い結晶面である低指数面が、ＧａＮ基板表面に対して傾いていることを言い、オフ方向とは、前記低指数面の傾きの方向を言う。
【００３５】
又、III−Ｖ族窒化物系半導体基板のオフ方向を基板の劈開方向に合わせるために、Ｍ軸方向にオフを付けたサファイア下地基板のＣ面上にIII−Ｖ族窒化物系半導体の厚膜をエピタキシャル成長させ、結晶成長後にIII−Ｖ族窒化物系半導体層だけを剥離させるIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法を考案した。こうすることで、自然に基板のオフ方向と劈開方向を合わせることができる。
【００３６】
基板のオフ方向と劈開方向を合わせた前記III−Ｖ族窒化物系半導体基板の複数枚を一つのセットとしてIII−Ｖ族窒化物系半導体基板のロットを構成してもよい。
【００３７】
従来は、同一ロット内に含まれるＧａＮ基板であっても、基板のオフ方向が等価な方向の中の１つに特定されていなかったため、半導体デバイスの劈開面も基板のオフを考慮して選ばれておらず、半導体デバイス作成時のデバイス特性、歩留りに大きなウェハ間ばらつきがあったが、本発明により、すべての基板のオフ方向が、特定の劈開方向と平行な方向に揃うため、前述のウェハ間ばらつきを大幅に低減することができる。
【００３８】
一般に、半導体結晶基板は円形であることが多く、結晶方位を示すために、円形の一部にオリエンテーションフラット（オリフラ）と呼ばれる切り欠きを設けてある。しかし、発光デバイス用基板の一部などには、長方形をしたものもある。長方形の基板には、特にオリエンテーションフラットを設けたりはしないが、この場合にも、１対の端面をオフ方向に合わせた劈開方向と平行にし、これを常に長方形の長辺（又は短辺）にするというように決めておけば、半導体デバイスを作製する際に劈開面が傾いて出ることを防止することができる。基板が正方形の場合は、基板の角に切り欠きを付けるなどして、オフ方向を示す辺を特定できるようにしておけば良い。
【００３９】
本発明における「自立した」基板とは、自らの形状を保持でき、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を具備するために、自立基板の厚みは、好ましくは２００μｍ以上が良い。
【００４０】
本発明におけるIII−Ｖ族窒化物系半導体とは、ＩｎxＧａyＡｌ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される半導体が挙げられる。このうち、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の半導体が好ましく用いられる。強度、製造安定性等、基板材料に求められる特性を満足するからである。
【００４１】
本発明に係るIII−Ｖ族窒化物系半導体基板は、半導体デバイス作製の容易さの観点から、六方晶系のＣ面、特に化学的、機械的、熱的に安定なIII族面を表面に持つ基板であることが望ましい。
【００４２】
基板面内の結晶軸の傾きは、Ｘ線回折測定により求めた値を用いて評価することができる。
【００４３】
本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を成長する手段は、ＨＶＰＥ（ハイドライド気相成長）法であることが望ましい。ＨＶＰＥ法を用いるのは、結晶成長速度が速く、基板の作製に適するからである。
【実施例１】
【００４４】
本発明に係るIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法の一実施例を次に示す。
ＶＡＳ法を用いて、自立したＧａＮ基板を作製した。基板の作製手順、条件は、以下の通りである。
【００４５】
市販の直径２インチの単結晶サファイア下地基板のＣ面上に、ＭＯＶＰＥ法で、ＴＭＧとＮＨ3を原料として、アンドープＧａＮ層を３００nm成長した。サファイア下地基板は、Ａ面をオリフラの面として、オリフラに平行なＭ軸方向に０．３°オフしている基板を使用した。成長圧力は常圧、始めにサファイア下地基板上に、下地基板の温度を６００℃として低温バッファ層を２０nmエピタキシャル成長し、その後、下地基板の温度を１１００℃に昇温して、ＧａＮ層を２８０nmエピタキシャル成長した。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は４μｍ/ｈであった。この方法で、サファイア下地基板上にＧａＮ層を付けた、いわゆるＧａＮテンプレートを１０枚用意した。
【００４６】
次に、これらＧａＮテンプレートのＧａＮ層上に、ＥＢ蒸着器を用いて金属Ｔｉ膜を２０nm蒸着し、これを電気炉に入れて、ＮＨ3を２０％混合したＨ2の気流中、１０００℃で２０min間の熱処理を施し、金属Ｔｉ膜を網目状のＴｉＮ膜に変化させると同時に、ＧａＮ層中に多数のボイドを形成した。
【００４７】
次に、ＧａＮ層にボイドを形成したＧａＮテンプレートをＨＶＰＥ炉に入れ、該ＧａＮテンプレートを下地基板として、その上にＧａＮを５５０μｍ堆積した。ＨＶＰＥ成長に用いた原料はＮＨ3とＧａＣｌで、キャリアガスとしてＮ2を用いた。成長条件は、常圧、基板温度１０４０℃である。ＧａＮ層は成長終了後の降温過程においてボイド層を境にサファイア下地基板から剥離し、表面を（０００１）Ｇａ面とする、自立したＧａＮ基板が得られた。
【００４８】
得られたＧａＮ基板は、表面と裏面を鏡面研磨し、厚さ３５０μｍの基板に仕上げた。ＧａＮ基板は、いずれも透明で、平坦な鏡面を持っており、その表面粗さは表面段差計を用いて５００μｍ範囲をスキャンした時のＲａ値がすべて１０nm以下となっていた。ＧａＮ基板は、外形を円形に研削加工し、さらに、サファイア下地基板のオリフラ位置と平行な位置関係になるＧａＮの（１−１００）面をオリフラ面とするようにオリフラ付け加工を行った。オリフラの面精度は、オリフラ面でＸ線回折測定を行い、（１−１００）面からのずれを更に修正加工していく方法で高精度に仕上げ、最終的に（１−１００）面±０．０２°の加工精度とした。
【００４９】
表面にオフを付けたサファイア下地基板上にＧａＮ結晶をエピタキシャル成長すると、成長するＧａＮも、サファイア下地基板のオフに倣ってオフの付いたまま成長する。従って、上述のやりかたでＧａＮ基板にオリフラ加工を行うと、１０枚すべてのＧａＮ基板において、そのオフ方向は、オリフラ面と平行な［１１−２０］方向に統一することができる。
【００５０】
こうして作製したＧａＮ基板の、表面に対するＣ軸の傾き方向を調べるため、基板表面でＸ線回折測定を行った。その結果、基板の中央で測定されたＣ軸の傾きのベクトルは、基板のオリフラと平行な［１１−２０］方向に平均０．３６°傾いていることが判明した。
【実施例２】
【００５１】
次に、本発明に係るIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイス及びその製造方法の一実施例を示す。
【００５２】
実施例１で作製したＧａＮ基板を用いて、レーザダイオードチップを作製した。
【００５３】
図１は、本発明の一実施例にかかるIII−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオードの構造を示す、断面模式図である。
【００５４】
実施例１の方法で得られた単結晶からなる自立したｎ型ＧａＮ基板１０上に、Ｓｉドープ（ｎ＝５×１０17cm-3）のｎ型ＧａＮバッファ層９を２μｍ、Ｓｉドープ（ｎ＝５×１０17cm-3）のｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層８を１．０μｍ、Ｓｉドープ（ｎ＝１×１０17cm-3）のｎ型ＧａＮ ＳＣＨ層７を０．１μｍ、Ｓｉドープ又はアンドープのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸層６を３０A／５０A×３、Ｍｇドープ（ｐ＝２×１０19cm-3）のｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.91Ｎオーバーフロー防止層５を０．０２μｍ、Ｍｇドープ（ｐ＝２×１０19cm-3）のｐ型ＧａＮ光閉じ込め層４を０．１μｍ、Ｍｇドープ（ｐ＝２×１０19cm-3）のｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層３を０．５μｍ、Ｍｇドープ（ｐ＝２×１０19cm-3）のｐ型ＧａＮコンタクト層２を０．０５μｍの厚さで順に形成し、ＬＤ構造を作製した。その後、p側にドライエッチングにより幅４μｍ、深さ０．４μｍのリッジ構造を作製し電流狭窄を行った。さらにリッジの上部にＮｉ／Ａｕ電極を形成しp型オーミック電極１とした。裏面の自立ＧａＮ基板側にはＴｉ／Ａｌ電極を全面に形成し、ｎ型オーミック電極１１とした。共振器となる端面は、ｎ型ＧａＮ基板１０のオリフラ面と平行な（１−１００）面で劈開して作製し、さらに両端面に、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2からなる高反射コーティング膜を施した。半導体デバイス長は５００μｍとした。この半導体デバイスに通電するとしきい値電流密度４．６kA/cm2、しきい値電圧５．４Ｖで室温連続発振した。又、半導体デバイスの寿命は２５℃、３０mW駆動時において５０００時間と良好な特性を有していた。実施例１で作製した１０枚すべてのＧａＮ基板において、そのＧａＮ基板から作製した８０％以上のレーザダイオードチップで良好な特性が得られた。本発明のIII−Ｖ族窒化物系半導体デバイスの製造方法により、デバイス特性のばらつきが少なくなり、又プロセスが安定することから、半導体デバイスの取得歩留りが大幅に改善したものと考えられる。
［比較例１］
先ず、実施例２と同じようにしてＧａＮ基板上にレーザダイオード構造のエピタキシャル層を形成した。その後、これをチップ化する際に、共振器となる面を、故意にＧａＮ基板のオリフラ面とは６０°の角度をなす（１０−１０）面で基板を劈開して切り分けを行いレーザダイオードチップを作製した。
（１０−１０）面で劈開して得られた共振器面は、チップの表面に対して、ＧａＮ基板のオフの大きさと同じ約０．４°傾いており、強調して描くと図２（ｂ）のようになっていることが、チップ側面のＳＥＭ観察により明らかとなった。
【００５５】
こうして作製したレーザダイオードチップの特性は、室温連続発振に必要なしきい値電流密度は４．９kA/cm2、しきい値電圧は６．２Ｖと、実施例２で得られたレーザダイオードの特性に較べて明らかに悪くなっていた。又、半導体デバイスの寿命は２５℃、３０mW駆動時において９００時間と、デバイス特性の劣化に呼応して信頼性も悪くなっていた。 
【００５６】
従来の複数枚のＧａＮ基板から構成されるＧａＮ基板ロットでは、劈開方向を等価な３方向の内の特定方向だけに揃えることができなかったため、上記比較例のような作り方をした半導体デバイスが、実施例２のような作り方をした半導体デバイスの中に２／３の確立で混入することとなり、結果として、ウェハ間のデバイス特性、歩留りばらつきを大きなものにしていたと言える。
【００５７】
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、又そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００５８】
たとえば、本実施例において、ＧａＮ基板につけるオリフラ面をサファイア下地基板のオリフラ面と平行な（１−１００）面としたが、ＧａＮ基板のオフ方向がオリフラに対してどちらの劈開方向であるかが特定できさえすれば、本発明に合致することになり、必ずしもオリフラ面は（１−１００）面でなくても構わない。例えば、ＧａＮ基板のオリフラを（１０−１０）面や（０１−１０）面として、これを基準に基板のオフ方向を規定した基板でも、本発明の効果が得られる。又、基板のオフ方向と垂直な｛１１−２０｝面をオリフラ面とすることも可能である。ＧａＮ基板につけるオリフラが、サファイア下地基板のオリフラに対して相対的にどのような位置関係にあるのかも、本特許においては重要な問題ではない。ＧａＮ基板のオフ方向が劈開方向と合うように、ＧａＮ基板を作製するのにサファイア下地基板が、Ｍ軸方向にオフしていることが重要であって、サファイア下地基板のオリフラが基板のオフ方向に対してどちらの位置に付けてあるかは、問題では無いということである。（くどいようだが、成長したＧａＮ基板のオフ方向を特定するための目印として、サファイアのオリフラを使用するので、サファイア下地基板においてオフが、オリフラに対してどちらの方向のＭ軸につけてあるかということは重要である。）但し、混乱を避ける意味で、サファイア下地基板のオリフラを（１１−２０）面とし、サファイア下地基板のオフ方向を［１−１００］方向とすれば、この上に成長して得られるＧａＮ基板のオフ方向は、［１１−２０］方向となり、これに平行な（１−１００）面をオリフラ面としておくことが望ましい。そうすれば、サファイア下地基板のオリフラ、サファイア下地基板のオフ方向、ＧａＮ基板のオリフラ、ＧａＮ基板のオフ方向、ＧａＮ基板の劈開方向がすべて平行に揃うので、ＧａＮ基板の製造やその使用に際して、結晶方位を間違えることが少なくなる。
【００５９】
本実施例では、本発明の基板を作製する際の下地基板にサファイア下地基板を用いた例を挙げたが、ＧａＡｓやＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｒＢ2、ＺｎＯなどの従来からＧａＮ系エピタキシャル層形成用基板として報告例のある基板は、すべて適用が可能である。その際、ＧａＮ基板にオフを付ける必要のあるときは、下地基板とＧａＮとの整合性を考慮した上で、ＧａＮ基板のオフ方向が劈開方向と同じになるように下地基板のオフ方向を選ばなければならない。例えば、ＧａＡｓやＳｉの基板を用いる場合は、表面が（１１１）面で［１−１０］方向にオフした基板を使う必要があり、ＳｉＣ基板を用いる場合は、（０００１）面で［１１−２０］方向にオフした基板を使う必要がある。
【００６０】
本実施例では、オリフラを付けた円形のＧａＮ基板の例を述べたが、オリフラに相当する基板の方向を特定する手段、例えば劈開方向を表すノッチやＩＦ（インデックスフラット）を利用することも可能である。又、円形ではない長方形や正方形の核型基板に適用することも可能である。例えば、長方形の基板であれば、長辺が基板のオフ方向に平行な劈開面であると決めておけば良く、正方形の基板であれば、一辺を基板のオフ方向に平行な劈開面とした上で、基板の角に面取り加工を施すなどして方位を特定できるようにしておくことができる。
【００６１】
本実施例では自立したＧａＮ基板の例を挙げたが、本発明は、自立したＡｌＧａＮ基板に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の一実施例にかかるIII−Ｖ族窒化物系半導体レーザダイオードの構造を示す、断面模式図である。
【図２】（ａ）は、理想的な直方体形状の半導体デバイス、（ｂ）は、オフの付いた基板を劈開して作製し、劈開面が半導体デバイス表面に対する垂直面から傾いてしまった半導体デバイスの一例を示す模式図である。
【図３】III−Ｖ族窒化物系半導体基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図である。
【図４】ＧａＡｓ基板の劈開面及び劈開方向を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  Ｐ型オーミック電極
２  ｐ型ＧａＮコンタクト層
３  ｐ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
４  ｐ型ＧａＮ光閉じ込め層
５  ｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.91Ｎオーバーフロー防止層
６  Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ多重量子井戸層
７  ｎ型ＧａＮ ＳＣＨ層
８  ｎ型Ａｌ0.07Ｇａ0.93Ｎクラッド層
９  ｎ型ＧａＮバッファ層
１０  ｎ型ＧａＮ基板
１１  ｎ型オーミック電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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