(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第１窒化物半導体層を形成し、前記第１窒化物半導体層表面をエッチングすることにより、高低差が少なくとも３０ｎｍ以上とされる複数の凹凸部を形成する工程と、
前記凹凸部の形成後、又は形成前に、結晶成長を阻害するマスク層であって、複数の前記凹凸部が臨むような窓領域を有するマスク層を前記第１窒化物半導体層上に形成する工程と、
前記凹凸部からの横方向の結晶成長によって、前記凹凸部の谷部に結晶が形成されない空隙部を有しながら、前記マスク層上を含む領域に第２窒化物半導体層を成長させる工程と、
を含む結晶成長方法。
【請求項２】
前記エッチングは温度８００℃以上で行われる請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項３】
前記凹凸部は反応性イオンエッチングにより形成される請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項４】
前記凹凸部の形成により前記第１窒化物半導体層に形成される貫通転位は前記空隙部によって終端する請求項１記載の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子等を形成する場合に用いられる結晶成長方法に関し、特に窒化物半導体を選択的に結晶成長させる結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長技術においては格子整合する基板や低転位密度の基板が存在しないために、サファイアなどの基板上に900℃以下の低温でAlNもしくはAlxGa1-xN (0=<x<1) 緩衝層を堆積した後に、窒化ガリウム系化合物半導体を成長し格子不整合に起因する転位を低減する技術があり、たとえば、そのような技術は特開昭63-188938号や特公平8-8217号に記載されるものがあり、このような転位を低減する技術を用いることで、窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性およびモフォロジーを改善できる特徴がある。
【０００３】
さらに低転位密度の高品質結晶を得る技術としては、一旦基板上に第１の（即ち第１層目の）窒化ガリウム系化合物半導体を堆積した後に酸化珪素や窒化珪素などからなる窒化ガリウム系化合物半導体の成長を阻害する材料で保護膜を形成し、その保護膜で覆われていない領域から第２の（即ち第２層目の）窒化ガリウム系化合物半導体を面内方向（横方向）に成長することで、基板界面から垂直に伸びる貫通転位の伝播を妨げる技術があり、このような技術は例えば特開平10-312971号公報に開示されている。また、同様な技術としては、例えば、MRS Internet J.Nitride Semicond. Res.4S1, G3．38 (1999)に記載されるように、一旦第１の窒化ガリウム系化合物半導体層を成長した後に、リアクティブイオンエッチング（以下、RIE）装置などを用いて、その膜を選択的に除去し、その後成長装置内で残された結晶から第２の窒化ガリウム系化合物半導体層を選択的に成長することで貫通転位密度を低減する技術がある。これらの技術を使用することで106cm-2程度までの転位密度を有する結晶膜が得られ、半導体レーザの高寿命化などが実現されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記低温緩衝層を使用する技術のみでは貫通転位を109cm-2程度までしか低減することができず、高品質な窒化ガリウム系化合物半導体を得るには限界があり、このような転位が半導体素子の性能や寿命を悪化させている。
【０００５】
また、上記第１の窒化ガリウム系化合物半導体層上に保護膜材料を形成もしくは第１の窒化ガリウム系化合物半導体層をリアクティブイオンエッチングなどにより選択的に除去した後に再成長する技術においては、それぞれ保護膜を形成していない領域や除去後残された結晶に残存する貫通転位は第２の窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶に伝播し、低転位密度化には限界がある。
【０００６】
このような事情に鑑み、本発明は、窒化ガリウム系化合物半導体の気相成長技術において、低転位密度の高品質結晶を得ることのできる結晶成長方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の結晶成長方法は、基板上に第１窒化物半導体層を形成し、前記第１窒化物半導体層表面をエッチングすることにより、高低差が少なくとも３０ｎｍ以上とされる複数の凹凸部を形成する工程と、凹凸部の形成後、又は形成前に、結晶成長を阻害するマスク層であって、複数の凹凸部が臨むような窓領域を有するマスク層を第１窒化物半導体層上に形成する工程と、凹凸部からの横方向の結晶成長によって、凹凸部の谷部に結晶が形成されない空隙部を有しながら、マスク層上を含む領域に第２窒化物半導体層を成長させる工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の結晶成長方法では、マスク層の一部を開口した窓領域内で窒化物半導体が臨むようにマスク層が形成され、前記窓領域内で臨む前記窒化物半導体の表面に凹凸部が形成される。この凹凸部はその凹部による空隙部での結晶不連続性から、基板側からの貫通転位の伝播を妨げることができる。第２窒化物半導体層は凹凸部からの結晶成長によって形成され、マスク層上を含む領域に延在される。マスク層上を含む領域に成長させることで、横方向への結晶成長となり、貫通転位の伝播をより確実に防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の結晶成長方法は、基板上に結晶成長を阻害するマスク層を、該マスク層の一部を開口した窓領域内で第１窒化物半導体層が該第１窒化物半導体層の表面に凹凸部を有して臨むように形成し、前記凹凸部からの結晶成長によって前記マスク層上を含む領域に第２窒化物半導体層を成長させることを特徴とする。
【００１０】
本発明に用いられる基板は、一例としてサファイア基板が使用されるが、窒化物半導体の結晶成長で一般的に使用されるサファイア基板に限定されるものではなく、他の異種基板もしくは他の窒化物半導体基板でも良い。
【００１１】
第１窒化物半導体層は、基板上に直接またはバッファ層を介して形成される第１層目の窒化物半導体層であり、このような窒化物半導体層としては、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体を形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。その中でも第１窒化物半導体層はウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。なお、本発明において、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮなどは必ずしも、３元混晶のみ、２元混晶のみの窒化物半導体を指すのではなく、例えばＩｎＧａＮでは、ＩｎＧａＮの作用を変化させない範囲での微量のＡｌ、その他の不純物を含んでいても本発明の範囲であることはいうまでもない。また、第１層目とは次に形成する窒化物半導体層よりも先に形成されることを相対的に示すものであり、第１層目の窒化物半導体層よりも前にさらに他の窒化物半導体層などが形成されていても良い。
【００１２】
この第１窒化物半導体層の成長方法としては、種々の気相成長法を挙げることができ、例えば有機金属化合物気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）などの気相成長法や、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）などを用いることができる。その中でもＭＯＶＰＥ法によると、迅速に結晶性の良いものが得られる。ＭＯＶＰＥ法では、ＧａソースとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＡｌソースとしてはＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＥＡ（トリエチルアルミニウム）、Ｉｎソースとしては、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）などのトリアルキル金属化合物が多く使用され、窒素源としてはアンモニア、ヒドラジンなどのガスが使用される。また、不純物ソースとしてはＳｉであればシランガス、Ｇｅであればゲルマンガス、ＭｇであればＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）、ＺｎであればＤＥＺ（ジエチルジンク）などのガスが使用される。ＭＯＶＰＥ法では、これらのガスを例えば６００°Ｃ以上に加熱された基板の表面に供給して、ガスを分解することにより、ＩｎＡｌＧａＮ系化合物半導体をエピタキシャル成長させることができる。
【００１３】
本発明で用いられるマスク層は結晶成長を阻害する層であり、例えば酸化珪素や窒化珪素などの材料によって形成される。形成する窓領域のサイズや窒化物半導体層の材料などに応じて、膜厚を選ぶことができ、好ましくは約５ｎｍから約５０ｎｍ程度より好ましくは約１０ｎｍから約３０ｎｍ程度の厚みで形成される。このマスク層には所要のサイズ、形状の窓領域が形成される。窓領域の数は単数、複数を問わず、異なるサイズ、形状の窓領域が混在するようなものであっても良い。窓領域としては、帯状、格子状、円形状、楕円形、正方形状、六角形状、三角形状、矩形状、菱形状、その他の多角形およびこれらの変形形状などの形状にすることができ、窓領域の開口部はテーパーなどの傾斜面を有していても良い。
【００１４】
このマスク層に形成される窓領域には第１窒化物半導体層が臨み、その窓領域の範囲の第１窒化物半導体層の表面に凹凸部が形成される。凹凸部は高低３０ｎｍ以上、望ましくは高低１００ｎｍ以上の複数の谷部と山部が形成されたものとされ、一般的に基板主面に対して傾いた斜面を伴った形状を呈する。凹凸部の高低差が３０ｎｍ未満では、エピタキシャル成長時に凹凸が埋まってしまうことなりかねない。凹凸部の高低差が１００ｎｍ以上の場合には、製品の歩留まりを高く維持できる。この凹凸部の形状の配列は規則的であっても、ランダムなものでも構わない。凹凸部は必ずしも第１窒化物半導体層の層内だけで形成されるものに限らず、凹凸部の谷の部分で基板の一部が臨んでいても良い。凹凸部の斜面は欠陥やダメージの少ない基板もしくは第１の窒化ガリウム系化合物半導体の結晶面であることが望ましい。
【００１５】
凹凸部の形成方法としては、いくつかの方法が挙げられ、それらを例示すると、ドライエッチングもしくはウエットエッチングで第１窒化物半導体層の表面を削除する方法がある。凹凸部の形成とマスク層の形成の順序は入れ替えることができ、凹凸部を形成してからマスク層を形成することもでき、マスク層を形成してから凹凸部を形成しても良い。凹凸部形成のためのエッチングは、第１窒化物半導体層或いは第２窒化物半導体層の形成のための成長装置内で行うようにすることもでき、その場合において工程が連続するものとすることができる。また、これらの凹凸部の形成方法を幾つか組み合わせて凹凸部を形成しても良い。
【００１６】
第２窒化物半導体層はその凹凸部からの結晶成長によって成長される層であり、マスク層上を含む領域に成長する。窓領域においては、凹凸部の斜面部から結晶成長をはじめるので、凹凸部で形成される空隙部での結晶不連続性から、基板側からの貫通転位の伝播を妨ぐように凹凸部が機能する。この第２窒化物半導体層は保護膜であるマスク層上にも結晶成長することで、横方向への成長が実現され、その横方向への成長がなされた部分においては第２窒化物半導体層へ貫通転位の伝播を妨げることができ、第２窒化物半導体層中の転位密度を低減できる。つまり、マスク層の形成されていない開口部上共にマスク層上も劇的に低転位密度の窒化物半導体結晶を成長できる。
【００１７】
第１窒化物半導体層の貫通転位が存在しているところは、凹凸部を例えばエッチングで形成した際に、大きく削れるようにすることで空隙を形成することができる。貫通転位上に空隙を形成するには、貫通転位部を選択的に腐食するような気相中や液相中でのエッチングを用いれば良い。そして、第２窒化物半導体層を結晶成長した場合には、貫通転位上の凹部が空隙として残ることがあり、容易に貫通転位部が空隙で終端する構造にすることができる。
【００１８】
第２窒化物半導体層は、第１窒化物半導体層と同様に、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）系化合物半導体、窒化インジウム（ＩｎＮ）系化合物半導体、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）系化合物半導体、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）系化合物半導体から形成することができ、特に窒化ガリウム系化合物半導体などの窒化物半導体が好ましい。その中でも第２窒化物半導体層は、第１窒化物半導体層と同様に、ウルツ鉱型の結晶構造を有することが好ましい。第２窒化物半導体層は凹凸部の斜面または凸部から横方向成長できる材料であれば良く、そのような横方向成長が実現される成長の一例としては有機金属気相成長方法が挙げられるがこれに限定されるものではない。
【００１９】
第１の実施形態
図１および図２を参照しながら本発明の第１の実施形態について説明する。まず、図１の(a)に示すように、基板主面をC+面とするC面サファイア基板１０上に有機金属気相成長法により厚さ約2μmのエピタキシャルGaN層１１を第１窒化物半導体層として成長する。このGaN層１１中には、サファイア基板１０との格子不整合や熱膨張係数差などに起因して約3×109cm-2の密度で貫通転位１２が存在する。
【００２０】
次に、図１の（ｂ）に示すように、このGaN層１１上にSiO2からなるマスク層１３を形成する。SiO2からなるマスク層１３の厚さは約20nmである。このマスク層１３には、フォトリソグラフィー技術によって開口されて窓領域１４が形成される。このマスク層１３の一部が開口された窓領域１４内では該マスク層１３の下部のGaN層１１の表面１５が臨む。
【００２１】
このように窓領域１４を形成したところで、ウエハ状のサファイヤ基板１０を有機金属気相成長装置の中に導入し、窒素原料であるアンモニアとキャリアガスとして水素と窒素を流しながら1020℃で3分加熱する。すると保護膜の形成されていない窓領域１４では主に熱と水素によるエッチングにより、約100nm程度の深さのピットもしくは谷部を生じて図１の（ｃ）に示すように凹凸部１６が形成される。特に元のGaN層１１の貫通転位１２の部分がエッチングに弱いために、このようなピットもしくは谷部は貫通転位１２上に位置している。このピットは6つのS面((1、 -1、 0、 1)面)からなる倒立六角錘型となっている。
【００２２】
そのままの温度でGa原料であるトリメチルガリウムの供給をはじめたところで、図２の（ｄ）に示すように、窓領域１４内の凹凸部１６のピット斜面からのGaN層１７の横方向成長が生じ、第２窒化物半導体層であるGaN層１７の結晶が成長し始める。ピットの底部にある貫通転位１２は斜面からの横方向成長により遮断され、上部へは伝播しない。特に横方向に成長速度の速い1000℃以上の成長温度では貫通転位１２は結晶のない空隙部１８で終端され、それ以降すなわち空隙部１８よりも上の部分では貫通転位１２が伝播しなくなる。
【００２３】
さらに成長を続けると、図２の(e)に示すように、各斜面から成長したGaN層１７の結晶同士が会合する。この時点ではGaN層１７は保護膜の形成されていないマスク層１３の窓領域上に成長しているにも拘らず、貫通転位密度の低い結晶とすることができる。
【００２４】
さらに成長を続けると今度はGaN層１７は斜面１９が広がってマスク層１３上に横方向成長する。これらの領域ではマスク層１３により基板から垂直に伸びる貫通転位１２は遮断されており、基本的にほとんど転位を生じない(図２の(f))。その結果、マスク層１３上もマスク層１３の形成されていない窓領域１４上も非常に転位密度の低いGaN層１７が形成される。
【００２５】
本実施形態においては、有機金属気相成長装置の装置内部において、窓領域１４で主に熱と水素によるエッチングにより、約100nm程度の深さのピット等による凹凸部１６が形成される。この凹凸部１６の谷部分は特に貫通転位１２の位置に対応しており、続いてGaN層１７を形成した場合には空隙部１８が貫通転位１２の伝播を妨げるように機能する。したがって、横方向成長による貫通転位１２の低減の効果と相俟って極めて良好な結晶を得ることができる。
【００２６】
参考例１
本発明の結晶成長方法の参考例１を図３及び図４に示す。第１の実施形態と同様に、図３の(a)に示すように、基板主面をC+面とするC面サファイア基板２０上に有機金属気相成長法により厚さ約2μmのエピタキシャルGaN層２１を第１窒化物半導体層として成長する。このGaN層２１中には、サファイア基板２０との格子不整合や熱膨張係数差などに起因して約3×109cm-2の密度で貫通転位２２が存在する。
【００２７】
次に、図３の（ｂ）に示すように、このGaN層２１上にSiO2からなるマスク層２３を形成する。SiO2からなるマスク層２３の厚さは約20nmである。このマスク層２３には、フォトリソグラフィー技術によって開口されて窓領域２４が形成される。このマスク層２３の一部が開口された窓領域２４内では該マスク層２３の下部のGaN層２１の表面２５が臨む。
【００２８】
このように窓領域２４を形成したところで、ウエハ状のサファイヤ基板２０を有機金属気相成長装置の中に導入し、窒素原料であるアンモニアとキャリアガスとして水素と窒素を流しながら850℃まで昇温し、Ga原料であるトリメチルガリウムの供給をはじめたところで、図３の（ｃ）のような低温成長GaN層２６が凹凸状に成長して凹凸部が形成される。一般に有機金属気相成長法における1000℃以下の低温成長では貫通転位２２を成長ピットとした凹凸が比較的容易に形成される。
【００２９】
同じ成長装置内でトリメチルガリウムの供給を継続しながら更に温度を1020℃まで昇温したところ、図４の（ｄ）に示すように、凹凸部を有する低温成長GaN層２６の斜面からの速い横方向成長が開始される。この横方向成長では第２窒化物半導体層としてのGaN層２７が形成され、貫通転位２２の上端部に対応する形で一部には空隙部２８も形成されることがある。横方向に成長することと、貫通転位２２は空隙部２８の存在するピット底部にあることでこの1020℃で成長したGaN層２７へは下地のGaN層２１からの貫通転位２２は伝播しない。
【００３０】
このような成長を続けることで、図４の（e）のようにマスク層２３上まで延在されるようにGaN層２７の斜面２９部分が広がり、マスク層２３の形成されていない窓領域２４から成長したにも拘らず、貫通転位密度の低い結晶とすることができる。さらに成長を続けると今度はマスク層２３上で十分に横方向成長するため、これらの領域ではマスク層２３により基板２０側から垂直に伸びる貫通転位２２は遮断されており、基本的にほとんど転位を生じない(図４の(f))。
【００３１】
以上のような低温成長GaN層２６からの結晶成長によってもマスク層２３上もマスク層２３の形成されていない窓領域２４上も両方とも非常に転位密度の低いGaN層２７を形成することができる。
【００３２】
参考例１においては、有機金属気相成長装置において、当初低温成長GaN層２６を形成し、同じ装置で同じガスを使用し、且つ昇温させながら継続的な操作によって、第２窒化物半導体層であるGaN層２７を形成できる。低温成長GaN層２６は凹凸部を構成し、この凹凸部のピット部分は特に貫通転位２２の位置に対応しており、続いてGaN層２７を形成した場合には空隙部２８が貫通転位２２の伝播を妨げるように機能する。したがって、横方向成長による貫通転位２２の低減の効果と相俟って極めて良好な結晶を得ることができる。
【００３３】
参考例２
本発明の結晶成長方法の参考例２を図５及び図６に示す。参考例２の結晶成長方法は参考例１の結晶成長方法の変形例であり、あらかじめ第１窒化物半導体層のGaN層をサファイア基板上に成長する際に低温成長層を最後に導入して表面を凹凸にしてからマスク層を形成する例である。
【００３４】
第１の実施形態と同様に、図５の(a)に示すように、基板主面をC+面とするC面サファイア基板３０上に有機金属気相成長法により厚さ約2μmのエピタキシャルGaN層３１を第１窒化物半導体層として成長する。このGaN層３１中には、サファイア基板３０との格子不整合や熱膨張係数差などに起因して約3×109cm-2の密度で貫通転位３２が存在する。
【００３５】
続いて、マスク層を形成する前に、低温成長により表面に凹凸を有する低温成長GaN層３３を形成する。この低温成長GaN層３３の形成方法は、第２の実施形態と同様に、ウエハごと有機金属気相成長装置の中に導入し、窒素原料であるアンモニアとキャリアガスとして水素と窒素を流しながら850℃まで昇温してGa原料であるトリメチルガリウムを供給することで、低温成長GaN層３３がGaN層３１上の全面に凹凸を有して形成される。一般に有機金属気相成長法における1000℃以下の低温成長では貫通転位３２を成長ピットとした凹凸が比較的容易に形成される。これらエピタキシャルGaN層３１と低温成長GaN層３３の形成は、たとえば同じ有機金属気相成長装置を使用して形成することもでき、同じ原料ガスを用いながら、温度を下げることで比較的容易に形成できる。
【００３６】
次に、図５の（ｂ）に示すように、これらGaN層３１及び低温成長GaN層３３上にSiO2からなるマスク層３４を形成する。SiO2からなるマスク層３４の厚さは約20nmである。このマスク層３４には、フォトリソグラフィー技術によって開口されて窓領域３５が形成される。このマスク層３４の一部が開口された窓領域３５内では該マスク層３４の下部のGaN層２１の表面と共に既に凹凸が形成された 低温成長GaN層３３が臨む。
【００３７】
窓領域３５を形成した後、成長装置内でトリメチルガリウムを供給しながら温度を1020℃まで昇温し、図６の（ｃ）に示すように、凹凸部を有する低温成長GaN層３３の斜面からの速い横方向成長が開始される。この横方向成長では第２窒化物半導体層としてのGaN層３６が形成され、貫通転位３２の上端部に対応する形で一部には空隙部３８も形成されることがある。横方向に成長し且つ貫通転位３２は空隙部３８の底部に存在することで、この1020℃で成長したGaN層３６へは下地のGaN層３１からの貫通転位３２は伝播しない。
【００３８】
このような成長を続けることで、図６の（ｄ）のようにマスク層３４上まで延在されるようにGaN層３６の斜面３７部分が広がり、マスク層３４の形成されていない窓領域３５から成長したにも拘らず、貫通転位密度の低い結晶とすることができる。さらに成長を続けると今度はマスク層３４上で十分に横方向成長するため、これらの領域ではマスク層３４によりサファイヤ基板３０側から垂直に伸びる貫通転位３２は確実に遮断されており、基本的にほとんど転位を生じない(図６の(ｅ))。
【００３９】
以上のようなマスク層３４の形成前に形成された低温成長GaN層２６からの結晶成長によってもマスク層３４上もマスク層３４が開口された窓領域３５上も両方とも非常に転位密度の低いGaN層３６を形成することができる。
【００４０】
参考例２においては、第１窒化物半導体層となるGaN層３１をサファイア基板３０上に成長する際に低温成長層である低温成長GaN層３３を形成して表面を凹凸にしてからマスク層３４を形成する。低温成長GaN層３３は凹凸部を構成し、この凹凸部のピット部分は特に貫通転位３２の位置に対応しており、続いて第２窒化物半導体層となるGaN層３６を形成した場合には空隙部３８が貫通転位３２の伝播を妨げるように機能する。したがって、横方向成長による貫通転位３２の低減の効果と相俟って極めて良好な結晶を得ることができる。
【００４１】
参考例３
本発明の結晶成長方法の参考例３を図７及び図８に示す。参考例３はマスク層を開口した窓領域に結晶成長を阻害する成長阻害面を形成し、その成長阻害面の微小孔からの結晶成長によって、凹凸部分を形成する結晶成長方法である。
【００４２】
先ず、図７の（ａ）に示すように、基板主面をC+面とするC面サファイア基板４０上に有機金属気相成長法により厚さ約2μmのエピタキシャルGaN層４１を第１窒化物半導体層として成長する。このGaN層４１中には、サファイア基板４０との格子不整合や熱膨張係数差などに起因して約3×109cm-2の密度で貫通転位４２が存在する。
【００４３】
次に、図７の（ｂ）に示すように、このGaN層４１上にSiO2からなるマスク層４３を形成する。SiO2からなるマスク層４３の厚さは約20nmである。このマスク層４３には、フォトリソグラフィー技術によって開口されて窓領域４４が形成される。このマスク層４３の一部が開口された窓領域４４内では該マスク層４３の下部のGaN層４１の表面４５が臨む。
【００４４】
このような窓領域４４をマスク層４３に形成したところで、ウェハを有機金属気相成長装置の中に導入し、窒素原料であるアンモニアとキャリアガスとして水素と窒素を流しながら昇温し、シリコン原料であるシランガスをいったん供給してから5分後に1020℃でGa原料であるトリメチルガリウムの供給を開始する。一般にシリコンは窒化ガリウム系化合物半導体の結晶成長において成長を阻害するアンチサーファクタントとして知られており、シランガスを供給した後にはマスク層４３を開口した窓領域４４内のGaN層４１表面はSiNxのような化合物で終端されて、図７の（ｃ）に示すように、GaN層４１表面は窒化珪素を主たる材料とする成長阻害面４６に覆われる。この成長阻害面４６上にはGaNはほとんど成長しないが、成長阻害面４６のごく一部には微小孔（ピンホール）が形成されている。
【００４５】
次に、GaNを成長した場合には、成長阻害面４６の微小孔が存在する部分から島状に成長が始まり、図８の(d)に示すような凹凸をもったGaN層４７が形成され、さらに成長が進んで、図８の(e)ようにマスク層４３上まで延在されるようにGaN層４７の斜面４８部分が広がり、マスク層４３の形成されていない窓領域４４から成長したにも拘らず、貫通転位密度の低い結晶とすることができる。さらに成長を続けると今度はマスク層４３上で十分に横方向成長するため、これらの領域ではマスク層４３によりサファイヤ基板４０側から垂直に伸びる貫通転位４２は確実に遮断されており、基本的にほとんど転位を生じない(図８の(ｆ))。
【００４６】
以上の工程によって、本実施形態の結晶成長方法においては、マスク層４３上もマスク層４３の形成されていない窓領域４４上も非常に転位密度の低いGaN層４７を形成できる。なお、本実施形態の結晶成長方法においては、成長を阻害する原料を供給することで表面を凹凸化したが、表面の凹凸化を実現できれば逆に成長を促進する核となるような原料を供給して凹凸化することも可能である。また、本実施形態において、微小孔を有する成長阻害面４６の成長はマスク層４３を開口する窓領域４４の形成後であるが、このような微小孔を有する成長阻害面４６をマスク層４３の形成前に形成することも可能である。
【００４７】
第２の実施形態
本発明の結晶成長方法の第２の実施形態を図９及び図１０に示す。本実施形態はマスク層を開口した窓領域に反応性イオンエッチングで凹凸部を形成し、その凹凸部からの結晶成長によってGaN層を形成する結晶成長方法である。
【００４８】
先ず、図９の（ａ）に示すように、基板主面をC+面とするC面サファイア基板５０上に有機金属気相成長法により厚さ約2μmのエピタキシャルGaN層５１を第１窒化物半導体層として成長する。このGaN層５１中には、サファイア基板５０との格子不整合や熱膨張係数差などに起因して約3×109cm-2の密度で貫通転位５２が存在する。
【００４９】
次に、図９の（ｂ）に示すように、このGaN層５１上にSiO2からなるマスク層５３を形成する。SiO2からなるマスク層５３の厚さは約20nmである。このマスク層５３には、フォトリソグラフィー技術によって開口されて窓領域５４が形成される。このマスク層５３の一部が開口された窓領域５４内では該マスク層５３の下部のGaN層５１の表面５５が臨む。
【００５０】
このマスク層５３の形成されていない窓領域５４内を反応性イオンエッチングによりGaN層５１の表面５５が図９の（ｃ）に示すような凹凸形状となるように加工する。凹凸形状は谷部５６から、略垂直に伸びた突条部５７が残るような形状とされるが、これに限定されるものではない。一例として、凹部の深さは30nm以上、望ましくは100nm以上である。本実施形態においても、SiO2保護膜であるマスク層５３の形成と反応性イオンエッチングによるGaN層５１の加工の順番は逆であっても良い。
【００５１】
このように作製した図９の（ｃ）のウェハを有機金属気相成長装置の中に導入し、窒素原料であるアンモニアとキャリアガスとして水素と窒素を流しながら昇温し、1020℃でGa原料であるトリメチルガリウムを供給する。しばらく成長すると突条部５７からの横方向成長が生じ、図１０の（ｄ）に示すように突条部５７の上端側を覆うように結晶成長が開始されてGaN層５８が形成される。このような突条部５７の上端側での結晶成長によって谷部５６の部分はそのまま空隙部分になり、この空隙部分は貫通転位５２を遮断するように機能する。
【００５２】
さらに成長を続けると、図１０の（e）に示すように各突条部５７におけるGaN層５８同士が結合するように横方向成長が会合する。そして、さらに成長を続けると今度は、図１０の（ｆ）に示すように、マスク層５３上にもGaN層５８が横方向成長し、これらの領域では保護膜により基板から垂直に伸びる基本的にほとんど転位を生じない。
【００５３】
本実施形態においては、窓領域５４の形成後の反応性イオンエッチングにより、約100nm程度の谷部５６と突条部５７による凹凸部が形成される。この凹凸部の谷部分は結晶成長後も空隙部分として残り、その空隙部分が貫通転位５２の伝播を妨げるように機能する。したがって、横方向成長による貫通転位５２の低減の効果と相俟って極めて良好な結晶を得ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の結晶成長方法によれば、凹凸部などの部分の結晶不連続性から、基板側からの貫通転位の伝播を妨げることができ、第２窒化物半導体層は凹凸部からの結晶成長によってマスク層上を含む領域に延在され、横方向への結晶成長となることから貫通転位の伝播をより確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の結晶成長方法の第１の実施形態の工程断面図であり、図１において（ａ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｂ）は窓領域の形成工程を示す断面図、（ｃ）は凹凸部の形成工程を示す断面図である。
【図２】図２は本発明の結晶成長方法の第１の実施形態の工程断面図であり、図２において（ｄ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｅ）はGaN層の横方向への成長工程を示す断面図、（ｆ）はGaN層の更なる成長工程を示す断面図である。
【図３】図３は本発明の結晶成長方法の参考例１の工程断面図であり、図３において（ａ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｂ）は窓領域の形成工程を示す断面図、（ｃ）は低温成長GaN層の形成工程を示す断面図である。
【図４】図４は本発明の結晶成長方法の参考例１の工程断面図であり、図４において（ｄ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｅ）はGaN層の横方向への成長工程を示す断面図、（ｆ）はGaN層の更なる成長工程を示す断面図である。
【図５】図５は本発明の結晶成長方法の参考例２の工程断面図であり、図５において（ａ）は低温成長GaN層の形成工程を示す断面図、（ｂ）は窓領域の形成工程を示す断面図である。
【図６】図６は本発明の結晶成長方法の参考例２の工程断面図であり、図６において（ｃ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｄ）はGaN層の横方向への成長工程を示す断面図、（ｅ）はGaN層の更なる成長工程を示す断面図である。
【図７】図７は本発明の結晶成長方法の参考例３の工程断面図であり、図７において（ａ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｂ）は窓領域の形成工程を示す断面図、（ｃ）は成長阻害面の形成工程を示す断面図である。
【図８】図８は本発明の結晶成長方法の参考例３の工程断面図であり、図８において（ｄ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｅ）はGaN層の横方向への成長工程を示す断面図、（ｆ）はGaN層の更なる成長工程を示す断面図である。
【図９】図９は本発明の結晶成長方法の第２の実施形態の工程断面図であり、図９において（ａ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｂ）は窓領域の形成工程を示す断面図、（ｃ）はGaN層のエッチング工程を示す断面図である。
【図１０】図１０は本発明の結晶成長方法の第２の実施形態の工程断面図であり、図１０において（ｄ）はGaN層の形成工程を示す断面図、（ｅ）はGaN層の横方向への成長工程を示す断面図、（ｆ）はGaN層の更なる成長工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０、５０ サファイヤ基板
１１、２１、３１、４１、５１ GaN層
１２、２２、３２、４２、５２ 貫通転位
１３、２３、３４、４３、５３ マスク層
１４、２４、３５、４４、５４ 窓領域
１６ 凹凸部
１７、２７、３６、４７、５８ GaN層
２６、３３ 低温成長GaN層
１８、２８、３８ 空隙部
４６ 成長阻害面
【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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