(57)【要約】【課題】成長マスクを用いずに、基板表面処理の段階で成長領域を決定して選択成長させることができ、かつ、描画が高速なうえ大気中で作業できる、汎用性の向上した窒化物薄膜製造方法を提供する。【解決手段】窒化物薄膜製造方法は、高温水素処理したサファイア基板１に導電性有機薄膜などの被覆膜４を塗布し、被覆膜４を塗布したサファイア基板１にパルスレーザー光などレーザー光２を集光照射し、レーザー光２を集光照射した領域の周りに窒化物薄膜３を選択成長させる。【選択図】図２
2009060054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温水素処理した基板にレーザー光を集光照射し、
前記レーザー光を集光照射した領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させることを特徴とする窒化物薄膜製造方法。
【請求項２】
高温水素処理した基板に被覆膜を塗布し、前記被覆膜を塗布した基板に前記レーザー光を集光照射する請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項３】
前記被覆膜は、有機薄膜である請求項２記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項４】
前記被覆膜は、導電性有機薄膜である請求項３記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項５】
前記レーザー光は、パルスレーザー光である請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項６】
前記窒化物薄膜は、ＧａＮ薄膜である請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項７】
前記窒化物薄膜は、ＩｎＧａＮ薄膜またはＡｌＧａＮ薄膜である請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項８】
前記基板は、サファイア基板である請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項９】
前記高温水素処理した基板にガスを吹き付けながら前記レーザー光を集光照射する請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項１０】
有機金属気相成長法によって前記窒化物薄膜を選択成長させる請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項１１】
前記基板と前記窒化物薄膜との間の界面で生じた転位は、前記窒化物薄膜中を前記基板に垂直な方向に沿って伝播し、側面ファセットが斜めのとき、転位がファセット面と交差すると、前記基板に水平な方向に曲げられて前記窒化物薄膜表面への到達が抑えられる請求項１記載の窒化物薄膜製造方法。
【請求項１２】
基板を高温水素処理する高温水素処理ユニットと、
前記高温水素処理ユニットによって高温水素処理された基板にレーザー光を集光照射する集光照射ユニットと、
前記集光照射ユニットによってレーザー光を集光照射された領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させる薄膜成長ユニットとを備えたことを特徴とする窒化物薄膜製造装置。
【請求項１３】
高温水素処理した基板上において所定の領域に、レーザー光を集光照射し、前記レーザー光の集光照射によりパターン形成された領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させることによって形成した微細構造を備えたことを特徴とする光デバイス。
【請求項１４】
前記微細構造は、微細周期構造である請求項１３記載の光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物薄膜を基板上に選択成長させる窒化物薄膜製造方法、基板上に選択成長させた窒化物薄膜を製造する窒化物薄膜製造装置、及びこの窒化物薄膜を用いた光デバイスや電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体薄膜を用いた光デバイス・電子デバイスの製造において、各素子構造を形成する際に、基板上で成長領域を制御する「選択成長」は基本技術である。ＧａＮ等の窒化物半導体を選択成長させるためには、成長マスクを形成する方法や、基板表面に傷や凹凸を形成する方法が開発されてきた。
【０００３】
特許文献１には、予め表面に凹部及び凸部の加工構造を有するサファイア基板を用いた選択成長法と窒化物半導体構造が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２〜特許文献５には、サファイア基板上にＧａＮ膜を形成し、ＧａＮ膜の一部をサファイア基板が露出するまでエッチングし、その後、ＧａＮ膜を選択成長させることによって、転位密度の小さな基板を形成する構成が開示されている。
【０００５】
転位密度が低い高品質のＧａＮエピタキシャル膜を作製する技術として、基板の一部に成長マスクを形成し、開口部（窓部）に選択成長を行い、さらに横方向成長により成長マスクを埋め込む選択横方向成長（ＥＬＯ；Epitaxial Lateral Overgrowth）が有効である（非特許文献２）。サファイア基板と低温バッファ層（ＧａＮあるいはＡｌＮ）との間の界面で生じた貫通転位は、成長マスクの下では成長マスクによって終端される。また前記基板と前記窒化物薄膜との間の界面で生じた転位は、前記窒化物薄膜中を前記基板に垂直な方向に沿って伝播した後、斜めのファセット面と交差すると前記基板に平行な方向に曲げられて前記窒化物薄膜表面への到達が抑えられる。よって、成長マスクの上側では転位密度の大幅な低減が可能である（非特許文献１）。
【０００６】
ＧａＮでは、選択成長が本格的に行われるようになったのは、１９９４年以降であり、さらに、選択横方向成長は、１９９７年にＨＶＰＥ法でこの技術を用いることにより、それ以前よりも転位密度が２桁低い厚膜ＧａＮを作製することに成功したことに始まる（非特許文献３）。
【０００７】
また、本発明者らは、サファイア基板表面の構造を大きく変化させずに選択成長させるため、サファイア基板に電子線を照射する方法を開発してきた（非特許文献４）。
【特許文献１】特開２００７−１３４７４２号公報（平成１９年５月３１日公開（2007.5.31））
【特許文献２】特開２００１−２７４５１８号公報（平成１３年１０月５日公開（2001.10.5））
【特許文献３】特開２００１−１１１１７４号公報（平成１３年４月２０日公開（2001.4.20））
【特許文献４】特開２００１−２７４５１７号公報（平成１２年３月２３日公開（2000.3.23））
【特許文献５】特開２００１−２７４５１９号公報（平成１２年３月２３日公開（2000.3.23））
【非特許文献１】三宅秀人・平松和政、「ファセット制御技術による高品質窒化物半導体の作製」、応用物理、第７５巻、第４号（２００６）、第４６７頁〜第４７２頁
【非特許文献２】Y.Kato, S.Kitamura, K.Hiramatsu, and N.Sawaki:「Selective growth of wurtzite GaN and AlxGa1-xN on GaN/sapphire substrates by metalorganic vapor phase epitaxy」、J.Crystal Growth 144,133(1994)
【非特許文献３】A.Usui, H.Sunagawa, A.Sakai and A.Yamaguchi: 「Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Phase Epitaxy」、Jpn. J. Appl Phys. 36,L899-L902 (1997)
【非特許文献４】H.Matsumura, M.Sumiya, Y.Kawai, M.Tomiki, K.Murakami, and S.Fuke: 「Microfabrication of GaN groove on sapphire substrate treated selectively by electron-beam」、Phys. Stat. Sol. (c)3,No.6, 1649-1652(2006)/DOI 10.1002/pssc.200565409
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載の構成では、基板表面に凹凸を形成しなければ、薄膜を選択成長させることができないという問題がある。
【０００９】
また、上記特許文献２〜特許文献５に記載の構成では、初めにサファイア基板上にＧａＮ膜を形成した後、一部をエッチングしてサファイア基板を露出させ傷を生じる工程が必要となり、工程が煩雑になるという問題がある。
【００１０】
また、上記した成長マスクによる選択横方向成長の構成では、下記の問題が生じる。即ち、選択成長のための成長マスクには、これまでに様々な膜材料が開発されているが（SiO2、SiN、Al2O3、各種窒化膜など）、熱的損傷とそれに伴う半導体薄膜への影響があった。また異種材料である成長マスクがＧａＮ薄膜内に残るため、非成長領域そのものが素子の機能に寄与する場合（非線形光学素子など）に予期できない影響を与える問題があった。
【００１１】
そこで、成長マスクを用いず、基板に傷や凹凸などの構造変化を必要とせず、工程数の少ない選択成長方法として、サファイア基板に電子線を照射する方法を本発明者らは開発してきたが、この方法は、超高真空中へ試料の搬入を要し、電子線描画工程に時間を要するという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、成長マスクを用いずに、大気中で高速にパターニングができ、基板表面処理の段階で成長領域を決定して選択成長させることができる窒化物薄膜製造方法、窒化物薄膜製造装置、及びパターン構造を有する光デバイス・電子デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法は、上記課題を解決するために、高温水素処理した基板にレーザー光を集光照射し、前記レーザー光を集光照射した領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させることを特徴とする。
【００１４】
上記特徴によれば、基板処理工程のみによって、窒化物薄膜を基板に選択成長させることができる。従って、従来の構成のように成長マスクを基板に形成しなくても窒化物薄膜を基板に選択成長させることができる。このため、成長マスクを形成するためのリソグラフィー及びエッチングが不要になるので、窒化物薄膜を選択成長させるために必要な工程数を減少させることができる。また、従来の電子線照射法と比較して、描画が高速なうえ、大気中で作業できるので、汎用性を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、高温水素処理した基板に被覆膜を塗布し、前記被覆膜を塗布した基板に前記レーザー光を集光照射することが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、レーザー光のパルスエネルギーを低くしてアブレーションに伴う基板への傷を避けながら窒化物薄膜を選択成長させることができる。
【００１７】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記被覆膜は、有機薄膜であることが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、レーザー光のパルスエネルギーを低くしてアブレーションに伴う基板への傷を避けながら窒化物薄膜を選択成長させることができる。
【００１９】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記被覆膜は、導電性有機薄膜であることが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、レーザー光のパルスエネルギーを低くしてアブレーションに伴う基板への傷を避けながら窒化物薄膜を選択成長させることができる。
【００２１】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記レーザー光は、パルスレーザー光であることが好ましい。
【００２２】
上記構成によれば、集光照射した領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させるためである。
【００２３】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記窒化物薄膜は、ＧａＮ薄膜であることが好ましい。
【００２４】
上記構成によれば、例えば、選択成長領域と非成長領域とが共に機能性に寄与する素子（微細周期構造を有する非線形光学素子等）を新たに作製して、ＧａＮの薄膜材料としての応用の可能性を拡大することができる。
【００２５】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記窒化物薄膜は、ＩｎＧａＮ薄膜またはＡｌＧａＮ薄膜であることが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、ＩｎＧａＮまたはＡｌＧａＮの薄膜材料としての応用の可能性を拡大することができる。
【００２７】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記基板は、サファイア基板であることが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、窒化物薄膜をエピタキシャル成長させることができ、選択成長を実現させることができる。
【００２９】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記高温水素処理した基板にガスを吹き付けながら前記レーザー光を集光照射することが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、選択成長する窒化物薄膜の非成長領域を拡げることができる。
【００３１】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、有機金属気相成長法によって前記窒化物薄膜を選択成長させることが好ましい。
【００３２】
上記構成によれば、簡単な構成により窒化物薄膜をエピタキシャル成長させつつ、容易に選択成長させることができる。
【００３３】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法では、前記基板と前記窒化物薄膜との間の界面で生じた転位は、前記窒化物薄膜中を前記基板に垂直な方向に沿って伝播し、側面ファセットが斜めのとき転位がファセット面と交差すると、前記基板に水平な方向に曲げられて前記窒化物薄膜表面への到達が抑えられることが好ましい。
【００３４】
上記構成によれば、転位密度が低い高品質の窒化物薄膜を作製することができる。
【００３５】
本発明に係る窒化物薄膜製造装置は、上記課題を解決するために、基板を高温水素処理する高温水素処理ユニットと、前記高温水素処理ユニットによって高温水素処理された基板にレーザー光を集光照射する集光照射ユニットと、前記集光照射ユニットによってレーザー光を集光照射された領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させる薄膜成長ユニットとを備えたことを特徴とする。
【００３６】
この特徴によれば、転位密度が低い高品質の窒化物薄膜を、工程数を減少させて作製することができる。
【００３７】
本発明に係る光デバイスは、上記課題を解決するために、高温水素処理した基板上において所定の領域にレーザー光を集光照射し、前記レーザー光の集光照射によりパターニングされた領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させることによって形成したパターン構造を備えたことを特徴とする。
【００３８】
この特徴によれば、選択成長領域と非成長領域が共に機能性に寄与するような微細構造を有する光デバイスを実現することができる。
【００３９】
本発明に係る光デバイスは、上記課題を解決するために、高温水素処理した基板上において周期的に所定の領域にレーザー光を集光照射し、前記レーザー光の集光照射により周期的にパターニングされた領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させることによって形成した微細周期構造を備えたことを特徴とする。
【００４０】
この特徴によれば、選択成長領域と非成長領域が共に機能性に寄与するような微細周期構造を有する、非線形光学素子などの光デバイスを実現することができる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明に係る窒化物薄膜製造方法は、以上のように、高温水素処理した基板にレーザー光を集光照射し、前記レーザー光を集光照射した領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させるので、窒化物薄膜を基板に選択成長させるために必要な工程数を減少させることができる。また、従来の電子線照射法と比較して、描画が高速なうえ、大気中で作業できるので、汎用性を向上させることができるという効果を奏する。
【００４２】
本発明に係る窒化物薄膜製造装置は、以上のように、前記高温水素処理ユニットによって高温水素処理された基板にレーザー光を集光照射する集光照射ユニットと、前記集光照射ユニットによってレーザー光を集光照射された領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させる薄膜成長ユニットとを備えているので、転位密度が低い高品質の窒化物薄膜を工程数を減少させて作製することができるという効果を奏する。
【００４３】
本発明に係る光デバイスは、以上のように、高温水素処理した基板上において所定の領域にレーザー光を集光照射し、前記レーザー光を集光照射した領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させることによって形成したパターン構造を備えているので、選択成長領域と非成長領域が共に機能性に寄与するようなパターン構造を有する光デバイスを実現することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
本発明の一実施形態について図１ないし図９に基づいて説明すると以下の通りである。図１は、実施の形態に係る窒化物薄膜製造装置６の構成を示すブロック図である。窒化物薄膜製造装置６は、高温水素処理ユニット７を備えている。高温水素処理ユニット７は、サファイア基板を高温水素処理する。窒化物薄膜製造装置６には、集光照射ユニット８が設けられている。集光照射ユニット８は、高温水素処理ユニット７によって高温水素処理されたサファイア基板にレーザー光を集光照射する。窒化物薄膜製造装置６は、薄膜成長ユニット９を備えている。薄膜成長ユニット９は、集光照射ユニット８によってレーザー光を集光照射された領域の周りに窒化物薄膜を選択成長させる。
【００４５】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、実施の形態に係る窒化物薄膜製造方法を説明するための断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、図１に示す高温水素処理ユニット７内において、１気圧の水素ガス中、１０６０℃で１０分間サファイア基板１を高温水素処理する。この後、このサファイア基板１を高温水素処理ユニット７から大気中に取り出し、被覆膜４を塗布する。
【００４６】
次に、図２（ｂ）に示すように、集光照射ユニット８内において、チタンサファイア再生増幅器から得られたフェムト秒パルス光（中心波長：８００ｎｍ、パルス幅：約１００ｆｓ、繰り返し周波数：１ｋＨｚ）（レーザー光２）を、集光レンズでサファイア基板１や被覆膜４に集光照射する。集光レンズに対物レンズを用いると、収差の影響を抑えることができる。集光レンズの開口数が高いほど集光点を空間的に限定することができる。この集光領域を基板表面で走査し描画を行う。
【００４７】
レーザー光２としてチタンサファイア再生増幅器の例を挙げたが、本発明はこれに限定されない。チタンサファイア再生増幅器以外にも、光パラメトリック増幅器など多様なレーザー光が光源として考えられる。ここで、レーザー光とは、数十ｎｓから数ｆｓのパルス幅を持つレーザー光をいう。ここで、レーザー光とは、多光子過程もしくは直接過程により、基板或いは被覆膜と相互作用することが可能な範囲の波長を有するレーザー光をいう。
【００４８】
そして、集光照射済みの基板（集光照射基板）を純水で洗浄した後、図２（ｃ）に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりＧａＮ薄膜３を成長させる。この段階では高温水素処理を行わず、低温バッファ層と高温ＧａＮ層の成長を始めることが、工程数を低減する観点から好ましい。すると、集光照射領域がＧａＮ薄膜の非成長領域となる一方、集光照射しなかった領域ではＧａ面極性（＋ｃ極性）のＧａＮ薄膜３が成長し、選択成長を実現する。
【００４９】
ＧａＮ薄膜３の成長条件（反応槽圧力や温度、Ｖ／ＩＩＩ比）やレーザー光２の描画パターン（配向方向、ＦＦ値；開口部の幅／周期）を変えることで、ＧａＮ薄膜３の側面ファセットを制御できる（ＧａＮ薄膜３の垂直な壁面と傾斜した壁面など）。
【００５０】
図３は、実施の形態に係る集光照射サファイア基板を用いたＧａＮ薄膜の選択成長を説明するための図であり、（ａ）は被覆膜を塗布したサファイア基板に集光照射した表面を示し、（ｂ）はＧａＮ薄膜成長後の表面を示す。被覆膜を塗布したサファイア基板にパルスエネルギー０．１４μＪ／パルス、走査速度１０μｍ／ｓの条件でフェムト秒パルス光を照射すると、図３（ａ）に示すように、サファイア基板に傷が付く。そして、図３（ｂ）に示すように、傷の周りにＧａＮ膜を選択成長させることができる。０．０８μＪ／パルス、１μｍ／ｓの条件でサファイア基板にフェムト秒パルス光を照射すると、図３（ａ）に示すように、サファイア基板に傷は付かないが、図３（ｂ）に示すように、フェムト秒パルス光を照射した領域の周りにＧａＮ膜を選択成長させることができる。
【００５１】
このように、フェムト秒パルス光の照射条件を調整することによって、サファイア基板に傷や凹凸を形成することなくＧａＮ膜を選択成長させることができる。
【００５２】
図４は、実施の形態に係る集光照射方法を示す図であり、図４（ａ）はサファイア基板１への集光照射を示し、図４（ｂ）はガス５を流しながらのサファイア基板１への集光照射を示し、図４（ｃ）は導電性有機薄膜などからなる被覆膜４を塗布したサファイア基板１への集光照射を示す。集光レンズ（対物レンズ）１０でサファイア基板１上にレーザー光２を集光照射する。図４（ｂ）に示すように、集光照射時に、サファイア基板１表面にガス５を吹付けることが好ましい。ガス５は、例えば、窒素またはアルゴンであることが好ましいが、これに限定されない。図４（ｃ）に示すように、集光照射前に、予め別の薄膜（導電性有機薄膜などからなる被覆膜４）をサファイア基板１上に塗布することが好ましい。被覆膜４は、チャージアップ防止膜によって構成してもよい。
【００５３】
図５は、実施の形態に係る集光照射方法を示す図であり、（ａ）は被覆膜４内への集光照射を示し、（ｂ）は被覆膜４とサファイア基板１との間の界面への集光照射を示し、（ｃ）はサファイア基板１内への集光照射を示す。被覆膜４を塗布したサファイア基板１にレーザー光２を集光照射するときは、図５（ａ）に示すように、被覆膜４内に集光照射してもよく、図５（ｂ）に示すように、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面へ集光照射してもよい。また、図５（ｃ）に示すように、サファイア基板１の内部にレーザー光２を集光照射してもよい。
【００５４】
図６は、実施の形態に係るＧａＮ薄膜の非成長領域を示す図であり、図６（ａ）は窒素ガスを流しながらサファイア基板へ集光照射したときの非成長領域を示し、図６（ｂ）はサファイア基板へ集光照射したときの非成長領域を示す。図６（ａ）（ｂ）に示されるように、窒素やアルゴンなどのガスを吹付けながらＧａＮ膜を選択成長させると、ＧａＮ膜の非成長領域が拡がる。
【００５５】
図７は、実施の形態に係る導電性有機薄膜を塗布したサファイア基板にレーザー光を集光照射後、選択成長させたＧａＮ薄膜を示す図である。導電性有機薄膜をサファイア基板に塗布した場合、レーザー光のパルスエネルギーが低くてもＧａＮ薄膜の非成長領域を実現できるので、アブレーションに伴うサファイア基板への傷を避けながらＧａＮ薄膜を選択成長させることができる。
【００５６】
図８は、実施の形態に係る集光照射効果へのパルスエネルギーの影響を示す図であり、図８（ａ）は０．１０μＪ／パルスのレーザー光を集光照射したときの選択成長を示し、図８（ｂ）は０．０３μＪ／パルスのレーザー光を集光照射したときの選択成長を示す。レーザー光パルスエネルギーが高すぎると、図８（ａ）に示すように、サファイア基板表面でアブレーションを起こして傷が生じてしまう。レーザー光パルスエネルギーが低すぎるとサファイア基板への効果は消失してしまう。よって、図８（ｂ）のように、サファイア基板表面に傷を生じない程度にパルスエネルギーを最適化すればよい。また、同じパルスエネルギーでも、レーザー光のサファイア基板に対する走査速度が速いと集光照射効果は減少し、走査速度が遅いと集光照射効果が増大する。よって集光レンズの開口数やパルス光条件に応じ、パルスエネルギー及び走査速度を最適化する。
【００５７】
なお、本実施の形態では、ＧａＮ薄膜３を選択成長させる例を示したが、本発明はこれに限定されない。他の窒化物（ＩｎＧａＮやＡｌＧａＮなど）にも本発明を適用できると考えられる。
【００５８】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。レーザー光を照射することによってサファイア基板表面が改質されるメカニズムは以下のように考えられる。サファイア基板表面上のアブレーション閾値以下のパルスエネルギーでレーザー光をサファイア基板に照射しても、ＧａＮが選択成長することから、サファイア基板表面処理のメカニズムは、アブレーションの有無に関係しているのではなく、アブレーションを引き起こすメカニズムと関係していると考えられる。アブレーションを引き起こすメカニズムは、多光子吸収による光電子放出と正への帯電、昇温、衝撃波などである。サファイア基板や被覆膜のような有機薄膜は電子源として機能する。よって、図９（ｃ）に示すように、サファイア基板１の深部は正に帯電するが、光電子は大気中に拡散できないため、サファイア基板１表面に戻り捕捉されると考えられる。その結果、サファイア基板１の最表面の正電荷は減少し、さらに負に帯電する可能性も考えられる。
【００５９】
高温水素処理ではサファイア基板表面から酸素原子が脱離し、酸素格子欠陥が生成することが示されている。このサファイア基板表面の酸素格子欠陥が電子を捕捉するサイトとして機能すれば、Ｆ中心やＦ＋中心を生成すると考えられる。また電子がサファイア基板表面の不対電子と対になり、表面再構成などにより反応性に影響した可能性も考えられる。このサファイア基板表面の変化について考えられる要因は、帯電或いは表面化学種の変化である。
【００６０】
図１０（ａ）〜（ｃ）は、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面への集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。被覆膜４とサファイア基板１との間の界面へレーザー光を集光照射すると、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面から電子が放出される。放出された電子は、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面に戻り捕捉されると考えられる。その結果、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面の正電荷は減少し、さらに負に帯電する可能性も考えられる。
【００６１】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、被覆膜４への集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。被覆膜４の内部にレーザー光を集光照射すると、被覆膜４の内部から電子が放出される。放出された電子は、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面に戻り捕捉されると考えられる。その結果、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面の正電荷は減少し、さらに負に帯電する可能性も考えられる。
【００６２】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、被覆膜４によって覆われたサファイア基板１への集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。被覆膜４を通ってサファイア基板１の内部にレーザー光を集光照射すると、サファイア基板１の内部および被服膜４から電子が放出される。放出された電子は、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面に戻り捕捉されると考えられる。その結果、被覆膜４とサファイア基板１との間の界面の正電荷は減少し、さらに負に帯電する可能性も考えられる。
【００６３】
このように、本実施の形態によれば、高温水素処理したサファイア基板１に、レーザー光源などから得られたレーザー光を集光するとサファイア基板表面が改質される。このサファイア基板表面の変化について考えられる要因は、帯電或いは表面化学種の変化である。このサファイア基板上に有機金属気相成長法により窒化物を薄膜成長させると、集光照射領域で原料の再蒸発と表面拡散が堆積よりも優勢となり、結晶成長が抑制されて選択成長をもたらす。選択成長パターンを制御するためには、レーザー光の走査速度や集光条件を変えながら、集光点を走査する。集光条件を制御するため、集光点の基板表面からの距離や集光レンズの開口数、入射光のエネルギー等を最適化する。
【００６４】
本実施の形態は、有機金属気相成長法において基板処理工程のみにより、窒化物半導体を選択成長させる方法を提供する。つまり、薄膜成長の前にレーザー光の集光照射によりサファイア基板を表面処理することで、サファイア基板上のレーザー光照射領域のＧａＮ膜成長を抑制する。この方法の新しい点は、成長マスクを用いずに、選択成長できることである。本実施の形態は、窒化物薄膜のミクロンオーダーの微細構造を形成することが可能なうえ、大面積でも加工できるので、生産ラインに適している。
【００６５】
半導体素子を薄膜面内に製造するうえで、選択成長技術が必要である。本実施の形態における選択成長方法では、超高真空環境や成長マスクを必要としないので、選択成長の工程数低減・簡便化・低価格化を実現できる。さらにＧａＮの薄膜材料としての応用の可能性を拡大する。例えば選択成長領域と非成長領域が共に機能性に寄与するような素子（微細周期構造を有する非線形光学素子など）を、新たに形成することが可能になる。
【００６６】
図１３は、実施の形態に係る窒化物薄膜製造方法によって製造された窒化物薄膜の構成を示す断面図である。図１３に示す非線形光学素子は、高温水素処理したサファイア基板１上において所定の間隔を空けて互いに並行に配置された複数本の帯状領域にそれぞれレーザー光を集光照射し、このレーザー光を集光照射した複数本の帯状領域の周りに窒化物薄膜３を選択成長させることによって形成した微細周期構造を備えている。このように、本実施の形態によれば、選択成長領域と非成長領域が共に機能性に寄与する微細周期構造を備えた非線形光学素子を新たに形成することができる。
【００６７】
図１４は、選択横方向成長させたＧａＮ基板を備えたリッジ構造のＧａＮ系半導体レーザの構成例を示している。
【００６８】
以上のように本実施の形態によれば、レーザー光を用いた集光照射に着目し、サファイア基板を表面処理することによって、ＧａＮ薄膜成長を制御することができる。高温水素処理したサファイア基板に、レーザーパルス光（８００ｎｍ、１００ｆｓ、０．３μＪ／パルス、１ｋＨｚ）を集光照射した。集光照射には開口数０．３の対物レンズを用いた。その後、ＭＯＣＶＤ法によりＧａＮ薄膜を成長させた。集光照射した領域に沿ってＧａＮ成長が抑制され、選択成長が起きることを本発明者らは見出した。
【００６９】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、窒化物薄膜を基板上に選択成長させる窒化物薄膜製造方法、基板上に選択成長させた窒化物薄膜を製造する窒化物薄膜製造装置、及びこの窒化物薄膜を用いた光デバイスに適用することができる。
【００７１】
また、本発明は窒化物薄膜を用いて、微細周期構造を有する非線形光学素子・光導波路構造を有する光集積回路・チャネル構造を有するバイオセンサ・半導体レーザー素子・半導体発光素子など各種半導体デバイス構造におけるパターン作製に適用できるほか、選択成長と横方向成長による転位密度の低減技術を用いたデバイス特性向上に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施の形態に係る窒化物薄膜製造装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る窒化物薄膜製造方法を説明するための断面図である。
【図３】実施の形態に係る集光照射サファイア基板を用いたＧａＮ薄膜の選択成長を説明するための図であり、（ａ）は被覆膜を塗布したサファイア基板表面に集光照射した後の表面を示し、（ｂ）はＧａＮ薄膜成長後の薄膜表面を示す。
【図４】実施の形態に係る集光照射方法を示す図であり、（ａ）はサファイア基板への集光照射を示し、（ｂ）はガスを流しながらのサファイア基板への集光照射を示し、（ｃ）は導電性有機薄膜などの被覆膜を塗布したサファイア基板への集光照射を示す。
【図５】実施の形態に係る集光照射方法を示す図であり、（ａ）は被覆膜内への集光照射を示し、（ｂ）は被覆膜とサファイア基板との間の界面への集光照射を示し、（ｃ）はサファイア基板内への集光照射を示す。
【図６】実施の形態に係るＧａＮ薄膜の非成長領域を示す図であり、（ａ）は窒素を流しながらサファイア基板へ集光照射したときの非成長領域を示し、（ｂ）はサファイア基板へ集光照射したときの非成長領域を示す。
【図７】実施の形態に係る導電性有機薄膜などの被覆膜を塗布したサファイア基板にレーザー光を集光照射後、選択成長させたＧａＮ薄膜を示す図である。
【図８】実施の形態に係る集光照射効果へのパルスエネルギーの影響を示す図であり、（ａ）は０．１０μＪ／パルスのレーザー光を集光照射したときの選択成長を示し、（ｂ）は０．０３μＪ／パルスのレーザー光を集光照射したときの選択成長を示す。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は、集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、被覆膜とサファイア基板との間の界面への集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、被覆膜への集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、被覆膜によって覆われたサファイア基板への集光照射によるサファイア基板表面処理のメカニズムを説明するための図である。
【図１３】実施の形態に係る窒化物薄膜製造方法によって製造された窒化物薄膜の構成を示す断面図である。
【図１４】実施の形態に係る窒化物薄膜製造方法によって選択成長した窒化物薄膜を備えた半導体レーザの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１    サファイア基板
２    レーザー光
３    ＧａＮ薄膜
４    被覆膜
５    ガス
６    窒化物薄膜製造装置
７    高温水素処理ユニット
８    集光照射ユニット
９    薄膜成長ユニット
１０  集光レンズ（対物レンズ）
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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