(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体と異なる異種基板の上に、
周期配列された窒化物半導体からなるシード結晶と、
前記シード結晶を覆うように周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層全面を覆う第２の窒化物半導体層とを備え、
ここに、前記第１の窒化物半導体層は、第１の横方向成長部と、第１の横方向成長部の上部側面から横方向に突出し、第１の横方向成長部と連続的に形成された第２の横方向成長部とからなり；
前記第１の横方向成長部の下部の側面は前記シード結晶の側面と接合し；
前記第１の横方向成長部の底面下方の異種基板の一部に空洞が形成され、これにより、前記第１の横方向成長部の底面は前記異種基板とは接触せず；
隣接する第１の窒化物半導体層の第２の横方向成長部同士は互いに接合せず；
前記シード結晶の上面と前記第２の横方向成長部の下面との間に空間が形成され、
ここに、前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層の上部全面および第２の横方向成長部の端面と接合し、
ここに、前記シード結晶、前記第１の窒化物半導体層および前記第２の窒化物半導体層は、同一または異なって、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）によって表される組成を有することを特徴とする窒化物半導体基板。
【請求項２】
さらに、前記シード結晶の上部全面に分解防止層が形成され、前記分解防止層の上面と前記第１の窒化物半導体層との間に空間が形成されていることを特徴とする請求項１記載の窒化物半導体基板。
【請求項３】
前記分解防止層がＳｉＮ、ＳｉＯＮまたはＴｉＯ２であることを特徴とする請求項２記載の窒化物半導体基板。
【請求項４】
前記シード結晶が周期的なストライプ状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項５】
前記シード結晶が周期的な島状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項６】
前記シード結晶が格子状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１に記載の窒化物半導体基板。
【請求項７】
窒化物半導体と異なる異種基板上の全面に、
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第１の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第１の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第１の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第１の窒化物半導体層の上面を成長起点として第２の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項８】
窒化物半導体と異なる異種基板上の全面に、
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に分解防止層を形成する工程と、
前記成長防止層上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶、分解防止層および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第１の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第１の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第１の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第１の窒化物半導体層の上面を成長起点として第２の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項９】
前記分解防止層のエッチングレートが前記保護膜のエッチングレートよりも小さいことを特徴とする請求項８記載の製造方法。
【請求項１０】
前記分解防止層がＳｉＮ、ＳｉＯＮまたはＴｉＯ２であり、前記保護膜がＳｉＯ２であることを特徴とする請求項９記載の製造方法。
【請求項１１】
前記保護膜のエッチングが異方性エッチングであることを特徴とする請求項７ないし１０いずれかに記載の製造方法。
【請求項１２】
前記保護膜のエッチングが等方性エッチングであることを特徴とする請求項７ないし１０いずれかに記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物半導体（ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ、０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ+ｙ≦１）を表面に有する窒化物半導体基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、転位密度の低い窒化物半導体基板を製造するために、サファイア、スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と異なる異種基板の上に、窒化物半導体を基板に対して横方向に成長させる方法（以下、ＥＬＯＧ成長法（Epitaxially Lateral OverGrowth）と呼ぶ）が種々検討されている。
窒化物半導体が横方向に成長する領域において、窒化物半導体の成長起点において発生した転位は、窒化物半導体の成長と共に横方向にのみ進行するため、低転位密度の窒化物半導体を成長させることができる。
【０００３】
例えば、Jpn. J. Appl. Phys. Vol.37 (1998) pp.L309‐L312には、ＥＬＯＧ成長法として、サファイアのＣ面上に成長させた窒化ガリウム上にＳｉＯ2等の保護膜を部分的に形成し、この上に、１００Ｔｏｒｒの減圧下で、窒化物半導体を成長させることにより、転位の少ない窒化物半導体を得ることが開示されている。
このようなＥＬＯＧ成長法では、保護膜を形成し意図的に窒化物半導体を横方向に成長させることにより、転位が窒化物半導体の成長と共に進行すると、転位は保護膜を有しない部分上にのみ発生するため、保護膜上には転位欠陥の少ない窒化物半導体を形成することができる。
【０００４】
また、特開平１１-１４５５１６号公報には、ＳｉＯ2保護膜を形成する代りに、シリコン基板上に成長したＡｌＧａＮ層をストライプ状にエッチングしてシリコン基板を部分的に露出させ、この上に窒化ガリウムを成長させる方法が開示されている。窒化ガリウムはシリコン基板上にはエピタキシャル成長しないため、ＡｌＧａＮ層をシード結晶として、窒化ガリウムが横方向にエピタキシャル成長する。したがって、シリコン基板の露出部分の上に低転位密度の窒化ガリウムを成長させることができる。
【０００５】
これらのＥＬＯＧ成長法によれば、従来のバッファ層を用いて成長させた窒化物半導体層に比べて、結晶欠陥密度を２桁以上減少させることができる。したがって、これらのＥＬＯＧ成長法によって製造された窒化物半導体基板に、ＬＥＤ素子、ＬＤ素子、受光素子などの種々の窒化物半導体素子を形成することにより、窒化物半導体素子の寿命特性を飛躍的に向上させることができる。例えば、ＥＬＯＧ成長させた窒化ガリウム基板を用いて製造された窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、１万時間以上の連続発振を達成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に示す保護膜を形成し窒化物半導体を横方向に成長させることにより得られる窒化物半導体は、保護膜上部には転位欠陥が少ない窒化物半導体が得られるが、ＳｉＯ２等の保護膜はストライプ幅を広く形成する場合、保護膜上において窒化物半導体の横方向成長が進まず、異常成長を引き起こすことがあった。
【０００７】
また、保護膜両側に露出した窒化物半導体を成長起点として横方向に成長した窒化物半導体は、保護膜中央部で互いに接合するが、窒化物半導体を気相成長法によって横方向成長させた場合には、接合部に局所的に転位が集中する。これは、１つにはＳｉＯ２等の保護膜上を横方向に成長する窒化物半導体の成長面がチルトすることに起因している。このような窒化物半導体基板上にエピタキシャル成長によって素子層を形成していく場合、素子層成長のための基板昇温過程において、転位が集中している接合部に窒素脱離による微細なピットが発生し易く、さらにエピタキシャル成長を続けることによりピットが大きく成長してしまう。
【０００８】
このため、気相成長法を用いた保護膜上の横方向成長により連続した１枚の窒化物半導体基板を形成しても、一般的な単結晶基板と同様に扱うことはできず、半導体レーザの活性層等は接合部周辺を大きく避けて形成する必要があるために素子形成のための十分な領域を確保することが困難であり、素子寿命も十分ではなかった。しかも、接合して１枚の基板となった窒化物半導体基板は外見上一様であるため、基板上面から接合部を認識して、その後の素子パターン形成を精度良く行うことは容易ではなかった。
【０００９】
また、結晶欠陥の少ない窒化ガリウム系半導体基板を作製する方法が、Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 535, pp.91-99に開示されている。この方法によれば、６Ｈ−ＳｉＣ基板上に、上部に窒化シリコンの保護膜が形成されたＧａＮシード結晶をストライプ状に形成し、このＧａＮシード結晶の端面を成長起点として、窒化シリコン保護膜上にまでＧａＮを成長させる。これにより、ＧａＮは横方向にのみ成長するので、結晶欠陥の少ない窒化物半導体基板を得ることができる。
【００１０】
しかしながら、窒化物半導体とは異なる異種基板上に保護膜を用いて窒化物半導体を横方向成長させて連続した１枚の窒化物半導体基板を作製した場合、熱膨張係数の互いに異なる基板、保護膜、窒化物半導体層が積層した構造となるため、作製した窒化物半導体基板に反りが発生しやすかった。
【００１１】
また、さらに、サファイア基板等の異種基板を最終的に除去して窒化物半導体基板を作製する場合もあり、その場合の異種基板の除去手法として、異種基板を研磨する方法や、異種基板と窒化物半導体の界面にエキシマレーザを照射して界面の化学的結合を切断する手法が用いられる。しかしながら、研磨やエキシマレーザによる除去には処理時間がかかる等の問題があり、サファイア等の異種基板の除去が容易ではなかった。
【００１２】
そこで、本発明の一つの目的は、従来のＥＬＯＧ成長法により製造された窒化物半導体基板よりも、さらに結晶欠陥の少ない窒化物半導体素子を提供することにある。本発明のもう一つの目的は、窒化物半導体基板における反りを抑制することにある。本発明のさらにもう一つの目的は、窒化物半導体基板からの異種基板の除去を容易にすることにある。
かくして、本発明は、寿命特性が向上された窒化物半導体素子、特に、青色を発光可能な窒化ガリウム系化合物半導体レーザおよび、それを高い歩留りで製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の実施形態の窒化物半導体基板は、窒化物半導体と異なる異種基板の上に、
周期配列された窒化物半導体からなるシード結晶と、
前記シード結晶の側面を成長起点として横方向成長し、前記シード結晶の上方にて互いに接合する前に横方向成長を停止することにより前記シード結晶を覆うように周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第１の窒化物半導体層の上面を成長起点として成長し、前記第１の窒化物半導体層全面を覆う第２の窒化物半導体層とを備え、
前記シード結晶の上面と前記第１の窒化物半導体層との間に空間が形成されていることを特徴とする。
【００１４】
すなわち、本発明の窒化物半導体基板は、第１の窒化物半導体層を横方向成長させて接合後、さらに、前記接合した窒化物半導体層を成長起点として横方向成長させ、互いに接合する前に成長を停止させることにより、転位が集中する接合部の形成を回避しているので、素子層成長のための基板昇温過程において窒素脱離による微細なピットが生じない。また、第２の窒化物半導体層は第１の窒化物半導体層が横方向成長した上面および端面から成長するので、第２の窒化物半導体層には結晶欠陥が少ない。
さらに、前記シード結晶の上面と前記第１の窒化物半導体層との間、すなわち、第２の窒化物半導体層が互いに接合する部分の下に空間が形成されているので、窒化物半導体層における反りを抑制することができる。
【００１５】
また、本発明の窒化物半導体基板は、異種基板上に窒化物半導体層が不連続な柱状構造によって支持されているので、窒化物半導体層と異種基板との間の接合強度が低下する。したがって、従来のエキシマーレーザや研磨による異種基板の除去手法に加えて、振動や熱衝撃による機械的な剥離手法によって異種基板を除去することも可能となる。例えば、本発明に係る窒化物半導体基板を異種基板の裏面から研磨すると、研磨時の機械的振動によって異種基板の全体が剥離する。こうした機械的な剥離手法によれば短時間での異種基板の除去が可能となる。なお、機械的手法では剥離する界面が多少ばらつく場合があるが、剥離後に基板裏面の研磨を行なうことによって均一な窒化物半導体基板を得ることができる。
【００１６】
また、本発明の第２の実施形態の窒化物半導体基板は、前記第１の窒化物半導体基板において、さらに前記シード結晶の上部全面に分解防止層が形成され、前記分解防止層の上面と前記第１の窒化物半導体層との間に空間が形成されていることを特徴とする。特に、前記分解防止層がＳｉＮ、ＳｉＯＮまたはＴｉＯ２であることを特徴とする。
ここで、シード結晶の表面が露出した状態で、この後、基板上に反応素子を成長させると、工程中１０００℃以上の温度でシード結晶の表面が分解することにより、シード結晶の表面にＶ字状の溝が形成され易く、第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層の汚染の原因となり得る。したがって、「分解防止層」とは、シード結晶の熱分解を防止するためにシード結晶の表面に設けられた層のことを意味し、分解防止層としては、１０００℃でも分解することのない材料、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮまたはＴｉＯ２等を用いることができる。
【００１７】
すなわち、本発明の窒化物半導体基板は、シード結晶の上部全面にＳｉＮ等の分解防止層が形成されているので、基板上に反応素子を成長させる時にシード結晶が、１０００℃以上の温度で分解拡散することにより、第１および第２の窒化物半導体層に入り結晶性を低下させ異常成長等を引き起こす問題点を解決することができる。
【００１８】
本発明の窒化物半導体基板は、前記シード結晶が、格子状、周期的なストライプ状または周期的な島状に形成されていることを特徴とする。
すなわち、本発明によれば、シード結晶を上記の形状にすることにより、窒化物半導体層を前記シード結晶の側面を成長起点として横方向成長させることができる。
【００１９】
本発明は、第１の実施形態の窒化物半導体基板を作製するために、窒化物半導体と異なる異種基板上の全面に、
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第１の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第１の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第１の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第１の窒化物半導体層の上面を成長起点として第２の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【００２０】
さらに、本発明は、第２の実施形態の窒化物半導体基板を作製するために、窒化物半導体と異なる異種基板上の全面に、
窒化物半導体からなるシード結晶を形成する工程と、
前記シード結晶上の全面に分解防止層を形成する工程と、
前記成長防止層上の全面に保護膜を形成する工程と、
前記シード結晶、分解防止層および保護膜をエッチングする工程と、
前記エッチングされたシード結晶の側面を成長起点として第１の窒化物半導体層を横方向成長させ、前記保護膜上で横方向成長する第１の窒化物半導体層が前記保護膜を完全に覆わないように、互いに接合する前に横方向成長を停止する工程と、
前記保護膜をエッチングにより除去する工程と、
前記第１の窒化物半導体層が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面または、前記端面および前記第１の窒化物半導体層の上面を成長起点として第２の窒化物半導体層を成長させる工程とを含む窒化物半導体基板の製造方法を提供する。
【００２１】
本発明の第２の実施形態の窒化物半導体基板の製造方法は、前記分解防止層のエッチングレートが前記保護膜エッチングレートよりも小さいことを特徴とする。例えば、反応性イオンエッチングによるエッチングの場合、前記分解防止層をＳｉＮで形成し、前記保護膜をＳｉＯ２で形成する。
【００２２】
また、本発明の第１および第２の実施形態の窒化物半導体基板の製造方法において、前記保護膜のエッチングは異方性エッチングおよび等方性エッチングのいずれも使用することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態を図１（ａ）〜（ｅ）に示す。この実施形態においては、図１（ｅ）に示すごとく、窒化物半導体とは異なる異種基板１上に、バッファ層（図示せず）を介して形成され、ストライプ状にエッチングされた窒化物半導体からなるシード結晶２と、シード結晶２の側面を成長起点として横方向成長し、シード結晶２の上方にて互いに接合する前に横方向成長を停止することによりシード結晶２を覆うように周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層５とが形成されている。ここで、シード結晶２の上方には空間が形成され、第１の窒化物半導体層５とは接していない。
さらに、この第１の実施形態の窒化物半導体基板には、第１の窒化物半導体層５が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面およびまたは第１の窒化物半導体層５の上面を成長起点として成長し、前記第１の窒化物半導体層５全面を覆う第２の窒化物半導体層６が形成されている。
シード結晶２、第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層６は、いずれも一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）によって、表される組成を有する。ただし、これらは互いに異なる組成であってもよい。
【００２４】
次に、この実施形態の窒化物半導体基板の製造方法および好適な材料について説明する。
まず、窒化物半導体と異なる異種基板１を準備する。異種基板１には、Ｃ面、Ｒ面またはＡ面のいずれかを主面とするサファイア基板の他に、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）基板、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）基板、シリコン基板、Ｚｎ、ＺｎＯ、ＧａＡｓおよび窒化物半導体および窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。とりわけ、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点からサファイア基板またはＳｉＣ基板を用いることが好ましい。なお、これらの基板材料の主面をオフアングルさせた基板、より好ましくはステップ状にオフアングルさせた基板を用いると結晶欠陥をより少なくすることができる。
【００２５】
次に、図１（ａ）に示すごとく、バッファ層（図示せず）を介して窒化物半導体シード結晶２を成長させる。バッファ層には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を約３００〜９００℃の低温にて膜厚約１０Å〜０．５μｍに成長させて形成する。これは、異種基板１とシード結晶２との格子定数不整を緩和するためであり、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。なお、窒化物半導体の成長方法、基板の種類によってはバッファ層を省略することもできる。
シード結晶２は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いて高温にて成長させる。例えば、アンドープＧａＮ、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で成長させる。シード結晶２の膜厚は、少なくとも５００Å以上、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは２μｍ〜１０μｍである。膜厚が２μｍ〜１０μｍ程度であれば、結晶性がよく、また、異種基板との膨張係数の違いによる基板の反りが少ない。
【００２６】
さらに、シード結晶２の上部全面に保護膜４を形成する。保護膜４の材料には、表面に窒化物半導体が成長しにくいか、あるいは、全く成長しないものを選択する。例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜のほか、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの材料は、窒化物半導体の成長温度である６００〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物が成長しないか、あるいは、成長しにくい性質を有している。
この保護膜４は、例えば、蒸着、スパッタ、またはＣＶＤ等の適当な気相成長法を用いて形成することができる。保護膜４の膜厚は適宜決定することができるが、０．３〜５μｍ程度であれば、保護膜としての機能があり、また反りの発生も少ないので好ましい。
【００２７】
次に、保護膜４にレジストを塗布して、通常のフォトリソグラフィによりパターニングし、シード結晶２および保護膜４を周期的なストライプ状、周期的な島状または格子状にエッチングする。前記島状の形状は、例えば、多角形（三角形、四角形および六角形等）または円形であってよい。各島はできるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。また、前記ストライプおよび格子の幅および間隔は第１の窒化物半導体層５が成長できるように選択する。
エッチングは、シード結晶２を一部残して止めることができるが、異種基板１の一部を取り除く深さまで行なうことが好ましい。異種基板１を削る深さは、好ましくは５００〜３０００Åであるが、１０μｍ以下であればよい。異種基板１の一部を削る深さまでエッチングすることにより、シード結晶２の側面から成長する第１の窒化物半導体層５の下に空洞が形成され、第１の窒化物半導体層５が異種基板１から干渉を受けることを防止して、基板の反りを緩和するとともに第１の窒化物半導体層５の結晶性をより良好にすることができる。さらに、異種基板１に空洞が形成されているので、光の反射により空洞部が認識でき、それを目安として、窒化物半導体基板の結晶性の良好な部位上に選択的にデバイスを製造することが可能となる。
また、エッチングをする場合、エッチング面は、図１（ｂ）に示すように異種基板に対して端面が略垂直になる形状に限定されず、順メサ形状や逆メサ形状、あるいは階段状であってもよい。
【００２８】
次いで、図１（ｃ）に示すように、シード結晶２の側面を成長起点として、第１の窒化物半導体層５を横方向に成長させ、さらに保護膜４上で横方向に成長させるとき、完全に保護膜４を覆う前に成長を止める。このようにして成長した第１の窒化物半導体層５の断面形状は、周期配列されたＴ字状となる。すなわち、第１の窒化物半導体層５は、隣接するシード結晶２の側面を成長起点として横方向成長してきた窒化物半導体層同士が接合して形成された第１の横方向成長部５ａと、この横方向成長部５ａを成長起点として保護膜４上で横方向に成長して形成された第２の横方向成長部５ｂとからなり、隣接する第１の窒化物半導体層５の第２の横方向成長部５ｂ同士は接合せず、第２の横方向成長部５ｂの端面は２〜２０μｍ程度離れている。前記端面の間隔が２〜２０μｍ程度であれば、第２の窒化物半導体層６を形成する際に、前記端面に充分量の原料を供給し得、また、接合するまでの時間が短いので、窒化物半導体層６の膜厚が厚くなることがない。前記端面の間隔が２〜１０μｍ程度であることが好ましく、２〜４μｍ程度であることがより好ましい。前記範囲であれば、第２の窒化物半導体層６が接合するときに下方向に成長することがないので、シード結晶２の上面との接触を回避するためにシード結晶２の上方に形成する空間を高くする必要がないため基板全体を薄く作製することができる。
第１の窒化物半導体層５の好ましい膜厚は、保護膜４の膜厚や大きさによっても異なる。第２の横方向成長部５ｂは、結晶性のいい部分を有する必要があるため、保護膜の膜厚に対して少なくとも１．５倍以上あることが好ましい。したがって、シード結晶２および保護膜４の膜厚を考慮すると、第１の横方向成長部５ａを１〜１５μｍの膜厚で成長させることが好ましい。
ここで、第１の窒化物半導体層５としては、特に限定されないが、ｐ型不純物、ｎ型不純物をドープしたＧａＮまたはノンドープのＧａＮよりなる窒化物半導体が挙げられる。
【００２９】
次に、図１（ｄ）に示すように、第１の窒化物半導体層５を保護膜４上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜４を除去する。この保護膜４の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられ、等方性または異方性エッチングのいずれでも構わない。等方性ドライエッチングであれば、エッチング制御が容易であるので好ましい。
【００３０】
ここで、保護膜上で横方向成長した第１の窒化物半導体５の部分（すなわち、第２の横方向成長部５ｂ）は結晶欠陥の少ない部分であり、保護膜を除去することにより、この部分の下部に空間を形成することができる。このため、第２の横方向成長部５ｂの端面から第２の窒化物半導体層６を成長させる際、保護膜との間に発生する応力を抑制することができる。
【００３１】
次に、図１（ｅ）に示すように、保護膜４を除去した第１の窒化物半導体層５上に、第１の窒化物半導体層５の端面および／または上面より第２の窒化物半導体層６を成長させる。
第２の窒化物半導体層６は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いて成長させる。例えば、アンドープのＧａＮ、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはＭｇ等のｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。Ｍｇをドープして第２の窒化物半導体層６を成長させると、横方向に伸び易くなり、第１の窒化物半導体層５の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると、電気的特性が安定するため好ましい。第２の窒化物半導体層６は空間上で成長するため、保護膜上での成長では選択性が低いために用いることができなかったＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を用いることもできる。
また、第２の窒化物半導体層６は、９００〜１１００℃にて成長させる。ＧａＮを用いた場合、その膜厚は３〜２０μｍ、好ましくは５〜２０μｍとし、ＡｌｘＧａ１−ｘＮを用いた場合、膜厚は２〜１５μｍとするのが好ましい。
【００３２】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態を図２（ａ）〜（ｅ）に示す。この実施形態においては、図２（ｅ）に示すごとく、窒化物半導体とは異なる異種基板１上に、バッファ層（図示せず）を介して形成され、ストライプ状にエッチングされた窒化物半導体からなるシード結晶２と、シード結晶２の上面に形成された分解防止層３と、シード結晶２の側面を成長起点として横方向成長し、シード結晶２および分解防止層３の上方にて互いに接合する前に横方向成長を停止することによりシード結晶２および分解防止層３を覆うように周期配列されたＴ字状断面を有する第１の窒化物半導体層５とが形成されている。ここで、シード結晶２および分解防止層３の上方には空間が形成され、第１の窒化物半導体層５とは接していない。
さらに、この第１の実施形態の窒化物半導体基板には、第１の窒化物半導体層５が互いに接合する前に横方向成長を停止することにより形成された端面およびまたは第１の窒化物半導体層５の上面を成長起点として成長し、前記第１の窒化物半導体層５全面を覆う第２の窒化物半導体層６が形成されている。
シード結晶２、第１の窒化物半導体層および第２の窒化物半導体層６は、いずれも一般式ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）によって、表される組成を有する。ただし、これらは互いに異なる組成であってもよい。
【００３３】
ここで、シード結晶２の表面が露出した状態で、この後、基板上に反応素子を成長させると、工程中１０００℃以上の温度でシード結晶２の表面が分解することにより、シード結晶の表面にＶ字状の溝が形成され易い。このシード結晶２の分解によるＶ字状溝の形成は、第１の窒化物半導体層５および第２の窒化物半導体層６の汚染の原因となり得る。
したがって、本発明の第２の実施形態においては、本発明の第１の実施形態に加えて、シード結晶２の熱分解を防止するために、シード結晶２の表面に分解防止層を設ける。
【００３４】
次に、この実施形態の窒化物半導体基板の製造方法および好適な材料について説明する。
まず、窒化物半導体と異なる異種基板１を準備する。異種基板１には、Ｃ面、Ｒ面またはＡ面のいずれかを主面とするサファイア基板の他に、ＳｉＣ（６Ｈ、４Ｈ、３Ｃ）基板、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）基板、シリコン基板、Ｚｎ、ＺｎＯ、ＧａＡｓおよび窒化物半導体および窒化物半導体と格子整合する酸化物基板等を用いることができる。とりわけ、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点からサファイア基板またはＳｉＣ基板を用いることが好ましい。なお、これらの基板材料の主面をオフアングルさせた基板、より好ましくはステップ状にオフアングルさせた基板を用いると結晶欠陥をより少なくすることができる。
【００３５】
次に、図２（ａ）に示すごとく、バッファ層（図示せず）を介して窒化物半導体シード結晶２を成長させる。バッファ層には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を約３００〜９００℃の低温にて膜厚約１０Å〜０．５μｍに成長させて形成する。これは、異種基板１とシード結晶２との格子定数不整を緩和するためであり、結晶欠陥を低減させる点で好ましい。なお、窒化物半導体の成長方法、基板の種類によってはバッファ層を省略することもできる。
シード結晶２は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いて高温にて成長させる。例えば、アンドープＧａＮ、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で成長させる。シード結晶２の膜厚は、少なくとも５００Å以上、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは２μｍ〜１０μｍである。膜厚が２μｍ〜１０μｍ程度であれば、結晶性がよく、また、異種基板との膨張係数の違いによる基板の反りが少ない。
【００３６】
次に、シード結晶２の上部全面に分解防止層３を形成する。分解防止層３の材料は１０００℃以上の温度でも分解しない材料であればよく、例えば、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ２等が挙げられる。分解防止層３の膜厚は適宜決定することができるが、０．３〜５μｍ程度であれば、分解防止層としての機能があり、また反りの発生も少ないので好ましい。
【００３７】
さらに、分解防止層３の上部全面に保護膜４を形成する。保護膜４の材料には、表面に窒化物半導体が成長しにくいか、あるいは、全く成長しないものを選択する。例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化ジルコニウム等の酸化物、窒化物、またはこれらの多層膜のほか、１２００℃以上の融点を有する金属等を用いることができる。これらの材料は、窒化物半導体の成長温度である６００〜１１００℃の温度にも耐え、その表面に窒化物が成長しないか、あるいは、成長しにくい性質を有している。
この保護膜４は、例えば、蒸着、スパッタ、またはＣＶＤ等の適当な気相成長法を用いて形成することができる。保護膜４の膜厚は適宜決定することができるが、０．３〜５μｍ程度であれば、保護膜としての機能があり、また反りの発生も少ないので好ましい。
【００３８】
ただし、後述するように、第１の窒化物層５を形成後、保護膜４のみをエッチングし、分解防止層３はエッチングせずに残すため、用いるエッチング手段に依存するが、分解防止層３には、保護膜４よりもエッチングレートの小さいものを用いる。例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の場合、限定されないが、分解防止層３にＳｉＮを用い、保護膜４にＳｉＯ２を用いる。このようにして分解防止層３および保護膜４の材料を選択することにより、エッチングの制御が容易になるので好ましい。
【００３９】
次に、保護膜４にレジストを塗布して、通常のフォトリソグラフィによりパターニングし、シード結晶２、分解防止層３および保護膜４を周期的なストライプ状、周期的な島状または格子状にエッチングする。前記島状の形状は、例えば、多角形（三角形、四角形および六角形等）または円形であってよい。各島はできるだけ一定の間隔で、かつ、密になるように配列することが好ましい。また、前記ストライプおよび格子の幅および間隔は第１の窒化物半導体層５が成長できるように選択する。
エッチングは、シード結晶２を一部残して止めることができるが、異種基板１の一部を取り除く深さまで行なうことが好ましい。異種基板１を削る深さは、好ましくは５００〜３０００Åであるが、１０μｍ以下であればよい。異種基板１の一部を削る深さまでエッチングすることにより、シード結晶２の側面から成長する第１の窒化物半導体層５の下に空洞が形成され、第１の窒化物半導体層５が異種基板１から干渉を受けることを防止して、基板の反りを緩和するとともに第１の窒化物半導体層５の結晶性をより良好にすることができる。さらに、異種基板１に空洞が形成されているので、光の反射により空洞部が認識でき、それを目安として、窒化物半導体基板の結晶性の良好な部位上に選択的にデバイスを製造することが可能となる。
また、エッチングをする場合、エッチング面は、図２（ｂ）に示すように異種基板に対して端面が略垂直になる形状に限定されず、順メサ形状や逆メサ形状、あるいは階段状であってもよい。
【００４０】
次いで、図２（ｃ）に示すように、シード結晶２の側面を成長起点として、第１の窒化物半導体層５を横方向に成長させ、さらに保護膜４上で横方向に成長させるとき、完全に保護膜４を覆う前に成長を止める。このようにして成長した第１の窒化物半導体層５の断面形状は、周期配列されたＴ字状となる。すなわち、第１の窒化物半導体層５は、隣接するシード結晶２の側面を成長起点として横方向成長してきた窒化物半導体層同士が接合して形成された第１の横方向成長部５ａと、この横方向成長部５ａを成長起点として保護膜４上で横方向に成長して形成された第２の横方向成長部５ｂとからなり、隣接する第１の窒化物半導体層５の第２の横方向成長部５ｂ同士は接合せず、第２の横方向成長部５ｂの端面は２〜２０μｍ程度離れている。前記端面の間隔が２〜２０μｍ程度であれば、第２の窒化物半導体層６を形成する際に、前記端面に充分量の原料を供給し得、また、接合するまでの時間が短いので、窒化物半導体層６の膜厚が厚くなることがない。前記端面の間隔は２〜１０μｍ程度であることが好ましく、２〜４μｍ程度であることがより好ましい。前記範囲であれば、第２の窒化物半導体層６が接合するときに下方向に成長することがないので、シード結晶２の上面との接触を回避するためにシード結晶２の上方に形成する空間を高くする必要がないため基板全体を薄く作製することができる。
【００４１】
第１の窒化物半導体層５の好ましい膜厚は、保護膜４の膜厚や大きさによっても異なる。第２の横方向成長部５ｂは、結晶性のいい部分を有する必要があるため、保護膜の膜厚に対して少なくとも１．５倍以上あることが好ましい。したがって、シード結晶２、分解防止層３および保護膜４の膜厚を考慮すると、第１の横方向成長部５ａを１〜１５μｍの膜厚で成長させることが好ましい。
ここで、第１の窒化物半導体層５としては、特に限定されないが、ｐ型不純物、ｎ型不純物をドープしたＧａＮまたはノンドープのＧａＮよりなる窒化物半導体が挙げられる。
【００４２】
次に、図２（ｄ）に示すように、第１の窒化物半導体層５を保護膜４上に横方向成長させ、成長を途中で止めた状態で、保護膜４を除去する。この保護膜４の除去方法としては、エッチングを用いることができ、エッチング手段としては、特に限定されないが、ドライエッチングまたはウェットエッチングが挙げられ、等方性または異方性エッチングのいずれでも構わない。等方性ドライエッチングであれば、エッチング制御が容易であるので好ましい。上記したごとく、用いたエッチング条件に依存するが、分解防止層４は、保護膜３よりもエッチングレートが小さいため、エッチングにより、保護膜４は除去されるが、分解防止層３は除去されずに残る。すなわち、シード結晶２上面には分解防止層３が形成された状態である。
この第２の実施形態においては、シード結晶２上面に分解防止層３が形成されているので、シード結晶２の分解を防止することができる。
【００４３】
ここで、保護膜上で横方向成長した第１の窒化物半導体５の部分（すなわち、第２の横方向成長部５ｂ）は結晶欠陥の少ない部分であり、保護膜を除去することにより、この部分の下部に空間を形成することができる。このため、第２の横方向成長部５ｂの端面から第２の窒化物半導体層６を成長させる際、保護膜との間に発生する応力を抑制することができる。
【００４４】
次に、図２（ｅ）に示すように、保護膜４を除去した第１の窒化物半導体層５上に、第１の窒化物半導体層５の端面および／または上面より第２の窒化物半導体層６を成長させる。
第２の窒化物半導体層６は、不純物をドープしたまたはドープしない窒化ガリウム系化合物半導体、好ましくは、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、０≦ｙ、ｘ＋ｙ≦１）を用いて成長させる。例えば、アンドープのＧａＮ、およびＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓ等のｎ型不純物をドープしたＧａＮ、またはＭｇ等のｐ型不純物をドープしたＧａＮを用いることができる。Ｍｇをドープして第２の窒化物半導体層６を成長させると、横方向に伸び易くなり、第１の窒化物半導体層５の隙間を埋め易くなるため好ましい。他方、アンドープとすると、電気的特性が安定するため好ましい。第２の窒化物半導体層６は空間上で成長するため、保護膜上での成長では選択性が低いために用いることができなかったＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ＜１）を用いることもできる。
また、第２の窒化物半導体層６は、９００〜１１００℃にて成長させる。ＧａＮを用いた場合、その膜厚は３〜２０μｍ、好ましくは５〜２０μｍとし、ＡｌｘＧａ１−ｘＮを用いた場合、膜厚は２〜１５μｍとするのが好ましい。
【００４５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。実施例１
Ｃ面を主面とし、オリエンテーションフラット面をＡ面とするサファイア基板１を用い、ＭＯＣＶＤ法により、温度を５１０℃、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニアとトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とを用い、サファイア基板１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させた（図示せず）。
【００４６】
バッファ層成長後、ＴＭＧのみを止めて、温度を１０５０℃まで昇温し、１０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、アンドープＧａＮよりなるシード結晶２を２．５μｍの膜厚で成長させた。
【００４７】
シード結晶２上面に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ２よりなる保護膜４を０．５μｍの膜厚で成膜した。
【００４８】
次いで、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いてストライプ状のフォトマスクを形成し、ＩＣＰを用いたＲＩＥにより保護膜４およびシード結晶２をエッチングした。ストライプ方向はサファイア基板のＡ面に対して垂直な方向とする。
【００４９】
次に、ＭＯＣＶＤ法により、減圧条件で温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用いて、ＧａＮよりなる第１の窒化物半導体層５を成長させた。この時、第１の窒化物半導体層５は、シード結晶２の側面を成長起点として横方向成長し、さらに保護膜４上で横方向成長する。ここで、第１の窒化物半導体層５が保護膜４を完全に覆う前に成長を止めた。隣接する第１の窒化物半導体層同士の間隔は、約２μｍとした。また、第２の横方向成長部５ｂの膜厚を２μｍとした。
【００５０】
次に、ドライエッチングである等方性エッチングにより、エッチングガスに酸素およびＣＦ４を用い、温度１２０℃にて保護膜４を除去した。
【００５１】
さらに、横方向成長させた第１の窒化物半導体層５の端面および上面より、常圧でＭＯＣＶＤ法により、温度を１０５０℃にし、原料ガスにＴＭＧ、アンモニアを用い、ＧａＮよりなる第２の窒化物半導体層６を１５μｍの膜厚で成長させた。なお、常圧でなく、減圧で第２の窒化物半導体層６を成長させてもよい。
【００５２】
得られた第２の窒化物半導体層６の表面をカソードルミネセンス（ＣＬ）により観測すると、結晶欠陥はほとんど見られず良好な結晶性を有していた。結晶欠陥数は、約６×１０６ｃｍ−２であった。
【００５３】
実施例２
この実施例においては、シード結晶２上面に保護膜４を形成する前に分解防止層３を形成する以外は、実施例１と同様にして窒化物半導体基板を作製した。
【００５４】
実施例１と同様にして、シード結晶２を形成した後、ＣＶＤ法により、シード結晶２上面にＳｉＮよりなる分解防止層３を０．３μｍの膜厚で成長させ、次いで、その上にＳｉＯ２よりなる保護膜４を０．３μｍの膜厚で成膜した。
その後の工程は、実施例１と同様なので、ここでは省略する。
【００５５】
得られた第２の窒化物半導体層６の表面をカソードルミネセンス（ＣＬ）により観測すると、結晶欠陥はほとんど見られず良好な結晶性を有していた。結晶欠陥数は、約６×１０６ｃｍ−２であった。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の窒化物半導体基板の製造方法によれば、窒化物半導体層を横方向成長のみで作成するため、結晶欠陥が少ない窒化物半導体基板を得ることができる。異種基板から縦方向に成長させた場合、結晶欠陥数は１０６〜１０７であり、素子形成のための実用結晶欠陥数である１０５〜１０６ｃｍ−２に低減するためにはＥＬＯＧ技術を何度も繰り返す必要があるので、得られる基板の膜厚は約２０〜３０μｍとなるが、本発明の窒化物半導体基板は、膜厚約１０〜２０μｍで、ＣＬ測定において結晶欠陥数６×１０５ｃｍ−２程度を達成し得る。
また、本発明の窒化物半導体基板は、横方向成長のみで形成された第１の窒化物半導体層の端面を成長起点として第２の窒化物半導体層を横方向成長させることにより作製されているので、結晶欠陥のない領域が広い。
さらに、本発明の窒化物半導体基板は、上記した第２の窒化物半導体層を熱膨張係数の異なる材質との積層構造を形成することなく空間上で横方向成長させて得られるので、反りが少ない。
かくして、本発明の窒化物半導体基板上で作製された半導体素子は高い電気的特性および向上された寿命特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による第１実施形態の窒化物半導体基板の製造工程を段階的に示した模式図。
【図２】  本発明による第２実施形態の窒化物半導体基板の製造工程を段階的に示した模式図。
【図３】  従来の窒化物半導体基板の概略断面図。
【符号の説明】
１・・・異種基板、
２・・・シード結晶、
３・・・分解防止層、
４・・・保護膜、
５・・・第１の窒化物半導体層、
５ａ・・・第１の横方向成長部、
５ｂ・・・第２の横方向成長部、
６・・・第２の窒化物半導体層、
１０１・・・ＳｉＣ基板、
１０２・・・ＧａＮシード結晶、
１０３・・・ＳｉＮ保護マスク、
１０４・・・ＡｌＧａＮ層。
【図１】
0003823781.tif 000002
【図２】
0003823781.tif 000003
【図３】
0003823781.tif 000004