JP4385504B2 - 窒化物半導体基板及びその製造方法 - Google Patents
窒化物半導体基板及びその製造方法 Download PDFInfo
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Description
【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 OverGrowh）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（１９８８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２には、サファイア基板上に成長させた窒化物ガリウム上にＳｉＯ2等の保護膜を部分的に形成し、この上に窒化ガリウムを成長させることが開示されている。ＳｉＯ2上には窒化ガリウムが直接成長しないため、保護膜されていない領域を成長起点として、窒化ガリウムが横方向に成長する。したがって、ＳｉＯ2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。
【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、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には、さらなる寿命特性の向上が期待されている。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来のＥＬＯＧ成長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基板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件の第１発明に係る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、
周期的なストライプ状に形成された第１の保護膜と、
前記第１の保護膜を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に、前記第１の保護膜のストライプ中央部分と前記第１の保護膜のない部分とを隠すように形成された第２の保護膜と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを特徴とする。
【０００９】
即ち、本件の第１発明においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜に対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００１０】
第１窒化物半導体層は、第１保護膜を用いてＥＬＯＧ成長によって形成されている。このため、欠陥密度は、第１保護膜の開口部上において高く、第１保護膜上において低くなる。但し、第１保護膜の中央部は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００１１】
そこで、２回目のＥＬＯＧ成長を行うための第２保護膜を、第１保護膜のストライプ中央部の上と開口部の上とに形成する。これにより、第１窒化物半導体層内を貫通する転位は殆ど第２保護膜によって遮断して、第２窒化物半導体層の転位密度を、第１窒化物半導体層よりも一層低くすることができる。
【００１２】
また、本件の第２発明に係る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、
エッチングにより周期的なストライプ状に形成された窒化物半導体から成るシード結晶と、
前記シード結晶を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に、前記シード結晶と、隣接するシード結晶同士の略中央部分とを隠すように形成された第２の保護膜と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有する。
【００１３】
即ち、本件の第２発明においては、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時のエッチングパターンに対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００１４】
第１窒化物半導体層は、エッチングを用いたＥＬＯＧ成長によって形成されており、その欠陥密度は、シード結晶の上部の領域において高く、シード結晶同士の間の領域であるシード間領域において低くなる。但し、シード間領域の中央部は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００１５】
そこで、２回目のＥＬＯＧ成長を行うための保護膜を、シード結晶の上部と、シード間領域の中央部の上部とに形成することにより、第１窒化物半導体層内を貫通して進行してきた転位を殆ど保護膜によって遮断して、第２窒化物半導体層の転位密度を、第１窒化物半導体層よりも一層低くすることができる。
【００１６】
また、本件の第３発明に係る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、
周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された第１の保護膜と、
前記第１の保護膜を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の全面に形成された窒化物半導体から成る欠陥分散層と、
前記欠陥分散層上に、周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された第２の保護膜と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有することを特徴とする。
【００１７】
即ち、本件の第３発明においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００１８】
第１窒化物半導体層は、保護膜を用いたＥＬＯＧ成長によって形成されており、欠陥密度は、第１保護膜の開口部上において高く、第１保護膜上において低くなる。また、第１保護膜の中央部は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００１９】
欠陥分散層は、数１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上の厚膜に形成されており、第１保護膜の中央部及び開口部に集中している結晶欠陥を均一に分散させる役割を果たす。この欠陥分散層の上に、２回目のＥＬＯＧ成長によって第２窒化物半導体層を形成する。第２窒化物半導体層の成長起点には、欠陥分散層から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長の時の成長起点の転位密度に比べて遥かに小さい。したがって、第２窒化物半導体層は、第１窒化物半導体層に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００２０】
この第３発明においては、欠陥分散層によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００２１】
また、本件の第４発明に係る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、
周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された窒化物半導体から成るシード結晶と、
前記シード結晶を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の全面に形成された窒化物半導体から成る欠陥分散層と、
前記欠陥分散層上に、周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された保護膜と、
前記保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有することを特徴とする。
【００２２】
本件の第４発明に係る窒化物半導体基板は、１回目のＥＬＯＧ成長を、エッチングを用いた方法によって行う他は、本件の第３発明と同様である。即ち、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００２３】
第３発明と同様に、第２窒化物半導体層の成長起点には、欠陥分散層から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長の時の成長起点に存在した転位密度に比べて遥かに小さい。したがって、第３窒化物半導体層は、第２窒化物半導体層に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００２４】
また、この第４発明においても、欠陥分散層によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜の形状及び位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００２５】
本発明において、保護膜としては、融点１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム及びこれらの多層膜等を用いることができる。
【００２６】
また、本件発明において、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層の合計膜厚を十分に厚くすれば、第２窒化物半導体層の形成後に異種基板を除去して、窒化物半導体のみから成る基板としても良い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
本実施の形態においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜に対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板１０の上に、バッファ層を介して形成された窒化物半導体層１２と、第１保護膜１４と、第１窒化物半導体層１６と、第２保護膜１８と、第２窒化物半導体層２０が形成されている。窒化物半導体層１２、第１窒化物半導体層１６、及び第２窒化物半導体層２０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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００２９】
第１窒化物半導体層１６は、保護膜を用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、第１保護膜１４は、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくいＳｉＯ2等の材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第１窒化物半導体層１６は、第１保護膜の開口部１３から成長を開始して、第１保護膜１４の上においては横方向に成長する。
【００３０】
異種基板１０の表面において発生した転位１１は、開口部１３においては、結晶の成長と共に縦方向に進行する一方、第１保護膜１４上においては、結晶の成長と共に横方向にのみ進行する。このため、欠陥密度は、開口部１３上において高く、第１保護膜１４上において低くなる。但し、第１保護膜１４の中央部１５は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体１６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００３１】
第２窒化物半導体層２０は、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、第２保護膜１８は、第１保護膜１４と同様に、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層は、第２保護膜１８の開口部１９から成長を開始して、第２保護膜１８上においては、横方向に成長する。
【００３２】
ここで、第２保護膜１８は、第１窒化物半導体層１６のうち貫通転位の存在する領域を全て覆うように、第１保護膜１４のストライプ中央部１５と開口部１３との上に形成されている。即ち、第２保護膜１８は、第１保護膜１４上であって、第１保護膜１４の中央部１５を除いた両サイドに開口部１９を有するように形成されている。したがって、第１窒化物半導体層１６内を貫通する転位は殆ど第２保護膜１８によって遮断され、第２窒化物半導体層１８に進行しない。また、第２窒化物半導体層２０は、第１窒化物半導体層１６のうち、転位密度の低い領域を起点として成長を開始し、さらに第２保護膜１８上で横方向に成長するため、第２保護膜１８上では、第１窒化物半導体層１６よりも一層転位密度が低くなる。
【００３３】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及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１０を準備する。異種基板１０には、サファイア基板の他に、ＳｉＣ基板、スピネル（＝ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板、シリコン基板等を用いることができる。中でも、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点から、サファイア基板又はＳｉＣ基板を用いることが好ましい。尚、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用いると結晶欠陥をより少なくすることができる。
【００３４】
次に、バッファ層（図示せず）を介して窒化物半導体層１２を成長させる。バッファ層には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を９００℃以下の温度で膜厚数十Å〜数百Åに成長させて形成する。尚、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。窒化物半導体層１２は、例えば、アンドープＧａＮ、Ｓｉ等をドープしたｎ型ＧａＮを、９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で成長させて形成することができる、。窒化物半導体層１２の膜厚は、例えば、１〜２０μｍ、好ましくは２〜１０μｍとする。
【００３５】
次に、窒化物半導体層１２の上に第１の保護膜１４を形成する。第１の保護膜１４の材料には、表面に窒化物半導体が成長しにくいか若しくは成長しない材料を選択する。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（ＺｒＯｘ）等の酸化物、窒化物、又はこれらの多層膜の他、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、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。
【００３６】
第１保護膜１４は、開口部１３を残して、周期的なストライプ形状に形成する。第１保護膜１４のストライプ幅を、開口部１３の幅よりも幅広に形成することが好ましい。例えば、第１保護膜１４のストライプ幅を、開口部幅の１〜２０倍に形成する。第１保護膜１４のストライプ幅は、開口部の幅を５μｍ以下とする場合は、２〜３０μｍであり、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍとする。この範囲であれば、その上に成長する窒化物半導体層１６の結晶欠陥を有効に減少させることができる。また、第１の保護膜１４の膜厚は、例えば、０．０１〜５μｍであり、好ましくは０．１〜３μｍ、より好ましくは０．１〜２μｍとする。第１の保護膜１４は、例えば、蒸着、スパッタ又はＣＶＤ等を適当な気相成長法用いて成長させることができる。第１保護膜１４を所定の領域に選択的に形成するためには、予め所定形状のフォトレジストを形成しておき、その上に第１保護膜１４を気相成長させれば良い。
【００３７】
次に、第１の保護膜１４を覆って、基板全面に第１窒化物半導体層１６を成長させる。第１窒化物半導体層１６には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。前述の通り、第１窒化物半導体層１６は、開口部１３にある窒化物半導体層１２の上から成長を開始し、第１保護膜１４の上を横方向に成長して、第１保護膜１４の略中央部１５で互いに接合する。したがって、第１保護膜１４の上において欠陥密度が小さくなる。第１窒化物半導体層１６の膜厚は、第１保護膜１４の１０倍以上に成長することが好ましい。例えば、第１窒化物半導体層１６の膜厚は、１〜５０μｍ、好ましくは２〜４０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍ、もっとも好ましくは膜厚１０〜２０μｍとする。
【００３８】
次に、第１窒化物半導体層１６の上に、第２保護膜１８を形成する。第２保護膜１８の形成前に、第１窒化物半導体層１６の表面を研磨してフラットな面としておいても良い。第２保護膜１８は、第１保護膜１４のストライプ中央部１５及び開口部１３を覆うように、ストライプ状に形成する。第２保護膜１８は、図１に示すように全て同一のストライプ幅に形成しても良いが、第１保護膜１４のストライプ中央部１５を覆う部分と開口部１３を覆う部分とで異なる幅に形成しても良い。例えば、第２保護膜１８のうち、第１保護膜１４のストライプ中央部１５を覆う部分は、第１窒化物半導体層１５の接合部を覆うことができれば良いため、第１保護膜１４の開口部１３を覆う部分に比べて幅を細くすることができる。尚、第２保護膜１８に用いることのできる材料及び成長方法は、第１保護膜１６と同様である。
【００３９】
次に、第２窒化物半導体層２０を、第２の保護膜１８を覆って、基板全面に成長させる。第２窒化物半導体層２０には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層２０は、第１窒化物半導体層１６のうち欠陥の少ない領域から成長を開始し、第２保護膜１８の上を横方向に成長して、第２保護膜１８の略中央部１９で互いに接合する。したがって、接合部１７を除いて、第２保護膜１８の上において欠陥密度が一層小さくなる。第２窒化物半導体層２０の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００４０】
尚、本実施の形態においては、第１保護膜１４と異種基板１０の間に窒化物半導体層１２を形成する場合を例に示したが、窒化物半導体層１２の形成を省略して、異種基板１０の上に第１保護膜１４を直接形成しても良い。この場合、第１保護膜１４の形成後、適当なバッファ層を介して第１窒化物半導体層を形成することが好ましい。
【００４１】
実施の形態２
本実施の形態においては、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時のエッチングパターンに対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００４２】
図２は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板２２の上に、バッファ層を介して形成され、ストライプ形状にエッチングされた窒化物半導体から成るシード結晶２４と、第１窒化物半導体層２６と、保護膜２８と、第２窒化物半導体層３０が形成されている。シード結晶２４、第１窒化物半導体層２６、及び第２窒化物半導体層３０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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００４３】
第１窒化物半導体層２６は、エッチングを用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。サファイア等の異種基板２２の上に形成されたシード結晶２４は、周期的なストライプ状にエッチングされており、第１窒化物半導体層２６はシード結晶２４の上面又は側面を成長起点として成長する。第１窒化物半導体層２６は、シード結晶２４の上部の領域においては、縦方向に成長する一方、シード結晶２４同士の間の領域（以下、シード間領域）においては、横方向に成長する。
【００４４】
したがって、異種基板２２とシード結晶２４の界面において発生した転位２５は、シード結晶２４上部の領域においては、結晶の成長と共に縦方向に進行する一方、シード間領域においては、結晶の成長と共に横方向にのみ進行する。このため、欠陥密度は、シード結晶２４の上部の領域において高く、シード間領域において低くなる。但し、シード間領域の中央部２７は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体層２６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００４５】
第２窒化物半導体層３０は、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、保護膜２８は、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層３０は、保護膜２８の開口部２９から成長を開始して、保護膜２８上においては、横方向に成長する。
【００４６】
ここで、保護膜２８は、第１窒化物半導体層２６のうち貫通転位の存在する領域を全て覆うように、シード結晶２４の上部と、シード間領域の中央部２７の上部とに形成されている。即ち、保護膜２８は、シード間領域の上部であって、シード間領域の中央部２７を除いた両サイドに開口部２９を有するように形成されている。したがって、第１窒化物半導体層２６内を貫通して進行してきた転位は殆ど保護膜２８によって遮断され、第２窒化物半導体層３０に進行しない。また、第２窒化物半導体層３０は、第１窒化物半導体層２６のうち、転位密度の低い領域を起点として成長を開始し、さらに保護膜２８上で横方向に成長するため、保護膜２８上では、第１窒化物半導体層２６よりも一層転位密度が低くなる。
【００４７】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及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２２を準備する。異種基板２２には、サファイア基板の他に、ＳｉＣ基板、スピネル（＝ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板、シリコン基板等を用いることができる。中でも、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点から、サファイア基板又はＳｉＣ基板を用いることが好ましい。尚、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。
【００４８】
次に、バッファ層（図示せず）を介してシード結晶２４を成長させる。バッファ層には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を９００℃以下の温度で膜厚数十Å〜数百Åに成長させて形成する。尚、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２４は、例えば、アンドープＧａＮ、Ｓｉ等をドープしたｎ型ＧａＮを、９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で成長させる。シード結晶２４の膜厚は、少なくとも５００Å以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上とする。
【００４９】
次に、成長させたシード結晶２４を、周期的なストライプ形状にエッチングして異種基板２２を露出させる。エッチングは、異種基板２２の一部を取り除く深さまで行うことが好ましい。異種基板２２を削る深さは、例えば、５００〜３０００Å、好ましくは１０００〜２０００Åとする異種基板２２の一部を削る深さまでエッチングをしておくことにより、シード結晶２４の側面から成長する第２窒化物半導体２６が異種基板２２に干渉を受けることを防止して、第１窒化物半導体層２６の結晶性をより良好にすることができる。また、エッチングをする場合、エッチング面が、図２に示すように異種基板に対して端面がほぼ垂直になる形状だけでなく、順メサ形状や逆メサ形状、或いは階段状であっても良い。
【００５０】
次に、ストライプ状にエッチングされたシード結晶２４を覆って、基板全面に、第１窒化物半導体層２６を成長させる。第１窒化物半導体層２６には、シード結晶２４と同様の材料を用いることができる。第１窒化物半導体２６を成長させる際に、不純物（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇ等）をドープして成長させる、又は窒化物半導体の原料となるＩＩＩ族とＶ族の成分の供給モル比を、ＩＩＩ族が多くなるように調整することにより、横方向の成長を縦方向の成長に比べて促進させることができるため好ましい。また、第１窒化物半導体層２６の成長時の圧力を、常圧以上で行うことが好ましい。例えば、常圧（＝ほぼ１気圧）〜２．５気圧、より好ましくは常圧〜１．５気圧で行う。このような圧力条件で行うと、第１窒化物半導体層２６の表面の面状態を良好にできる点で好ましい。
【００５１】
次に、第１窒化物半導体層２６の上に、保護膜２８を形成する。保護膜２８の材料、形成法、膜厚等は、実施の形態１における第１保護膜１８と同様とすることができる。保護膜２８の形成前に、第１窒化物半導体層２６の表面を研磨してフラットな面としておいても良い。保護膜２８は、シード結晶２４及びシード間領域の中央部２７を覆うように、ストライプ状に形成する。保護膜２８は、図２に示すように全て同一のストライプ幅に形成しても良いが、ストライプ状のシード結晶２４を覆う部分と、シード間領域の中央部２７を覆う部分とで異なる幅に形成しても良い。例えば、保護膜２８のうち、シード間領域の中央部２７を覆う部分は、第１窒化物半導体層２６の接合部を隠すことができれば良いため、シード結晶２４を覆う部分に比べて幅を細くすることができる。
【００５２】
次に、保護膜２８を覆って、基板全面に、第２窒化物半導体層３０を成長させる。第２窒化物半導体層３０には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層３０は、第１窒化物半導体層２６のうち欠陥の少ない領域から成長を開始し、保護膜２８の上を横方向に成長して、保護膜２８の略中央部で互いに接合する。したがって、接合部を除いて、保護膜２８の上において欠陥密度が一層小さくなる。第２窒化物半導体層３０の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００５３】
尚、上記実施の形態１又は２においては、ストライプ状に保護膜形成等を行うことによりＥＬＯＧ成長を行ったが、格子状又は島状に保護膜形成等を行うことによってもＥＬＯＧ成長は可能である。この場合にも、実施の形態１又は２と同様の原理に基づいて、１回目のＥＬＯＧ成長時の全ての高欠陥密度領域を覆うように、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜形成を行うことにより、低欠陥密度の窒化物半導体基板を製造することができる。しかし、保護膜形成等を格子状又は島状に行って１回目のＥＬＯＧ成長をさせた場合、接合部の形状が複雑となるため、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜位置の特定が困難となる問題があり、好ましくない。
【００５４】
実施の形態３
本実施の形態においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００５５】
図３は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板１０の上に、バッファ層を介して形成された窒化物半導体層１２と、第１保護膜１４と、第１窒化物半導体層１６と、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２と、第２保護膜３４と、第２窒化物半導体層３６が形成されている。窒化物半導体層１２、第１窒化物半導体層１６、欠陥分散層３２、及び第２窒化物半導体層３６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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００５６】
第１窒化物半導体層１６は、実施の形態１と同様に、保護膜を用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。欠陥密度は、保護膜の開口部１３上において高く、第１保護膜１４上において低くなる。また、第１保護膜１４の中央部１５は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体１６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００５７】
欠陥分散層３２は、数１０μｍ以上の厚膜に形成されており、第１保護膜１４の中央部１５及び開口部１３に集中している結晶欠陥を均一に分散させる役割を果たす。こうして欠陥が分散された欠陥分散層３２は、窒化物半導体層１２に比べて、欠陥密度が大きく減少している。
【００５８】
この欠陥分散層３２の上に、第２窒化物半導体層３６が、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、第２保護膜３４は、第１保護膜１４と同様に、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層３６は、第２保護膜１８の開口部３９から成長を開始して、第２保護膜１８上においては横方向に成長する。第２窒化物半導体層３６の成長起点となる開口部３９には、欠陥分散層３２から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長の時に比べて遥かに小さい。したがって、第２保護膜３４上の第２窒化物半導体層３６は、第１保護膜１４上の第１窒化物半導体層１６に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００５９】
本実施の形態においては、欠陥分散層３２によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。即ち、実施の形態１又は２の方法と異なり、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置及び寸法は、１回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜パターンに制約を受けることがない。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００６０】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及び好適な材料について説明する。まず、異種基板１０の上に１回目のＥＬＯＧ成長を行って第１窒化物半導体層１６を形成するまでは、実施の形態１と同様である。
【００６１】
次に、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２を形成する。欠陥分散層３２には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。欠陥分散層３２の成長方法は特に限定されないが、厚膜に成長させるために、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いることが好ましい。欠陥分散層３２は、欠陥をより均一に分散させる観点からは、厚い方が有利であり、少なくとも１０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上、さらに好ましくは２００μｍ以上、最も好ましくは４００μｍ以上であることが望ましい。
【００６２】
但し、異種基板１０の上に形成する窒化物半導体層の総厚が厚くなる程、基板全体が反り易くなり、その後の素子形成が困難となる。したがって、欠陥分散層３２の厚みは、その後の素子形成が可能な範囲に止める必要がある。例えば、厚さ１ｍｍで直径２インチのサファイア基板を異種基板として用いた場合、反り防止の観点からは、窒化物半導体の総厚が少なくとも２００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とすることが望ましい。尚、異種基板の厚さが厚く、直径が小さい程、反りが起き難くなるため、より厚い欠陥分散層３２を形成することが可能となる。
【００６３】
次に、欠陥分散層３２の上に、第２保護膜３４を形成する。第２保護膜３４の形成位置及び寸法は、第１保護膜１４に関係なく定めることができるため、低欠陥密度領域ができるだけ広くなるように形成することが好ましい。例えば、第２保護膜３４を周期的なストライプ形状に形成し、ストライプ幅を、開口部幅の１〜２０倍に形成する。第２保護膜３４のストライプ幅は、開口部の幅を５μｍ以下とする場合は、２〜３０μｍ、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍとすることが望ましい。この範囲であれば、その上に成長する窒化物半導体層３６の結晶欠陥を有効に減少させることができる。また、第２保護膜３４の膜厚、材料、形成法等は、実施の形態１における第１保護膜１４と同様である。
【００６４】
次に、第２窒化物半導体層３６を、第２保護膜３４を覆って、基板全面に成長させる。第２窒化物半導体層３６には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層３６の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００６５】
実施の形態４
本実施の形態の窒化物半導体基板は、１回目のＥＬＯＧ成長を、エッチングを用いた方法によって行う他は、実施の形態３と同様である。即ち、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００６６】
図４は、本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板２２の上に、バッファ層を介して形成され、ストライプ形状にエッチングされた窒化物半導体から成るシード結晶２４と、第１窒化物半導体層２６と、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２と、保護膜３４と、第２窒化物半導体層４６が形成されている。シード結晶２４、第１窒化物半導体層２６、欠陥分散層３２、及び第２窒化物半導体層４６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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００６７】
第１窒化物半導体層２６は、実施の形態２と同様に、エッチングを用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。欠陥密度は、シード結晶２４の上部の領域において高く、シード間領域において低くなる。但し、シード間領域の中央部２７は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体層２６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００６８】
欠陥分散層３２は、数１０μｍ以上の厚膜に形成されており、シード結晶２４の上部及びシード間領域の中央部２７に集中している結晶欠陥を均一に分散させる役割を果たす。こうして欠陥が分散された欠陥分散層３２は、シード結晶２４中に比べて、欠陥密度が大きく減少している。
【００６９】
この欠陥分散層３２の上に、第２窒化物半導体層４６が、実施の形態３と同様に、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、保護膜４４は、周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層４６は、保護膜４４の開口部から成長を開始して、保護膜４４上においては横方向に成長する。第２窒化物半導体層４６の成長起点となる開口部４９には、欠陥分散層３２から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長時の成長起点にある転位密度に比べて遥かに小さい。したがって、保護膜４４上の第２窒化物半導体層４６は、第１窒化物半導体層２６に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００７０】
本実施の形態においても、実施の形態３と同様に、欠陥分散層３２によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００７１】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及び好適な材料について説明する。まず、異種基板２２の上に１回目のＥＬＯＧ成長を行って第１窒化物半導体層２６を形成するまでは、実施の形態２と同様である。
【００７２】
次に、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２を形成する。欠陥分散層３２に好適な材料、成長法、膜厚等は、実施の形態３における欠陥分散層３２と同様である。
【００７３】
次に、欠陥分散層３４の上に、第２保護膜３４を形成する。第２保護膜３４の形成位置及び寸法は、シード結晶２４に関係なく定めることができるため、低欠陥密度領域ができるだけ広くなるように形成することが好ましい。例えば、保護膜４４を周期的なストライプ形状に形成し、ストライプ幅を、開口部幅の１〜２０倍に形成する。開口部の幅を５μｍ以下とする場合は、保護膜４４のストライプ幅は、２〜３０μｍ、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍとすることが望ましい。この範囲であれば、その上に成長する窒化物半導体層４６の結晶欠陥を有効に減少させることができる。また、保護膜４４の膜厚、材料、形成法等は、実施の形態１における第１保護膜１４と同様である。
【００７４】
次に、第２窒化物半導体層４６を、保護膜４４を覆って、基板全面に成長させる。第２窒化物半導体層４６には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層４６の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００７５】
尚、上記実施の形態１乃至４においては、異種基板を残して窒化物半導体基板を構成する例について説明したが、本発明の方法に従って窒化物半導体層を成長させた後に異種基板を除去して、窒化物半導体のみから成る基板としても良い。第１窒化物半導体層の成長後に異種基板を除去する場合、第１窒化物半導体層の膜厚が、７０〜５００μｍ、好ましくは１００〜３００μｍ、更に好ましくは１００〜２５０μｍとなるように形成することが望ましい。この範囲であると研磨して第１の窒化物半導体層のみとしてもクラックが入りにくくハンドリングが容易となり好ましい。また、異種基板を除去すると、素子構造を形成する際に窒化物半導体基板に反りがなくなり、結晶性の良好な素子構造を得ることができる。尚、異種基板の除去は、欠陥分散層又は第２窒化物半導体層の成長後に行っても良い。
【００７６】
また、上記実施の形態においては、ＥＬＯＧ成長を２回行う場合についてのみ説明したが、ＥＬＯＧ成長を３回以上行って窒化物半導体基板を構成しても良い。その場合には、上記実施の形態１又は３において用いた原理と同様の原理を、３回目以降のＥＬＯＧ成長層に対して適用することができる。
【００７７】
【発明の効果】
本件の第１又は第２発明によれば、ＥＬＯＧ成長を２回行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時のパターンに対して特定の位置に配置するため、１回目のＥＬＯＧ成長時に残存していた貫通転位を保護膜によって遮断して、２回目のＥＬＯＧ成長膜中の転位密度を一層低くすることができる。
【００７８】
また、本件の第３又は第４発明によれば、ＥＬＯＧ成長を２回行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得ることができる。
【００７９】
欠陥分散層によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図２】 図２は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図３】 図３は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図４】 図４は、本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０、２２ 異種基板、
１４ 第１保護膜
１８、３４ 第２保護膜
２４ シード結晶、
２８、４４ 保護膜、
１６、２６ 第１窒化物半導体層、
２０、３０、３６、４６ 第２窒化物半導体層。
【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 OverGrowh）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（１９８８）ｐｐ．Ｌ３０９−Ｌ３１２には、サファイア基板上に成長させた窒化物ガリウム上にＳｉＯ2等の保護膜を部分的に形成し、この上に窒化ガリウムを成長させることが開示されている。ＳｉＯ2上には窒化ガリウムが直接成長しないため、保護膜されていない領域を成長起点として、窒化ガリウムが横方向に成長する。したがって、ＳｉＯ2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。
【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、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には、さらなる寿命特性の向上が期待されている。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来のＥＬＯＧ成長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基板を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件の第１発明に係る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、
周期的なストライプ状に形成された第１の保護膜と、
前記第１の保護膜を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に、前記第１の保護膜のストライプ中央部分と前記第１の保護膜のない部分とを隠すように形成された第２の保護膜と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを特徴とする。
【０００９】
即ち、本件の第１発明においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜に対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００１０】
第１窒化物半導体層は、第１保護膜を用いてＥＬＯＧ成長によって形成されている。このため、欠陥密度は、第１保護膜の開口部上において高く、第１保護膜上において低くなる。但し、第１保護膜の中央部は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００１１】
そこで、２回目のＥＬＯＧ成長を行うための第２保護膜を、第１保護膜のストライプ中央部の上と開口部の上とに形成する。これにより、第１窒化物半導体層内を貫通する転位は殆ど第２保護膜によって遮断して、第２窒化物半導体層の転位密度を、第１窒化物半導体層よりも一層低くすることができる。
【００１２】
また、本件の第２発明に係る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、
エッチングにより周期的なストライプ状に形成された窒化物半導体から成るシード結晶と、
前記シード結晶を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層上に、前記シード結晶と、隣接するシード結晶同士の略中央部分とを隠すように形成された第２の保護膜と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有する。
【００１３】
即ち、本件の第２発明においては、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時のエッチングパターンに対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００１４】
第１窒化物半導体層は、エッチングを用いたＥＬＯＧ成長によって形成されており、その欠陥密度は、シード結晶の上部の領域において高く、シード結晶同士の間の領域であるシード間領域において低くなる。但し、シード間領域の中央部は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００１５】
そこで、２回目のＥＬＯＧ成長を行うための保護膜を、シード結晶の上部と、シード間領域の中央部の上部とに形成することにより、第１窒化物半導体層内を貫通して進行してきた転位を殆ど保護膜によって遮断して、第２窒化物半導体層の転位密度を、第１窒化物半導体層よりも一層低くすることができる。
【００１６】
また、本件の第３発明に係る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、
周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された第１の保護膜と、
前記第１の保護膜を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の全面に形成された窒化物半導体から成る欠陥分散層と、
前記欠陥分散層上に、周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された第２の保護膜と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有することを特徴とする。
【００１７】
即ち、本件の第３発明においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００１８】
第１窒化物半導体層は、保護膜を用いたＥＬＯＧ成長によって形成されており、欠陥密度は、第１保護膜の開口部上において高く、第１保護膜上において低くなる。また、第１保護膜の中央部は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００１９】
欠陥分散層は、数１０μｍ以上、好ましくは３０μｍ以上の厚膜に形成されており、第１保護膜の中央部及び開口部に集中している結晶欠陥を均一に分散させる役割を果たす。この欠陥分散層の上に、２回目のＥＬＯＧ成長によって第２窒化物半導体層を形成する。第２窒化物半導体層の成長起点には、欠陥分散層から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長の時の成長起点の転位密度に比べて遥かに小さい。したがって、第２窒化物半導体層は、第１窒化物半導体層に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００２０】
この第３発明においては、欠陥分散層によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００２１】
また、本件の第４発明に係る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、
周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された窒化物半導体から成るシード結晶と、
前記シード結晶を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の全面に形成された窒化物半導体から成る欠陥分散層と、
前記欠陥分散層上に、周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された保護膜と、
前記保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有することを特徴とする。
【００２２】
本件の第４発明に係る窒化物半導体基板は、１回目のＥＬＯＧ成長を、エッチングを用いた方法によって行う他は、本件の第３発明と同様である。即ち、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００２３】
第３発明と同様に、第２窒化物半導体層の成長起点には、欠陥分散層から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長の時の成長起点に存在した転位密度に比べて遥かに小さい。したがって、第３窒化物半導体層は、第２窒化物半導体層に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００２４】
また、この第４発明においても、欠陥分散層によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜の形状及び位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００２５】
本発明において、保護膜としては、融点１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム及びこれらの多層膜等を用いることができる。
【００２６】
また、本件発明において、第１窒化物半導体層と第２窒化物半導体層の合計膜厚を十分に厚くすれば、第２窒化物半導体層の形成後に異種基板を除去して、窒化物半導体のみから成る基板としても良い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
本実施の形態においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜に対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００２８】
図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板１０の上に、バッファ層を介して形成された窒化物半導体層１２と、第１保護膜１４と、第１窒化物半導体層１６と、第２保護膜１８と、第２窒化物半導体層２０が形成されている。窒化物半導体層１２、第１窒化物半導体層１６、及び第２窒化物半導体層２０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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００２９】
第１窒化物半導体層１６は、保護膜を用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、第１保護膜１４は、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくいＳｉＯ2等の材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第１窒化物半導体層１６は、第１保護膜の開口部１３から成長を開始して、第１保護膜１４の上においては横方向に成長する。
【００３０】
異種基板１０の表面において発生した転位１１は、開口部１３においては、結晶の成長と共に縦方向に進行する一方、第１保護膜１４上においては、結晶の成長と共に横方向にのみ進行する。このため、欠陥密度は、開口部１３上において高く、第１保護膜１４上において低くなる。但し、第１保護膜１４の中央部１５は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体１６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００３１】
第２窒化物半導体層２０は、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、第２保護膜１８は、第１保護膜１４と同様に、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層は、第２保護膜１８の開口部１９から成長を開始して、第２保護膜１８上においては、横方向に成長する。
【００３２】
ここで、第２保護膜１８は、第１窒化物半導体層１６のうち貫通転位の存在する領域を全て覆うように、第１保護膜１４のストライプ中央部１５と開口部１３との上に形成されている。即ち、第２保護膜１８は、第１保護膜１４上であって、第１保護膜１４の中央部１５を除いた両サイドに開口部１９を有するように形成されている。したがって、第１窒化物半導体層１６内を貫通する転位は殆ど第２保護膜１８によって遮断され、第２窒化物半導体層１８に進行しない。また、第２窒化物半導体層２０は、第１窒化物半導体層１６のうち、転位密度の低い領域を起点として成長を開始し、さらに第２保護膜１８上で横方向に成長するため、第２保護膜１８上では、第１窒化物半導体層１６よりも一層転位密度が低くなる。
【００３３】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及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１０を準備する。異種基板１０には、サファイア基板の他に、ＳｉＣ基板、スピネル（＝ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板、シリコン基板等を用いることができる。中でも、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点から、サファイア基板又はＳｉＣ基板を用いることが好ましい。尚、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用いると結晶欠陥をより少なくすることができる。
【００３４】
次に、バッファ層（図示せず）を介して窒化物半導体層１２を成長させる。バッファ層には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を９００℃以下の温度で膜厚数十Å〜数百Åに成長させて形成する。尚、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。窒化物半導体層１２は、例えば、アンドープＧａＮ、Ｓｉ等をドープしたｎ型ＧａＮを、９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で成長させて形成することができる、。窒化物半導体層１２の膜厚は、例えば、１〜２０μｍ、好ましくは２〜１０μｍとする。
【００３５】
次に、窒化物半導体層１２の上に第１の保護膜１４を形成する。第１の保護膜１４の材料には、表面に窒化物半導体が成長しにくいか若しくは成長しない材料を選択する。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（ＺｒＯｘ）等の酸化物、窒化物、又はこれらの多層膜の他、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、その表面に窒化物半導体が成長しないか、成長しにくい性質を有している。
【００３６】
第１保護膜１４は、開口部１３を残して、周期的なストライプ形状に形成する。第１保護膜１４のストライプ幅を、開口部１３の幅よりも幅広に形成することが好ましい。例えば、第１保護膜１４のストライプ幅を、開口部幅の１〜２０倍に形成する。第１保護膜１４のストライプ幅は、開口部の幅を５μｍ以下とする場合は、２〜３０μｍであり、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍとする。この範囲であれば、その上に成長する窒化物半導体層１６の結晶欠陥を有効に減少させることができる。また、第１の保護膜１４の膜厚は、例えば、０．０１〜５μｍであり、好ましくは０．１〜３μｍ、より好ましくは０．１〜２μｍとする。第１の保護膜１４は、例えば、蒸着、スパッタ又はＣＶＤ等を適当な気相成長法用いて成長させることができる。第１保護膜１４を所定の領域に選択的に形成するためには、予め所定形状のフォトレジストを形成しておき、その上に第１保護膜１４を気相成長させれば良い。
【００３７】
次に、第１の保護膜１４を覆って、基板全面に第１窒化物半導体層１６を成長させる。第１窒化物半導体層１６には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。前述の通り、第１窒化物半導体層１６は、開口部１３にある窒化物半導体層１２の上から成長を開始し、第１保護膜１４の上を横方向に成長して、第１保護膜１４の略中央部１５で互いに接合する。したがって、第１保護膜１４の上において欠陥密度が小さくなる。第１窒化物半導体層１６の膜厚は、第１保護膜１４の１０倍以上に成長することが好ましい。例えば、第１窒化物半導体層１６の膜厚は、１〜５０μｍ、好ましくは２〜４０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍ、もっとも好ましくは膜厚１０〜２０μｍとする。
【００３８】
次に、第１窒化物半導体層１６の上に、第２保護膜１８を形成する。第２保護膜１８の形成前に、第１窒化物半導体層１６の表面を研磨してフラットな面としておいても良い。第２保護膜１８は、第１保護膜１４のストライプ中央部１５及び開口部１３を覆うように、ストライプ状に形成する。第２保護膜１８は、図１に示すように全て同一のストライプ幅に形成しても良いが、第１保護膜１４のストライプ中央部１５を覆う部分と開口部１３を覆う部分とで異なる幅に形成しても良い。例えば、第２保護膜１８のうち、第１保護膜１４のストライプ中央部１５を覆う部分は、第１窒化物半導体層１５の接合部を覆うことができれば良いため、第１保護膜１４の開口部１３を覆う部分に比べて幅を細くすることができる。尚、第２保護膜１８に用いることのできる材料及び成長方法は、第１保護膜１６と同様である。
【００３９】
次に、第２窒化物半導体層２０を、第２の保護膜１８を覆って、基板全面に成長させる。第２窒化物半導体層２０には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層２０は、第１窒化物半導体層１６のうち欠陥の少ない領域から成長を開始し、第２保護膜１８の上を横方向に成長して、第２保護膜１８の略中央部１９で互いに接合する。したがって、接合部１７を除いて、第２保護膜１８の上において欠陥密度が一層小さくなる。第２窒化物半導体層２０の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００４０】
尚、本実施の形態においては、第１保護膜１４と異種基板１０の間に窒化物半導体層１２を形成する場合を例に示したが、窒化物半導体層１２の形成を省略して、異種基板１０の上に第１保護膜１４を直接形成しても良い。この場合、第１保護膜１４の形成後、適当なバッファ層を介して第１窒化物半導体層を形成することが好ましい。
【００４１】
実施の形態２
本実施の形態においては、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時のエッチングパターンに対して特定の位置に配置することにより、より欠陥密度の小さな窒化物半導体基板を得る。
【００４２】
図２は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板２２の上に、バッファ層を介して形成され、ストライプ形状にエッチングされた窒化物半導体から成るシード結晶２４と、第１窒化物半導体層２６と、保護膜２８と、第２窒化物半導体層３０が形成されている。シード結晶２４、第１窒化物半導体層２６、及び第２窒化物半導体層３０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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００４３】
第１窒化物半導体層２６は、エッチングを用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。サファイア等の異種基板２２の上に形成されたシード結晶２４は、周期的なストライプ状にエッチングされており、第１窒化物半導体層２６はシード結晶２４の上面又は側面を成長起点として成長する。第１窒化物半導体層２６は、シード結晶２４の上部の領域においては、縦方向に成長する一方、シード結晶２４同士の間の領域（以下、シード間領域）においては、横方向に成長する。
【００４４】
したがって、異種基板２２とシード結晶２４の界面において発生した転位２５は、シード結晶２４上部の領域においては、結晶の成長と共に縦方向に進行する一方、シード間領域においては、結晶の成長と共に横方向にのみ進行する。このため、欠陥密度は、シード結晶２４の上部の領域において高く、シード間領域において低くなる。但し、シード間領域の中央部２７は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体層２６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００４５】
第２窒化物半導体層３０は、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、保護膜２８は、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層３０は、保護膜２８の開口部２９から成長を開始して、保護膜２８上においては、横方向に成長する。
【００４６】
ここで、保護膜２８は、第１窒化物半導体層２６のうち貫通転位の存在する領域を全て覆うように、シード結晶２４の上部と、シード間領域の中央部２７の上部とに形成されている。即ち、保護膜２８は、シード間領域の上部であって、シード間領域の中央部２７を除いた両サイドに開口部２９を有するように形成されている。したがって、第１窒化物半導体層２６内を貫通して進行してきた転位は殆ど保護膜２８によって遮断され、第２窒化物半導体層３０に進行しない。また、第２窒化物半導体層３０は、第１窒化物半導体層２６のうち、転位密度の低い領域を起点として成長を開始し、さらに保護膜２８上で横方向に成長するため、保護膜２８上では、第１窒化物半導体層２６よりも一層転位密度が低くなる。
【００４７】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及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２２を準備する。異種基板２２には、サファイア基板の他に、ＳｉＣ基板、スピネル（＝ＭｇＡｌ2Ｏ4）基板、シリコン基板等を用いることができる。中でも、その上に成長する窒化物半導体層の結晶性の観点から、サファイア基板又はＳｉＣ基板を用いることが好ましい。尚、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。
【００４８】
次に、バッファ層（図示せず）を介してシード結晶２４を成長させる。バッファ層には、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等を９００℃以下の温度で膜厚数十Å〜数百Åに成長させて形成する。尚、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２４は、例えば、アンドープＧａＮ、Ｓｉ等をドープしたｎ型ＧａＮを、９００〜１１００℃、好ましくは１０５０℃で成長させる。シード結晶２４の膜厚は、少なくとも５００Å以上、好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上とする。
【００４９】
次に、成長させたシード結晶２４を、周期的なストライプ形状にエッチングして異種基板２２を露出させる。エッチングは、異種基板２２の一部を取り除く深さまで行うことが好ましい。異種基板２２を削る深さは、例えば、５００〜３０００Å、好ましくは１０００〜２０００Åとする異種基板２２の一部を削る深さまでエッチングをしておくことにより、シード結晶２４の側面から成長する第２窒化物半導体２６が異種基板２２に干渉を受けることを防止して、第１窒化物半導体層２６の結晶性をより良好にすることができる。また、エッチングをする場合、エッチング面が、図２に示すように異種基板に対して端面がほぼ垂直になる形状だけでなく、順メサ形状や逆メサ形状、或いは階段状であっても良い。
【００５０】
次に、ストライプ状にエッチングされたシード結晶２４を覆って、基板全面に、第１窒化物半導体層２６を成長させる。第１窒化物半導体層２６には、シード結晶２４と同様の材料を用いることができる。第１窒化物半導体２６を成長させる際に、不純物（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、及びＭｇ等）をドープして成長させる、又は窒化物半導体の原料となるＩＩＩ族とＶ族の成分の供給モル比を、ＩＩＩ族が多くなるように調整することにより、横方向の成長を縦方向の成長に比べて促進させることができるため好ましい。また、第１窒化物半導体層２６の成長時の圧力を、常圧以上で行うことが好ましい。例えば、常圧（＝ほぼ１気圧）〜２．５気圧、より好ましくは常圧〜１．５気圧で行う。このような圧力条件で行うと、第１窒化物半導体層２６の表面の面状態を良好にできる点で好ましい。
【００５１】
次に、第１窒化物半導体層２６の上に、保護膜２８を形成する。保護膜２８の材料、形成法、膜厚等は、実施の形態１における第１保護膜１８と同様とすることができる。保護膜２８の形成前に、第１窒化物半導体層２６の表面を研磨してフラットな面としておいても良い。保護膜２８は、シード結晶２４及びシード間領域の中央部２７を覆うように、ストライプ状に形成する。保護膜２８は、図２に示すように全て同一のストライプ幅に形成しても良いが、ストライプ状のシード結晶２４を覆う部分と、シード間領域の中央部２７を覆う部分とで異なる幅に形成しても良い。例えば、保護膜２８のうち、シード間領域の中央部２７を覆う部分は、第１窒化物半導体層２６の接合部を隠すことができれば良いため、シード結晶２４を覆う部分に比べて幅を細くすることができる。
【００５２】
次に、保護膜２８を覆って、基板全面に、第２窒化物半導体層３０を成長させる。第２窒化物半導体層３０には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層３０は、第１窒化物半導体層２６のうち欠陥の少ない領域から成長を開始し、保護膜２８の上を横方向に成長して、保護膜２８の略中央部で互いに接合する。したがって、接合部を除いて、保護膜２８の上において欠陥密度が一層小さくなる。第２窒化物半導体層３０の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００５３】
尚、上記実施の形態１又は２においては、ストライプ状に保護膜形成等を行うことによりＥＬＯＧ成長を行ったが、格子状又は島状に保護膜形成等を行うことによってもＥＬＯＧ成長は可能である。この場合にも、実施の形態１又は２と同様の原理に基づいて、１回目のＥＬＯＧ成長時の全ての高欠陥密度領域を覆うように、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜形成を行うことにより、低欠陥密度の窒化物半導体基板を製造することができる。しかし、保護膜形成等を格子状又は島状に行って１回目のＥＬＯＧ成長をさせた場合、接合部の形状が複雑となるため、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜位置の特定が困難となる問題があり、好ましくない。
【００５４】
実施の形態３
本実施の形態においては、ＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を２回行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００５５】
図３は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板１０の上に、バッファ層を介して形成された窒化物半導体層１２と、第１保護膜１４と、第１窒化物半導体層１６と、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２と、第２保護膜３４と、第２窒化物半導体層３６が形成されている。窒化物半導体層１２、第１窒化物半導体層１６、欠陥分散層３２、及び第２窒化物半導体層３６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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００５６】
第１窒化物半導体層１６は、実施の形態１と同様に、保護膜を用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。欠陥密度は、保護膜の開口部１３上において高く、第１保護膜１４上において低くなる。また、第１保護膜１４の中央部１５は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体１６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００５７】
欠陥分散層３２は、数１０μｍ以上の厚膜に形成されており、第１保護膜１４の中央部１５及び開口部１３に集中している結晶欠陥を均一に分散させる役割を果たす。こうして欠陥が分散された欠陥分散層３２は、窒化物半導体層１２に比べて、欠陥密度が大きく減少している。
【００５８】
この欠陥分散層３２の上に、第２窒化物半導体層３６が、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、第２保護膜３４は、第１保護膜１４と同様に、窒化物半導体がエピタキシャル成長しにくい材料によって周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層３６は、第２保護膜１８の開口部３９から成長を開始して、第２保護膜１８上においては横方向に成長する。第２窒化物半導体層３６の成長起点となる開口部３９には、欠陥分散層３２から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長の時に比べて遥かに小さい。したがって、第２保護膜３４上の第２窒化物半導体層３６は、第１保護膜１４上の第１窒化物半導体層１６に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００５９】
本実施の形態においては、欠陥分散層３２によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。即ち、実施の形態１又は２の方法と異なり、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置及び寸法は、１回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜パターンに制約を受けることがない。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００６０】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及び好適な材料について説明する。まず、異種基板１０の上に１回目のＥＬＯＧ成長を行って第１窒化物半導体層１６を形成するまでは、実施の形態１と同様である。
【００６１】
次に、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２を形成する。欠陥分散層３２には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。欠陥分散層３２の成長方法は特に限定されないが、厚膜に成長させるために、ハライド気相成長法（ＨＶＰＥ）を用いることが好ましい。欠陥分散層３２は、欠陥をより均一に分散させる観点からは、厚い方が有利であり、少なくとも１０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上、さらに好ましくは２００μｍ以上、最も好ましくは４００μｍ以上であることが望ましい。
【００６２】
但し、異種基板１０の上に形成する窒化物半導体層の総厚が厚くなる程、基板全体が反り易くなり、その後の素子形成が困難となる。したがって、欠陥分散層３２の厚みは、その後の素子形成が可能な範囲に止める必要がある。例えば、厚さ１ｍｍで直径２インチのサファイア基板を異種基板として用いた場合、反り防止の観点からは、窒化物半導体の総厚が少なくとも２００μｍ以下、好ましくは１５０μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とすることが望ましい。尚、異種基板の厚さが厚く、直径が小さい程、反りが起き難くなるため、より厚い欠陥分散層３２を形成することが可能となる。
【００６３】
次に、欠陥分散層３２の上に、第２保護膜３４を形成する。第２保護膜３４の形成位置及び寸法は、第１保護膜１４に関係なく定めることができるため、低欠陥密度領域ができるだけ広くなるように形成することが好ましい。例えば、第２保護膜３４を周期的なストライプ形状に形成し、ストライプ幅を、開口部幅の１〜２０倍に形成する。第２保護膜３４のストライプ幅は、開口部の幅を５μｍ以下とする場合は、２〜３０μｍ、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍとすることが望ましい。この範囲であれば、その上に成長する窒化物半導体層３６の結晶欠陥を有効に減少させることができる。また、第２保護膜３４の膜厚、材料、形成法等は、実施の形態１における第１保護膜１４と同様である。
【００６４】
次に、第２窒化物半導体層３６を、第２保護膜３４を覆って、基板全面に成長させる。第２窒化物半導体層３６には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層３６の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００６５】
実施の形態４
本実施の形態の窒化物半導体基板は、１回目のＥＬＯＧ成長を、エッチングを用いた方法によって行う他は、実施の形態３と同様である。即ち、１回目にエッチングを用いたＥＬＯＧ成長、２回目にＳｉＯ2等の保護膜を用いたＥＬＯＧ成長を行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得る。
【００６６】
図４は、本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体基板を示す模式断面図である。サファイア等の異種基板２２の上に、バッファ層を介して形成され、ストライプ形状にエッチングされた窒化物半導体から成るシード結晶２４と、第１窒化物半導体層２６と、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２と、保護膜３４と、第２窒化物半導体層４６が形成されている。シード結晶２４、第１窒化物半導体層２６、欠陥分散層３２、及び第２窒化物半導体層４６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。但し、これらは互いに異なる組成であっても良い。
【００６７】
第１窒化物半導体層２６は、実施の形態２と同様に、エッチングを用いたＥＬＯＧ成長によって形成されている。欠陥密度は、シード結晶２４の上部の領域において高く、シード間領域において低くなる。但し、シード間領域の中央部２７は、左右から横方向に成長してきた第１窒化物半導体層２６が互いに接合するため、欠陥密度が高くなる。
【００６８】
欠陥分散層３２は、数１０μｍ以上の厚膜に形成されており、シード結晶２４の上部及びシード間領域の中央部２７に集中している結晶欠陥を均一に分散させる役割を果たす。こうして欠陥が分散された欠陥分散層３２は、シード結晶２４中に比べて、欠陥密度が大きく減少している。
【００６９】
この欠陥分散層３２の上に、第２窒化物半導体層４６が、実施の形態３と同様に、２回目のＥＬＯＧ成長によって形成されている。即ち、保護膜４４は、周期的なストライプ形状に形成されており、第２窒化物半導体層４６は、保護膜４４の開口部から成長を開始して、保護膜４４上においては横方向に成長する。第２窒化物半導体層４６の成長起点となる開口部４９には、欠陥分散層３２から進行してきた転位が存在するが、その密度は１回目のＥＬＯＧ成長時の成長起点にある転位密度に比べて遥かに小さい。したがって、保護膜４４上の第２窒化物半導体層４６は、第１窒化物半導体層２６に比べて、より欠陥密度の小さな良好な結晶となる。
【００７０】
本実施の形態においても、実施の形態３と同様に、欠陥分散層３２によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【００７１】
以下、この窒化物半導体基板の製造方法及び好適な材料について説明する。まず、異種基板２２の上に１回目のＥＬＯＧ成長を行って第１窒化物半導体層２６を形成するまでは、実施の形態２と同様である。
【００７２】
次に、窒化物半導体から成る欠陥分散層３２を形成する。欠陥分散層３２に好適な材料、成長法、膜厚等は、実施の形態３における欠陥分散層３２と同様である。
【００７３】
次に、欠陥分散層３４の上に、第２保護膜３４を形成する。第２保護膜３４の形成位置及び寸法は、シード結晶２４に関係なく定めることができるため、低欠陥密度領域ができるだけ広くなるように形成することが好ましい。例えば、保護膜４４を周期的なストライプ形状に形成し、ストライプ幅を、開口部幅の１〜２０倍に形成する。開口部の幅を５μｍ以下とする場合は、保護膜４４のストライプ幅は、２〜３０μｍ、好ましくは５〜２０μｍ、より好ましくは５〜１５μｍとすることが望ましい。この範囲であれば、その上に成長する窒化物半導体層４６の結晶欠陥を有効に減少させることができる。また、保護膜４４の膜厚、材料、形成法等は、実施の形態１における第１保護膜１４と同様である。
【００７４】
次に、第２窒化物半導体層４６を、保護膜４４を覆って、基板全面に成長させる。第２窒化物半導体層４６には、例えば、アンドープＧａＮや、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＮを用いることができる。第２窒化物半導体層４６の膜厚は、１〜５０μｍ、より好ましくは５〜３０μｍとする。
【００７５】
尚、上記実施の形態１乃至４においては、異種基板を残して窒化物半導体基板を構成する例について説明したが、本発明の方法に従って窒化物半導体層を成長させた後に異種基板を除去して、窒化物半導体のみから成る基板としても良い。第１窒化物半導体層の成長後に異種基板を除去する場合、第１窒化物半導体層の膜厚が、７０〜５００μｍ、好ましくは１００〜３００μｍ、更に好ましくは１００〜２５０μｍとなるように形成することが望ましい。この範囲であると研磨して第１の窒化物半導体層のみとしてもクラックが入りにくくハンドリングが容易となり好ましい。また、異種基板を除去すると、素子構造を形成する際に窒化物半導体基板に反りがなくなり、結晶性の良好な素子構造を得ることができる。尚、異種基板の除去は、欠陥分散層又は第２窒化物半導体層の成長後に行っても良い。
【００７６】
また、上記実施の形態においては、ＥＬＯＧ成長を２回行う場合についてのみ説明したが、ＥＬＯＧ成長を３回以上行って窒化物半導体基板を構成しても良い。その場合には、上記実施の形態１又は３において用いた原理と同様の原理を、３回目以降のＥＬＯＧ成長層に対して適用することができる。
【００７７】
【発明の効果】
本件の第１又は第２発明によれば、ＥＬＯＧ成長を２回行い、２回目のＥＬＯＧ成長の保護膜開口部を、１回目のＥＬＯＧ成長時のパターンに対して特定の位置に配置するため、１回目のＥＬＯＧ成長時に残存していた貫通転位を保護膜によって遮断して、２回目のＥＬＯＧ成長膜中の転位密度を一層低くすることができる。
【００７８】
また、本件の第３又は第４発明によれば、ＥＬＯＧ成長を２回行い、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長の間に窒化物半導体層の厚膜成長を行って、１回目のＥＬＯＧ成長時に残っていた欠陥を分散させることにより、より欠陥密度小さな窒化物半導体基板を得ることができる。
【００７９】
欠陥分散層によって欠陥を分散・平均化するため、２回目のＥＬＯＧ成長時の保護膜位置は任意となる。したがって、保護膜のストライプ幅と開口部幅の比をより大きく設定して、低欠陥密度領域をより広面積に形成することが可能となる。また、１回目のＥＬＯＧ成長と２回目のＥＬＯＧ成長との厳密な位置合わせが不用となるため、窒化物半導体基板の製造も容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図２】 図２は、本発明の実施の形態２に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図３】 図３は、本発明の実施の形態３に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【図４】 図４は、本発明の実施の形態４に係る窒化物半導体基板を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１０、２２ 異種基板、
１４ 第１保護膜
１８、３４ 第２保護膜
２４ シード結晶、
２８、４４ 保護膜、
１６、２６ 第１窒化物半導体層、
２０、３０、３６、４６ 第２窒化物半導体層。
Claims (7)
- 窒化物半導体と異なる異種基板の上に、
周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された第１の保護膜と、
前記第１の保護膜を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の全面に形成された窒化物半導体から成る欠陥分散層と、
前記欠陥分散層上に、周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された第２の保護膜と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有する窒化物半導体基板。 - 窒化物半導体と異なる異種基板の上に、
周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された窒化物半導体から成るシード結晶と、
前記シード結晶を覆って、基板全面に形成された第１窒化物半導体層と、
前記第１窒化物半導体層の全面に形成された窒化物半導体から成る欠陥分散層と、
前記欠陥分散層上に、周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成された保護膜と、
前記保護膜を覆って、基板全面に形成された第２窒化物半導体層とを有する窒化物半導体基板。 - 前記欠陥分散層の厚さが、３０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の窒化物半導体基板。
- 前記保護膜が、融点１２００℃以上の金属、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、及びこれらの多層膜から成る群から選択された１種から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体基板。
- 窒化物半導体と異なる異種基板の上に、第１の保護膜を周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成する工程と、
前記第１の保護膜を覆って、基板全面に、第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層の全面に、窒化物半導体から成る欠陥分散層を形成する工程と、
前記欠陥分散層上に、第２の保護膜を周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成する工程と、
前記第２の保護膜を覆って、基板全面に、第２窒化物半導体層を形成する工程とを備えた窒化物半導体基板の製造方法。 - 窒化物半導体と異なる異種基板の上に、窒化物半導体から成るシード結晶を周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成する工程と、
前記シード結晶を覆って、基板全面に、第１窒化物半導体層を形成する工程と、
前記第１窒化物半導体層の全面に、窒化物半導体から成る欠陥分散層を形成する工程と、
前記欠陥分散層上に、保護膜を周期的なストライプ状、格子状又は島状に形成する工程と、
前記保護膜を覆って、基板全面に、第２窒化物半導体層を形成する工程とを備えた窒化物半導体基板の製造方法。 - さらに、前記異種基板を除去する工程を備えた請求項５又は６に記載の窒化物半導体基板の製造方法。
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