JP4487654B2 - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、III族窒化物系化合物半導体発光素子に関する。特に、横方向エピタキシャル成長（ＥＬＯ）成長を用いる、III族窒化物系化合物半導体発光素子に関し、加えてIII族窒化物系化合物半導体の製造方法及びIII族窒化物系化合物半導体基板に関する。尚、III族窒化物系化合物半導体とは、例えばAlN、GaN、InNのような２元系、Al_xGa_1-xN、Al_xIn_1-xN、Ga_xIn_1-xN（いずれも0＜x＜1）のような３元系、Al_xGa_yIn_1-x-yN（0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜x+y＜1）の４元系を包括した一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）で表されるものがある。なお、本明細書においては、特に断らない限り、単にIII族窒化物系化合物半導体と言う場合は、伝導型をｐ型あるいはｎ型にするための不純物がドープされたIII族窒化物系化合物半導体をも含んだ表現とする。

III族窒化物系化合物半導体は、例えば発光素子とした場合、発光スペクトルが紫外から赤色の広範囲に渡る直接遷移型の半導体であり、発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)等の発光素子に応用されている。また、そのバンドギャップが広いため、他の半導体を用いた素子よりも高温において安定した動作を期待できることから、ＦＥＴ等トランジスタへの応用も盛んに開発されている。また、ヒ素(As)を主成分としていないことで、環境面からも様々な半導体素子一般への開発が期待されている。このIII族窒化物系化合物半導体では、通常、サファイアを基板として用い、その上に形成している。

しかしながら、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体を形成すると、サファイアとIII族窒化物系化合物半導体との格子定数のミスフィットにより転位が発生し、このため素子特性が良くないという問題がある。このミスフィットによる転位は半導体層を縦方向（基板面に垂直方向）に貫通する貫通転位であり、III族窒化物系化合物半導体中に10⁹cm^-2程度の転位が伝搬してしまうという問題がある。これは組成の異なるIII族窒化物系化合物半導体各層を最上層まで伝搬する。これにより例えば発光素子の場合、ＬＤの閾値電流、ＬＤ及びＬＥＤの素子寿命などの素子特性が良くならないという問題があった。また、他の半導体素子としても、欠陥により電子が散乱することから、移動度（モビリティ）の低い半導体素子となるにとどまっていた。これらは、他の基板を用いる場合も同様であった。

これについて、図１８の模式図で説明する。図１８は、基板９１と、その上に形成されたバッファ層９２と、更にその上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体層９３を示したものである。基板９１としてはサファイアなど、バッファ層９２としては窒化アルミニウム(AlN)などが従来用いられている。窒化アルミニウム(AlN)のバッファ層９２は、サファイア基板９１とIII族窒化物系化合物半導体層９３とのミスフィットを緩和させる目的で設けられているものであるが、それでも転位の発生を０とすることはできない。この転位発生点９００から、縦方向（基板面に垂直方向）に貫通転位９０１が伝播し、それはバッファ層９２、III族窒化物系化合物半導体層９３をも貫いていく。こうして、III族窒化物系化合物半導体層９３の上層に、所望の様々なIII族窒化物系化合物半導体を積層して半導体素子を形成しようとすると、III族窒化物系化合物半導体層９３の表面に達した転位９０２から、半導体素子を貫通転位が更に縦方向に伝搬していくこととなる。このように、従来の技術では、III族窒化物系化合物半導体層を形成する際、転位の伝搬を阻止できないという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、貫通転位の発生を抑制したIII族窒化物系化合物半導体を製造し、その上に発光素子を形成することである。

上記の課題を解決するため、請求項１の発明は、基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、基板には、その表面の少なくとも一部に、点状、ストライプ状、又は格子状の島状態の、平滑度の悪化した部分が設けられており、基板の平滑度の悪化していない部分に形成された第１バッファ層と、基板の平滑度の悪化した部分に形成された第２バッファ層と、基板の平滑度の悪化した部分の第２バッファ層の上部に形成された、第１バッファ層を核として、基板の平滑度の悪化した部分の第２バッファ層を覆うよう、両側から横方向エピタキシャル成長させたIII族窒化物系化合物半導体層を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。

また、請求項２の発明は、基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、基板には、その表面の少なくとも一部に、点状、ストライプ状、又は格子状の島状態の、平滑度の悪化した部分が設けられており、基板の平滑度の悪化していない部分に形成された第１バッファ層と、基板の平滑度の悪化した部分に形成された第２バッファ層と、第１バッファ層上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成る単結晶層と、基板の平滑度の悪化した部分の第２バッファ層の上部に形成された、単結晶層を核として、基板の平滑度の悪化した部分の第２バッファ層を覆うよう、両側から横方向エピタキシャル成長させたIII族窒化物系化合物半導体層を有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子である。

本発明のIII族窒化物系化合物半導体発光素子の、縦及び横方向エピタキシャル成長させたIII族窒化物系化合物半導体層の製造方法の概略を、図１乃至図１１を参照しながら説明する。

図１の（ａ）のように、基板１を、ストライプ状又は格子状等の島状態に削り、段差を設ける。次にバッファ層２を形成する。以下、図１の（ｂ）のように、バッファ層２が、主に基板１の段差の上段面に形成される部分２１と段差の下段面に形成される部分２２とから成る場合を説明する。

図１の（ｂ）のような、ストライプ状又は格子状等の島状態の段差を有する基板１の、段差の上段面に形成される部分２１と段差の下段面に形成される部分２２とからなるバッファ層２を核としてIII族窒化物系化合物半導体３を縦及び横方向エピタキシャル成長させる。すると、図１（ｃ）のように、段差の下段面に形成されたバッファ層２２から成長するIII族窒化物系化合物半導体３２が段差を埋める前に、段差の上段面に形成されたバッファ層２１を核として成長するIII族窒化物系化合物半導体３１が段差上方を覆う様にすることができる。さらにIII族窒化物系化合物半導体３を縦及び横方向成長させれば、図１の（ｄ）のように、基板の段差の上方は、横方向エピタキシャル成長により覆われるので、縦方向に伝搬する貫通転位の密度が極めて少なくなる。

このとき、段差の下段の底面に形成されたバッファ層２２から縦方向にエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体３２が段差の上段まで成長するよりも、段差の上段面に形成されたバッファ層２１から横方向にエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体３１が向かい合う段差の上段面からの横方向エピタキシャル成長面と合体する方が早いならば、段差を埋めた部分のIII族窒化物系化合物半導体３１上部には段差の底面に形成されたバッファ層２２から伝搬する貫通転位は著しく抑制され、極めて良質な結晶領域とすることができる。この場合、図１の（ｄ）のように段差の底面に形成されたバッファ層２２を核として成長したIII族窒化物系化合物半導体３２の成長面が表面に出ることなく空洞として残ることとなる。その上部は両側の段差の上段面に形成されたバッファ層２１を核として成長したIII族窒化物系化合物半導体３１の成長面の合体が生じており、バッファ層２２から伝搬する貫通転位はこの空洞で止められることとなる。

次に、図１の（ｂ）のような基板１の段差の側面にバッファ層がほとんど形成されない場合ではなく、基板１の段差の側面にもバッファ層が形成される場合を図２で説明する。図１（ａ）同様、基板１を削って段差を形成する（図２の（ａ））。図２の（ｂ）のように、ストライプ状又は格子状等の島状態の段差を有する基板１の、段差の上段面、段差の下段面、及び段差の側面に形成されるバッファ層２を核としてIII族窒化物系化合物半導体３を縦及び横方向エピタキシャル成長させる。すると、図２（ｃ）のように、段差の下段面、及び側面のバッファ層２から縦方向成長するIII族窒化物系化合物半導体３が段差を埋めるとともに、段差の上段面のバッファ層２から横方向成長するIII族窒化物系化合物半導体３も段差を覆う様に成長する。尚、ここで段差の側面から「縦」方向に成長するとは段差の側面の法線方向の成長を言う。すると、図１の（ｄ）のように、基板の段差の上方は、段差の側面のバッファ層２から縦方向成長するIII族窒化物系化合物半導体３が段差を埋める部分と、段差の上段面のバッファ層２から横方向成長するIII族窒化物系化合物半導体３とでしめられる。段差の側面のバッファ層２から縦方向成長するIII族窒化物系化合物半導体３の縦方向の貫通転位は段差の側面の法線方向であり、基板面（上段面及び底面）から縦方向に伝搬する貫通転位の密度が極めて少なくなる。

このとき、段差の下段の底面に形成されたバッファ層２から縦方向にエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体３が段差の上段まで成長するよりも、段差の上段面に形成されたバッファ層２から横方向にエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体３が向かい合う段差の上段面からの横方向エピタキシャル成長面と合体する方が早いならば、段差を埋めた部分のIII族窒化物系化合物半導体３上部には段差の底面に形成されたバッファ層２から伝搬する貫通転位は著しく抑制され、極めて良質な結晶領域とすることができる。この場合、図２の（ｄ）のように段差の底面に形成されたバッファ層２を核として成長したIII族窒化物系化合物半導体３の成長面が表面に出ることなく空洞として残ることとなる。その上部は両側の段差の上段面に形成されたバッファ層２を核として成長したIII族窒化物系化合物半導体３の成長面の合体が生じており、バッファ層２から伝搬する貫通転位はこの空洞で止められることとなる。

上記の様な速い横方向エピタキシャル成長は、III族窒化物系化合物半導体層３１が｛１１−２０｝面を段差側面方向の成長面とするとき容易に実現可能である。このとき例えば横方向エピタキシャル成長中の成長面の少なくとも上部を｛１１−２０｝面のまま保てば良い。勿論、横方向エピタキシャル成長面はIII族窒化物系化合物半導体層の｛１１−２０｝面に限定されない。

以上のようなことは、バッファ層を要せずに基板に直接エピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体にも応用できる。これを図３に示す。基板１を削って段差を形成したのち（図３の（ａ））、III族窒化物系化合物半導体３を縦及び横方向成長させ（図３の（ｂ））、段差の上段面に形成される部分のIII族窒化物系化合物半導体３を核とした横方向成長により段差を覆う（図３の（ｃ））。また、図４に示すように、バッファ層２（段差の上段のバッファ層２１と段差の下段のバッファ層２２）にIII族窒化物系化合物半導体の単結晶層３（段差の上段の単結晶層３１と段差の下段の単結晶層３２）を形成して（図４の（ｂ））、段差の上段の単結晶層３１を核とした横方向成長により段差を覆うこともできる（図４の（ｃ）、（ｄ））。

図５の（ａ）のように、基板１上にバッファ層２を形成する。次に図５の（ｂ）のように、バッファ層２と基板１を削り、段差を設ける。ここで図５の（ｃ）のように、III族窒化物系化合物半導体３１を主にバッファ層２を核として縦及び横方向エピタキシャル成長させる。図５の（ｃ）では段差の底面及び側面からも一部III族窒化物系化合物半導体３２のエピタキシャル成長が起こった場合を示している。このとき、段差の下段の底面及び側面からエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体３２が段差の上段まで成長するよりも、段差の上段面に形成されたバッファ層２から横方向にエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体３１が向かい合う段差の上段面からの横方向エピタキシャル成長面と合体する方が早いならば、段差を埋めた部分のIII族窒化物系化合物半導体３１上部には段差の底面から伝搬する貫通転位は著しく抑制され、極めて良質な結晶領域とすることができる。この場合、図５の（ｄ）のように段差の底面から成長したIII族窒化物系化合物半導体３２の成長面が表面に出ることなく空洞として残ることとなる。その上部は両側の段差の上段面に形成されたバッファ層２を核として成長したIII族窒化物系化合物半導体３１の成長面の合体が生じており、バッファ層２から伝搬する貫通転位はこの空洞で止められることとなる。

上記の様な速い横方向エピタキシャル成長は、III族窒化物系化合物半導体層３１が｛１１−２０｝面を段差側面方向の成長面とするとき容易に実現可能である。このとき例えば横方向エピタキシャル成長中の成長面の少なくとも上部を｛１１−２０｝面のまま保てば良い。勿論、横方向エピタキシャル成長面はIII族窒化物系化合物半導体層の｛１１−２０｝面に限定されない。

また、図６に示すように、バッファ層２とIII族窒化物系化合物半導体の単結晶層３１を形成して（図６の（ａ））、段差を形成し（図６の（ｂ））、段差の上段の単結晶層３１を核とした横方向成長により段差を覆うこともできる（図６の（ｃ）、（ｄ））。

〔請求項１及び２に係る発明〕
図７の（ａ）のように、基板１表面に例えばエッチング、罫描きなどにより荒れた部分Ａを形成し、荒れていない部分がストライプ状又は格子状等の島状態となるようにする。ここにバッファ層２を形成すると、表面の荒れていない部分に形成されたバッファ層２１と比較し、表面の荒れた部分Ａに形成されるバッファ層２２は表層に均一な結晶層ができず、且つ成長速度が遅い（図７の（ｂ））。ここにIII族窒化物系化合物半導体３を縦及び横方向エピタキシャル成長させると、主に表面の荒れていない部分に形成されたバッファ層２１を核として単結晶層が速い速度で形成され、表面の荒れた部分Ａに形成されるバッファ層２２をも横方向に成長することで覆っていく（図７の（ｃ））。更にIII族窒化物系化合物半導体３の縦及び横方向エピタキシャル成長を続けると、表面の荒れた部分Ａに形成されるバッファ層２２は、主に表面の荒れていない部分に形成されたバッファ層２１を核として横方向エピタキシャル成長したIII族窒化物系化合物半導体３が完全に覆うこととなる。このとき、表面の荒れた部分Ａに形成されるバッファ層２２からの縦方向の貫通転位は、その上方に横方向エピタキシャル成長により形成されたIII族窒化物系化合物半導体３には伝搬しないこととなる。

図８の（ａ）のように、基板１表面に例えばエッチング、罫描きなどにより荒れた部分Ａを形成し、荒れていない部分がストライプ状又は格子状等の島状態となるようにする。基板１上にエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体３をここに形成すると、表面の荒れていない部分に形成されたIII族窒化物系化合物半導体層３１と比較し、表面の荒れた部分Ａに形成されるIII族窒化物系化合物半導体層３２は表層に均一な単結晶層ができず、且つ成長速度が遅い（図８の（ｂ））。III族窒化物系化合物半導体３を縦及び横方向エピタキシャル成長させる条件でエピタキシャル成長を続ければ、表面の荒れた部分Ａに形成されるIII族窒化物系化合物半導体層３２上部は、主に表面の荒れていない部分に形成されたIII族窒化物系化合物半導体３１が横方向エピタキシャル成長して完全に覆うこととなる。このとき、表面の荒れた部分Ａに形成されるIII族窒化物系化合物半導体３２からの縦方向の貫通転位は、その上方に横方向エピタキシャル成長により形成されたIII族窒化物系化合物半導体３１には伝搬しないこととなる。

更には、図９のように、図７のようなIII族窒化物系化合物半導体３の１段の縦及び横方向エピタキシャル成長ではなく、まず表面の荒れていない部分に形成されたバッファ層２１上にIII族窒化物系化合物半導体３１を縦方向成長させて単結晶層とし、次にこのIII族窒化物系化合物半導体３１の単結晶層を核としてIII族窒化物系化合物半導体３２を縦及び横方向成長させることもできる。

図１０のように、基板１にバッファ層２を形成したのち（図１０の（ａ））、その表面をエッチング、罫描きにより表面を悪化させ（図１０の（ｂ））、III族窒化物系化合物半導体３を縦及び横方向成長させても良い（図１０の（ｃ）、（ｄ））。また、図１１のように、基板１にバッファ層２とIII族窒化物系化合物半導体層３１を形成したのち（図１１の（ａ））、その表面をエッチング、罫描きにより表面を悪化させ（図１１の（ｂ））、III族窒化物系化合物半導体３３を縦及び横方向成長させても良い（図１１の（ｃ）、（ｄ））。いずれも、表面が悪化していない部分により早くIII族窒化物系化合物半導体層が形成されるのでそれを核として横方向成長させることにより、表面が悪化した部分をも覆うよう成長させることができる。

以上のような方法により、縦方向に伝搬する貫通転位を抑制した領域を有するIII族窒化物系化合物半導体を形成することができる。

上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、縦及び横方向エピタキシャル成長した層の上に素子を形成することで、欠陥の少ない、移動度の大きい層を有する半導体素子とすることができる。

上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、縦及び横方向エピタキシャル成長した層の上に発光素子を形成することで、素子寿命、或いはＬＤの閾値の改善された発光素子とすることができる（全請求項）。

尚、上記の工程で得られたIII族窒化物系化合物半導体層の、横方向エピタキシャル成長した部分の上層のみをその他の層から分離することで、転位等結晶欠陥の著しく抑制された結晶性の良いIII族窒化物系化合物半導体を得ることができる。「略全部除去」とは、製造上の簡便さから、一部貫通転位の残った部分を含んでいたとしても本発明に包含されることを示すものである。

図１、２、５、７及び８に本発明のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法の実施の形態のそれぞれの一例の概略を示す。図１においては、バッファ層２が基板１のダイシングにより形成された側面に形成されない例を示している。基板１をダイシングして段差を形成し（図１の（ａ））、バッファ層２を形成して（図１の（ｂ））、III族窒化物系化合物半導体層３を横方向エピタキシャル成長させる（図１の（ｃ））。図１の（ａ）のダイシングの幅と深さは、上述のように段差の底面に形成されたバッファ層２２を核として縦方向成長するIII族窒化物系化合物半導体層３２が段差を埋める前に、段差の上段面に形成されたバッファ層２１を核として縦及び横方向成長するIII族窒化物系化合物半導体層３１が段差の上部を覆うよう決定される。図１の（ｃ）では横方向エピタキシャル成長面が例えば｛１１−２０｝面である場合を想定しているが、本発明は成長面に限定されない。こうして、段差の底面の縦方向の成長によりダイシングされた部分が埋まる前に、段差の上段面に形成されたバッファ層２１を核として横方向成長がダイシングされた部分の上方で合体するよう、ダイシング形状と横方向エピタキシャル成長条件とを設定することで、ダイシングされた上部のIII族窒化物系化合物半導体３１には貫通転位が抑制された領域を形成する（図１の（ｄ））。

図２は基板１の段差の側面にもバッファ層２が形成される場合を示す。これも図１の場合とほぼ同様である。

図５は基板１にバッファ層２を形成したのちダイシングする実施の形態である。バッファ層２が形成されていない基板１の段差の底面及び側面での縦方向成長は無いか極めて遅く、段差の上段面に形成されたバッファ層２を核とした横方向成長によりダイシングされた段差を覆う（図５の（ｃ）及び（ｄ））。図５の（ａ）のダイシングの幅と深さは、上述のように段差の底面から縦方向成長するIII族窒化物系化合物半導体層３２が段差を埋める前に、段差の上段面に形成されたバッファ層２１を核として縦及び横方向成長するIII族窒化物系化合物半導体層３１が段差の上部を覆うよう決定される。図５の（ｃ）では横方向エピタキシャル成長面が例えば｛１１−２０｝面である場合を想定しているが、本発明は成長面に限定されない。

図７は、基板１の表面を荒らしたのちバッファ層２を形成する実施の形態である。表面の荒れた部分Ａの面積等は、荒れた部分Ａ上に形成された、表層に均一な単結晶層ができず且つ成長速度が遅いバッファ層２２上を、面の荒れていない部分に形成されたバッファ層２１を核としたIII族窒化物系化合物半導体３が縦及び横方向エピタキシャル成長して覆うよう決定される。

図８は、基板１の表面を荒らしたのちIII族窒化物系化合物半導体を直接形成する実施の形態である。表面の荒れた部分Ａの面積等は、荒れた部分Ａ上に形成された、表層に均一な単結晶層ができず且つ成長速度が遅いIII族窒化物系化合物半導体３２上を、面の荒れていない部分に形成されたIII族窒化物系化合物半導体層３１が縦及び横方向エピタキシャル成長して覆うよう決定される。

上記の発明の実施の形態としては、次の中からそれぞれ選択することができる。

基板上にIII族窒化物系化合物半導体を順次積層を形成する場合は、基板としてはサファイア、シリコン(Si)、炭化ケイ素(SiC)、スピネル(MgAl₂O₄)、ZnO、MgOその他の無機結晶基板、リン化ガリウム又は砒化ガリウムのようなIII-V族化合物半導体あるいは窒化ガリウム(GaN)その他のIII族窒化物系化合物半導体等を用いることができる。

III族窒化物系化合物半導体層を形成する方法としては有機金属気相成長法（MOCVD又はMOVPE）が好ましいが、分子線気相成長法（MBE）、ハライド気相成長法（Halide VPE）、液相成長法（LPE）等を用いても良く、各層を各々異なる成長方法で形成しても良い。

例えばサファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体積層する際、結晶性良く形成させるため、サファイア基板との格子不整合を是正すべくバッファ層を形成することが好ましい。他の基板を使用する場合もバッファ層を設けることが望ましい。バッファ層としては、低温で形成させたIII族窒化物系化合物半導体Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1）、より好ましくはAl_xGa_1-xN（0≦x≦1）が用いられる。このバッファ層は単層でも良く、組成等の異なる多重層としても良い。バッファ層の形成方法は、380〜420℃の低温で形成するものでも良く、逆に1000〜1180℃の範囲で、ＭＯＣＶＤ法で形成しても良い。また、ＤＣマグネトロンスパッタ装置を用いて、高純度金属アルミニウムと窒素ガスを原材料として、リアクティブスパッタ法によりAlNから成るバッファ層を形成することもできる。同様に一般式Al_xGa_yIn_1-x-yN（0≦x≦1, 0≦y≦1, 0≦x+y≦1、組成比は任意）のバッファ層を形成することができる。更には蒸着法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法、ＥＣＲ法を用いることができる。物理蒸着法によるバッファ層は、200〜600℃で行うのが望ましい。さらに望ましくは300〜500℃であり、さらに望ましくは350〜450℃である。これらのスパッタリング法等の物理蒸着法を用いた場合には、バッファ層の厚さは、100〜3000Åが望ましい。さらに望ましくは、100〜500Åが望ましく、最も望ましくは、100〜300Åである。また、横方向エピタキシャル成長の成長の核となるIII族窒化物系化合物半導体層及び／又は上層のIII族窒化物系化合物半導体は、バッファ層と単結晶III族窒化物系化合物半導体層とを１周期として、多重周期形成した層（基底層）としても良い。また、基底層を用いる場合は、横方向エピタキシャル成長の核となる層として、最上層は単結晶層がより望ましい。

バッファ層、横方向エピタキシャル成長の成長の核となるIII族窒化物系化合物半導体層、横方向エピタキシャル成長させる層、及び／又は上層のIII族窒化物系化合物半導体は、III族元素の組成の一部は、ボロン(B)、タリウム(Tl)で置き換えても、また、窒素(N)の組成一部をリン(P)、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)で置き換えても本発明を実質的に適用できる。また、これら元素を組成に表示できない程度のドープをしたものでも良い。例えば組成にインジウム(In)、ヒ素(As)を有しないIII族窒化物系化合物半導体であるAl_xGa_1-xN（0≦x≦1）に、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)よりも原子半径の大きなインジウム(In)、又は窒素(N)よりも原子半径の大きな(As)をドープすることで、窒素原子の抜けによる結晶の拡張歪みを圧縮歪みで補償し結晶性を良くしても良い。この場合はアクセプタ不純物がIII族原子の位置に容易に入るため、ｐ型結晶をアズグローンで得ることもできる。このようにして結晶性を良くすることで本願発明と合わせて更に貫通転位を１００乃至１０００分の１程度にまで下げることもできる。なお、発光素子として構成する場合は、本来III族窒化物系化合物半導体の２元系、若しくは３元系を用いることが望ましい。

ｎ型のIII族窒化物系化合物半導体層を形成する場合には、ｎ型不純物として、Si、Ge、Se、Te、C等IV族元素又はVI族元素を添加することができる。また、ｐ型不純物としては、Zn、Mg、Be、Ca、Sr、Ba等II族元素又はIV族元素を添加することができる。これらを複数或いはｎ型不純物とｐ型不純物を同一層にドープしても良い。

横方向エピタキシャル成長としては成長面が基板に垂直となるものが望ましいが、基板に対して斜めのファセット面のまま成長するものでも良い。

横方向エピタキシャル成長としては、横方向エピタキシャル成長面の少なくとも上部と基板面とは垂直であることがより望ましく、更にはいずれもIII族窒化物系化合物半導体の｛１１−２０｝面であることがより望ましい。

エッチングする際は、深さと幅の関係から、横方向エピタキシャル成長により塞がれるように段差を設ける。この時、異なる層からの縦方向成長が少なくとも初期段階において遅いことも利用する。

基板上に積層するIII族窒化物系化合物半導体層の結晶軸方向が予想できる場合は、基板の段差側面がIII族窒化物系化合物半導体層のａ面（｛１１−２０｝面）又はｍ面（｛１−１００｝面）と平行となるようストライプ状にマスク或いはダイシングを施すことが有用である。なお、島状、格子状等に、上記ストライプ及びマスクを任意に設計して良い。横方向エピタキシャル成長面は、基板面に垂直なものの他、基板面に対し斜めの角度の成長面でも良い。III族窒化物系化合物半導体層のａ面として（１１−２０）面を横方向エピタキシャル成長面とするには例えばストライプの長手方向はIII族窒化物系化合物半導体層のｍ面である（１−１００）面に垂直とする。例えば基板をサファイアのａ面又はｃ面とする場合は、どちらもサファイアのｍ面がその上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層のａ面と通常一致するので、これに合わせてダイシングを施す。点状、格子状その他の島状とする場合も、輪郭（側壁）を形成する各面が上方に形成されるIII族窒化物系化合物半導体層の｛１１−２０｝面と一致することが望ましい。

エッチングマスクは、酸化珪素(SiO₂)、窒化珪素(Si₃N₄)、酸化チタン(TiO_X)、酸化ジルコニウム(ZrO_X)等の酸化物、窒化物、これらの多層膜をもちいることができる。これらの成膜方法は蒸着、スパッタ、ＣＶＤ等の気相成長法の他、任意である。

エッチングをする場合は反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）が望ましいが、任意のエッチング方法を用いることができる。また、エッチングに代えて、スクライビング等、機械的方法により段差を形成しても良い。表面を荒らす場合も、スクライビング、ダイヤモンドカッターによる罫描き等、任意である。

上記の貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体の、全体或いは貫通転位の抑制された領域を中心としてその上部にＦＥＴ、発光素子等の半導体素子を形成することができる。発光素子の場合は、発光層は多重量子井戸構造（ＭＱＷ）、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の他、ホモ構造、ヘテロ構造、ダブルヘテロ構造のものが考えられるが、ｐｉｎ接合或いはｐｎ接合等により形成しても良い。

上述の、貫通転位の抑制された領域を有するIII族窒化物系化合物半導体を、例えば基板１、バッファ層２及びダイシングにより段差を設けた貫通転位の抑制されていない部分を除去して、III族窒化物系化合物半導体基板とすることができる。この上にIII族窒化物系化合物半導体素子を形成することが可能であり、或いはより大きなIII族窒化物系化合物半導体結晶を形成するための基板として用いることができる。除去方法としては、メカノケミカルポリッシングの他、任意である。

本発明の適用として、基板処理により貫通転位の少ない領域を形成したのち、更に横方向エピタキシャル成長を利用して、貫通転位の多い領域上部に貫通転位の少ない領域を形成することも本発明に包含される。例えば上記手段により貫通転位の少ない領域と多い領域を有するIII族窒化物系化合物半導体層の、貫通転位の多い領域にマスクを形成し、マスクを形成していない貫通転位の少ない領域表面を核としてマスク上部を横方向エピタキシャル成長により覆うことで、全体として貫通転位の少ないIII族窒化物系化合物半導体層を得ることができる。その他、貫通転位の多い領域上部での第２の横方向エピタキシャル成長は任意である。

以下、発明の具体的な実施例に基づいて説明する。実施例として発光素子をあげるが、本発明は下記実施例に限定されるものではなく、任意の素子に適用できるの製造方法を開示している。

本発明のIII族窒化物系化合物半導体は、有機金属化合物気相成長法（以下「MOVPE」と示す）による気相成長により製造された。用いられたガスは、アンモニア(NH₃)とキャリアガス(H₂又はN₂)とトリメチルガリウム（Ga(CH₃)₃，以下「TMG」と記す）とトリメチルアルミニウム（Al(CH₃)₃，以下「TMA」と記す）、トリメチルインジウム（In(CH₃)₃，以下「TMI」と記す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（Mg(C₅H₅)₂、以下「Cp₂Mg」と記す）である。

有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１をダイシングにより、幅10μm、間隔10μm、深さ10μmのストライプ状の段差を形成した。次に、温度を400℃とし、H₂を10L/min、NH₃を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給してAlNのバッファ層２を約40nmの厚さに形成した。バッファ層２は基板１の段差の主に上段面と底面に形成された。

次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/minで導入して、縦及び横方向エピタキシャル成長によりGaN層３を形成した。この時、主に段差の上段面に形成されたバッファ層２１からの横方向エピタキシャル成長により段差が覆われ、表面が平坦となった（図１の（ｃ））。こののち、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３を成長させ、10μmの厚さとした。GaN層３の、基板１の深さ10μmの段差の底面上方に形成された部分は、段差の上段面上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。

有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１の温度を400℃とし、H₂を10L/min、NH₃を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給してAlNのバッファ層２を約40nmの厚さに形成した。次にダイシングにより、幅10μm、間隔10μm、深さ10μmのストライプ状に段差を形成した。バッファ層２は基板１の段差の上段面のみに残った（図５の（ｂ））。

次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/minで導入して、縦及び横方向エピタキシャル成長によりGaN層３１を形成した。この時、主に段差の上段面に形成されたバッファ層２からの横方向エピタキシャル成長により段差が覆われ、表面が平坦となった（図５の（ｃ）及び（ｄ））。こののち、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３１を成長させ、10μmの厚さとした。GaN層３１の、基板１の深さ10μmの段差の底面上方に形成された部分は、段差の上段面上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。

有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１を反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）を用いた選択ドライエッチングにより、幅10μm、間隔10μm、ストライプ状に短時間エッチングし、面荒れを起こした。次に、温度を400℃とし、H₂を10L/min、NH₃を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給してAlNのバッファ層２を約40nmの厚さに形成した。バッファ層２は面荒れの部分２２と面荒れでない部分２１で表面のモホロジーが異なった（図７の（ｂ））。

次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/minで導入して、縦及び横方向エピタキシャル成長によりGaN層３を形成した。この時、主に面荒れでない部分２１からの横方向エピタキシャル成長により面荒れの部分が覆われ、表面が平坦となった（図７の（ｃ）及び（ｄ））。このち、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３を成長させ、3μmの厚さとした。GaN層３の、基板１のの表面の荒れた部分Ａに形成されるバッファ層２２上方に形成された部分は、表面の荒れていない部分に形成されたバッファ層２１上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。

本実施例では、図１２のようなバッファ層と単結晶III族窒化物系化合物半導体層とを１周期として、多重周期形成した層（基底層）を用いた。有機洗浄及び熱処理により洗浄したａ面を主面とし、単結晶のサファイア基板１上に、温度を400℃まで低下させて、H₂を10L/min、NH₃を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給して第１のAlN層２１１を約40nmの厚さに形成した。次に、サファイア基板１の温度を1000℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、膜厚約0.3μmのGaN層２１２を形成した。次に温度を400℃まで低下させて、H₂を10L/min、NH₃を5L/min、TMAを20μmol/minで約3分間供給して第２のAlN層２１３を約40nmの厚さに形成した。こうして、膜厚約40nmの第１のAlN層２１１、膜厚約0.3μmのGaN層２１２、膜厚約40nmの第２のAlN層２１３から成る基底層２０を形成した。

次に、第２実施例と同様に、ダイシングにより段差を形成した。サファイア基板１のダイシング深さを10μmとした。次に、サファイア基板１の温度を1150℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/minで導入し、GaN層３を横方向エピタキシャル成長により形成した。こうして主に段差の上段面に形成された基底層２０を核として横方向エピタキシャル成長により段差が覆われ、表面が平坦となった。こののち、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを300μmol/minで導入し、GaN層３を成長させ、GaN層３を10μmの厚さとした。GaN層３の、サフ ァイア基板１の深さ10μmの段差の底面上方に形成された部分は、段差の上段面上方に形成された部分に比して貫通転位が著しく抑えられた。

第１実施例と同様に形成したウエハ上に、図１３のようなレーザダイオード（ＬＤ）１００を次のようにして形成した。但し、GaN層３の形成の際、シラン（SiH₄）を導入して、GaN層３をシリコン(Si)ドープのｎ型GaNから成る層とした。尚、図を簡略とするため、段差を有するサファイア基板１と段差の上段面及び底面に形成されたバッファ層２及び段差を埋めている部分のGaN層３を併せて、ウエハ１０００と記載し、それ以外のGaN層３をGaN層１０３と記載する。

段差を有するサファイア基板、AlNから成るバッファ層、その段差を覆うｎ型GaN層から成るウエハ層１０００とｎ型GaN層１０３に、シリコン(Si)ドープのAl_0.08Ga_0.92Nから成るｎクラッド層１０４、シリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層１０５、ＭＱＷ構造の発光層１０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層１０７、マグネシウム(Mg)ドープのAl_0.08Ga_0.92Nから成るｐクラッド層１０８、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層１０９を形成した。次にｐコンタクト層１０９上に金(Au)から成る電極１１０Ａを、２段のGaN層とｎ型GaN層の合計３段のGaN層１０３が露出するまで一部エッチングしてアルミニウム(Al)から成る電極１１０Ｂを形成した。このようにして形成したレーザダイオード（ＬＤ）は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。

第１実施例と同様に形成したウエハ上に、図１４のような発光ダイオード（ＬＥＤ）２００を次のようにして形成した。但し、GaN層３の形成の際、シラン（SiH₄）を導入して、GaN層３をシリコン(Si)ドープのｎ型GaNから成る層とした。尚、図を簡略とするため、段差を有するサファイア基板１と段差の上段面及び底面に形成されたバッファ層２及び段差を埋めている部分のGaN層３を併せて、ウエハ２０００と記載し、それ以外のGaN層３をGaN層２０３と記載する。

サファイア基板、AlNから成るバッファ層、段差を埋めるGaN層から成るウエハ２０００とｎ型GaN層２０３上に、シリコン(Si)ドープのAl_0.08Ga_0.92Nから成るｎクラッド層２０４、発光層２０５、マグネシウム(Mg)ドープのAl_0.08Ga_0.92Nから成るｐクラッド層２０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層２０７を形成した。次にｐコンタクト層２０７上に金(Au)から成る電極２０８Ａを、GaN層とｎ型GaN層の２段のGaN層２０３が露出するまで一部エッチングしてアルミニウム(Al)から成る電極２０８Ｂを形成した。このようにして形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。

本実施例では基板としてシリコン(Si)基板を用いた。シリコン(Si)基板３０１をエッチングにより幅10μm、間隔10μm、深さ10μmのストライプ状にエッチングした。次にシリコン基板３０１の温度を1150℃に保持し、H₂を20L/min、NH₃を10L/min、TMGを5μmol/min、TMAを0.5μmol/min、H₂ガスにより希釈されたたシラン(SiH₄)を0.01μmol/minで供給し、シリコン基板の段差の上段面、側面、底面からn-Al_0.15Ga_0.85N層を縦及び横方向成長させた。こうして主に上段面を核とする横方向エピタキシャル成長により段差が覆われ、表面が平坦となったのち、H₂を10L/min、NH₃を10L/min、TMGを100μmol/min、TMAを10μmol/min、H₂ガスにより希釈されたたシラン(SiH₄)を0.2μmol/minで供給し、n-Al_0.15Ga_0.85N層を成長させ、3μmの厚さとした。以下、シリコン基板３０１とn-Al_0.15Ga_0.85N層３０２を併せてウエハ３０００と記載する。

上記のようにウエハ３０００（段差を有するシリコン基板３０１とその上に形成されたn-Al_0.15Ga_0.85N層３０２）上にシリコン(Si)ドープのGaNから成るｎガイド層３０３、ＭＱＷ構造の発光層３０４、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐガイド層３０５、マグネシウム(Mg)ドープのAl_0.08Ga_0.92Nから成るｐクラッド層３０６、マグネシウム(Mg)ドープのGaNから成るｐコンタクト層３０７を形成した。次にｐコンタクト層３０７上に金(Au)から成る電極３０８Ａを、シリコン基板３０１裏面にアルミニウム(Al)から成る電極３０８Ｂを形成した。このようにして形成した図１５のレーザダイオード（ＬＤ）３００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。

本実施例でも基板としてシリコン(Si)基板を用いた。第７実施例の段差を有するシリコン基板３０１に形成されたn-Al_0.15Ga_0.85N層３０２と同様に、段差を有するシリコン基板４０１とその上に形成されたn-Al_0.15Ga_0.85N層４０２のウエハ４０００を用意し、発光層４０３、マグネシウム(Mg)ドープのAl_0.15Ga_0.85Nから成るｐクラッド層４０４を形成した。次にｐクラッド層４０４上に金(Au)から成る電極４０５Ａを、シリコン基板４０１裏面にアルミニウム(Al)から成る電極４０５Ｂを形成した。このようにして形成した図１６の発光ダイオード（ＬＥＤ）４００は素子寿命及び発光効率が著しく向上した。

〔エッチングの変形〕
また、図１７は、島状に段差の上段、或いは面荒れ部分Ｂと面荒れを起こさない部分を形成する例である。図１７の（ａ）は、外周をも示しているが、これは理解のため簡略化した模式図であり、実際には島状の段差の上段はウエハ当たり数千万個形成して良い。図１７の（ａ）では、島状の段差の上段に対し、段差の底面Ｂ（或いは面荒れを起こさない部分に対し面荒れ部分Ｂ）は３倍の面積を有する。図１７の（ｂ）では、島状の段差の上段に対し、段差の底面Ｂ（或いは面荒れを起こさない部分に対し面荒れ部分Ｂ）は８倍の面積を有する。

本発明の第１の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の別のIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の第７の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の別のIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の第２の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の別のIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の第３の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の別のIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の更に別のIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の更に別のIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の更に別のIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の第４の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体の製造工程を示す断面図。 本発明の第５の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。 本発明の第６の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。 本発明の第７の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。 本発明の第８の実施例に係るIII族窒化物系化合物半導体発光素子の構造を示す断面図。 第１のIII族窒化物系化合物半導体のエッチングの他の例を示す模式図。 III族窒化物系化合物半導体を伝搬する貫通転位を示す断面図。

１、１０１、２０１、３０１、４０１：基板
１０００、２０００、３０００、４０００：段差を有する基板とバッファ層と段差を覆うIII族窒化物系化合物半導体層とから成るウエハ
２：バッファ層
２０：基底層
３１、３２、３３：III族窒化物系化合物半導体
１０３、２０３：n-GaN層
１０４、２０４、３０２、４０２：n-AlGaNクラッド層
１０５、３０３：n-GaNガイド層
１０６、２０５、３０４、４０３：発光層
１０７、３０５：p-GaNガイド層
１０８、２０６、３０６、４０４：p-AlGaNクラッド層
１０９、２０７、３０７：p-GaN層
１１０Ａ、２０８Ａ、３０８Ａ、４０５Ａ：ｐ電極
１１０Ｂ、２０８Ｂ、３０８Ｂ、４０５Ｂ：ｎ電極

Claims (2)

1. 基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   前記基板には、その表面の少なくとも一部に、点状、ストライプ状、又は格子状の島状態の、平滑度の悪化した部分が設けられており、
   前記基板の平滑度の悪化していない部分に形成された第１バッファ層と、
   前記基板の平滑度の悪化した部分に形成された第２バッファ層と、
   前記基板の平滑度の悪化した部分の第２バッファ層の上部に形成された、第１バッファ層を核として、前記基板の平滑度の悪化した部分の前記第２バッファ層を覆うよう、両側から横方向エピタキシャル成長させたIII族窒化物系化合物半導体層を
   有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。
2. 基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して形成されたIII族窒化物系化合物半導体発光素子において、
   前記基板には、その表面の少なくとも一部に、点状、ストライプ状、又は格子状の島状態の、平滑度の悪化した部分が設けられており、
   前記基板の平滑度の悪化していない部分に形成された第１バッファ層と、
   前記基板の平滑度の悪化した部分に形成された第２バッファ層と、
   前記第１バッファ層上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体から成る単結晶層と、 前記基板の平滑度の悪化した部分の第２バッファ層の上部に形成された、前記単結晶層を核として、前記基板の平滑度の悪化した部分の前記第２バッファ層を覆うよう、両側から横方向エピタキシャル成長させたIII族窒化物系化合物半導体層を
   有することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体発光素子。

Images