JP2000106455A - 窒化物半導体構造とその製法および発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の窒化物半導体膜製造技術では、ＳｉＯ
₂層によって構成されたマスクパターンを用いた選択成
長技術が開発されている。しかし、ＳｉＯ₂層を用いた
マスクパターンは熱的損傷を受けやすく、熱的損傷を受
けたマスクパターンの構成要素であるＳｉまたはＯ₂は
窒化物半導体膜に悪影響をもたらし、そのため作製され
た窒化物半導体発光素子は、発光効率の低下と個々の発
光素子の発光効率のばらつきによる製品の信頼性低下を
招くと共に、窒化物半導体発光素子生産の歩留まりを低
下させるという問題があった。 【解決手段】 本発明の窒化物半導体構造は、基板上に
形成された窒化物半導体膜を有し、前記基板の成長面に
は凹部と凸部が設けられ、前記凹部では、前記窒化物半
導体膜と前記基板との間に空洞を有することを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体構造
に関し、結晶成長用基板と格子定数または熱膨張係数の
異なる窒化物半導体を結晶成長用基板上に高品質に成長
させた窒化物半導体構造とその製法および窒化物半導体
構造を用いて形成された発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、青色発光ダイオード（青色Ｌ
ＥＤ）または青色レーザダイオード（青色ＬＤ）の形成
材料として窒化物半導体が用いられている。窒化物半導
体は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ハイドラ
イド気相成長法（ＨＶＰＥ法）または分子線エピタキシ
ャル成長法（ＭＢＥ法）によって基板上に成長されてい
る。一般に、半導体成長は、結晶成長させるべき半導体
と同種の基板もしくは半導体と格子定数および熱膨張係
数の近い基板を利用する。

【０００３】現行の技術では形成する窒化物半導体と同
種の適切な大きさの窒化物半導体基板を作製できないこ
とから、窒化物半導体基板の代用としてサファイア基
板、ＳｉＣ基板、スピネル基板等が使用されている。上
記代用基板の１つであるサファイア基板は窒化物半導体
との格子定数差または熱膨張係数差が大きいために、サ
ファイア基板直上に結晶成長した窒化物半導体膜内には
１０⁹〜１０¹⁰ｃｍ^-2の貫通転位が存在することが知ら
れている。従って、代用基板直上に直接結晶成長させ
て、成長膜内の結晶欠陥または貫通転位密度の少ない良
好な窒化物半導体結晶を得ることは困難であった。ここ
で、本明細書中の貫通転位とは、特に結晶内部もしくは
結晶間の界面で発生した転位が基板表面まで到達したも
のと定義する。

【０００４】現在、サファイア基板直上に結晶欠陥また
は貫通転位密度を低減させるべく窒化物半導体膜製造方
法として、マスクパターンを用いた選択成長方法が利用
されている。

【０００５】従来技術による窒化物半導体の選択成長を
利用した窒化物半導体膜製造方法について説明する。

【０００６】サファイア基板直上に第１層目の窒化物半
導体膜を、ＭＯＣＶＤ装置を用いて形成する。これを第
１工程とする。上記第１工程の後、第１層の窒化物半導
体膜直上に化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いてＳｉＯ₂
層を蒸着する。これを第２工程とする。続いて、ＳｉＯ
₂層に従来のリソグラフィー技術を用いて周期的開口パ
ターンを形成し、これを第３工程とする。上記第３工程
を含むサファイア基板をＨＶＰＥ装置内に搬送し、第４
工程となる第２層目の窒化物半導体厚膜層を成長する。
上記の成長工程を経過することによって、第４工程で形
成した第２層目の窒化物半導体厚膜層内には、結晶品質
を低下させる一つの要因である貫通転位密度が約６×１
０⁶ｃｍ^-2程度にまで低減した（第５８回応用物理学会
学術講演会講演予稿集２ｐ−Ｑ−１５、Ｎｏ１（１９９
７）ｐ２６６またはＪｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．
Ｖｏｌ．３６（１９９７）ｐｐ．Ｌ８９９）。これは、
第３工程で形成したＳｉＯ₂マスクパターン上に形成し
た窒化物半導体結晶の選択成長のためである。即ち、マ
スクパターン直上に結晶成長した第２層目の窒化物半導
体厚膜層は、ＳｉＯ₂層よって形成された部分には成長
し難く、開口部には結晶成長し易いという窒化物半導体
結晶の選択成長性を有している。

【０００７】このことにより、第２層目の窒化物半導体
厚膜層の初期成長は主に開口部で成長し始め、ＳｉＯ₂
層の最表面に達した時点で基板に対して垂直方向の成長
と、マスク（ＳｉＯ₂層）を埋めるような横方向への成
長（ラテラル成長）とが始まる。このラテラル成長はマ
スクを下地として成長しているのではなく、開口部で成
長した窒化物半導体結晶を核として成長しているため格
子定数不整合による影響を受け難い。また、第１層目の
窒化物半導体層中に発生した貫通転位はマスクの開口部
を通して第２層目の窒化物半導体厚膜層内に浸入する
が、上記ラテラル成長のため横方向に進路を変える。よ
って、最表面に到達する貫通転位は減少し、貫通転位密
度の低い結晶が得られる。

【０００８】また、第５８回応用物理学会学術講演会講
演予稿集２ｐ−Ｑ−１４、Ｎｏ１（１９９７）ｐ２６５
の報告例にあるように、サファイア基板直上に直接Ｓｉ
Ｏ₂のマスクパターンを設けて、ＭＯＣＶＤ法によりＧ
ａＮ単結晶膜を選択成長させてもよい。上記報告例の場
合、第１工程は省略され、第２工程から第４工程によっ
て形成される。上記手法の結果、サファイア基板直上に
形成されたＧａＮ単結晶膜内（ＳｉＯ₂マスクの開口部
上）の貫通転位密度は１０⁹〜１０¹⁰ｃｍ^-2であるのに
対し、ＳｉＯ₂直上のそれは１０⁵〜１０⁶ｃｍ^-2に減少
していることが報告された。

【０００９】上記窒化物半導体膜製造方法によって窒化
物半導体膜内の貫通転位を低減し、窒化物半導体膜直上
に形成した窒化物半導体発光素子の発光特性および品質
の改善が期待された。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記窒化物半導体膜製
造技術によって窒化物半導体膜内の貫通転位を低減する
ことが可能となったが、貫通転位密度の少ない上記手法
の窒化物半導体膜を形成するためには少なくとも３工程
の成長膜過程を要する。しかも第１工程から第２工程、
または第２工程から第４工程へと製造装置を変更する必
要がある。特に上記第１工程から第４工程を行う方法で
は２段階の結晶成長を余儀なくされる。一般に成長中断
を伴う再成長の場合、結晶表面の不純物が問題になる。
上記の手法では更に第２工程で形成したＳｉＯ₂蒸着層
をパターン加工するため、よりいっそう不純物等の混入
が懸念される。また、一般に第２層目の窒化物半導体厚
膜層として利用されるＧａＮ層は、約１０００℃の成長
温度で結晶成長を行うため、第３工程のＳｉＯ₂層によ
って構成されたマスクパターンは熱的損傷を受ける。熱
的損傷を受けたマスクパターンの構成要素であるＳｉま
たはＯ₂は窒化物半導体膜に悪影響をもたらすことが発
明者らの研究により分かった。

【００１１】窒化物半導体膜製造法によって作製された
窒化物半導体膜直上に窒化物半導体発光素子構造を作製
した場合、上記マスクパターンの熱的損傷により発生し
た不純物が窒化物半導体発光素子構造の光を発生する活
性層内に影響する。この影響は、発光素子の発光効率の
低下と個々の発光素子の発光効率のばらつきによる製品
の信頼性低下を招くと共に、窒化物半導体発光素子生産
の歩留まりを低下させている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る窒化物半導
体構造は、基板上に形成された窒化物半導体膜を有し、
前記基板の成長面には凹部と凸部が設けられ、前記凹部
では、前記窒化物半導体膜と前記基板との間に空洞を有
することを特徴とする。

【００１３】本発明に係る窒化物半導体構造は、前記凹
部と凸部は、複数の平行な溝を基板の成長面に設けるこ
とによって構成されている。このような構成によって、
基板と結晶成長すべき第１層の窒化物半導体膜との間の
格子定数差または熱膨張係数差によって生じた歪みは、
下記の方法によって緩和することができる。

【００１４】本発明に係る窒化物半導体構造は、前記溝
の幅ｂが１０μｍ以下であり、溝の深さｈがｈ≧０．２
×ｂであり、かつ、隣り合う溝の中心線間の距離が２０
μｍ以下であることを特徴とする。本発明に係る窒化物
半導体構造は、前記溝の幅ｂが１０μｍ以下であり、溝
の深さｈがｈ≧ｂであり、かつ、隣り合う溝の中心線間
の距離が２０μｍ以下であることを特徴とする。

【００１５】本発明に係る窒化物半導体構造は、前記溝
が、前記窒化物半導体＜１−１００＞方向に沿って形成
されていることを特徴とする。本発明に係る窒化物半導
体構造は、前記溝が、前記基板の劈開面あるいはエッチ
ング安定面の方向に沿って形成されていることを特徴と
する。

【００１６】本発明に係る窒化物半導体構造は、前記基
板が窒化物半導体基板を有し、前記窒化物半導体基板
は、＜１−１２０＞方向に沿って溝が設けられているこ
とを特徴とする。本発明の窒化物半導体構造は、少なく
とも前記基板の成長面は窒化物半導体からなり、前記溝
は、前記窒化物半導体に対して＜１−１００＞方向に沿
って設けられることを特徴とする。また、本発明の窒化
物半導体構造は、前記溝の底部の窒化物半導体が多結晶
であることを特徴とする。

【００１７】本発明に係る窒化物半導体構造の製造方法
は、基板の成長面上に凹部と凸部、もしくは平行な複数
の溝を形成する工程と、前記基板の成長面に、凹部にて
空洞を有するように窒化物半導体膜を成長させる工程と
を、有することを特徴とする。

【００１８】さらに、本発明に係る発光素子は、上記窒
化物半導体構造と、前記窒化物半導体構造上に形成され
た窒化物半導体からなる活性層を有する発光素子構造と
からなることを特徴とする。

【００１９】本発明に係る発光素子は、前記発光素子構
造に設けられたリッジストライプ構造が、前記窒化物半
導体構造中の凹部の中央線から横方向に少なくとも１μ
ｍ以上の位置の、上方に設けられ、かつ、リッジストラ
イプの方向が少なくとも１つの溝の方向と平行であるこ
とを特徴とする。

【００２０】以下に、本発明の原理について図８を用い
て説明する。

【００２１】図８において、加工構造基板１００には溝
１１５の形成された基板であり、溝１１５の形成により
基板表面に現れた凸部（平坦部）１１４を有する。加工
構造基板１００上には窒化物半導体膜が形成されてい
る。凸部上の窒化物半導体層１２３が形成されることは
もとより、溝上の窒化物半導体層１２４にも形成されて
おり、溝１１５内部には窒化物半導体の形成されない空
洞部１１６を有する。また、溝１１５の底部にも窒化物
半導体１２５が堆積している。

【００２２】このように、溝付き基板を用いることによ
って、溝１１５と凸部１１４との段差により、溝１１５
に窒化物半導体１２５が埋まるよりも先に溝１１５の両
隣り凸部１１４直上に結晶成長した凸部上の窒化物半導
体膜１２３がラテラル成長して結合する。このため、溝
部１１５の直上にも溝上の窒化物半導体膜１２４が形成
する。このことにより、溝部１１５上には窒化物半導体
膜が成長していない空洞部１１６が形成される。凸部１
１４からラテラル成長してできた溝上の窒化物半導体膜
１２４は加工構造基板１００からの影響（格子定数差ま
たは熱膨張係数差による応力歪み）を全く受けず、従っ
て、凸部１１４に形成された窒化物半導体膜１２３は窒
化物半導体膜１２４と加工構造基板１００との間に生じ
た格子定数差または熱膨張係数差による応力歪みを、基
板からの影響を全く受けていない窒化物半導体膜１２４
によって緩和することができる。横方向への結晶成長を
利用したこと、および、このように応力の影響を軽減し
つつ結晶成長が行われることにより、基板から結晶表面
に向かって縦方向に伸びる貫通転位を単に平坦な表面上
に結晶成長する場合よりも減らすことができる。さらに
は、このような応力の緩和に伴って、厚膜の窒化物半導
体膜を形成してもクラックの発生を抑制でき、従来困難
であった厚膜の窒化物半導体膜を作製することができ
た。

【００２３】このような効果を窒化物半導体膜全体に渡
って与えるためには、溝の密度がある程度高い必要があ
る。本発明者らの検討によれば、隣り合う溝の間隔（溝
の中心線から隣の溝の中心線までの距離）を２０μｍ以
下にすれば、本発明の効果が得られた。特に、基板と窒
化物半導体膜との間の歪みは溝の密度に依存し、溝の密
度が増加すればさらに高い歪み緩和効果が得られる。隣
り合う溝の間隔を２０μｍ以上とすると、得られた窒化
物半導体膜における貫通転位密度は平坦な基板上に形成
したものと変わらなくなった。

【００２４】また空洞部１１６は、凸部１１４上の窒化
物半導体膜１２３からのラテラル成長が、溝内部からの
窒化物半導体１２５の成長を上回ることによって、形成
されるものであるから、溝形状によって大きな影響を受
けることになる。本発明者らの検討では、溝幅ｂが１０
μｍ以下とし、溝の深さｈをｈ≧０．２×ｂとすること
が好ましいことが分かった。

【００２５】さらには、溝の深さｈをｈ≧ｂの条件まで
十分深くすれば、結晶成長時に溝底部では原料が供給さ
れなくなり、窒化物半導体１２５の堆積がほとんどなく
なるので、結晶成長条件によらず極めて容易に空洞部１
１６が形成でき、また、上記応力歪み低減の効果を更に
高めることができる。

【００２６】また、溝が窒化物半導体に対して＜１−１
００＞方向に沿って基板表面に形成されることによっ
て、窒化物半導体のラテラル成長速度の大きい方向に対
して垂直方向に溝を形成することになる。従って、凸部
上の窒化物半導体膜１２３からのラテラル成長をより促
進することができ、本発明の効果を高めることができ
る。本発明者らの実験的見地によると、窒化物半導体で
あるＧａＮは、基板上では窒化物半導体（ＧａＮ）の
［１１−２０］方向に伸びて成長（ラテラル成長）する
ことが判明している。

【００２７】また、溝の側壁が基板の劈開面を含むよう
に溝を形成することによって、溝の加工が容易になるの
で、溝の形状を急峻にすることができ、従って溝１１５
と凸部１１４の段差を明確にでき、また、溝幅に対して
溝の深さの深い溝を容易に形成することができる。

【００２８】尚、本明細書において、溝は凹部の特異例
であり、溝とは凹部が連続的に線状に並んだもののこと
を意味する。加工構造基板とは、基板表面に凹凸部ある
いは溝部を形成した基板のことを意味する。また、基板
の劈開方向とは、基板の劈開面に対して平行な方向を指
す。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下に本発明を実施した形態を詳
細に説明する。

【００３０】（実施の形態１）図１は、本実施の形態に
よって作製されたｎ型ＧａＮ膜を積層した窒化物半導体
構造の構成図を示している。本実施の形態１の窒化物半
導体構造では、サファイア基板のＣ面上にサファイア基
板の［１１−２０］方向（ＧａＮ膜に対しては［１−１
００］方向）に沿って溝部１１０を形成した加工構造基
板１００と、加工構造基板１００の凸部１１４上にＧａ
Ｎバッファ層１２０を形成し、加工構造基板１００全面
にｎ型ＧａＮ膜１２１を９μｍ成長させた構造からな
る。

【００３１】まず、実施の形態１で使用した加工構造基
板の作製方法について説明する。成長用基板としてサフ
ァイア基板のＣ面を用いた。図２（ａ）は加工構造基板
１００の立体視図を、図２（ｂ）は図２（ａ）の上面図
を示している。図２中の加工構造基板１００は以下のよ
うにして作製した。まず、サファイア基板表面にレジス
トを塗布し、紫外線露光によりレジストパターンを形成
した。次に、上記露光により硬化した部分のみを残し、
それ以外の部分をリフトオフする。これら、一連の操作
は周知技術であるフォトリソグラフィー技術によるもの
である。レジストパターン付きサファイア基板をウエッ
トエッチングした。このとき、サファイア基板表面上に
形成された溝部１１０は、幅ｂ＝６μｍ、深さｈ＝２μ
ｍで、溝部と溝部の間隔（１周期）Ｌ＝１２μｍであ
る。溝部１１０の方向はサファイア基板に対して［１１
−２０］方向に形成した。一般に、サファイア基板のＭ
面（｛１−１００｝面）はいくつかある劈開面の内の１
つとして知られている。従って、サファイア基板のＣ面
はこの［１１−２０］方向に沿って劈開性を持つ。

【００３２】上述した加工構造基板１００の製造方法
は、上記フォトリソグラフィー技術の他に、スクライビ
ング法、ワイヤーソー加工、放電加工、スパッタリング
法、レーザ加工、サンドブラスト加工、フォーカスイオ
ンビーム（ＦＩＢ）法を用いてサファイア基板表面に溝
部１１０を形成しても良い。また、上記ウエットエッチ
ングの代わりにドライエッチングを、露光に電子線また
はレーザー光の干渉を利用したホログラフィー技術を使
用しても良い。

【００３３】本実施例では、溝の側壁の面が｛１−１０
０｝面（Ｍ面）の劈開面（物理的加工により現れやすい
面）であるが、他にも劈開面となる面方位としては、基
板が六方晶系（サファイア基板を含む）の場合には｛１
−１００｝面（Ｍ面）、｛０１−２０｝面（Ｒ面）、あ
るいは基板が閃亜鉛鉱型あるいはダイアモンド構造型の
場合には｛１１０｝面があり、このような面方位となる
方向に溝を作製しても構わない。

【００３４】また、サファイア基板に対する｛１−１０
０｝面は例えばケミカルエッチングした場合に現れやす
い面（以下、エッチング安定面と記す）でもある。この
ようなエッチング安定面となる方向に溝を形成すること
によっても、溝の側面が急峻とすることができる。この
ようなエッチング安定面となる面方位としては、基板が
六方晶系（サファイア基板を含む）の場合には｛１−１
００｝面（Ｍ面）、｛１１−２０｝面（Ａ面）、｛００
０１｝面（Ｃ面）、｛０１−１２｝面（Ｒ面）、あるい
は基板が立方晶系、特に閃亜鉛鉱型またはダイアモンド
構造型の場合には｛１１１｝面、｛００１｝面があり、
このような面方位となる方向に溝を作製しても構わな
い。

【００３５】次に、加工構造基板１００上にＭＯＣＶＤ
装置を用いてｎ型ＧａＮ膜を結晶成長させて、窒化物半
導体構造を作製する工程について説明する。図１（図
２）に示す加工構造基板１００を有機溶媒で十分に洗浄
し、ＭＯＣＶＤ装置内にセッティングした。ｎ型ＧａＮ
膜１２１の成長前に、Ｈ₂ガスフロー中、基板温度１０
２５℃で、加工構造基板１００を約１０分間、サーマル
クリーニングした。次に、基板温度を５５０℃に下げ、
ＩＩＩ族原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）１０
ｃｃ／ｍｉｎを、Ｖ族原料としてＮＨ₃５０００ｃｃ／
ｍｉｎを供給し、約２０ｎｍのＧａＮバッファ層１２０
を成長させた。この手法は、サファイア基板上にエピタ
キシャル成長させるための公知技術と同一である。

【００３６】次に、基板温度を１０００℃に昇温し、Ｔ
ＭＧ（５０ｃｃ）、ＮＨ₃（５０００ｃｃ）とドナー不
純物であるＳｉＨ₄（シラン）を供給し、ｎ型ＧａＮ膜
１２１を９μｍ成長した。

【００３７】ｎ型ＧａＮ膜１２１の厚みが３μｍを越え
た辺りから、基板表面に作製した溝部１１０が空洞部１
１６を残したままｎ型ＧａＮ膜１２１で覆われ、平坦化
し始めた。さらに成長を続け、ｎ型ＧａＮ膜１２１の厚
みが９μｍで貫通転位の密度は約１０⁷ｃｍ^-2程度にな
った。

【００３８】また、サファイア基板Ｃ面上にエピタキシ
ャル成長した窒化合物半導体であるＧａＮの配向関係
は、（０００１）sapphire／／（０００１）GaN、［１
−２１０］sapphire／／［−１０１０］GaNであること
が知られており、結局、サファイア基板に対して［１１
−２０］方向に溝部を形成することは、ＧａＮに関して
は［１−１００］方向に溝部１１０を形成したことにな
る。従って、本実施の形態１の溝部は、基板の劈開方向
かつ基板直上に結晶成長した窒化物半導体の＜１−１０
０＞方向に沿って形成されていることになる。

【００３９】窒化物半導体（ＧａＮ）はサファイア基板
のＣ面上内では窒化物半導体（ＧａＮ）の＜１１−２０
＞方向に伸びてラテラル成長することから、本実施の形
態１の溝部は、基板の劈開方向及び基板直上に結晶成長
した窒化物半導体のラテラル成長の速度の速い方向に対
して垂直な方向に沿って形成されている。基板の劈開方
向に沿って溝を形成することにより、溝加工が容易にな
り、側壁の切り立った溝形状とすることによって急峻な
段差を実現でき、また、ラテラル成長方向の速い方向に
対して垂直な溝が形成されたことによって、空洞が生成
されやすくなった。従って、形成された窒化物半導体膜
１２１の応力歪みによる結晶の高品質化及び窒化物半導
体膜１２１内にクラック防止に寄与する。

【００４０】本実施の形態１において加工構造基板上に
形成した溝の周期を溝の深さｈ≧０．２×溝幅ｂを満た
すことによってｎ型ＧａＮ膜１２１はその膜と加工構造
基板１１０との間に生じた格子定数差または熱膨張係数
差による応力歪みを緩和することができ、厚膜窒化物半
導体膜を形成したことによるクラック発生を防止するこ
とができる。溝幅を広くするか、溝の深さを浅くするこ
とによって溝の深さｈ≧０．２×溝幅ｂの条件を満たさ
ない場合には、成長初期において溝の内部が窒化物半導
体膜で埋まり空洞ができず、横方向成長による効果や歪
み低減効果を奏しない。また、溝の間隔を長くしても上
記で説明したように平坦なサファイア基板上に形成した
場合と貫通転位密度が同程度になった。

【００４１】図１のｎ型ＧａＮ膜１２１の表面に現れた
貫通転位密度を見積もるために、表面ＴＥＭ（透過型電
子顕微鏡）観察を行った。その結果、成長膜表面に現れ
た貫通転位密度は約１０⁷ｃｍ^-2程度まで低減してお
り、これまでに報告された従来例とほぼ同程度か若干高
い程度である。

【００４２】また、従来例では選択成長によるマスクパ
ターンが窒化物半導体乗せ成長中に熱的損傷を受け、マ
スクパターンの構成要素が不純物として窒化物半導体成
長膜内に影響をもたらしていた。しかしながら、本実施
の形態で作製された成長膜層内には上記の不純物となる
構成要素は一切含まれておらず、窒化物半導体成長膜の
フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定によれば、窒化物半
導体成長膜（ＧａＮ単膜）のバンド端付近の発光強度と
不純物によるディープレベルからの発光強度との相対比
を比較したところ、本実施の形態で得られた相対強度比
はマスクパターンを利用したそれと比べて１桁以上改善
されていた。これは、本実施の形態で得られた窒化物半
導体の成長膜が非常に高品質であることを示している。

【００４３】上記加工構造基板上に形成した溝の周期長
Ｌは１２μｍであったが、その周期長Ｌをさらに短くす
れば溝の密度が増加し、貫通転位密度の低減が可能とな
る。また、本実施の形態１では溝幅６μｍであったが、
さらに溝幅を狭くしても構わない。さらに、本実施の形
態では溝の周期を一定としたが、溝の間隔を２０μｍ以
下にする限り、溝の周期は必ずしも一定である必要はな
い。

【００４４】（実施の形態２）本実施の形態２は、実施
の形態１の変形例であり、サファイア基板に形成する溝
部のパターンを変更した以外は本質的に実施の形態１と
同一である。図３に本実施の形態２によって構成された
加工構造基板１００を示す。

【００４５】本実施の形態２は、サファイア基板のＣ面
上にサファイア基板の［１１−２０］と［−２１１０］
方向に沿って溝部１１１を形成した加工構造基板１００
と、加工構造基板１００直上にｎ型ＧａＮ膜を８μｍ成
長させた構造からなる。以下に、本実施の形態２で作製
した加工構造基板１００と加工構造基板１００上に結晶
成長したｎ型ＧａＮ膜について説明する。

【００４６】成長用基板としてサファイア基板のＣ面を
用いた。図３の加工構造基板１００はＦＩＢ技術を使用
して作製した。サファイア基板表面上に形成された溝部
１１１は、幅ｂ＝１μｍ、深さｈ＝３μｍで、溝の間隔
の周期Ｌ＝３μｍである。このときの溝部１１１の方向
はサファイア基板に対して［１１−２０］と［−２１１
０］方向である。

【００４７】次に、加工構造基板１００にＭＯＣＶＤ装
置を用いてｎ型ＧａＮ膜を結晶成長した。図３の加工構
造基板１００を有機溶媒にて十分に洗浄し、ＭＯＣＶＤ
装置内にセッティングした。ｎ型ＧａＮ膜成長前に、Ｈ
₂ガスフロー中、基板温度１０２５℃で、加工構造基板
１００を約１０分間、サーマルクリーニングした。次
に、基板温度を５００℃に下げ、ＩＩＩ族原料としてＴ
ＭＡ（トリメチルアルミニウム）２０ｃｃ／ｍｉｎを、
Ｖ族原料としてＮＨ₃５０００ｃｃ／ｍｉｎを供給し、
約５０ｎｍのＡｌＮバッファ層を成長させた。この手法
は、サファイア基板上にエピタキシャル成長させるため
の公知技術と同一である。

【００４８】次に、基板温度を１０００℃に昇温し、Ｔ
ＭＧ（５０ｃｃ）、ＮＨ₃（５０００ｃｃ）とドナー不
純物であるＳｉＨ₄（シラン）を供給し、ｎ型ＧａＮ膜
を８μｍ成長した。

【００４９】実施の形態１で述べたようにｎ型ＧａＮ膜
の厚みが２μｍを越えた辺りから、基板表面に作製した
溝部１１１が空洞部を残したままＧａＮ膜によって覆わ
れ、ｎ型ＧａＮ膜が平坦化し始めた。さらに成長を続
け、ｎ型ＧａＮ膜の厚みが８μｍ程度で貫通転位の密度
は約１０⁵〜１０⁶ｃｍ^-2程度になった。窒化物半導体成
長膜のバンド端付近からのＰＬ発光強度は、実施の形態
１と同じく非常に強く、かつ不純物によるディープレベ
ルからの発光強度は極めて弱かった。このことから、実
施の形態１と同じく高品質のＧａＮ単膜が形成された。

【００５０】本実施の形態２では溝幅に対する溝の深さ
の相対的な深さが実施の形態１の場合よりも深くなって
おり、溝幅よりも溝の深さが大きくすることで気相成長
時における原料ガスの溝内部への供給が極端に不十分に
なって、溝内部にほとんど結晶成長が起こらなくするこ
とができた。

【００５１】また、本実施の形態では、溝の方向が複数
の方向に形成されている。サファイア基板に対して＜１
１−２０＞方向の溝は、サファイア基板のＣ面内に［１
１−２０］、［−２１１０］、［１−２１０］の３種存
在する。本実施例のように窒化物半導体がサファイア基
板に対してＣ軸配向で結晶成長する場合、同様に、窒化
物半導体のＣ面内に３種の方向が存在する。本実施の形
態２で使用した加工構造基板は、３種の方向の内、２種
を選択してサファイア基板のＣ面上に溝部１１１を形成
したものである。このことにより、加工構造基板上に結
晶成長したＧａＮは、これら２種の方向の各々に対して
垂直な方向にラテラル成長を促進させられている。ま
た、本実施の形態２の溝の間隔の一周期は、実施の形態
１の溝の間隔の一周期の半分と短くなっており、溝の密
度を増加させている。従って、実施の形態２で得られた
貫通転位密度は実施の形態１のそれと比べて１桁程度改
善されていた。

【００５２】（実施の形態３）本実施の形態３は、実施
の形態２の変形例であり、実施の形態２で記述したサフ
ァイア基板＜１１−２０＞の等価な３種全ての方向に沿
って溝部を形成したものである。従って、窒化物半導体
に関して３種の＜１−１００＞方向全てを選択したこと
にも相当する。尚、本実施の形態３はサファイア基板に
形成する溝部のパターンを変更した以外は実施の形態２
と同一である。

【００５３】図４に本実施の形態３によって構成された
加工構造基板１００を示す。本実施の形態３は、サファ
イア基板のＣ面上にサファイア基板の［１１−２０］、
［−２１１０］と［１−２１０］方向に沿って溝部１１
２を形成した加工構造基板１００と、加工構造基板１０
０直上にｎ型ＧａＮ膜を８μｍ成長させた構造からな
る。以下に、本実施の形態３で作製した加工構造基板１
００について説明する。成長用基板としてサファイア基
板のＣ面を用いた。図４の加工構造基板１００は実施形
態２と同様にＦＩＢ技術を使用して作製した。サファイ
ア基板表面上に形成された溝１１２は、幅ｂ＝１μｍ、
深さｈ＝２μｍで、溝の間隔の一周期Ｌ＝４μｍであ
る。このときの溝１１２の方向はサファイア基板に対し
て、［１１−２０］、［−２１１０］と［１−２１０］
方向である。

【００５４】本実施の形態３では、結晶成長したＧａＮ
が全３種の方向の各々に対して垂直な方向にラテラル成
長している。また、実施の形態２と同様に溝部の深さｈ
が溝部の幅ｂよりも長いことから、基板と窒化物半導体
膜との間から生じた応力歪みを受け難くなる。

【００５５】本実施の形態３で得られた貫通転位密度な
らびにＰＬ発光強度による結果は実施の形態２のそれと
ほぼ同等であった。このことから、実施の形態２と同じ
く高品質のＧａＮ単膜が形成され、また、クラックの発
生も同様に抑制された。

【００５６】（実施の形態４）本実施の形態４は、実施
の形態１または実施の形態２の変形例であり、サファイ
ア基板のＣ面をサファイア基板のＭ面に変更し、溝の方
向を適宜選択したこと以外は同一である。以下に、本実
施の形態４で作製した加工構造基板について説明する。

【００５７】サファイア基板Ｍ面と窒化物半導体である
ＧａＮとのエピタキシャル関係は、（０１−１０）sapp
hire／／（０１−１３）GaN、［０００１］sapphire／
／［２−１−１０］GaNである。従って、Ｍ面サファイ
ア基板に関して［０００１］方向に｛１−１００｝面を
含む溝部を、あるいは［２−１−１０］方向に沿って溝
部を形成すると、前者の溝の方向はサファイア基板の劈
開面であるＭ面（｛１−１００｝面）を含んでおり、後
者の溝の方向はサファイア基板Ｍ面上に結晶成長したＧ
ａＮのラテラル成長に対して垂直である。これらの方向
を片方のみ、または両方をサファイア基板のＭ面上に形
成し、これを加工構造基板とする。 片方向のみに溝部
を形成した場合は実施の形態１に、両方向に溝部を形成
した場合は実施の形態２に属する。

【００５８】本実施の形態４に即して溝部の幅ｂ＝２μ
ｍ、深さｈ＝３μｍ、溝の間隔の一周期Ｌ＝５μｍで、
加工構造基板を作製し、窒化物半導体膜を１０μｍ成長
した。加工構造基板の溝部は片方向のみまたは両方向に
形成した２種類について試作を行ったが、これらの貫通
転位密度は共に１０⁶〜１０⁷ｃｍ^-2程度であった。この
貫通転位密度の値は、これまでの従来例で報告されたマ
スクパターンを利用したそれと比べてほぼ同程度であっ
た。本実施の形態４では、上記実施の形態１〜３のよう
に、基板の劈開面内の方向と窒化物半導体のラテラル成
長に対して垂直方向とが一致していない。実施の形態２
または３に比べてその貫通転位密度が１桁程度悪くなっ
た１つの要因として上記理由が考えられる。ＰＬ発光強
度に関しては上述の実施の形態１と同様に、窒化物半導
体のバンド端付近の発光によるＰＬ発光強度は非常に強
く、不純物に起因したディープレベルからの発光強度は
極めて弱かった。また、クラックの発生も同様に抑制さ
れた。

【００５９】（実施の形態５）本実施の形態５は、実施
形態１〜３の変形例であり、サファイア基板のＣ面をサ
ファイア基板のＡ面に変更した以外は同一である。以下
に、本実施の形態５で作製した加工構造基板について説
明する。

【００６０】サファイア基板Ａ面上に窒化物半導体であ
るＧａＮをエピタキシャル成長させた場合、窒化物半導
体の結晶成長条件によってサファイア基板Ａ面とＧａＮ
との配向関係に以下の２種が存在する。即ち、（２−１
−１０）sapphire／／（０００１）GaN、［０００１］s
apphire／／［２−１−１０］GaN、［０１−１０］sapp
hire／／［０１−１０］GaNと、（２−１−１０）sapph
ire／／（０００１）GaN、［０００１］sapphire／／
［０１−１０］GaN、［０１−１０］sapphire／／［２
−１−１０］GaNである。前者の配向関係をエピタキシ
ャル関係１、後者のそれをエピタキシャル関係２とす
る。

【００６１】エピタキシャル関係１の場合、サファイア
基板Ａ面に関して［０００１］方向とその［０００１］
方向と３２．４°の方向に、あるいは［０１−１０］方
向に沿って溝部を形成する。前者の２つの溝部の方向は
サファイア基板の劈開面であるＭ面（｛１−１００｝
面）とＲ面（｛０１−１２｝面）をそれぞれ含んでお
り、後者のそれはサファイア基板Ａ面上に結晶成長した
ＧａＮのラテラル成長に対して垂直である。これらの方
向を各方向のみ、または組み合わせてサファイア基板の
Ａ面上に形成し、これを加工構造基板とする。

【００６２】片方向のみに溝部を形成した場合は実施の
形態１に、これら溝部を組み合わせて形成した場合は実
施の形態２または実施の形態３にそれぞれ属する。本実
施の形態５のサファイア基板Ａ面かつエピタキシャル関
係１によって得られた効果は実施の形態４と同等であっ
た。また、クラックも同様に抑制された。

【００６３】次に、エピタキシャル関係２の場合、溝部
をサファイア基板Ａ面に関して［０００１］方向に、ま
たはその［０００１］方向と３２．４°の方向に沿って
形成する。前者の溝部の方向はサファイア基板の劈開面
であるＭ面（｛１−１００｝面）を含み、かつサファイ
ア基板Ａ面上に結晶成長したＧａＮのラテラル成長に対
して垂直である。従って、サファイア基板のＣ面を使用
した実施の形態１と同じ効果が得られる。次に後者の溝
部の方向は、サファイア基板の劈開面であるＲ面（｛０
１−１２｝面）を含んでいる。これらの方向の片方を、
または両方をサファイア基板のＡ面上に形成し、これを
加工構造基板とする。

【００６４】片方向のみに溝部を形成した場合は図２の
実施の形態１に、これら溝部を組み合わせて形成した場
合は実施の形態２または実施の形態３にそれぞれ属す
る。本実施の形態５のサファイア基板Ａ面かつエピタキ
シャル関係２によって得られた効果は実施の形態１と同
等であった。また、クラックも同様に抑制された。

【００６５】（実施の形態６）本実施の形態６は、実施
形態１の変形例であり、サファイア基板のＣ面をサファ
イア基板のＲ面に変更した以外は上記実施の形態と同一
である。以下に、本実施の形態６で作製した加工構造基
板について説明する。サファイア基板Ｒ面と窒化物半導
体であるＧａＮとのエピタキシャル関係は、（０１１−
２）sapphire／／（２−１−１０）GaN、［２−１−１
０］sapphire／／［０１−１０］GaNである。従って、
サファイア基板Ｒ面に関して［２−１−１０］方向に
｛１−１００｝面を含む溝部を形成する。溝部の方向は
サファイア基板の劈開面であるＭ面（｛１−１００｝
面）を含んでいる。上記方向をサファイア基板のＲ面上
に形成し、これを加工構造基板とする。本実施の形態６
によって得られた貫通転位密度は約１０⁷〜１０⁸ｃｍ^-2
程度で、一般的な従来技術であるマスクパターンを利用
して得られたそれと比べて若干悪い程度であった。しか
しながら、不純物に起因したＰＬ発光強度は実施の形態
１と同等であった。また、クラックも同様に抑制され
た。

【００６６】（実施の形態７）本実施の形態７は、実施
形態１〜３の変形例であり、サファイア基板のＣ面を６
Ｈ−ＳｉＣ基板の（０００１）面に変更した以外は上記
実施の形態と同一である。以下に、本実施の形態７で作
製した加工構造基板について説明する。６Ｈ−ＳｉＣ基
板の（０００１）面上に窒化物半導体であるＧａＮをエ
ピタキシャル成長させた場合、６Ｈ−ＳｉＣ基板（００
０１）面とＧａＮとのエピタキシャル関係は、（０００
１）6H−SiC／／（０００１）GaN、［２−１−１０］6H
−SiC／／［２−１−１０］GaN、［０１−１０］sapphi
re／／［０１−１０］GaNである。

【００６７】従って、溝を６Ｈ−ＳｉＣ基板（０００
１）面に関して［２−１−１０］方向に、あるいは［０
１−１０］方向に沿って形成する。前者の溝部の方向は
６Ｈ−ＳｉＣ基板（０００１）面の劈開面である｛１−
１００｝面を含んでおり、後者のそれは６Ｈ−ＳｉＣ基
板（０００１）面上に結晶成長したＧａＮのラテラル成
長に対して垂直である。これらの方向の片方を、または
両方を６Ｈ−ＳｉＣ基板（０００１）面上に形成し、こ
れを加工構造基板とする。

【００６８】片方向のみに溝を形成した場合は実施の形
態１に、これら溝部を組み合わせて形成した場合は実施
の形態２または実施の形態３に属する。本実施の形態７
で得られた加工構造基板による効果は実施の形態４と同
等であった。

【００６９】（実施の形態８）本実施の形態８は、実施
形態１から実施の形態３の変形例であり、サファイア基
板のＣ面をＭｇＡｌ₂Ｏ₄（マグネシアスピネル）基板の
（１１１）面に変更した以外は上記実施の形態と同一で
ある。以下に、本実施の形態８で作製した加工構造基板
について説明する。

【００７０】ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板の（１１１）面上に窒化
物半導体であるＧａＮをエピタキシャル成長させた場
合、 ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板（１１１）面とＧａＮとのエピ
タキシャル関係は、（１１１）MgAl₂O₄／／（０００
１）GaN、［−１１０］MgAl₂O₄／／［２−１−１０］Ga
N、［１１−２］MgAl₂O₄／／［０１−１０］GaNであ
る。

【００７１】従って、ＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板の（１１１）面
上に関して［−１１０］方向に｛１００｝面を含む溝部
を、あるいは［１１−２］方向に沿って溝部を形成す
る。前者の溝部の方向はＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板（１１１）面
の劈開面である｛１００｝面を含んでおり、後者のそれ
はＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板（１１１）面上に結晶成長したＧａ
Ｎのラテラル成長に対して垂直である。これらの方向の
片方を、または両方をＭｇＡｌ₂Ｏ₄基板（１１１）面上
に形成し、これを加工構造基板とする。

【００７２】１方向のみに溝部を形成した場合は実施の
形態１に、これら溝部を組み合わせて形成した場合は実
施の形態２または実施の形態３にそれぞれ属する。本実
施の形態８で得られた加工構造基板による効果は実施の
形態４と同等であった。

【００７３】（実施の形態９）図５（ａ）は、本実施の
形態９によって作製されたＧａＮ膜の構成図を示す。図
５（ｂ）は、本実施の形態９で作製するＧａＮ膜の基板
を示す図である。本実施の形態は、サファイア基板のＣ
面上に無秩序に凹凸部１１３を形成した加工構造基板１
００と、加工構造基板直上にＧａＮ膜１２２を３０μｍ
成長させた構造からなる。以下に、本実施の形態９で作
製した加工構造基板１００について説明すると共に、Ｈ
ＶＰＥ法を用いたＧａＮ成長厚膜の作製方法について記
述する。

【００７４】成長用基板としてサファイア基板のＣ面を
使用した。図５（ｂ）に示してある加工構造基板１００
は、Ａｒ⁺イオンミリング法を用いてサファイア基板表
面上に無秩序の凹凸部１１３を形成した。この凹凸部１
１３は、表面荒さ計測で平均高低差が約３μｍ、凹凸部
の平均周期が約１３μｍ程度であった。

【００７５】次に、上記工程によって作製された凹凸部
１１３を有する加工構造基板１００上にＧａＮ膜１２２
の結晶成長を行う。まず、加工構造基板１００を有機溶
媒にて十分に洗浄し、ＨＶＰＥ装置内にセッティングし
た。ＧａＮ膜１２２結晶成長前に、Ｈ₂ガスフロー中、
基板温度１０２５℃で、加工構造基板１００を約１０分
間、サーマルクリーニングした。次にＧａＮ膜１２２を
結晶成長させるために、Ｖ族ガスとしてＮＨ₃ガスとキ
ャリアＨ₂ガスをそれぞれ２０００ｃｃ／ｍｉｎ、１０
０００ｃｃ／ｍｉｎで混合したガスを、ＩＩＩ族ガスに
ついてはＨＶＰＥ装置内に予め約７００℃の温度で保持
されたＧａ金属上に、ＨＣｌガス１００ｃｃ／ｍｉｎを
供給してＧａとＨＣｌガスとの反応生成物であるＩＩＩ
族塩化物とキャリアＨ₂ガス１０００ｃｃ／ｍｉｎとを
混合したガスを、それぞれ加工構造基板１００がセッテ
ィングされているＨＶＰＥ成長槽に送り込み、ＧａＮ膜
１２２を約３０μｍ成長させた。このようにして図５
（ａ）に示すＧａＮ膜が形成できる。

【００７６】ＧａＮ膜１２２の厚みが５μｍを越えた辺
りから、加工構造基板１００表面に作製した凹凸部１１
３が空洞部を残したままＧａＮ膜１２２で覆われ、平坦
化し始めた。また、さらに成長を続け、ＧａＮ膜１２２
の厚みが３０μｍで貫通転位の密度は約１０⁸ｃｍ^-2程
度になった。基板表面を光学顕微鏡で観測したところク
ラックは発生していなかった。本実施の形態９で得られ
たＧａＮ膜中の貫通転位密度の値は、従来より報告され
ているマスクパターンを使用しないＨＶＰＥ法を用いた
厚膜成長方法のそれと同程度であった。しかしながら、
直接サファイア基板上に結晶成長させた従来の厚膜成長
方法に比べて、本実施の形態９の加工構造基板を使用し
て作製した成長膜には、その初期成長段階において成長
膜表面にクラックは発生しておらず、同じ貫通転位密度
を有していても成長厚膜の厚みは薄い。

【００７７】以上、各実施の形態においては、形成され
る窒化物半導体としてＧａＮを例に説明したが、これを
他の窒化物半導体、例えばＡｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ（０
≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）や、あるいは、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ
_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の構成元素の一部
（組成比１０％以下）をＢ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔ
ａ、Ｚｒ、Ｓｃ、Ｔｌ、Ｇｄ、Ｌａ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂな
どの元素で置換した材料であっても良い。

【００７８】（実施の形態１０）図６は、本実施の形態
１０によって作製されたＬＤ素子構造を示してる。本実
施の形態では、実施形態２で作製されたｎ型ＧａＮ膜付
き加工構造基板２００直上に、ＭＯＣＶＤ装置を用いて
発光素子構造としてＬＤ素子構造を作製した例である。

【００７９】以下に、本実施の形態の半導体発光素子の
製造方法について説明する。

【００８０】まず、実施の形態２で説明した方法で作製
した窒化物半導体構造（加工構造基板と加工構造基板上
のｎ型ＧａＮ膜）２００をＭＯＣＶＤ装置に搬送し、１
０５０℃でサーマルクリーニングを行った。ＭＯＣＶＤ
装置に装備されている原料ガスの内、Ｖ族原料ガスとし
てＮＨ₃ガスを、ＩＩＩ族ガスとしてＴＭＧ（トリメチ
ルガリウム）とドナー不純物としてＳｉＨ₄（シラン）
ガスを用い、成長温度１０００℃で第１のＳｉドープｎ
型ＧａＮ層２０１を窒化物半導体構造上に３μｍ成長さ
せた。

【００８１】続いて、第２のクラッド層を作製するため
に、原料ガスとしてＮＨ₃、ＴＭＧとＴＭＡ（トリメチ
ルアルミニウム）を、ドナー不純物としてＳｉＨ₄ガス
を用い、Ｓｉドープｎ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層２０２を
０．４μｍ成長させた。

【００８２】次に、第３の光ガイド層を作製するために
原料ガスとしてＮＨ₃とＴＭＧを、ドナー不純物として
ＳｉＨ₄ガスを用い、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２０３を
０．１μｍ成長させた。

【００８３】次に、第４の多重量子井戸活性層を作製す
るために原料ガスとしてＮＨ₃、ＴＭＧとＴＭＩ（トリ
メチルインジウム）を、ドナー不純物としてＳｉＨ₄ガ
スを用い、Ｓｉドープｎ型の多重量子井戸Ｉｎ_0.2Ｇａ
_0.8Ｎ（２ｎｍ）／Ｉｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（３ｎｍ）層２
０４を５周期作製した。続いて、上記量子井戸活性層中
のＩｎが活性層直上の窒化物半導体層を成長中に蒸発し
てしまわないようにｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ蒸発防止層２
０５を３０ｎｍ成長させた。

【００８４】次に、第５の光ガイド層を作製するために
原料ガスとしてＮＨ₃とＴＭＧを、アクセプタ不純物と
してＥｔＣｐ₂Ｍｇ（ビスエチルシクロペンタジエニル
マグネシウム）を用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層２０６
を０．１μｍ成長させた。

【００８５】次に、第６のクラッド層を作製するため
に、原料ガスとしてＮＨ₃、ＴＭＧとＴＭＡを、アクセ
プタ不純物としてＥｔＣｐ₂Ｍｇガスを用い、Ｍｇドー
プｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層２０７を０．４μｍ成長させ
た。

【００８６】最後に第７のコンタクト層を作製するため
に、原料ガスとしてＮＨ₃、ＴＭＧとＴＭＡ（トリメチ
ルアルミニウム）を、アクセプタ不純物としてＥｔＣｐ
₂Ｍｇガスを用い、Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層２０８を
０．５μｍ成長させた。

【００８７】さらに、ＬＤ素子化のために正電極２１
０、負電極２０９をそれぞれＭｇドープｐ型ＧａＮ層２
０８、Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層２０１上に形成した。上
記ＬＤ素子構造のｎ型層とｐ型層の積層方法は、先にｐ
型層を積層して、活性層、ｎ型層を積層しても良い。

【００８８】また、上記ＬＤ素子構造は、実施の形態２
で作製した表面の平坦なｎ型ＧａＮ膜が付いた加工構造
基板２００を使用したが、実施の形態１、３〜９の方法
で作製されたＧａＮ膜を使用してもよい。さらには、各
実施の形態でのＧａＮ膜の形成と本実施の形態でのＬＤ
素子構造の作製を一装置内部で一貫して作製しても構わ
ない。あるいは、各実施の形態により得られたＧａＮ膜
から加工構造基板を除去したものを用いても構わない。

【００８９】本実施の形態１０によって作製されたＬＤ
素子を５０℃雰囲気下、２ｍＷ光出力の高温加速試験に
かけたところ室温時使用換算で８０００時間以上の連続
発振寿命を確認した。この連続発振寿命は、従来技術に
よって作製されたＬＤ素子を同様の高温加速試験にかけ
て得られた寿命の約２０％以上の向上であった。このよ
うな信頼性の高いＬＤ素子が実現できたのは、上記実施
の形態による転位密度の低減および不純物混入防止の効
果によるものである。

【００９０】（実施の形態１１）図７は、本実施の形態
１１によって作製された発光素子構造としてＬＥＤ素子
構造を示めす。本実施の形態では、上記実施の形態で作
製された窒化物半導体構造上に、ＭＢＥ装置を用いてＬ
ＥＤ素子構造を作製した例について説明する。

【００９１】実施の形態１で作製されたｎ型ＧａＮ膜付
き加工構造基板３００をＭＢＥ装置に搬送し、第１のｎ
型ＧａＮ層３０１を２μｍ成長させた。次に、第２のｎ
型単一量子井戸Ｉｎ_0.45Ｇａ_0.55Ｎ層３０２を４ｎｍ作
製した。続いて、上記量子井戸活性層中のＩｎが活性層
直上の窒化物半導体層を成長中に蒸発してしまわないよ
うにｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ蒸発防止層３０３を１００ｎ
ｍ成長させた。最後に、第３のｐ型ＧａＮコンタクト層
３０４を０．４μｍ成長させた。

【００９２】さらに、ＬＥＤ素子化のため、正電極３０
６、負電極３０５をそれぞれＭｇドープ第３のｐ型Ｇａ
Ｎコンタクト層３０４、第１のｎ型ＧａＮ層３０１上に
形成した。

【００９３】本実施の形態１１によって作製されたＬＥ
Ｄ素子の電子−光子変換効率を測定したところ、実用上
問題ないと見なすことのできる５％以上の素子がウエハ
ー全体の約８８％以上存在し、従来技術によるＬＥＤ素
子歩留まり率を約１３％アップすることができた。ま
た、同ＬＥＤ素子を１０００時間後の信頼試験にかけた
ところ、試験開始時の９７％以上の発光強度を得ること
ができた。これにより実用上の信頼性も確保された。こ
のような信頼性の高いＬＥＤ素子が実現できたのは、上
記実施の形態による転位密度の低減および不純物混入防
止の効果、クラック防止の効果によるものである。

【００９４】また、上記ＬＥＤ素子構造は、実施の形態
１で作製したｎ型ＧａＮ膜が付いた加工構造基板３００
を使用したが、実施の形態２〜９の方法で作製されたＧ
ａＮ膜を使用してもよい。さらには、各実施の形態での
ＧａＮ膜の形成と本実施の形態でのＬＤ素子構造の作製
を一装置内部で一貫して作製しても構わない。あるい
は、各実施の形態により得られたＧａＮ膜から加工構造
基板を除去したものを用いても構わない。

【００９５】（実施の形態１２）図９（ａ）は、本実施
の形態によって作製されたＧａＮ膜４０５の構成図を示
す。また、図９（ａ）中の破線（ＧａＮ層４０２とＧａ
Ｎ膜４０５との境界線）は図９（ｃ）の溝４０３の凹凸
形状に対応している。本実施の形態１２は、サファイア
基板４００上に結晶成長したＧａＮバッファ層４０１、
ＧａＮ層４０２、ＧａＮ層４０２上に形成された溝４０
３、上記溝４０３によって生じた空洞部４０４とＧａＮ
膜４０５から構成されている。

【００９６】次に、本実施の形態１２の作製方法につい
て説明する。成長用基板はサファイア基板のＣ面を使用
した。まず、サファイア基板４００をＭＯＣＶＤ装置炉
内に搬送し、基板温度１１００℃、Ｈ₂雰囲気中で１０
分間サーマルクリーニングを行った。続いて、ＩＩＩ族
原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）とＶ族原料と
してアンモニア（ＮＨ₃）を成長炉内に供給し、成長温
度５５０℃でＧａＮバッファ層４０１を３０ｎｍ成長し
た。上記成長は、ＧａＮバッファ層以外にＡｌＮバッフ
ァ層を使用しても良い。これらバッファ層の成長は窒化
物半導体結晶成長における周知技術である。ＧａＮバッ
ファ層４０１を成長した後、基板温度を１０５０℃まで
昇温させて、ＧａＮ層４０２を３μｍ成長させた。次
に、ＧａＮ層４０２まで結晶成長した基板（以下、サフ
ァイア付きＧａＮ基板と記す。）をＭＯＣＶＤ装置炉か
ら取り出して、ＧａＮ層４０２面上にＦＩＢ法を用いて
ＧａＮ結晶に対して＜１１−２０＞方向に溝４０３を形
成した。溝４０３の側壁面はＧａＮ結晶のへき開面であ
る｛１−１００｝面を含んでいる。このときに形成され
た溝４０３の上面図と断面図をそれぞれ図９（ｂ）と図
９（ｃ）に示している。図９に示されるように、成長面
側にＧａＮ膜が設けられた基板となっている。

【００９７】溝４０３は、幅ｂ＝５μｍ、深さｈ＝２μ
ｍで、溝と溝の間隔（１周期）Ｌ＝１０μｍである。こ
のときの溝の幅ｂと溝の深さｈとの関係は少なくともｈ
≧０．２×ｂとする。

【００９８】上記手法によって形成された溝４０３を含
むＧａＮ層４０２上にＧａＮ膜４０５をＨＶＰＥ法を用
いて２００μｍ成長した。このＧａＮ膜４０５の作成方
法について下記に示す。

【００９９】まず、上記サファイア付きＧａＮ膜基板を
有機溶媒にて十分に洗浄し、ＨＶＰＥ装置内に搬送す
る。次にＧａＮ膜４０５を結晶成長させるために、Ｖ族
ガスとしてＮＨ₃ガスとキャリアＨ₂ガスをそれぞれ２０
００ｃｃ／ｍｉｎ、１００００ｃｃ／ｍｉｎで混合した
ガスを、ＩＩＩ族ガスについてはＨＶＰＥ装置内に予め
約７００℃の温度で保持されたＧａ金属上に、ＨＣｌガ
ス１００ｃｃ／ｍｉｎを供給してＧａとＨＣｌガスとの
反応生成物であるＩＩＩ族塩化物とキャリアＨ₂ガス１
０００ｃｃ／ｍｉｎとを混合したガスを、それぞれＨＶ
ＰＥ成長炉に送り込み、ＧａＮ膜４０５を２００μｍ成
長させた。ＧａＮ膜４０５は溝４０３を完全に埋没させ
て平滑に成長した。光学顕微鏡でＧａＮ膜４０５の表面
観察を行ったところ、クラックは発生していなかった。
本実施の形態１２で得られたＧａＮ膜４０５の貫通転位
密度は約１０⁶〜１０⁷ｃｍ^-2であった。また、前記実施
の形態同様にＳｉＯ₂等のマスクパターンを使用してい
ないため、不純物の混入を防ぐことができた。

【０１００】溝４０３の断面形状は矩形であったが、Ｇ
ａＮ膜４０５が成長する段階で｛１−１０１｝ファセッ
ト面が自己形成された（図９（ｄ））。これは｛１−１
０１｝面がその他の面方位に比べてＧａＮの結晶成長速
度の遅い面であるためである。本実施の形態１２で溝４
０３を＜１１−２０＞方向に形成したのは、窒化物半導
体結晶（特にＧａＮ結晶）に関して、｛０００１｝面に
比べて結晶成長速度の遅い｛１−１０１｝面を溝４０３
の側壁面として出現させるためである。従って、窒化物
半導体結晶の｛１−１０１｝面（あるいはファセット面
として）が現れる方法であれば、上記溝の＜１１−２０
＞方向に限るものではない。

【０１０１】ＧａＮ膜４０５が溝４０３を埋没させてい
くプロセスについて観察した結果以下のことがわかっ
た。ＧａＮ層４０２上に形成された溝４０３は、ＧａＮ
膜４０５の成長とともに溝の深さが深くなった。これ
は、｛０００１｝面での成長が｛１−１０１｝面での結
晶成長よりも早いために溝が埋まらずに成長軸方向に成
長が促進されたため、あたかも溝の深さが深くなったよ
うに見えるためである（図９（ｄ））。つまり、｛１−
１０１｝面が他の面よりもＧａＮの結晶成長速度が遅い
ため（表面拡散長距離が長い）、｛１−１０１｝面に飛
来してきたＧａ原子がＧａＮとなって取り込まれる前に
｛０００１｝面にＧａ原子が吐き出されてしまい、｛０
００１｝面上でＮ原子と結合してＧａＮが成長するもの
と考えられる。

【０１０２】ＧａＮ膜４０５の結晶成長が進むにつれて
｛０００１｝面の成長面積が減少し、最終的には｛１−
１０１｝ファセット面で囲まれた三角形状の凹凸形状を
有する溝が形成される。このときの構成を図９（ｄ）の
実線で示す。図９（ａ）中の破線は図９（ｃ）の溝４０
３に対応している。さらにＧａＮの結晶成長が進むと吐
き出し先となる｛０００１｝面がないために（｛１−１
０１｝ファセット面しかないために）、今度は｛１−１
０１｝ファセット面が結晶成長し始める。これは、｛０
００１｝面の成長が成長軸方向の成長であるのに対し
て、｛１−１０１｝ファセット面の成長は擬似的にラテ
ラル方向（成長軸に対して横方向）への成長である。こ
の｛１−１０１｝ファセット面の成長が始まることによ
って溝部４０３が埋まり始める。しかしながら、｛１−
１０１｝ファセット面で溝部が覆われるまで成長軸方向
に成長が進んでいたため、溝の深さが溝４０３を形成し
たときの深さよりも深くなっていること（原料ガスが入
り込みにくくなっている）と、溝部の両隣りからラテラ
ル成長によって結晶成長してきたＧａＮは溝の中央で会
合するが、若干の結晶配向関係の違いにより完全に結合
せずに隙間が生じる。この時の構成を図９（ｅ）に示
す。図９（ｅ）中の破線及び点線は、それぞれ図９
（ｃ）と図９（ｄ）の構成図に対応している。以上の要
因が空洞部４０４を形成するものとなる。

【０１０３】このようにして形成された空洞部４０４に
よって、前記実施例と同様に歪みの緩和が生じるものと
考えられる。貫通転位密度の低減に関しては上記空洞部
以外に、ラテラル成長によって空洞部４０４が埋まる際
に｛１−１０１｝ファセット面を境界面として貫通転位
が成長軸方向から横軸方向に折れ曲がるためにＧａＮ膜
４０５最表面に到達する貫通転位密度が低減するものと
考えられる。

【０１０４】窒化物半導体膜膜上に形成された溝部の深
さｈが溝部の幅ｂに対してｈ≧ｂであるときは、溝部が
十分に深く原料ガスが溝部の底部まで到達しないため
に、溝部が埋没することなく空洞部が形成される。従っ
て、十分に溝の深さが深い場合は本実施の形態１２では
なく、例えば実施の形態２または３と同様に空洞部が形
成される。

【０１０５】（実施の形態１３）本実施の形態１３は、
実施の形態１２の溝方向を窒化物半導体結晶の＜１−１
００＞方向に変更した以外は実施の形態１２と同様であ
る。

【０１０６】従って、実施の形態１２と同様に、図９
（ａ）〜（ｃ）を用いて、本実施の形態を説明する。

【０１０７】図９（ａ）は、サファイア基板４００、Ｇ
ａＮバッファ層４０１、ＧａＮ層４０２、ＧａＮ層４０
２上に形成された溝４０３、前記溝４０３が形成された
ＧａＮ層４０２上にＧａＮ膜４０５を積層させたとき、
ＧａＮ膜４０５によって埋没されずに残った空洞部４０
４と、ＧａＮ膜４０５から構成されている。ただし、図
９（ａ）中の破線は、溝４０３の形状を示すために便宜
上記載したものであり、ＧａＮ膜４０５を積層すること
によって、該破線で示す形状は消失する。

【０１０８】次に、本実施の形態のＧａＮ膜４０５の製
造方法について説明する。成長用基板はサファイア基板
のＣ面を使用した。まず、サファイア基板４００をＭＯ
ＣＶＤ装置炉に搬送し、基板温度１１００℃、Ｈ₂雰囲
気中で１０分間サーマルクリーニングを行った。続い
て、ＩＩＩ族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）
とＶ族原料としてアンモニア（ＮＨ₃）を成長炉内に供
給し、成長温度５５０℃でＧａＮバッファ層４０１を３
０ｎｍ成長した。上記成長は、ＧａＮバッファ層以外に
ＡｌＮバッファ層を使用しても良い。これらバッファ層
の成長は窒化物半導体結晶成長における周知技術であ
る。ＧａＮバッファ層４０１を成長した後、基板温度を
１０５０℃まで昇温させて、ＧａＮ層４０２を２μｍ成
長させた。次に、ＧａＮ層４０２まで結晶成長した基板
（以下、サファイア付きＧａＮ基板と記す。）をＭＯＣ
ＶＤ装置炉から取り出して、ＧａＮ層４０２面上に反応
性イオンエッチング法を用いてＧａＮ結晶に対して＜１
−１００＞方向に溝４０３を形成した。溝４０３の側壁
面はＧａＮ結晶の｛１１−２０｝面を含んでいる。この
ときに形成された溝４０３の上面図と断面図をそれぞれ
図９（ｂ）と図９（ｃ）に示している。図９に示される
ように、成長面側にＧａＮ膜が設けられた基板となって
いる。

【０１０９】溝４０３は、幅ｂ＝３μｍ、深さｈ＝１μ
ｍで、溝と溝の間隔（１周期）Ｌ＝７μｍである。この
ときの溝の幅ｂと溝の深さｈとの関係は、ｈ≧０．２×
ｂを満たしている。

【０１１０】上記手法によって形成された溝４０３を含
むＧａＮ層４０２上に、実施の形態１２と同様に、ＨＶ
ＰＥ法を用いてＧａＮ膜４０５を８０μｍ成長した。Ｇ
ａＮ膜４０５は溝４０３を埋没させて平滑に成長した。
光学顕微鏡でＧａＮ膜４０５の表面観察を行ったとこ
ろ、クラックは発生していなかった。本実施の形態１３
で得られたＧａＮ膜４０５の貫通転位密度は約１０⁶〜
１０⁷ｃｍ^-2であった。また、前記実施の形態同様にＳ
ｉＯ₂等のマスクパターンを使用していないため、不純
物の混入を防ぐことができた。

【０１１１】溝４０３の断面形状は矩形であったが、Ｇ
ａＮ膜４０５が成長する段階で｛１１−２ｉ｝ファセッ
ト面が自己形成された。ここで、ｉは、０≦ｉ≦３であ
る。｛１１−２ｉ｝ファセット面が複数種存在するの
は、成長条件によって、自己形成ファセット面が変化す
るからである。本発明者らによる知見によれば、Ｖ族原
料とＩＩＩ族原料の分圧比に依存し、Ｖ族原料／ＩＩＩ
族原料が比較的高いと｛１１−２０｝ファセット面が形
成されやすく、逆に低いと、｛１１−２２｝面や｛１１
−２３｝面に類似したファセット面が現れる。

【０１１２】このような、自己形成ファセット面が出現
するのは、｛１１−２ｉ｝面が｛０００１｝面に比べて
ＧａＮの結晶成長速度が遅いためである。特に、｛１１
−２０｝ファセット面は、成長面｛０００１｝に対して
垂直であり、ＧａＮの結晶成長速度も遅い。

【０１１３】本実施の形態１３で溝４０３を＜１−１０
０＞方向に形成したのは、窒化物半導体結晶（特にＧａ
Ｎ結晶）に関して、｛０００１｝面に比べて結晶成長速
度の遅い｛１１−２ｉ｝面（０≦ｉ≦３）を溝４０３の
側壁面として出現させるためである。従って、窒化物半
導体結晶の｛１１−２ｉ｝面（あるいはファセット面と
して）が現れる方法であれば、上記溝の＜１−１００＞
方向に限るものではない。ＧａＮ膜４０５が溝４０３を
被覆していくプロセスについて観察した結果以下のこと
がわかった。

【０１１４】ＧａＮ層４０２上に形成された溝４０３
は、ＧａＮ膜４０５の成長とともに溝の深さが深くなっ
た。これは、｛０００１｝面での成長が｛１１−２ｉ｝
面での結晶成長よりも早いために溝が埋まらずに成長軸
方向に成長が促進されたため、あたかも溝の深さが深く
なったように見えるためである。つまり、｛１１−２
ｉ｝面が｛０００１｝面よりもＧａＮの結晶成長速度が
遅いため（表面拡散長距離が長い）、｛１１−２ｉ｝面
に飛来してきたＧａ原子がＧａＮとなって取り込まれる
前に｛０００１｝面にＧａ原子が吐き出されてしまい、
｛０００１｝面上でＮ原子と結合してＧａＮが成長する
ものと考えられる。さらに詳細に調べたところ、本実施
の形態で得られた上記溝の深さは、実施の形態１２と比
べて多少浅かった。これは、実施の形態１２の｛１−１
０１｝ファセット面と比べると、｛１１−２ｉ｝ファセ
ット面（０≦ｉ≦３）のＧａＮ結晶成長速度が速いため
（表面拡散長距離が短い）、溝が深くなる前に埋まって
いく（空洞部４０４が小さくなる）ためだと考えられ
る。従って、溝４０３を＜１−１００＞方向に形成した
場合は、空洞部４０４を形成しにくい恐れがある。前記
解決方法として、溝４０３を＜１−１００＞方向に形成
した場合に限り、ｈ≧０．２×ｂまたはｈ≧ｂの関係を
満たしていても、溝の底部をサファイア基板まで掘り下
げなければ良い。つまり、少なくとも窒化物半導体が溝
４０３の底部に接していることが好ましい。上記理由は
定かではないが、このようにすることで、｛１１−２
ｉ｝ファセット面に飛来したＧａ原子が溝の底部とＧａ
Ｎ層４０２表面（｛０００１｝面）の両面に吐き出さ
れ、｛１１−２ｉ｝ファセット面の成長速度を抑えるこ
とができるのではないかと思われる。前記溝の底部に吐
き出されたＧａ原子は溝の底部に成長してしまうもの
の、ＧａＮ層４０２表面に比べて、溝部はガスが入りに
くいため、結果的に溝４０３の深さは深くなるものと考
えられる。一方、溝の底部がサファイアの場合、｛１１
−２ｉ｝ファセット面から吐き出されたＧａ原子がサフ
ァイア上には付着しにくいことから再び｛１１−２ｉ｝
ファセット面に戻りこむため、｛１１−２ｉ｝ファセッ
ト面の成長速度を抑えることができず、溝４０３の深さ
は前記に比べて非常に浅くなってしまい、空洞部４０４
が殆ど形成されなかった。

【０１１５】上述した溝４０３が形成されたＧａＮ層４
０２上の成長は、ＧａＮ膜４０５の結晶成長が進むにつ
れて｛０００１｝面の成長面積が減少し、最終的には
｛１１−２ｉ｝ファセット面で囲まれた三角形状の凹凸
形状を有する溝が形成される。ただし、｛１１−２０｝
ファセット面の場合は、矩形形状を維持したまま成長す
る。

【０１１６】上記ファセット形状のうち、溝の側壁面と
して｛１１−２ｉ｝ファセット面（０＜ｉ≦３）が出現
した場合、上記三角形状の後、さらにＧａＮの結晶成長
が進むと、吐き出し先となる｛０００１｝面がないため
に、今度は｛１１−２ｉ｝ファセット面が結晶成長し始
める。これは、｛０００１｝面の成長が成長軸方向の成
長であるのに対して、｛１１−２ｉ｝ファセット面の成
長は擬似的にラテラル方向（成長軸に対して横方向）へ
の成長である。この｛１１−２ｉ｝ファセット面の成長
が始まることによって溝部４０３が埋まり始める。しか
しながら、｛１１−２ｉ｝ファセット面で溝部が覆われ
るまで成長軸方向に成長が進んでいたため、溝の深さが
溝４０３を形成したときの深さよりも深くなっているこ
と（原料ガスが入り込みにくくなっている）と、溝部の
両隣りからラテラル成長によって結晶成長してきたＧａ
Ｎは溝の中央で会合するが、若干の結晶配向関係の違い
により完全に結合せずに隙間が生じる。以上の要因が空
洞部４０４を形成するものとなる。

【０１１７】一方、溝の側壁面として｛１１−２０｝フ
ァセット面が出現した場合、矩形形状のまま結晶成長が
進み、｛０００１｝面の成長軸方向の成長と、｛１１−
２０｝ファセット面のラテラル方向（成長軸に対して横
方向）への成長が同じに起きる。この｛１１−２０｝フ
ァセット面の成長によって溝部４０３が埋まり始める。
しかしながら、｛１１−２０｝ファセット面で溝部が覆
われるまで成長軸方向の成長が進んでいたため、溝の深
さが溝４０３を形成したときの深さよりも深くなってい
ること（原料ガスが入り込みにくくなっている）と、溝
部の両隣りからラテラル成長によって結晶成長してきた
ＧａＮは溝の中央で会合するが、若干の結晶配向関係の
違いにより完全に結合せずに隙間が生じる。以上の要因
が空洞部４０４を形成するものとなる。

【０１１８】このようにして形成された空洞部４０４に
よって、前記実施例と同様に歪みの緩和が生じるものと
考えられる。貫通転位密度の低減に関しては上記空洞部
以外に、ラテラル成長によって空洞部４０４が埋まる際
に｛１１−２ｉ｝ファセット面を境界面として貫通転位
が成長軸方向から横軸方向に折れ曲がるためにＧａＮ膜
４０５最表面に到達する貫通転位密度が低減するものと
考えられる。

【０１１９】窒化物半導体膜膜上に形成された溝部の深
さｈが溝部の幅ｂに対してｈ≧ｂであるときは、溝部が
十分に深く原料ガスが溝部の底部まで到達しないため
に、溝部が埋没することなく空洞部が形成される。

【０１２０】本実施の形態のように溝部の方向を＜１−
１００＞方向に形成した場合、実施の形態１２で記述し
た＜１１−２０＞方向に形成したときと比べて、上記ラ
テラル成長速度は速く、ＧａＮ膜４０５の膜厚を厚く積
まなくとも、平坦なＧａＮ膜４０５を得ることができ
る。また、ラテラル成長速度が速いので溝部の幅を広く
することができ、貫通転位密度をより一層低減すること
ができる。

【０１２１】本実施の形態の利用方法として、例えば、
サファイア基板４００を研磨機で剥ぎ取り、ＧａＮ膜４
０５を取りだして、ＧａＮ基板として使用することもで
きる。あるいは、本実施の形態で得られたＧａＮ膜４０
５上に、実施の形態１０または実施の形態１１の発光素
子を作製することによって、発光特性の優れた素子を作
製することができる。

【０１２２】特に、光を発する活性層を有する発光素子
構造は、前記溝部の上方に形成した方が良い。例えば、
窒化物半導体レーザダイオードの場合、前記溝部の上方
に、リッジストライプの方向と前記溝部の方向とが、平
行に形成されていることが好ましい。さらに好ましく
は、リッジストライプの形成位置が、前記溝部の中央線
から少なくとも１μｍ離れた位置の上方部に、前記溝部
の方向に沿って形成することである。上記溝部の中央か
ら１μｍ離したのは、溝部の中央部は、ラテラル成長の
結果、ＧａＮ膜が会合する部分であって、多少貫通転位
密度が高く、割れやすいためである。リッジストライプ
の方向は、レーザダイオードのミラー端面の形成を考慮
すると、＜１−１００＞方向が好ましく、従って、溝の
形成方向もまた、＜１−１００＞方向であることが好ま
しい。上記のように溝部より十分上方の位置にリッジス
トライプを形成することによって、発振寿命が長く、発
振閾値電流密度の低いレーザダイオードを製造すること
ができる。もちろん、上記ＧａＮ基板上に発光素子を形
成しても良いし、発光素子を形成後、サファイア基板４
００を剥ぎ取っても良い。

【０１２３】本実施の形態で示した溝部の方向は、＜１
−１００＞方向から±５°以内であれば本実施の形態と
同様の効果が得られる。また、実施の形態１２の溝部の
方向においても＜１１−２０＞方向から±５°以内であ
れば、実施の形態１２と同様の効果が得られる。ただ
し、溝部の側壁面は、上記実施の形態で述べたファセッ
ト面と類似したファセット面が出現する。

【０１２４】（実施の形態１４）本実施の形態１４は、
実施の形態１２または実施の形態１３の、溝部の底部を
低温ＧａＮバッファ層まで掘り下げて形成した以外は、
実施の形態１２または実施の形態１３と同様である。

【０１２５】本実施の形態で作製されたＧａＮ膜５０５
の構造を図１０（ａ）に示す。図１０（ａ）は、サファ
イア基板５００、低温ＧａＮバッファ層５０１、ＧａＮ
層５０２、空洞部５０４、ＧａＮ膜５０５、多結晶Ｇａ
Ｎ５０６から構成されている。次に、本実施の形態の、
ＧａＮ膜５０５の製造方法について説明する。まず、サ
ファイア基板５００をＭＯＣＶＤ装置炉に搬送し、基板
温度１１００℃、Ｈ₂雰囲気中で１０分間サーマルクリ
ーニングを行った。続いて、ＩＩＩ族原料としてトリメ
チルガリウム（ＴＭＧ）とＶ族原料としてアンモニア
（ＮＨ₃）を成長炉内に供給し、成長温度５５０℃で低
温ＧａＮバッファ層５０１を３０ｎｍ成長した。上記成
長は、低温ＧａＮバッファ層以外に低温ＡｌＮバッファ
層または低温Ａｌ_xＧａ_1-xＮバッファ層（０＜ｘ＜１）
を使用してもよい。ここで、低温窒化物半導体バッファ
層とは、６００℃以下の成長温度で窒化物半導体を成長
した層のことを指すものとする。

【０１２６】また、前記低温バッファ層の結晶性は、非
晶質である。低温ＧａＮバッファ層５０１を成長した
後、基板温度を１０５０℃まで昇温させて、ＧａＮ層５
０２を４μｍ成長させた。このようにして作製した成長
膜積層構造を図１０（ｂ）に示す。低温ＧａＮバッファ
層５０１は非晶質であったが、ＧａＮ層５０２を積層す
るために、成長温度を少なくとも１０００℃以上に上げ
るため、非晶質から多結晶に変化する。従って、ＧａＮ
層５０２成長後の低温ＧａＮバッファ層は、その殆どが
多結晶化している。

【０１２７】次に、前記ＧａＮ層５０２まで結晶成長し
た基板を反応性イオンエッチング装置にセットし、Ｇａ
Ｎ層５０２面上に溝５０３を形成した。このときの溝の
構成を図１０（ｃ）に示す。溝５０３は、幅ｂ＝８μ
ｍ、深さｈ＝３．９９μｍで、溝と溝の間隔（１周期）
Ｌ＝２０μｍである。このように溝５０３の底部が低温
ＧａＮバッファ層５０１に到達するように形成した。溝
５０３の方向は実施の形態１２または実施の形態１３の
ように、＜１１−２０＞方向もしくは＜１−１００＞方
向に形成するのが好ましい。

【０１２８】上記手法によって形成された溝５０３を含
むＧａＮ層５０２上に、実施の形態１２と同様に、ＨＶ
ＰＥ法を用いてＧａＮ膜５０５を３００μｍ成長させ
た。その結果、ＧａＮ膜５０５は溝５０３を被覆して平
滑に成長した。光学顕微鏡でＧａＮ膜５０５の表面観察
を行ったところ、クラックは発生していなかった。本実
施の形態１４で得られたＧａＮ膜５０５の貫通転位密度
は約５×１０⁶ｃｍ^-2であった。また、前記実施の形態
同様にＳｉＯ₂等のマスクパターンを使用していないた
め、不純物の混入を防ぐことができた。

【０１２９】ＧａＮ膜５０５が溝５０３を被覆していく
プロセスについて観察した結果以下のことがわかった。
ＧａＮ層５０２上に形成された溝５０３は、ＧａＮ膜５
０５の成長とともに溝の深さが深くなった。これは、溝
５０３の底部の位置が低温ＧａＮバッファ層まで達して
いて、該溝５０３の底部は多結晶のＧａＮから構成され
ているためである。つまり、前記溝５０３以外のＧａＮ
層５０２の表面（凸部）には成長軸方向にＧａＮ単結晶
が成長するものの、前記溝部には、多結晶ＧａＮ５０６
しか成長されず、あらゆる面方位を有する方向で成長が
進み、溝５０３が埋まりにくくなって、結果的に空洞部
５０４が形成される。このようにして、溝部が埋まらず
に成長軸方向に成長が促進されたため、あたかも溝の深
さが深くなったように見える。

【０１３０】以上のことから、空洞部５０４を形成する
要因として以下のことが考えられる。溝５０３以外のＧ
ａＮ層５０２の表面（凸部）は、｛０００１｝面の成長
軸方向の成長と、成長軸に対して横方向（ラテラル成
長）への、結晶成長が同じに起きていて、前記ラテラル
成長によって溝部５０３が被覆し始める。しかしなが
ら、溝５０３は、多結晶ＧａＮ５０６のためになかなか
埋まりにくく、その間、成長軸方向の成長が進んでいた
ため、溝の深さが溝５０３を形成したときの深さよりも
深くなる（原料ガスが入り込みにくくなっている）。さ
らに、溝部は多結晶であることから、ＧａＮ膜５０５と
は連続的につながって成長することができず、溝５０３
以外のＧａＮ層５０２の表面（凸部）からのラテラル成
長によってのみ溝部は被覆される。

【０１３１】また、多結晶ＧａＮ５０６は互いに異なる
結晶方位から構成されているため、粒界状になってい
て、微小な隙間が無数にできている。したがって、仮
に、空洞部５０４が多結晶ＧａＮ５０６で埋まったとし
ても、多結晶ＧａＮ５０６の直上のＧａＮ膜５０５は歪
の緩和を受けることになる。

【０１３２】このようにして形成された空洞部５０４も
しくは多結晶ＧａＮ５０６によって、前記実施例と同様
に歪みの緩和が生じる。貫通転位密度の低減に関しては
上記空洞部以外に、ラテラル成長によって空洞部５０４
が埋まる際に、貫通転位が成長軸方向から横軸方向に折
れ曲がるためにＧａＮ膜５０５最表面に到達する貫通転
位密度が低減するものと考えられる。

【０１３３】本実施の形態の利用方法として、例えば、
サファイア基板５００を研磨機で剥ぎ取り、３００μｍ
のＧａＮ膜５０５を取りだして、ＧａＮ基板として使用
することができる。

【０１３４】あるいは、本実施の形態で得られたＧａＮ
膜５０５上に、実施の形態１０または実施の形態１１の
発光素子を作製することによって、発光特性の優れた素
子を作製することができる。

【０１３５】特に、光を発する活性層を有する素子は、
前記溝部の上方に形成した方が良い。例えば、窒化物半
導体レーザダイオードの場合、前記溝部の上方に、リッ
ジストライプの方向と前記溝部の方向とが、平行に形成
されていることが好ましい。さらに好ましくは、リッジ
ストライプが、前記溝部の中央線から横方向に少なくと
も１μｍ離れた位置の上方に、前記溝部の方向に沿って
形成することである。

【０１３６】上記溝部の中央線から１μｍ離したのは、
溝部の中央線の位置は、ラテラル成長の結果、ＧａＮ膜
が会合する部分であって、多少貫通転位密度が高く、割
れやすいためであり、この領域上方にリッジストライプ
を形成することは好ましくない。リッジストライプの方
向は、レーザダイオードのミラー端面の形成を考慮する
と、＜１−１００＞方向が好ましく、従って、溝の形成
方向もまた、＜１−１００＞方向であることが好まし
い。上記位置にリッジストライプを形成することによっ
て、発振寿命が長く、発振閾値電流密度の低いレーザダ
イオードを製造することができる。もちろん、上記Ｇａ
Ｎ基板上に発光素子を形成しても良いし、発光素子を形
成後、サファイア基板５００を剥ぎ取っても良い。

【０１３７】本実施の形態では、溝部に多結晶ＧａＮ５
０６が成長することによって空洞部５０４が形成される
ため、溝の幅には、基本的に依存しないが、より効率良
く空洞部５０４を形成するためには、溝の幅ｂと溝の深
さｈとの関係は、ｈ≧０．２×ｂ、もしくはｈ≧ｂであ
ることがこのましい。

【０１３８】（実施の形態１５）本実施の形態１５は、
実施の形態１２の溝方向を窒化物半導体結晶の[１１−
２０]と[−２１１０]方向の２方向に形成した以外は実
施の形態１２と同じである。

【０１３９】本実施の形態の、ＧａＮ膜の形成方法は、
実施の形態１２と同様の方法で作製した。ただし、溝の
方向は、窒化物半導体の[１１−２０]方向、[−２１１
０]方向、[１−２１０]方向の３種ある方向のうち、２
つを選択して溝形成した。

【０１４０】前記溝は、幅ｂ＝１０μｍ、深さｈ＝５μ
ｍで、溝と溝の間隔（１周期）Ｌ＝１５μｍである。ま
た、サファイア基板上に成長したＧａＮ層の厚みは６μ
ｍである。このことにより貫通転位密度が約７×１０⁵
ｃｍ^-2に低減した。上記溝は、ｈ≧０．２×ｂの関係を
満たしているが、ｈ≧ｂであってもよい。また、実施の
形態１４のように、溝の底部の位置が、低温バッファ層
まで到達するように溝形成しても良い。さらに、互いの
溝における、溝幅、溝の深さ、溝と溝との間隔を同一に
しなくとも良い。

【０１４１】（実施の形態１６）本実施の形態１６は、
実施の形態１２の溝方向を窒化物半導体結晶の[１１−
２０]、[−２１１０]、[１−２１０]方向に形成した以
外は実施の形態１２と同じである。

【０１４２】本実施の形態の、ＧａＮ膜の形成方法は、
実施の形態１２と同様の方法で作製した。ただし、溝の
方向は、窒化物半導体の[１１−２０]方向、[−２１１
０]方向、[１−２１０]方向の３種ある方向のうち、全
てを選択して溝形成した。

【０１４３】前記溝は、幅ｂ＝５μｍ、深さｈ＝５．５
μｍで、溝と溝の間隔（１周期）Ｌ＝１０μｍである。
また、サファイア基板上に成長したＧａＮ層の厚みは６
μｍである。このことにより貫通転位密度が約２×１０
⁵ｃｍ^-2に低減した。上記溝は、ｈ≧ｂの関係を満たし
ているが、ｂ＞ｈ≧０．２×ｂであってもよい。また、
実施の形態１４のように、溝の底部の位置が、低温バッ
ファ層まで到達するように溝形成しても良い。さらに、
互いの溝における、溝幅、溝の深さ、溝と溝との間隔を
同一にしなくとも良い。

【０１４４】（実施の形態１７）本実施の形態１７は、
実施の形態１３の溝方向を窒化物半導体結晶の[１−１
００]と[１０−１０]方向に形成した以外は実施の形態
１３と同じである。

【０１４５】本実施の形態の、ＧａＮ膜の形成方法は、
実施の形態１３と同様の方法で作製した。ただし、溝の
方向は、窒化物半導体の[１−１００]方向、[１０−１
０]方向、[０１−１０]方向の３種ある方向のうち、２
つを選択して溝形成した。

【０１４６】前記溝は、幅ｂ＝８μｍ、深さｈ＝０．９
９μｍで、溝と溝の間隔（１周期）Ｌ＝１６μｍであ
る。また、サファイア基板上に成長した低温ＧａＮバッ
ファ層とＧａＮ層の厚みは、それぞれ、３０ｎｍ、１μ
ｍである。このことにより貫通転位密度が約７×１０⁶
ｃｍ^-2に低減した。

【０１４７】上記溝は、溝底部の位置が低温バッファ層
まで到達するように溝形成しているが、ｈ≧０．２×ｂ
の関係、もしくはｈ≧ｂの関係を満たしていてもよい。
さらに、互いの溝における、溝幅、溝の深さ、溝と溝と
の間隔を同一にしなくとも良い。

【０１４８】（実施の形態１８）本実施の形態１８は、
実施の形態１３の溝方向を窒化物半導体結晶の[１−１
００]、[１０−１０]、[０１−１０]方向に形成した以
外は実施の形態１３と同じである。

【０１４９】本実施の形態の、ＧａＮ膜の形成方法は、
実施の形態１３と同様の方法で作製した。ただし、溝の
方向は、窒化物半導体の[１−１００]方向、[１０−１
０]方向、[０１−１０]方向の３種ある方向のうち、全
てを選択して溝形成した。

【０１５０】前記溝は、幅ｂ＝４μｍ、深さｈ＝０．９
８μｍで、溝と溝の間隔（１周期）Ｌ＝１０μｍであ
る。また、サファイア基板上に成長した低温ＧａＮバッ
ファ層とＧａＮ層の厚みは、それぞれ、３０ｎｍ、１μ
ｍである。このことにより貫通転位密度が約２×１０⁵
ｃｍ^-2に低減した。

【０１５１】上記溝は、溝底部の位置が低温バッファ層
まで到達するように溝形成されていて、かつｈ≧０．２
×ｂの関係を満たしているが、ｈ≧ｂの関係を満たして
いてもよい。さらに、互いの溝における、溝幅、溝の深
さ、溝と溝との間隔を同一にしなくとも良い。

【０１５２】（実施の形態１９）本実施の形態１９は、
溝方向を＜１１−２０＞方向と＜１−１００＞方向に形
成した以外は、実施の形態１２または実施の形態１３と
同じである。

【０１５３】本実施の形態の、ＧａＮ膜の形成方法は、
実施の形態１２または実施の形態１３と同様の方法で作
製した。ただし、溝の方向は、窒化物半導体の＜１１−
２０＞方向と＜１−１００＞方向である。前記溝は、幅
ｂ＝２μｍ、深さｈ＝１μｍで、溝と溝の間隔（１周
期）Ｌ＝６μｍである。また、サファイア基板上に成長
したＧａＮ層の厚みは２μｍである。このことにより貫
通転位密度が約５×１０ ⁵ｃｍ^-2に低減した。

【０１５４】上記溝は、ｈ≧０．２×ｂの関係を満たし
ているが、ｈ≧ｂであってもよい。また、実施の形態１
４のように、溝の底部の位置が、低温バッファ層まで到
達するように溝形成しても良い。さらに、互いの溝にお
ける、溝幅、溝の深さ、溝と溝との間隔を同一にしなく
とも良い。

【０１５５】

【発明の効果】以上のように、本発明を適用することに
より、窒化物半導体と格子定数または熱膨張係数の異な
る基板上に、結晶転位密度が少なく、厚膜の窒化物半導
体膜を形成してもクラックがなく、かつ不純物混入の少
ない高品質な窒化物半導体を、複雑な２段階成長を行う
ことなくエピタキシャル成長させることが可能となっ
た。

【０１５６】さらに、上記窒化物半導体膜の製法によっ
て成長した高品質の窒化物半導体膜上に発光素子構造を
作製した場合、歩留まり率が高く、非常に発光効率の高
いＬＥＤまたはＬＤを作製することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の窒化物半導体を示す図
である。

【図２】本発明の実施の形態１の加工構造基板を示す図
である。

【図３】本発明の実施の形態２の加工構造基板を示す図
である。

【図４】本発明の実施の形態３の加工構造基板を示す図
である。

【図５】本発明の実施の形態９の加工構造基板及び窒化
物半導体を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態１０のレーザダイオード素
子構造を示す図ある。

【図７】本発明の実施の形態１１の発光ダイオード素子
構造を示す図である。

【図８】本発明における成長方法を説明する図である。

【図９】本発明の実施の形態１２の窒化物半導体膜構造
を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態１４の窒化物半導体膜構
造を示す図である。

【符号の説明】

１００ 加工構造基板 １１０ 溝部 １１１、１１２、１１５ 溝 １１３ 凹凸部 １１４ 凸部 １１６ 空洞部 １２０ ＧａＮバッファ層 １２１ ｎ型ＧａＮ膜 １２２ ＧａＮ膜 １２３ 凸部上の窒化物半導体膜 １２４ 溝上の窒化物半導体膜 １２５ 窒化物半導体 ２００、３００ 窒化物半導体構造 ２０１ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層 ２０２ Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮ層 ２０３ Ｓｉドープｎ型ＧａＮ層 ２０４ ｎ型ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ多重量子井戸層 ２０５ ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層 ２０６ Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層 ２０７ Ｍｇドープｐ型Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ層 ２０８ Ｍｇドープｐ型ＧａＮ層 ２０９、３０５ 負電極 ２１０、３０６ 正電極 ３０１ 第１のｎ型ＧａＮ層 ３０２ 第２のｎ型単一量子井戸ＩｎＧａＮ層 ３０３ ｐ型ＡｌＧａＮ蒸発防止層 ３０４ 第３のｐ型ＧａＮコンタクト層 ４００ サファイア基板 ４０１ ＧａＮバッファ層 ４０２ ＧａＮ層 ４０３ 溝 ４０４ 空洞部 ４０５ ＧａＮ膜 ５００ サファイア基板 ５０１ 低温ＧａＮバッファ層 ５０２ ＧａＮ層 ５０３、５０４ 空洞部 ５０５ ＧａＮ膜 ５０６ 多結晶ＧａＮ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹部及び凸部を成長面に設けた基板と、
   前記成長面上に形成された窒化物半導体膜とを有し、 前記凹部において前記窒化物半導体膜と前記基板との間
   に空洞を有することを特徴とする窒化物半導体構造。
2. 【請求項２】 前記凹部及び凸部は、複数の平行な溝に
   よって構成されていることを特徴とする請求項１に記載
   の窒化物半導体構造。
3. 【請求項３】 前記溝の幅ｂが１０μｍ以下であり、溝
   の深さｈがｈ≧０．２×ｂであり、かつ、隣り合う溝の
   中心線間の距離が２０μｍ以下であることを特徴とする
   請求項２に記載の窒化物半導体構造。
4. 【請求項４】 前記溝の幅ｂが１０μｍ以下であり、溝
   の深さｈがｈ≧ｂであり、かつ、隣り合う溝の中心線間
   の距離が２０μｍ以下であることを特徴とする請求項２
   に記載の窒化物半導体構造。
5. 【請求項５】 前記溝が、前記窒化物半導体に対して＜
   １−１００＞方向に沿って形成されていることを特徴と
   する請求項２乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体構
   造。
6. 【請求項６】 前記溝が、前記基板の劈開面あるいはエ
   ッチング安定面の方向に沿って形成されていることを特
   徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の窒化物半導
   体構造。
7. 【請求項７】 少なくとも前記基板の成長面は窒化物半
   導体からなり、前記溝は、前記窒化物半導体に対して＜
   １−１２０＞方向に沿って設けられていることを特徴と
   する請求項２乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体構
   造。
8. 【請求項８】 少なくとも前記基板の成長面は窒化物半
   導体からなり、前記溝は、前記窒化物半導体に対して＜
   １−１００＞方向に沿って設けられ、かつ、前記溝の底
   部は、窒化物半導体からなることを特徴とする請求項２
   乃至４のいずれかに記載の窒化物半導体構造。
9. 【請求項９】 前記溝の底部の窒化物半導体が多結晶で
   あることを特徴とする請求項７又は８に記載の窒化物半
   導体構造。
10. 【請求項１０】 基板の成長面に凹部と凸部、もしくは
    平行な複数の溝を形成する工程と、 前記基板の成長面に窒化物半導体膜を成長させることに
    よって、前記凹部もしくは溝にて空洞を有するようにす
    る工程とを、順次に行うことを特徴とする窒化物半導体
    構造の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至９のいずれかに記載の窒
    化物半導体構造と、前記窒化物半導体構造上に形成され
    た窒化物半導体からなる活性層を有する発光素子構造と
    からなることを特徴とする発光素子。
12. 【請求項１２】 前記発光素子構造に設けられたリッジ
    ストライプ構造が、前記窒化物半導体構造中の凹部の中
    央線から横方向に少なくとも１μｍ以上の位置の、上方
    に設けられ、かつ、リッジストライプの方向が少なくと
    も１つの溝の方向と平行であることを特徴とする請求項
    １１に記載の発光素子。