JP2000294827A

JP2000294827A - 窒化物半導体の成長方法

Info

Publication number: JP2000294827A
Application number: JP9707199A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kiyohisa; 裕之清久
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 1999-04-02
Publication date: 2000-10-20
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: JP3375064B2

Abstract

(57)【要約】【目的】窒化物半導体の成長方法において、安定した
成長形態により窒化物半導体からなる選択成長層を得る
ものである。【構成】本発明は、サファイア若しくはスピネルより
なる異種基板の上に、窒化物半導体を成長させ、その表
面に部分的にストライプ状の保護膜を設けて選択成長層
を成長させる際に、保護膜のストライプ方向が異種基板
の主面に垂直な結晶の面に対し、垂直な方向から０．１
〜０．４°だけ傾いていることにより、安定した横方向
の選択成長を実現し、均一で良好な結晶性の窒化物半導
体が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は基板となり得るような結
晶欠陥の少ない窒化物半導体（Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ
_1-X-YＮ、０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）の成長方法と、発
光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、
太陽電池、光センサー等の発光素子、受光素子、あるい
はトランジスタ、パワーデバイス等の電子デバイスに使
用される窒化物半導体素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に半導体を基板上に成長させる際、
成長させる半導体と格子整合した基板を用いると半導体
の結晶欠陥が少なくなって結晶性が向上することが知ら
れている。しかし、窒化物半導体は格子整合する基板が
現在世の中に存在しないことから、一般にサファイア、
スピネル、炭化ケイ素のような窒化物半導体と格子整合
しない異種基板の上に成長されている。

【０００３】そのため、良好な窒化物半導体素子を得る
ため、窒化物半導体の成長方法について様々な方法が検
討されている。その中で、保護膜を形成して窒化物半導
体を選択成長させる方法が盛んに研究されている。

【０００４】この選択成長とは、例えばサファイア上に
成長させたＧａＮ層上に、ＳｉＯ₂よりなる保護膜を部
分的に形成し、その保護膜上から再度ＧａＮを有機金属
気相成長法（ＭＯＶＰＥ）等の気相成長法により成長さ
せることで、保護膜が形成されていない部分（以下、窓
部という）から成長が開始し、次第に保護膜上部でＧａ
Ｎの横方向の成長が生じ、隣接する窓部から横方向に成
長したＧａＮ同士が保護膜上で接合して成長を続け、結
晶欠陥の極めて少ない窒化物半導体を得ることができ
る。

【０００５】このような保護膜を形成した後、窒化物半
導体の横方向の成長を利用して窒化物半導体を成長させ
る方法は、エピタキシャルラテラルオーバーグロウス
（Epitaxially lateral over growth : ＥＬＯＧ）と呼
ばれている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したような選択成
長層を有する基板を、例えばレーザ素子に用いる場合に
は、基板の状態がそれにより得られる素子の特性を大き
く左右するものである。すなわち、結晶性、表面モフォ
ロジーの良好な基板であれば、素子特性が向上できるた
め、基板をそのように改良することは重要である。

【０００７】しかし、このような選択成長にも問題点が
ある。それは、選択成長層は上述したように保護膜上部
で横方向に成長して選択成長層が結合して形成されるた
め、保護膜上部と、窓部上部の選択成長層はその成長機
構が異なるため、結晶性に違いが生まれる。これは、選
択成長層表面において、保護膜の上方と、保護膜と保護
膜との間にある窓部の上方では、結晶性が異なるため、
基板表面が結晶性の異なる領域が分布することになる。
この時、素子構造を形成に好ましい領域は、保護膜上方
であり、この領域を有効に利用する必要がある。

【０００８】しかし、そのような素子形成に良好な領域
が占める割合を多くするために、保護膜の面積を大きく
すると別の問題が発生する。それは、上述した選択成長
層の結合部で、保護膜との間に空隙が形成されることで
あり、この保護膜上での空隙の発生は、保護膜の幅を広
くすると多くなり、大きくなる傾向がある。このような
空隙は、基板に悪影響を及ぼす存在となることがあるた
め、良好な基板の形成にはそれを制御する必要がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記事情に鑑
み成されたものであり、選択成長を好ましい状態に制御
し、良好な窒化物半導体基板を提供するものである。

【００１０】すなわち、本発明の窒化物半導体の成長方
法は、サファイア若しくはスピネルよりなり、第１の主
面とそれに垂直な第２の結晶の面とを有する異種基板の
該第１の主面上に、第１の窒化物半導体を成長させる第
１の工程と、ストライプ方向が前記異種基板の第２の結
晶の面に垂直な方向から０．１〜０．４°の範囲となる
ように、前記第１の窒化物半導体表面に部分的にストラ
イプ状の保護膜を形成する第２の工程と、前記第１の窒
化物半導体表面に前記保護膜を介して窒化物半導体より
なる選択成長層を成長させる第３の工程とを具備するも
のであって、前記異種基板の第１の主面がサファイアＡ
面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面から選ばれる１つの面で、前記第
２の結晶の面がサファイアＡ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面から
選ばれる１つの面であること、又は前記異種基板の第１
の主面がスピネル（１１１）面であって、前記第２の結
晶の面がスピネル（１１０）面であることを特徴とす
る。このように、保護膜のストライプ方向を上記範囲内
とすることで、ストライプ方向において結合位置がほぼ
一定となる均一な選択成長層が形成されるため、良好な
結晶性、表面モフォロジーの窒化物半導体が得られる。

【００１１】更に、好ましくは、前記異種基板の第１の
主面と前記第２の結晶の面との組み合わせが、サファイ
アＣ面とＡ面、サファイアＡ面とＲ面、スピネル（１１
１）面と（１１０）面から選ばれる１組であることであ
る。この組み合わせでは、顕著に良好な選択成長がなさ
れ、より好ましい窒化物半導体が得られる。

【００１２】また、前記保護膜のストライプ幅が１０μ
ｍ以上であることにより、従来では困難であった広い幅
の保護膜を用いた成長も好適になされるため、好ましく
素子形成に用いることができる保護膜上部の領域が、大
きな面積の窒化物半導体が得られる。このため、素子形
成においてその設計自由度が高いものとなる。

【００１３】加えて、前記保護膜のストライプ幅Ｗ
_sと、窓部の幅Ｗ_wとの比Ｗ_w／Ｗ_sが０．２〜０．５の範
囲であることにより、上記多用される保護膜上部の領域
（面積）が、それ以外の窓部の領域（面積）に比べて大
きくすることができる。これは、保護膜の幅と窓部の幅
との比において、保護膜の幅の比率が高い上記範囲で、
良好な選択成長が可能で、素子形成に有利な窒化物半導
体が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、詳細に説
明する。

【００１５】本発明は、異種基板上に選択成長させた窒
化物半導体の成長を好ましく制御することで、素子形成
に有利な基板を形成するものである。具体的には、異種
基板として本発明では、サファイア、スピネルの基板を
用いたときの窒化物半導体の成長を制御するものであ
る。

【００１６】異種基板上に窒化物半導体を選択成長させ
ると、その条件により多様な形態で選択成長層が形成さ
れる。図１は、選択成長により窒化物半導体が成長する
様子を示すものである。選択成長は、基板の一部を窒化
物半導体と反応しない保護膜で覆い（図１（ａ））、保
護膜が覆われていない一部の基板表面から窒化物半導体
を成長させるものである（図１（ｂ），（ｃ））。上述
した窒化物半導体基板として着目されているＥＬＯＧ成
長は、一般的に基板にストライプ状の保護膜を形成し
て、保護膜の設けられていない窓部から窒化物半導体を
成長させて、隣り合う選択成長層が互いに保護膜上部で
結合して成膜されるものである（図１）。しかし、この
選択成長層同士が結合する際に、図１，２に観るような
空隙が形成される。本発明は、このような空隙を制御で
きるものであり、以下そのことについて詳しく説明す
る。

【００１７】本発明における異種基板としては、サファ
イア（Ａｌ₂Ｏ₃）、スピネル（ＭｇＡｌ₂Ｏ₄）の単結晶
基板を用いる。選択成長層の保護膜のストライプ方向を
決定するために用いる異種基板の主面及び結晶の面と
は、結晶構造に対する面方位のことである。具体的に
は、サファイア基板であれば、Ａ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ
面、スピネルであれば（１１１）、（１１０）面に対し
て、窒化物半導体を形成する面（主面）上記保護膜のス
トライプ方向を決定するもの（結晶の面）である。詳し
くは、上記結晶の面に垂直な方向と、異種基板の主面上
に形成された窒化物半導体表面に設ける上記保護膜のス
トライプ方向は、後述する範囲の角度を成すものであ
る。この時、保護膜は、上記異種基板の主面上に成長さ
せた窒化物半導体層表面に形成されるものである。ま
た、上記結晶の面方位は、具体的には、図７にサファイ
アのユニットセル図に示すように、上記Ａ面としては、
（１１2-０），（1-1-２０），（２1-1-０），（2-１１
０），（１2-１０），（１２1-０）、Ｍ面は（１1-０
０），（０1-１０），（1-０１０），（1-１００），
（０１1-０），（１０1-０）、Ｒ面は、（１1-０２），
（1-１０２），（０1-１２），（０１1-２），（１０1-
２），（1-０１２）、Ｃ面は（０００１）、スピネルは
（１１１）（１１０）である。ここで、この面指数の表
記は、図８に示す実際の面指数に対応する明細書中の表
記に従うものである。

【００１８】より具体的には、窒化物半導体を形成する
異種基板の主面とストライプ方向を決定する結晶の面
（以下、わかりやすくオリフラ面として記す）との組み
合わせは、サファイア基板において、Ｃ面を主面とし、
オリエンテーションフラット面（以下、オリフラ面と記
す）をＡ面とする場合には、このオリフラ面（Ａ面）に
垂直な方向に対して、保護膜のストライプ方向を決定す
る。更に、サライアの主面がＡ面でオリフラ面がＲ面で
ある、若しくはスピネルの主面が（１１１）面でオリフ
ラ面が（１１０）である場合に良好な選択成長層が形成
される。すなわち、良好な選択成長が成されることであ
り、これはウェーハ内では、成長速度など一般的に成長
形態が異なるが、そのような状況下においても、上記組
み合わせであれば、ウェーハ面内において、どの位置に
あっても後述するような、結合位置の安定性、近接の成
長層のＥＬＯＧ（横方向）成長時の均一性に優れるもの
となる。

【００１９】ここで、上記オリフラ面は特に基板結晶の
面に対応して設けられている必要はなく、予め保護膜の
ストライプの方向を考慮して、上記結晶の面からずれて
形成しても良い。実際に保護膜を設ける場合には、どち
らの異種基板を用いても良く、基板結晶の面に対応する
のであれば、そのオリフラ面に垂直な方向からの角度で
もってストライプ方向を決定し、ストライプの方向がオ
リフラ面に垂直になるように基板結晶の面からずれてオ
リフラ面が形成されていればそれに垂直にストライプの
方向を取れば良く、製造において特に差異はない。

【００２０】本発明において、選択成長層形成に用いる
保護膜は、結晶成長させる面（窒化物半導体表面）に部
分的に形成されるもので、保護膜が設けられていない領
域（窓部）から選択的に半導体層を成長させるものであ
る。この時、保護膜の形状としては、ストライプ状に形
成され、部分的に設けられていればよく、本発明ではこ
のストライプ方向を後述する範囲内に設けることで、好
ましい選択成長層が形成される。基板に成長させた窒化
物半導体の表面に形成されるそのストライプ方向とは、
上記単結晶基板の結晶の面に垂直な方向から０．１〜
０．４°の範囲でずれていることである。

【００２１】詳しく説明すると、従来は基板結晶の面、
例えば図４において、その面に対応するオリフラ面３に
垂直（ＡＡ方向）に、保護膜１のストライプが形成され
ていた（θ＝０°）。しかし、それでは、図１（ｂ）の
窒化物半導体１４が横方向に成長する際に（ＥＬＯ
Ｇ）、図１（ｃ）に示すように、隣り合う窓部から成長
した窒化物半導体が結合せず、途中でその横方向の成長
が止まり、平坦な表面が形成されない。また、図４にお
いて上記結晶の面に垂直な方向（ＡＡ方向）と、保護膜
１のストライプ方向とのなす角θが０．１°未満である
と、上述した垂直な場合（θ＝０°）と同様に、横方向
の成長が十分でなく、平坦な表面が形成されない。θが
０．４°を超えると、図５に示すように選択成長層５が
形成されるが、図中の矢印方向から観察すると、図３に
模式的に示すように、空隙５はジグザク模様として観察
される。すなわち、図３に示すように、形成される空隙
が安定せず、このような空隙の形成は良好な選択成長が
成されていないことを示すものである。

【００２２】この従来の選択成長層に観られる空隙の折
れ曲がり（図３）は、選択成長が均一に成されていない
ために起こるものであり、このような状態で例えその表
面が鏡面となっていてもその上に成長させる半導体層に
は表面上の不均一な結晶性が引き継がれるため、良好な
成長層を得ることができない。通常、上記ＥＬＯＧによ
る選択成長層は、図１（ｂ）に示すように、保護膜の設
けられていない窓部から縦方向に成長した後、横方向に
成長することにより隣の窓部から成長した成長層が、保
護膜の上部でつながることにより成膜されるものである
（図１（ｂ））。このため、上記空隙によるジグザグ模
様は、隣り合う窓部から成長した層の結合する位置が異
なることを示すものであり、均一な成長が成されていな
いことを示す。すなわち、従来の選択成長層は、保護膜
のストライプ方向において図５に観るように、空隙６が
折れ曲がり、その幅も大きく異なり、選択成長時の結合
位置がバラバラであるため、その選択成長層には多くの
ひずみが内在しており、良好な結晶性の窒化物半導体と
ならない。若しくは、上述した様に、結晶の面に対し保
護膜のストライプ方向をほぼ垂直とすると、横方向の成
長が不十分となる部分があり、こちらも良好な結晶性の
窒化物半導体とはならない。

【００２３】本発明者は、上記空隙の形状に着目するこ
とで、良好な選択成長層の形成方法を見いだすことがで
きたものである。すなわち、選択成長層を形成した後、
ウェーハを観察することで、選択成長層の成長形態を判
断できることを見いだした。詳しくは、図４において窒
化物半導体４表面に部分的にストライプ状の保護膜１
を、基板２の結晶の面に垂直な方向（ＡＡ方向）からθ
（０．１°＜θ＜０．４°）だけ傾けて形成し、図５に
おける選択成長層５を形成して、図中の矢印の方向から
観察することである。図２，３に観るように、選択成長
により形成させる空隙は、その成長形態により様々な形
態が観察される。このような違いが生まれる背景には、
図１（ｂ）に示すように、選択成長時の横方向の成長に
おいて、隣り合う選択成長層の成長速度、成長形態がほ
ぼ同一であれば、図２に示すように保護膜のストライプ
方向において、空隙に折れ曲がりがなく、結合位置がほ
ぼ一定で、良好な成長形態でもって選択成長層が形成さ
れるため、得られる窒化物半導体の結晶性も良好なもの
となる。しかし、図１（ａ）に観る選択成長時の横方向
の成長において、その成長がほぼ同等に成されない場合
には、図３に観るように、空隙５の形状が折れ曲がり、
その空隙５の幅もまちまちであり、保護膜１のストライ
プ方向において、不均一な結合位置でもって選択成長層
が形成されるため、得られる窒化物半導体の結晶性にも
同様な傾向がみられ、上記ストライプ方向において結晶
性にばらつきの分布を有するものとなり、これが上記θ
＞０．４の状態に該当ものである。更には、この横方向
の成長が不十分であると、成長層同士が結合せずにその
まま縦方向（膜厚方向）に成長し、結果として、ウェー
ハの窒化物半導体は、表面に亀裂を有するものとなり、
これが上記０°＜θ＜０．１°に該当し、その部分にお
いては素子の形成が不可能となる。

【００２４】従って、本発明は、保護膜のストライプ方
向が上記基板の結晶の面に対し、垂直な方向から０．１
〜０．４°の範囲にあることで、上述した良好な選択成
長、特に安定した横方向の成長、ストライプ方向におけ
る均一な成長が可能となり、良好な結晶性の窒化物半導
体が得られるものである。

【００２５】以上、選択成長の形態を説明するため、そ
の空隙を観察して判断する方法を示したが、本発明は特
にその空隙が必ず形成されるものに限定されるものでは
ない。これは、上記空隙は、選択成長時の横方向の成長
において、保護膜の表面に比較的近い上方で、選択成長
層の結合が成されないために生まれるものであり、結晶
の組成、成長温度などの成長条件によっては、空隙がほ
ぼ形成されない場合があることを示すものである。すな
わち、このように空隙が観察されない場合であっても、
上述したような、不均一な選択成長による結合位置の乱
れの発生は、同様な傾向にあるため、本発明のように、
保護膜のストライプ方向を限定することで、それを解決
する効果は、非常に有効なものである。従って、例え従
来のように上記結晶の面に対して垂直に保護膜を設け、
そして上記空隙が発生してない場合であっても、上述し
たような空隙の観察によりわかった不均一な選択成長そ
のものは何ら解決されるものでなく、本発明のように保
護膜のストライプ方向を上記範囲とすることで、均一な
選択成長、特に保護膜を覆う形態の横方向の成長が、良
好なものとなり、結果として得られる選択成長層も良好
なものとなる。

【００２６】本発明において、保護膜の幅と、保護膜ス
トライプの間隔（窓部の幅）とは、好ましくは以下のよ
うにすることである。保護膜の幅は、好ましくは１０μ
ｍ以上とすることで、良好な選択成長層が形成される。
これは、保護膜ストライプの幅が１０μｍを超えると、
上記ＥＬＯＧ成長時に形成される空隙が大きくなるが、
本発明ではその空隙を良好な形状に制御できるためであ
る。すなわち、選択成長層は保護膜の上部で横方向に成
長し、隣り合う選択成長層同士が結合して平坦な表面を
形成するため、保護膜の幅が広くなると必然的に横方向
の成長の距離が長くなり、横方向への成長速度が選択成
長層に大きく影響するためである。これは、保護膜の幅
が広くなるため、隣り合う選択成長層が横方向に均一に
成長しなければ上述した従来例のように、結合位置が保
護膜のストライプ方向において異なることとなり、結果
空隙がジグザグ模様となる。従って、本発明では、上記
範囲でストライプ方向を決定することにより、従来のも
のに比べて、選択成長時の保護膜上部を覆う横方向の成
長が、均一に形成され、結合位置、また空隙が存在する
場合にはその形態もストライプ方向において、ほぼ同等
な形態を示すこととなり（図２）、ストライプの幅が１
０μｍ以上と広くなることで従来のものと顕著な差が生
まれるものである。本発明は、ストライプの幅が１０μ
ｍ以下であるような場合においても選択成長層の形成に
有利に働くものである。具体的に１０μｍ以下である場
合には、従来例の様に上記結晶面に垂直に形成された保
護膜のストライプでは、図３に示すような選択成長の不
均一な成長形態は、全てにあらわれず、実際にはウェー
ハ全体において、部分的にそのような不均一な成長によ
るジグザグ模様が観察されるに過ぎない。しかし、保護
膜のストライプが１０μｍを超えると、ほとんどの領域
でそのような選択成長の不均一が観察され、本発明では
１０μｍを境にしてそのような変化は観察されず、１０
μｍ以上であっても図２に示すように良好で、均一な選
択成長層が形成されるものである。更に、保護膜の幅が
１５μｍを超えると、更に顕著なものとなり、従来のも
のは、ほぼ全ての領域で上記不均一な選択成長が成され
るが、本発明ではそのようなことはない。結果として、
本発明では、保護膜の幅が１０μｍを超えるような広い
場合において、その効果は顕著なものとなり、更に１５
μｍを超えると更に顕著なものとなる。

【００２７】以上説明してきた保護膜の幅を広くするこ
とは、その上に形成する素子構造に非常に重要な効果を
もたらすものである。これは、得られる選択成長層は、
保護膜上部と、窓部上部とでは、上述したようにその成
長形態が異なることから、結晶性も異なり、一般的に保
護膜上部の方が、転位などの結晶欠陥若しくはその結晶
欠陥の伝播が少ないため、保護膜上部に導波路などデバ
イスに重要な領域を形成されている。又は、保護膜の上
部だけを素子の形成領域として、素子を製造することも
できる。このため、保護膜を広くすることは、素子構造
の設計及びその製造において、自由度を高めるものであ
り、本発明はその広い幅の保護膜でも良好な選択成長層
が形成されるために、非常に有用なものである。

【００２８】加えて、本発明において、保護膜のストラ
イプ幅が、窓部の幅よりも広く取ることで、素子の形成
に非常に有利な窒化物半導体の形成が可能である。これ
は、上述した良好な選択成長が可能になることにより、
実現できるものであり、好ましい選択成長が成されない
場合には、後述する保護膜と窓部の幅の比により、特に
保護膜の幅の比率が高い領域で、良好な窒化物半導体を
得ることができない。より詳しくは、本発明において保
護膜のストライプ幅Ｗ_sと、窓部の幅Ｗ_wとの比Ｗ_w／Ｗ_s
が０．２〜０．５の範囲にあると、良好な選択成長がな
され、保護膜の面積比の高い窒化物半導体となる。すな
わち、本発明において、Ｗ_w／Ｗ_sが０．５以上である
と、保護膜の面積比が小さく、素子形成時に結晶性の良
好な領域が少なくなるため、ウェーハ内での素子特性の
ばらつきが多くなり、歩留まりが低下する。Ｗ_w／Ｗ_sが
０．２以下であると、選択成長の開始表面である窓部が
狭くなるため、良好な選択成長が成されない傾向にある
ためである。

【００２９】保護膜の材料としては、保護膜表面に窒化
物半導体が成長しないか、若しくは成長しにくい性質を
有する材料を好ましく選択し、例えば酸化ケイ素（Ｓｉ
Ｏ_X）、窒化ケイ素（Ｓｉ_XＮ_Y）、酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ_X）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_X）等の酸化物、窒化
物、また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。これらの保護膜材
料は、窒化物半導体の成長温度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。保護膜材料を窒化
物半導体表面に形成するには、例えば蒸着、スパッタ、
ＣＶＤ等の気相製膜技術を用いることができる。また、
部分的（選択的）に形成するためには、フォトリソグラ
フィー技術を用いて、所定の形状を有するフォトマスク
を作製し、そのフォトマスクを介して、前記材料を気相
製膜することにより、所定の形状を有する保護膜を形成
できる。

【００３０】また、保護膜の形状としては、上述したよ
うにストライプ状となっていることであり、上述したＥ
ＬＯＧによる選択成長層が形成され、具体的には選択成
長時に上記横方向の成長が成されて、隣り合う成長層同
士が結合して成膜されるように、保護膜を形成すること
である。具体例として、ストライプ状の保護膜を一定間
隔でもって繰り返し形成することである。本発明は、特
にこれに限定されるものでなく、保護膜と保護膜との間
隔がバラバラであってもよいが、上記保護膜のストライ
プ方向は、全ての保護膜に対して適用することで、均一
に選択成長層の形成がなされ、さらに好ましくは上記一
定間隔を置いて保護膜を繰り返し形成することで、これ
もウェーハ全体に均一な窒化物半導体の形成に寄与する
ものである。

【００３１】本発明において、異種基板の上に成長させ
る窒化物半導体、選択成長層は、Ｉｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-Y
Ｎ（０≦X、０≦Y、X＋Y≦１）窒化物半導体である。好
ましくは、アンドープのＧａＮとすることで最も結晶性
の良好な選択成長層となり、またｎ型不純物をドープし
た窒化物半導体、より好ましくはＧａＮとすることで、
良好なｎ型導電性の窒化物半導体層が形成される。ま
た、選択成長層の膜厚は、特に限定されないが、上述し
た隣り合う窓部から成長した窒化物半導体層が保護膜上
部で結合し、平坦な表面を形成するためには、少なくと
も１μｍ以上の膜厚が必要である。膜厚の上限は特に限
定されないが、１０μｍ程度あれば十分であり、上述し
たように、選択成長時に保護膜上部で結合し、平坦な表
面が得られれば、その上に別の層を形成しても良い。

【００３２】また、本発明において、異種基板の上に成
長させる第１の窒化物半導体としては、特に限定されな
いが、結晶性の良好なアンドープの窒化物半導体を、更
に好ましくはアンドープのＧａＮを用いることである。

【００３３】

【実施例】［実施例１］本実施例はＭＯＶＰＥ（有機金
属気相成長法）を用いて窒化物半導体を成長させる例を
示すものであるが、本発明の方法は、ＭＯＶＰＥ法に限
るものではなく、例えばＨＶＰＥ（ハライド気相成長
法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）等、窒化物半導体を
成長させるのに知られている全ての方法を適用できる。

【００３４】図１は以下に示す各工程のウェーハの模式
断面図である。Ｃ面を主面とし、オリフラ面をＡ面とす
るサファイア基板を反応容器内にセットし、温度を５１
０℃にして、キャリアガスに水素、原料ガスにアンモニ
アとＴＭＧ（トリメチルガリウム）とを用い、サファイ
ア基板１１上にＧａＮよりなるバッファ層を２００オン
グストロームの膜厚で成長させる。バッファ層成長後、
ＴＭＧのみ止めて、温度を１０５０℃まで上昇させ、１
０５０℃になったら、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア、
シランガスを用い、アンドープＧａＮ層１２（第１の窒
化物半導体）を５μｍの膜厚で成長させる。バッファ層
とＧａＮ層１２とを積層した後、そのＧａＮ層１２の上
にストライプ状のフォトマスクを形成し、ＣＶＤ装置に
よりストライプ幅１４μｍ、窓部６μｍのＳｉＯ₂より
なる保護膜を０．１μｍの膜厚で形成する（図１
（ａ））。なお、保護膜１３のストライプ方向は、図４
に示すように、サファイアＡ面（オリフラ面３）に対し
て垂直な方向ＡＡに対し、θ＝０．２°の方向である。

【００３５】保護膜１３形成後、ウェーハを反応容器に
移し、１０５０℃にて、原料ガスにＴＭＧ、アンモニア
を用い、アンドープＧａＮよりなる選択成長層１４を１
５μｍの膜厚で成長させる（図１（ｂ））。アンドープ
ＧａＮの選択成長層１４は、ある程度の膜厚まで図１に
対して縦方向に成長した後、横方向に成長し（図１
（ｂ））、隣り合う窓部から成長した選択成長層同士が
結合して、成膜される（図１（ｃ））。

【００３６】得られた窒化物半導体は、良好な表面を有
するものであった。この時、図５の矢印の方向から観察
したところ、選択成長層に形成された図１（ｃ）の空隙
１５は、図２に示すように観察され、保護膜のストライ
プ方向に対して、空隙１５は、ほぼ同等に形成されてい
た。すなわち、これは、保護膜のストライプ方向に対し
て、選択成長層の結合位置が、ほぼ一定であることを示
し、安定して均一に選択成長層が形成され、良好な結晶
性の窒化物半導体基板となることを示唆するものであ
る。

【００３７】［実施例２］実施例１において、保護膜の
ストライプ方向を、Ａ面に垂直な方向に対する角度θが
θ＝０．４°（図４）、保護膜のストライプ幅が１０μ
ｍ、窓部の幅が４μｍであることを除いて、同様に窒化
物半導体を形成した。

【００３８】得られた窒化物半導体は、実施例１に比べ
て僅かに空隙の折れ曲がり箇所が観察されるものの、ウ
ェーハ全体においてそのほとんどは、ほぼ同様に良好な
もので、その空隙の形状も図２に観るような、保護膜の
ストライプ方向に対し、ほぼ均一な形状であり、その表
面も均一に良好なものであった。

【００３９】［実施例３］実施例１において、保護膜の
ストライプ方向がθ＝０．１°であることを除いて同様
にして形成した。

【００４０】得られた窒化物半導体は、その空隙の形状
が保護膜のストライプ方向において、実施例１に比べ僅
かに横方向の成長が不十分なことによる亀裂が確認され
る箇所があるものの、ウェーハ全体ではその部分は端部
に僅かにみられるだけであり、そのほとんどは実施例１
と同様に、ほぼ図２に観るような均一な空隙の形成が観
察された。また、その表面は、良好で均一な結晶性であ
った。

【００４１】［実施例４］異種基板が、Ａ面を主面と
し、オリフラ面をＲ面とするサファイア基板である他
は、実施例１と同様にして選択成長層を形成した。

【００４２】得られた窒化物半導体は、実施例１と同様
に良好な結晶性［実施例５］異種基板として、（１１１）面を主面と
し、オリフラ面を（１１０）面とするスピネル基板を用
いる他は、実施例１と同様にして、選択成長層を形成し
た。この時、保護膜のストライプ方向は、（１１０）面
に垂直な方向から０．２°ずれた方向であった。

【００４３】得られた窒化物半導体は、実施例１と同様
に良好な結晶性のものが得られ、またその空隙の形状も
同様に、保護膜のストライプ方向において、ほぼ一定に
形成され、良好な選択成長がなされているものである。
このため、得られる窒化物半導体の表面は、良好な均一
性を有しており、窒化物半導体素子形成に良好な基板と
なるものである。

【００４４】［実施例６］実施例１において、選択成長
層を成長させた後、図８に示すように、新たにその表面
に、保護膜１６を形成して、選択成長層１７を形成す
る。図８（ａ）に示すように、下地層１２の窓部を覆う
ように、選択成長層１４の表面に保護膜を儲け、選択成
長層１７を成長させた。この時、保護膜のストライプ方
向は、最初に形成した保護膜１３と平行に形成し、スト
ライプ幅１４μｍ、窓部の幅６μｍであった。

【００４５】得られた窒化物半導体は、実施例１と同様
に良好な結晶性を有しており、またその選択成長時も良
好な成長形態を取るため、結合位置が保護膜のストライ
プ方向においてほぼ均一であった。また、このように、
本発明では、選択成長層を２回若しくはそれ以上の回数
で形成しても良く、その時には、以上の実施例のよう
に、既に形成された選択成長層における窓部を覆うよう
に、保護膜を形成することで、比較的結晶性の悪い窓部
からの結晶欠陥の伝播を防止でき好ましい。また、本発
明では形成できる保護膜の幅を広く取ることができるた
め、図８に示すように、２回目以降に形成する保護膜を
その下の窓部を覆うに十分な程度に形成し、１回目より
も保護膜の幅を狭く形成することもできる。

【００４６】［実施例７］実施例１により得られた窒化
物半導体を基板として、以下に説明する各層を積層し
て、図９に示すレーザ素子を形成する。

【００４７】実施例１において異種基板１０１の上に形
成された選択成長層は、以下に形成する各層の窒化物半
導体基板１０２として用いる。この上に先ず、アンドー
プのＧａＮ１０４を１５μｍの膜厚で成長させ、これも
窒化物半導体基板とする。

【００４８】（ｎ側コンタクト層１０５）次に、アンモ
ニアとＴＭＧ、不純物ガスとしてシランガスを用い、窒
化物半導体基板１０４の上に、１０５０℃でＳｉを３×
１０¹⁸／cm³ドープしたＧａＮよりなるｎ側コンタクト
層１０５を４μｍの膜厚で成長させる。

【００４９】（クラック防止層１０６）次に、ＴＭＧ、
ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、
温度を８００℃にしてＩｎ_0.06Ｇａ_0.94Ｎよりなるクラ
ック防止層１０６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
なお、このクラック防止層は省略可能である。

【００５０】（ｎ側クラッド層１０７）続いて、１０５
０℃でＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＧ、ア
ンモニアを用い、アンドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりな
る層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め
て、シランガスを流し、Ｓｉを１×１０¹⁹／cm³ドープ
したｎ型ＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ
る。それらの層を交互に積層して超格子層を構成し、総
膜厚１．２μｍの超格子よりなるｎ側クラッド層１０７
を成長させる。

【００５１】（ｎ側光ガイド層１０８）続いて、シラン
ガスを止め、１０５０℃でアンドープＧａＮよりなるｎ
側光ガイド層１０８を０．１μｍの膜厚で成長させる。
このｎ側光ガイド層１０８にｎ型不純物をドープしても
良い。

【００５２】（活性層１０９）次に、温度を８００℃に
して、ＳｉドープＩｎ_0.05Ｇａ_0.95Ｎよりなる障壁層を
１００Åの膜厚で成長させ、続いて同一温度で、アンド
ープＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎよりなる井戸層を４０Åの膜厚で
成長させる。障壁層と井戸層とを２回交互に積層し、最
後に障壁層で終わり、総膜厚３８０Åの多重量子井戸構
造（ＭＱＷ）の活性層を成長させる。活性層は本実施例
のようにアンドープでもよいし、またｎ型不純物及び／
又はｐ型不純物をドープしても良い。不純物は井戸層、
障壁層両方にドープしても良く、いずれか一方にドープ
してもよい。なお障壁層にのみｎ型不純物をドープする
と閾値が低下しやすい。

【００５３】（ｐ側キャップ層１１０）次に、温度を１
０５０℃に上げ、ＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、Ｃｐ₂
Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、ｐ
側光ガイド層１１１よりもバンドギャップエネルギーが
大きい、Ｍｇを１×１０²⁰／cm³ドープしたｐ型Ａｌ_0.3
Ｇａ_0.7Ｎよりなるｐ側キャップ層１０７を３００Åの
膜厚で成長させる。

【００５４】（ｐ側光ガイド層１１１）続いてＣｐ₂Ｍ
ｇ、ＴＭＡを止め、１０５０℃で、バンドギャップエネ
ルギーがｐ側キャップ層１１０よりも小さい、アンドー
プＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１１１を０．１μｍの
膜厚で成長させる。

【００５５】（ｐ側クラッド層１１２）続いて、１０５
０℃でアンドープＡｌ_0.16Ｇａ_0.84Ｎよりなる層を２５
Åの膜厚で成長させ、続いてＣｐ₂Ｍｇ、ＴＭＡを止
め、アンドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長
させ、総膜厚０．６μｍの超格子層よりなるｐ側クラッ
ド層１１２を成長させる。ｐ側クラッド層は少なくとも
一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンド
ギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した
超格子で作製した場合、不純物はいずれか一方の層に多
くドープして、いわゆる変調ドープを行うと結晶性が良
くなる傾向にあるが、両方に同じようにドープしても良
い。クラッド層１１２は、Ａｌを含む窒化物半導体層、
好ましくはＡｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜X＜１）を含む超格子
構造とすることが望ましく、さらに好ましくはＧａＮと
ＡｌＧａＮとを積層した超格子構造とする。ｐ側クラッ
ド層１１２を超格子構造とすることによって、クラッド
層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、クラッ
ド層自体の屈折率が小さくなり、さらにバンドギャップ
エネルギーが大きくなるので、閾値を低下させる上で非
常に有効である。さらに、超格子としたことにより、ク
ラッド層自体に発生するピットが超格子にしないものよ
りも少なくなるので、ショートする確率も低くなる。

【００５６】（ｐ側コンタクト層１１３）最後に、１０
５０℃で、ｐ側クラッド層１０９の上に、Ｍｇを１×１
０²⁰／cm ³ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタク
ト層１１３を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタ
クト層はｐ型のＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦X、０≦
Y、X＋Y≦１）で構成することができ、好ましくはＭｇ
をドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極１２０と最も好ま
しいオーミック接触が得られる。コンタクト層１１３は
電極を形成する層であるので、１×１０¹⁷／cm³以上の
高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０¹⁷／cm
³よりも低いと電極と好ましいオーミックを得るのが難
しくなる傾向にある。さらにコンタクト層の組成をＧａ
Ｎとすると、電極材料と好ましいオーミックが得られや
すくなる。

【００５７】以上のようにして窒化物半導体を成長させ
たウェーハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コン
タクト層の表面にＳｉＯ₂よりなる保護膜を形成して、
ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を用いＳｉＣｌ₄ガ
スによりエッチングし、ｎ電極を形成すべきｎ側コンタ
クト層１０５の表面を露出させる。このように窒化物半
導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ₂が
最適である。

【００５８】次に、ストライプ状の導波路領域を、エッ
チングにより、ｐ側クラッド層の膜厚が０．０１μｍと
なる深さで、幅２μｍのリッジストライプを形成する。
この時、上述したように、選択成長層は、保護膜のスト
ライプに垂直な方向において、結晶性の分布があり、比
較的結晶性の良好な保護膜上部に、導波路領域が形成さ
れるようにすることで、良好な素子耐久性を有するもの
となる。また、選択成長層が結合時に空隙を有する場合
には、その空隙の上部を避けるように、導波路領域を形
成することが好ましく、こうすることで空隙から伸びる
結晶欠陥を防止できる。

【００５９】リッジストライプ形成後、リッジの側面及
び露出されたｐ側クラッド層表面にＺｒＯ₂よりなる保
護膜を形成し、これを覆ってｐ側コンタクト層１１３の
表面にＮｉ／Ａｕよりなるｐ電極１２０を形成する。ｎ
側コンタクト層１０５の表面にはＴｉ／Ａｌよりなるｎ
電極１２１をストライプと平行な方向で形成する。

【００６０】以上のようにして、ｎ電極とｐ電極とを形
成したウェーハのサファイア基板を研磨して７０μｍと
した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、基板側か
らバー状に劈開し、劈開面（（１１−００）面、六方晶
系の側面に相当する面＝Ｍ面）に共振器を作製する。こ
の共振器面にＳｉＯ₂とＴｉＯ₂よりなる誘電体多層膜を
形成し、最後にｐ電極に平行な方向で、バーを切断して
図９に示すようなレーザ素子とする。なおこの時の共振
器長は８００μｍであった。

【００６１】得られたレーザ素子は、良好な素子特性を
有し、またウェーハにおいて、素子特性のばらつきが少
なく、歩留まりを大幅に向上させるものであった。

【００６２】［比較例１］実施例１において、保護膜の
ストライプの方向を、Ａ面（オリフラ面）に垂直に形成
する以外は、同様にして選択成長層を形成した。得られ
た窒化物半導体は、その保護膜の幅が１４μｍと広いた
め、図１（ａ）に示す横方向の成長段階において、それ
が十分に成されず、成長層同士の結合が成されず、得ら
れたウェーハを観察したところ、そのほとんどの領域
に、そのことによる亀裂が観察された。このような窒化
物半導体は、それ以上窒化物半導体を形成しても、縦方
向（膜厚方向）の成長だけが起こり、横方向の成長が成
されないため、当然ながら素子の形成も不可能である。

【００６３】［比較例２］実施例１において、θ＝０．
５°であることを除いて、同様にして窒化物半導体を形
成した。得られた窒化物半導体は、実施例１に比べて安
定した空隙の形成が崩れた図３に示すような空隙の形状
が観察され、結晶性は実施例１に比べて大きく悪化して
いた。これは、図３に観るように、空隙が折れ曲がり、
その幅も不均一で、このことは保護膜のストライプ方向
において、選択成長時の結合位置がばらつき、不均一な
形成が成されていることを示すものである。このため、
その表面は実施例１と同様に平坦であっても、図３に観
る空隙の折れ曲がり部分で多くのひずみが確認され、こ
のような窒化物半導体を用いて、素子を形成しても良好
な特性を示さずに、信頼性に劣るものとなる。

【００６４】

【発明の効果】本発明の窒化物半導体の成長方法は、Ｅ
ＬＯＧ成長において、良好な成長がなされ、その保護膜
上部で結合する位置が一定で、隣り合う選択成長の成長
形態がほぼ同等であるため、保護膜のストライプ方向に
おいて、均一な選択成長がなされ、ウェーハ全体にわた
り良好な結晶性の窒化物半導体が得られる。

【００６５】また、保護膜のストライプ幅が広くなって
も、安定した選択成長の成長形態は持続されるため、広
い面積の保護膜を用いた成長が可能となり、その上に形
成する素子にとっても極めて有用なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】選択成長を説明する模式断面図。

【図２】本発明における成長形態を説明する模式図。

【図３】従来例における成長形態を説明する模式図。

【図４】本発明における選択成長を説明する模式的な斜
視図。

【図５】本発明における選択成長を説明する模式的な斜
視図。

【図６】サファイアの代表的な面方位を説明するユニッ
トセル図。

【図７】本明細書中の面指数の表記を示す対照図。

【図８】本発明における一実施形態を説明する模式断面
図。

【図９】本発明における一実施形態を説明する模式断面
図。

【符号の説明】

１，１３，１６・保護膜２，１１・・・・異種基板４，１２・・・・第１の窒化物半導体５，１４，１７・選択成長層６，１５・・・・空隙

フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA40 CA23 CA34 CA40 CA46 CA65 CA74 5F045 AA04 AB14 AB17 AB18 AC01 AC08 AC12 AD09 AD12 AD14 AF09 AF13 AF20 BB12 CA10 CA12 CA13 DA53 DA55 5F051 AA08 BA11 CB09 CB22 GA03 5F073 AA13 AA51 AA71 AA74 CA07 CB05 CB07 CB10 DA25 DA35 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サファイア若しくはスピネルよりなり、第
１の主面とそれに垂直な第２の結晶の面とを有する異種
基板の該第１の主面上に、第１の窒化物半導体を成長さ
せる第１の工程と、ストライプ方向が前記異種基板の第
２の結晶の面に垂直な方向から０．１〜０．４°の範囲
となるように、前記第１の窒化物半導体表面に部分的に
ストライプ状の保護膜を形成する第２の工程と、前記第
１の窒化物半導体表面に前記保護膜を介して窒化物半導
体よりなる選択成長層を成長させる第３の工程とを具備
するものであって、前記異種基板の第１の主面がサファ
イアＡ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ面から選ばれる１つの面で、
前記第２の結晶の面がサファイアＡ面、Ｃ面、Ｍ面、Ｒ
面から選ばれる１つの面であること、又は前記異種基板
の第１の主面がスピネル（１１１）面であって、前記第
２の結晶の面がスピネル（１１０）面であることを特徴
とする窒化物半導体の成長方法。
【請求項２】前記異種基板の第１の主面と前記第２の結
晶の面との組み合わせが、サファイアＣ面とＡ面、サフ
ァイアＡ面とＲ面、スピネル（１１１）面と（１１０）
面から選ばれる１組であることを特徴とする請求項１記
載の窒化物半導体の成長方法。
【請求項３】前記保護膜のストライプ幅が１０μｍ以上
であることを特徴とする請求項１乃至３記載の窒化物半
導体の成長方法。
【請求項４】前記保護膜のストライプ幅Ｗ_sと、窓部の
幅Ｗ_wとの比Ｗ_w／Ｗ_sが０．２〜０．５の範囲であるこ
とを特徴とする請求項１乃至３記載の窒化物半導体の成
長方法。