JP2009147305A - 半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法及びこれを用いた窒化物半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法及びこれを用いた窒化物半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】窒化物単結晶薄膜の成長方法を開示する。
【解決手段】ｍ面六方晶系単結晶基板上に半極性窒化物単結晶基底層を形成する段階、絶縁性物質パターン層を形成する段階、半極性窒化物単結晶基底層上に半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階を含み、半極性窒化物単結晶薄膜の側方向成長段階は、成長面の一部がａ面を有するよう半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階、及び１次側方向成長させられた窒化物単結晶薄膜が合体して（１１−２２）面を有する半極性窒化物単結晶薄膜が形成されるように２次側方向成長させる段階を含む窒化物単結晶薄膜の成長方法を提供する。
【選択図】 図１ｄ

Description

本発明は、半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法及びこれを用いた窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。
ＧａＮ（窒化ガリウム）のような窒化物単結晶薄膜は、その殆どがｃ（０００１）面を有する薄膜である。一般的に、窒化物半導体発光素子を製造する際には、主にｃ面六方晶系単結晶基板（例えば、サファイア基板）の上に、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線蒸着法（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）等の方法により、窒化物単結晶薄膜を成長させることができる。
このように、ｃ面窒化物単結晶薄膜は、ｃ−結晶軸の方向にガリウム層と窒素層が繰り返し積層されて極性を帯びるようになり、これが内部の電場の発生を誘導する。そして、この場合、発光素子内での内部電場の発生は、電子と正孔の再結合率を減少させる原因となり、発光素子の発光効率を低下させることとなる。また、圧電分極の発生によって発光波長が短くなり、長波長素子として機能させることが困難になる。
この問題を解決するためには、半極性の窒化物単結晶薄膜を成長させなければならないこととなるが、ｃ面六方晶系単結晶基板を利用する場合では、窒化物単結晶薄膜を半極性面として成長させることは極めて困難である。従って、非極性面の基板を利用して、半極性窒化物単結晶薄膜を成長させる技術が求められる。
また、半極性窒化物単結晶薄膜を成長させる場合には、基板と半極性窒化物単結晶薄膜との格子定数の差による結晶欠陥が発生することがある。このような結晶欠陥は、発光素子の動作時に非発光再結合（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）を誘発して高い熱を発生させる原因となる。従って、光抽出効率を向上させるために、半極性窒化物単結晶薄膜の結晶欠陥が最少化されることが求められる。
上述の問題点を解決するために、本発明は、ｍ面六方晶系単結晶基板上に相異なる側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることにより、（１１−２２）面を有し、かつ高品位の結晶性を有する半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法を提供することを目的の一つとする。
また、本発明は、上記半極性窒化物単結晶薄膜上に発光構造物を形成することにより、発光効率を向上させるための窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的の一つとする。
以上のような目的を達成すべく、本発明の一実施例による半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法は、ｍ面六方晶系単結晶基板上に半極性窒化物単結晶基底層を形成する段階、上記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁性物質パターン層を形成する段階、及び上記絶縁性物質パターン層が形成された上記半極性窒化物単結晶基底層上に半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階を含み、上記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、上記半極性窒化物単結晶基底層上に成長面の一部がａ面を有するよう上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階、及び上記１次側方向成長させられた窒化物単結晶薄膜が合体して（１１−２２）面を有する上記半極性窒化物単結晶薄膜が形成されるよう２次側方向成長させる段階を含む。
この場合、上記絶縁性物質パターン層を形成する段階は、上記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁物質を成長させる段階、及び上記絶縁物質を所定の間隔で蝕刻して（１−１００）面の成長方向にストライプ状のパターンを有する上記絶縁性物質パターン層を形成する段階を含むことが出来る。
上記ストライプ状のパターンは、２〜３０μｍの幅を有するよう形成されることができ、上記絶縁物質はＳｉＯ２及びＳｉＮのいずれか一つの物質であることが好ましい。また、上記絶縁性物質パターン層は１０００〜４０００Åの厚さで形成されることが好ましい。
一方、上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、第１の成長圧力を利用して第１の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、上記第１の成長圧力より大きい第２の成長圧力を利用して第２の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることが出来る。ここで、上記第１の成長圧力は３０〜１００Ｔｏｒｒの範囲内の圧力で、上記第２の成長圧力は１５０〜３００Ｔｏｒｒの範囲内の圧力であることが好ましい。
または、上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、第１の成長温度を利用して第１の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、上記第１の成長温度より高い第２の成長温度を利用して第２の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることが出来る。ここで、上記第１の成長温度は９００〜１０３０℃の範囲内の温度で、上記第２の成長温度は１０３０〜１１５０℃の範囲内の温度であることが好ましい。
または、上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、第１のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第１の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、上記第１のＩＩＩ／Ｖ族の比より小さい第２のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第２の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることも出来る。ここで、上記第１の側面成長速度は２．０〜３．０μｍ／ｈｒの範囲で、上記第２の側面成長速度は０．５〜２．０μｍ／ｈｒの範囲であることが好ましい。
また、上記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、ＥＬＯＧ成長方法及びＰＥＮＤＥＯ成長方法のいずれか一つを利用できる。
一方、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の製造方法は、ｍ面六方晶系単結晶基板上に半極性窒化物単結晶基底層を形成する段階、上記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁性物質パターン層を形成する段階、上記絶縁性物質パターン層が形成された上記半極性窒化物単結晶基底層上に半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階、及び上記半極性窒化物単結晶薄膜上に第１の窒化物半導体層、活性層及び第２の窒化物半導体層を含む発光構造物を形成する段階を含み、上記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、上記半極性窒化物単結晶基底層上に成長面の一部がａ面を有するよう上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階、及び上記１次側方向成長させられた窒化物単結晶薄膜が合体して（１１−２２）面を有する上記半極性窒化物単結晶薄膜が形成されるよう２次側方向成長させる段階を含む。
ここで、上記絶縁性物質パターン層を形成する段階は、上記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁物質を成長させる段階、及び上記絶縁物質を所定の間隔で蝕刻して（１−１００）面の成長方向にストライプ状のパターンを有する上記絶縁性物質パターン層を形成する段階を含むことが出来る。
上記ストライプ状のパターンは、２〜３０μｍの幅を有するよう形成されることができ、上記絶縁物質はＳｉＯ２及びＳｉＮのいずれか一つの物質であるものとすることが出来る。また、上記絶縁性物質パターン層は、１０００〜４０００Åの厚さで形成されることが出来る。
一方、上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、第１の成長圧力を利用して第１の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、上記第１の成長圧力より大きい第２の成長圧力を利用して第２の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることが出来る。
この場合、上記第１の成長圧力は３０〜１００Ｔｏｒｒの範囲内の圧力で、上記第２の成長圧力は１５０〜３００Ｔｏｒｒの範囲内の圧力であることが好ましい。
または、上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、第１の成長温度を利用して第１の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、上記第１の成長温度より大きい第２の成長温度を利用して第２の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることが出来る。
この場合、上記第１の成長温度は９００〜１０３０℃の範囲内の温度で、上記第２の成長温度は１０３０〜１１５０℃の範囲内の温度であることが好ましい。
または、上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、第１のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第１の側面成長速度で上記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、上記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、上記第１のＩＩＩ／Ｖ族の比より小さい第１のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第２の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることも出来る。
この場合、上記第１の側面成長速度は２．０〜３．０μｍ／ｈｒの範囲で、上記第２の側面成長速度は０．５〜２．０μｍ／ｈｒの範囲であることが好ましい。
上記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、ＥＬＯＧ成長方法及びＰＥＮＤＥＯ成長方法のいずれか一つを利用することが好ましい。
本窒化物半導体発光素子の製造方法は、上記発光構造物の一部を蝕刻して上記第１窒化物半導体層を露出させる段階、及び上記第１窒化物半導体層が露出された位置に第１電極を形成し、上記第２窒化物半導体層上に第２電極を形成する段階をさらに含むことが出来る。
本発明によると、ｍ面六方晶系単結晶基板上に相異なる側面成長速度で２段階側方向成長させることにより、（１１−２２）面を有し高品位の結晶性を有する半極性窒化物単結晶薄膜を形成できるようになる。
また、発光素子を製造する際、半極性窒化物単結晶薄膜上に発光構造物を形成することにより、内部の電場の発生を防いで発光に必要な電子及び正孔の再結合率を増加させることが可能となる。これによって、発光素子の発光効率が向上し、光の長波長化が可能となって窒化物半導体発光素子の製品への信頼性を向上させることが出来る。
以下、添付の図面を参照して、本発明をより詳しく説明する。図１ａ〜図１ｄは、本発明の一実施例による半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法を説明するための工程図である。図１ａは、ｍ面六方晶系単結晶基板１１上に半極性窒化物単結晶基底層１２ａを蒸着させるものである。ここで、六方晶系単結晶基板１１は、例えば、サファイア基板であって、ｍ面サファイア基板上に窒化ガリウム（ＧａＮ）物質を有機化学蒸着させることによって、半極性窒化物単結晶基底層１２ａを形成することができる。半極性窒化物単結晶基底層１２ａは、約２〜３μｍの厚さで蒸着させることが出来る。
次に、図１ｂに示されたように、半極性窒化物単結晶基底層１２ａ上に絶縁性物質パターン層１３を形成する。具体的には、半極性窒化物単結晶基底層１２ａ上にＳｉＯ２またはＳｉＮなどのような絶縁物質を蒸着させた後、所定の間隔で湿式または乾式蝕刻してストライプ状のパターンを（１−１００）面の成長方向に形成できるようになる。この場合、絶縁性物質パターン層１３は約２〜６μｍの間隔ごとに形成されることができ、２〜３０μｍの幅を有することが出来る。また、絶縁性物質パターン層１３は、１０００〜４０００Åの厚さで形成されることが出来る。
一方、絶縁性物質パターン層１３が形成された領域を除いた蝕刻領域には、半極性窒化物単結晶基底層１２ａが露出されている。このような蝕刻領域は一種の窓領域であって、これは、半極性窒化物単結晶基底層１２ａの再成長を促す役割をすることになる。
図１ｃを参照して説明すると、その後は、絶縁性物質パターン層１３が形成された半極性窒化物単結晶基底層１２ａを再成長させ、成長面の一部がａ面を有するよう第１の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを１次側方向成長させる。この場合、第１の側面成長速度は、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの１次側方向成長時の側面成長速度であって、約２．０〜３．０μｍ／ｈｒの範囲における速度を有する。
一方、１次側方向成長を通じて、成長面の一部がａ面を有する半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成するための第１の側面成長速度は、第１の成長圧力、第１の成長温度及び第１のＩＩＩ／Ｖ族比のうちのいずれか一つの要素を利用して制御することができる。
この場合、第１の成長圧力は、約３０〜１００Ｔｏｒｒの範囲内にあるということができ、第１の成長温度は、９００〜１０３０℃の範囲内にあるということが出来る。また、第１のＩＩＩ／Ｖ族の比は、ＴＭＧ（Ｔｒｉ−Ｍｅｔｈｙｌ Ｇａｌｌｉｕｍ）の流量を減少させて適用できる。このように第１の成長圧力、第１の成長温度及び第１のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第１の側面成長速度を制御することにより、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを１次側方向成長させることが出来る。
第１の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを成長させる場合、第１の側面成長速度は垂直成長速度より速いものとすることが出来る。また、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂはａ面、ｃ面、ｍ面の成長面を有し、このうちａ面の成長面に対する成長速度がｃ面及びｍ面より速いものとすることが出来る。これによって、図１ｃに示されたように、絶縁性物質パターン層１３間の窓領域において成長させられた半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂはａ面を有し、第１の側面成長速度により各側面の間隔が狭くなることが確認できる。
次に、図１ｄに示された通り、図１ｃを通じて１次側方向成長させられた半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを第２の側面成長速度で成長させ、側面が合体し（１１−２２）面を有するよう２次側方向成長させる。この場合、第２の側面成長速度は、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの２次成長時の側面成長速度で、約０．５〜２．０μｍ／ｈｒの範囲にある。これは、１次側方向成長時の第１の側面成長速度より遅いものとすることが出来る。
一方、図１ｃに示された半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの１次成長時には、垂直成長速度に比べて側面成長速度が速いため、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを合体させることが可能である。しかし、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの一部がａ面成長面を有することで、ｍ面六方晶系単結晶基板１１に平行な（１１−２２）面を有するよう形成することが難しかった。従って、第２の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを２次側方向成長させることにより、ｍ面六方晶系単結晶基板１１に平行な（１１−２２）面を有する薄膜として形成することができるようになる。このように、（１１−２２）面を有する半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成するための第２の側面成長速度は、第２の成長圧力、第２の成長温度及び第２のＩＩＩ／Ｖ族比の内のいずれか一つの要素を利用して制御できる。
この場合、第２の成長圧力は第１の成長圧力より大きい圧力を有するもので、約１５０〜３００Ｔｏｒｒの範囲内とすることができ、第２の成長温度は第１の成長温度より高い温度を有するもので、約１０３０〜１１５０℃の範囲内とすることが出来る。また、第２のＩＩＩ／Ｖ族の比は、第１のＩＩＩ／Ｖ族の比よりＴＭＧの流量を増加させて適用することができる。このように第２の成長圧力、第２の成長温度及び第２のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第２の側面成長速度を制御することにより、（１１−２２）面を有する半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成できるようになる。
第２の側面成長速度を利用して薄膜を形成する場合において、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの垂直成長速度は、第２の側面成長速度より速い。これによって、図１ｃで１次側方向成長させられた半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの側面を合体させ、垂直方向に速く成長させて、ｍ面六方晶系単結晶基板１１と平行な（１１−２２）面を有する半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成できるようになる。図１ｃ及び図１ｄを通じて形成された半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂは、約１０〜１２μｍの厚さを有するものとすることが出来る。これによって、半極性窒化物単結晶基底層１２ａ及び半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを含む窒化物単結晶薄膜１２の全体の厚さは、約１２〜１５μｍの範囲で形成されることが出来る。
図１ｃ及び図１ｄを説明するに際して、第１の成長圧力及び第２の成長圧力、第１の成長温度及び第２の成長温度などを具体的な数値を例示したが、このような数値は、明細書に記載された事項によって限定されるものではなく、蒸着設備、蒸着環境によって変化し得る事項である。
また、図１ｃ及び図１ｄにおいて、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂは、ＥＬＯＧ（Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｌａｔｅｒａｌ Ｏｖｅｒ Ｇｒｏｗｔｈ）成長方式を利用して２段階側方向成長させるものと図示及び説明しているが、これ以外にも、ＰＥＮＤＥＯ成長方式を利用した側方向成長させることも出来る。
具体的には、図１ｂの段階において絶縁物質の蝕刻を行う際、絶縁性物質パターン層１３が形成される部分を除いた領域の半極性窒化物単結晶基底層１２ａについては、同時に除去することができる。これによって、絶縁性物質パターン層１３の間にｍ面六方晶系単結晶基板１１が露出されるようになる。上述したように、露出されたｍ面六方晶系単結晶基板１１に第１の側面成長速度を利用して半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを１次成長させ、第２の側面成長速度を利用して半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを２次成長させることにより、図１ｄのような半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成することができる。
図２ａ及び図２ｂは、本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための工程図である。本発明の窒化物半導体発光素子は、図１ａ〜図１ｄを通じて成長した窒化物単結晶薄膜１２上に作製することが出来る。図２ａを参照して具体的に説明すると、図１ｄに示された半導体基板１０上に、第１窒化物半導体層１４、活性層１５、第２窒化物半導体層１６を含む発光構造物を形成する。
具体的に、第１窒化物半導体層１４は、ＧａＮ半導体物質にＳｉ、Ｉｎ、Ｓｎのようなｎ型ドーパントをドーピングさせて形成することができる。また、活性層１５は、ＧａＮまたはＩｎＧａＮなどのＧａＮ系物質を利用して、単一または多重量子井戸構造を有する形態で形成することができる。そして、第２窒化物半導体層１６は、ＧａＮ半導体物質にＺｎ、Ｃｄ、Ｍｇなどのようなｐ型ドーパントをドーピングさせる方式で形成することが出来る。この場合、第１窒化物半導体層１４、活性層１５及び第２窒化物半導体層１６は、それぞれ、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）などの蒸着方法を利用して形成することができる。
その後、図２ｂに示されたように、発光構造物内の面の一部を蝕刻して、第１窒化物半導体層１４が露出されるようにする。そして、露出された第１窒化物半導体層１４上に第１電極１７を形成し、発光構造物の上部、即ち第２窒化物半導体層１６上に第２電極１８を形成する。この場合、第１電極１７はｎ型電極となり、第２電極１８はｐ型電極となることが可能である。
このように、本発明により提供される窒化物単結晶薄膜１２上に発光素子を作製する場合、窒化物単結晶薄膜１２の結晶欠陥を減少させることができ、発光構造物の性能を向上させることが可能となる。また、窒化物単結晶薄膜１２が半極性の特性を有することで、内部電場の発生を減少させ、電子及び正孔の再結合率を増加させることができ、これにより、発光効率を向上させることが可能となる。
図３は、ｍ面六方晶系単結晶基板上に形成された絶縁性物質パターン層の平面図である。図３は、図１ｂに示されたｍ面六方晶系単結晶基板１１の上部面を図示したもので、絶縁性物質パターン層１３が形成され、絶縁性物質パターン層１３の間に半極性窒化物単結晶基底層１２ａが露出されていることが確認できる。この場合、絶縁性物質パターン層１３は（１−１００）面の成長方向に形成され、約２〜３０μｍの幅で形成されることができる。また、絶縁性物質パターン層１３間に生じる間隔、即ち半極性窒化物単結晶基底層１２ａが露出された領域は約２〜６μｍとなるものとすることが出来る。絶縁性物質パターン層１３間に生じる間隔によって、半極性窒化物単結晶基底層１２ａの再成長が促進され、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成できることとなる。
図４ａ〜図４ｃは、側面成長速度による半極性窒化物単結晶薄膜の成長形態を表したＯＭ写真である。図４ａは、第１の側面成長速度だけで半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを成長させたＯＭ写真である。図４ａは、第１の成長圧力である５０Ｔｏｒｒの圧力を利用して、第１の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを側方向成長させたものである。この場合、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの第１の側面成長速度は、垂直成長速度より速く、ａ面方向の成長速度がｃ面及びｍ面より速い。これによって、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの成長時間を増加させる場合、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの各側面を合体させることが可能となる。しかし、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの成長面が（１１−２２）面に形成されないため、発光素子の製造ができなくなる。
図４ａに示された半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの成長形態は、第１の成長温度または第１のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用する場合に同様にあらわれることがある。また、図４ｂは、第２の側面成長速度だけで半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを成長させたＯＭ写真である。図４ｂを参照して説明すると、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂは、第２の成長圧力である３００Ｔｏｒｒの圧力を利用して、第２の側面成長速度で側方向成長させられたものである。この場合、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの垂直成長速度が、第２の側面成長速度より速いため、成長面は垂直に成長する。これによって、ｍ面六方晶系単結晶基板１１に平行な（１１−２２）面の半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成できるが、側面成長の速度が遅いため、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの側面を合体させることは困難である。
また、３００Ｔｏｒｒの圧力を維持して半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを側方向成長させて合体したとしても、工程時間が非常に長くなり、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂが非常に厚く形成されるため、発光素子を製造するのは困難である。従って、第２の側面成長速度だけでは、高品位の結晶性を有する半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂをｍ面六方晶系単結晶基板１１上に成長させることは困難である。図４ｂに示された半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの成長形態は、第２の成長温度または第２のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用する場合に同様にあらわれることがある。
図４ｃは、第３の側面成長速度を利用して半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを成長させたＯＭ写真である。図４ｃを参照して説明すると、これは、第３の成長圧力である１２０Ｔｏｒｒの圧力を利用し、第３の側面成長速度で半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを側方向成長させたものである。この場合、第１の側面成長速度を利用した図４ａの実施例に比べて側面成長速度が遅い上に、第２の側面成長速度を利用した図４ｂの実施例に比べて、表面平坦度が良好ではない。従って、図４ｃに示された半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂもまた、ｍ面六方晶系単結晶基板１１に平行で、高品位の結晶性を有する形態として形成することは、困難である。
本発明では、図４ａに示されたように、第１の側面成長速度を利用して半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを１次側方向成長させ、図４ｂに示されたように、第２の側面成長速度を利用して半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを２次側方向成長させることにより、ｍ面六方晶系単結晶基板１１に平行な（１１−２２）面を有し、高品位の結晶性を有する半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを形成できることとなる。具体的な説明は後述する。
図５は、本発明の一実施例によって２次成長させられた、半極性窒化物単結晶薄膜のＯＭ写真である。具体的に、図５に示された半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂは、第１の側面成長速度で１次側方向成長させられた後、第２の側面成長速度で２次側方向成長させられたものである。この場合、図４ａに示されたように、第１の側面成長速度が垂直成長速度より速いが、一部の成長面がａ面を有することとなって成長面が平坦ではない。従って、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂを１次成長させた後、第２の側面成長速度で２次成長させる。この場合、２次側方向成長の際、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの垂直成長速度は第２の側面成長速度より速い。これによって、ａ面方向に成長させられた部分が速く垂直成長され表面平坦化を成し、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂの側面が徐々に成長して合体する。その結果、半極性窒化物単結晶薄膜１２ｂは（１１−２２）面を有する形態で成長され、高品位の結晶性を有することとなる。このような窒化物単結晶薄膜１２上に発光構造物を製造する場合、半極性特性により内部電場が発生するのを防いで、発光に必要な電子及び正孔の再結合率を増加させることができ、結果として発光素子の発光効率を向上させることとなる。
以上、本発明の好ましい実施例について図示して説明したが、本発明は上述した適正な実施例に限定されず、特許請求の範囲で請求する内容が本発明の要旨を外れることなく、当該発明の属する技術分野において通常の知識を有している者により様々な変形実施が可能で、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別に理解されてはならない。
本発明の一実施例による半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法を説明するための工程図である。 本発明の一実施例による半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法を説明するための工程図である。 本発明の一実施例による半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法を説明するための工程図である。 本発明の一実施例による半極性窒化物単結晶薄膜の成長方法を説明するための工程図である。 本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための工程図である。 本発明の一実施例による窒化物半導体発光素子の製造方法を説明するための工程図である。 ｍ面六方晶系単結晶基板上に形成された絶縁性物質パターン層の平面図である。 側面成長速度による半極性窒化物単結晶薄膜の成長形態を表したＯＭ写真である。 側面成長速度による半極性窒化物単結晶薄膜の成長形態を表したＯＭ写真である。 側面成長速度による半極性窒化物単結晶薄膜の成長形態を表したＯＭ写真である。 本発明の一実施例によって２次成長させられた半極性窒化物単結晶薄膜のＯＭ写真である。
符号の説明
１１ ｍ面六方晶系単結晶基板
１２ 窒化物単結晶薄膜
１２ａ 半極性窒化物単結晶基底層
１２ｂ 半極性窒化物単結晶薄膜
１３ 絶縁性物質パターン層
１４ 第１窒化物半導体層
１５ 活性層
１６ 第２窒化物半導体層
１７ 第１電極
１８ 第２電極

Claims (25)

  1. ｍ面六方晶系単結晶基板上に半極性窒化物単結晶基底層を形成する段階と、
    前記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁性物質パターン層を形成する段階と、
    前記絶縁性物質パターン層が形成された前記半極性窒化物単結晶基底層上に半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階と、
    を含み、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、
    前記半極性窒化物単結晶基底層上に成長面の一部がａ面を有するよう前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階と、
    前記１次側方向成長させられた窒化物単結晶薄膜が合体して（１１−２２）面を有する前記半極性窒化物単結晶薄膜が形成されるよう２次側方向成長させる段階と、
    を含むことを特徴とする窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  2. 前記絶縁性物質パターン層を形成する段階は、
    前記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁物質を成長させる段階と、
    前記絶縁物質を所定の間隔で蝕刻して（１−１００）面の成長方向にストライプ状のパターンを有する前記絶縁性物質パターン層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  3. 前記ストライプ状のパターンは、２〜３０μｍの幅を有するよう形成されることを特徴とする請求項２に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  4. 前記絶縁物質は、ＳｉＯ２及びＳｉＮのいずれか一つの物質であることを特徴とする請求項２に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  5. 前記絶縁性物質パターン層は、１０００〜４０００Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項２に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  6. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、
    第１の成長圧力を利用して第１の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、
    前記第１の成長圧力より大きい第２の成長圧力を利用して第２の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  7. 前記第１の成長圧力は３０〜１００Ｔｏｒｒの範囲の圧力であって、
    前記第２の成長圧力は１５０〜３００Ｔｏｒｒの範囲の圧力であることを特徴とする請求項６に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  8. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、
    第１の成長温度を利用して、第１の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、
    前記第１の成長温度より大きい第２の成長温度を利用して、第２の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  9. 前記第１の成長温度は９００〜１０３０℃の範囲の温度であって、
    前記第２の成長温度は１０３０〜１１５０℃の範囲の温度であることを特徴とする請求項８に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  10. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、
    第１のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して、第１の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、
    前記第１のＩＩＩ／Ｖ族の比より小さい第２のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して、第２の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることを特徴とする請求項１に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  11. 前記第１の側面成長速度は２．０〜３．０μｍ／ｈｒの範囲であって、
    前記第２の側面成長速度は０．５〜２．０μｍ／ｈｒの範囲であることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  12. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、
    ＥＬＯＧ成長方法及びＰＥＮＤＥＯ成長方法のいずれか一つを利用することを特徴とする請求項１に記載の窒化物単結晶薄膜の成長方法。
  13. ｍ面六方晶系単結晶基板上に半極性窒化物単結晶基底層を形成する段階と、
    前記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁性物質パターン層を形成する段階と、
    前記絶縁性物質パターン層が形成された前記半極性窒化物単結晶基底層上に半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階と、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜上に第１の窒化物半導体層、活性層及び第２の窒化物半導体層を含む発光構造物を形成する段階と、
    を含み、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、
    前記半極性窒化物単結晶基底層上に成長面の一部がａ面を有するよう前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階と、
    前記１次側方向成長させられた窒化物単結晶薄膜が合体して（１１−２２）面を有する半極性窒化物単結晶薄膜が形成されるよう２次側方向成長させる段階と、を含むことを特徴とする窒化物半導体発光素子の製造方法。
  14. 前記絶縁性物質パターン層を形成する段階は、
    前記半極性窒化物単結晶基底層上に絶縁物質を成長させる段階と、
    前記絶縁物質を所定の間隔で蝕刻して（１−１００）面の成長方向にストライプ状のパターンを有する前記絶縁性物質パターン層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  15. 前記ストライプ状のパターンは、２〜３０μｍの幅を有するよう形成されることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  16. 前記絶縁物質は、ＳｉＯ２及びＳｉＮのいずれか一つの物質であることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  17. 前記絶縁性物質パターン層は、１０００〜４０００Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  18. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、
    第１の成長圧力を利用して第１の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、
    前記第１の成長圧力より大きい第２の成長圧力を利用して第２の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  19. 前記第１の成長圧力は３０〜１００Ｔｏｒｒの範囲内の圧力であって、
    前記第２の成長圧力は１５０〜３００Ｔｏｒｒの範囲内の圧力であることを特徴とする請求項１８に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  20. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、
    第１の成長温度を利用して第１の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、
    前記第１の成長温度より高い第２の成長温度を利用して第２の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  21. 前記第１の成長温度は９００〜１０３０℃の範囲の温度であって、
    前記第２の成長温度は１０３０〜１１５０℃の範囲の温度であることを特徴とする請求項２０に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  22. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させる段階は、
    第１のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第１の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を１次側方向成長させ、
    前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させる段階は、
    前記第１のＩＩＩ／Ｖ族の比より小さい第２のＩＩＩ／Ｖ族の比を利用して第２の側面成長速度で前記半極性窒化物単結晶薄膜を２次側方向成長させることを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  23. 前記第１の側面成長速度は２．０〜３．０μｍ／ｈｒの範囲内で、
    前記第２の側面成長速度は０．５〜２．０μｍ／ｈｒの範囲内であることを特徴とする請求項１８〜２２のいずれか１項に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  24. 前記半極性窒化物単結晶薄膜を側方向成長させる段階は、
    ＥＬＯＧ成長方法及びＰＥＮＤＥＯ成長方法のいずれか一つを利用することを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
  25. 前記発光構造物の一部を蝕刻して前記第１の窒化物半導体層を露出させる段階と、
    前記第１窒化物半導体層が露出された位置に第１電極を形成し、前記第２窒化物半導体層上に第２電極を形成する段階と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の窒化物半導体発光素子の製造方法。
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