JP2013173641A - 窒化ガリウム結晶積層基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貫通転位密度が低く高い結晶品質のＧａＮ結晶のａ面やｍ面を主面とする基板、或いは＜１１−２２＞面を主面とする基板など、無極性面や半極性面を主面としたＧａＮ結晶層がサファイア下地基板上に積層されたＧａＮ積層基板、並びにその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】側壁を有する複数本の溝部を形成したサファイア下地基板上に、該溝部の側壁より選択的に窒化ガリウム結晶を横方向成長させる窒化ガリウム結晶積層基板の製造方法であって、前記側壁の少なくとも一部がサファイア結晶のｃ面であって、該ｃ面側壁を起点として、ｃ軸方向の成長速度を、ｃ軸に対して垂直な方向のうち基板表面に向かう方向の成長速度より早くして非対称横方向成長を行い、隣接する成長結晶を会合させてｃ軸に対して垂直な方向のうち基板表面に向かう方向への結晶転位の伝播を阻止する。
【選択図】図６

Description

本発明は、窒化ガリウム結晶積層基板、詳しくは、サファイア下地基板上に、貫通転位密度（暗点密度）が小さな窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶層を積層した積層基板、並びにその製造方法に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）などの半導体発光素子として、サファイア基板上に、ｎ型ＧａＮ層、ＩｎＧａＮ層からなる量子井戸層とＧａＮ層からなる障壁層とが交互積層された多重量子井戸層（Multiquantumwells：ＭＱＷｓ）、及びｐ型ＧａＮ層が順に積層形成された構造を有するものが量産化されている。このような量産化されている半導体発光素子では、いずれのＧａＮ層も、軸方向にＧａＮが結晶成長し、表面が、ｃ面（＜０００１＞面）となっている。
ところで、表面がｃ面であるＧａＮ層では、Ｇａ原子のみを含むＧａ原子面
が僅かにプラスに帯電する一方、Ｎ原子のみを含むＮ原子面が僅かにマイナスに帯電し、結果としてｃ軸方向（層厚さ方向）に自発分極が発生する。
また、ＧａＮ層上に異種半導体層をヘテロエピタキシャル成長させた場合、両者の格子定数の違いによって、ＧａＮ結晶に圧縮歪や引っ張り歪が生じ、ＧａＮ結晶内でｃ軸方向に圧電分極（ピエゾ分極）が発生する（特許文献１、特許文献２）。
この結果、前記構成の半導体発光素子では、多重量子井戸層において、ＩｎＧａＮ量子井戸層に固定電荷に起因する自発分極に加えて、ＩｎＧａＮ量子井戸層に加わる圧縮歪により生じたピエゾ分極が重畳され、そのためｃ軸方向に大きな内部分極電場が発生することとなる。この内部分極電場の影響を受けて、量子閉じ込めシュタルク効果（Quantum−Confined Stark Effect：ＱＣＳＥ）により、発光効率の低下や必要な注入電流の増大に伴う発光のピーク波長シフトなどの問題が生じると考えられている。

上記問題を解決するために、ＧａＮ結晶の無極性面である、ａ面：＜１１−２０＞面やｍ面：＜１−１００＞面を用いて、その上にＩｎＧａＮ層を形成し、自発分極とピエゾ分極の重畳された内部電界の影響を回避することが検討されている（特許文献１〜３）。
更に、ｃ面が、ａ軸あるいはｍ軸方向に約６０度傾斜した半極性面といわれている面、例えば、半極性の＜１１−２２＞面上にＩｎＧａＮ量子井戸層を形成し、それによって内部電極の影響を回避することも検討されている（非特許文献１、非特許文献２）。
しかしながら、現在入手可能な上記ＧａＮ結晶のａ面やｍ面といった無極性面を主面とする基板、或いは＜１１−２２＞面や＜１０−１１＞面等の半極性面を主面とする基板は、貫通転位密度が２〜３×１０^８個／ｃｍ^２程度と言われており、より貫通転位密度が低い高い結晶品質の結晶基板が望まれている。
貫通転位密度を低減する方法として、一旦ｍ面サファイア基板上に＜１１−２２＞面からなるＧａＮ結晶の薄層を積層し、次いで、薄層の一部をＳｉＯ_２等でマスキングした後、更に非マスキング表面からＧａＮ結晶を非対称横方向成長（asymmtric epitaxial lateral overgrowth；非対称ＥＬＯ）させる方法が提案されている。しかしながらこの方法では、最初の薄層（＜１１−２２＞面ＧａＮ結晶）の成長過程における結晶転位が非常に多いこと、且つ、非マスキング表面からの更なる結晶成長時において、隣接する成長結晶で阻止される方向へ伝播する結晶転位はその伝播が阻止されるものの、阻止されない成長結晶方向へ伝播する結晶転位はそのまま結晶層表面まで伝播するので、決して効果的な転位低減方法とは言えないものである（非特許文献３）。

特開２００８−５３５９３号公報 特開２００８−５３５９４号公報 特開２００７−２４３００６号公報

Japanese Journal of Applied Physics Vol．45,2006，L6５９． Applied Physics Letters Vol．90,2007,261912． Journal of Crystal Growth 312（2010） 2625-2630.

貫通転位密度が低く高い結晶品質の、ＧａＮ結晶のａ面やｍ面を主面とする基板、或いは＜１１−２２＞面や＜１０−１１＞面を主面とする基板など、無極性面や半極性面を主面としたＧａＮ結晶層がサファイア下地基板上に積層されたＧａＮ積層基板、並びにその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、複数本の凹状の溝部を有するサファイ下地基板を用いて、該下地基板の溝部の側壁面を起点として所望の結晶主面を有するＧａＮの結晶成長方法を検討し、既に提案した。更に、当該方法の検討を続ける過程で、該方法における側壁面からの結晶欠陥の発生と伝播（結晶転位）、更にその抑制方法について新たな知見を得て、本願発明を完成するに至った。

即ち、本発明により、サファイア下地基板上に、該下地基板の主面に対して傾斜した側壁を有する複数本の溝部を形成し、該溝部の側壁より選択的に窒化ガリウム結晶を横方向成長（epitaxial lateral overgrowth；ＥＬＯ）させる窒化ガリウム結晶積層基板の製造方法において、前記側壁の少なくとも一部がサファイア結晶のｃ面であって、該ｃ面側壁を起点として、ｃ軸方向の成長速度を、ｃ軸に対して垂直な方向のうち基板表面に向かう方向の成長速度より早くした窒化ガリウム結晶の非対称横方向成長を行い、隣接する成長結晶を会合させてｃ軸に対して垂直な方向のうち基板表面に向かう方向への結晶転位の伝播を阻止することを特徴とする前記窒化ガリウム結晶積層基板の製造方法が提供される。

本発明により、また、サファイア下地基板と、該基板上に結晶成長せしめて形成された窒化ガリウム結晶層とを含み、該窒化ガリウム結晶層は、サファイア下地基板の主面に複数本形成された溝部のｃ面からなる側壁から横方向結晶成長して該主面と平行に表面が形成されたものであり、且つ、該窒化ガリウム結晶の暗点密度が１．０×１０^８個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする窒化ガリウム結晶積層基板が提供される。
上記窒化ガリウム結晶積層基板の発明において、窒化ガリウム結晶層が、無極性または半極性の面方位を有する表面からなる窒化ガリウム結晶層であることが好適である。

本発明のＧａＮ結晶積層基板は、ＧａＮ結晶の暗点密度が１．０×１０^８個／ｃｍ^２以下であって結晶品質が高いので、該積層基板を用いて作製されるＬＥＤやＬＤなどの半導体発光素子は、その発光効率が向上する。
また、サファイア下地基板上に形成した溝部のｃ面側壁より選択的にＧａＮ結晶を成長させることにより、面方位が無極性面または半極性面である高品質のＧａＮ結晶層を有する積層基板が得られるため、従来のｃ面を主面とするＧａＮ結晶層基板に比べて、量子閉じ込めシュタルク効果による発光効率の低下の影響が小さい。

本発明に使用するサファイア下地基板の一例を示す図である。 対称ＥＬＯ成長および非対称ＥＬＯ成長の過程を示す模式図である。 本発明に使用するサファイア下地基板の部分断面図である。 マスキング部を有するサファイア下地基板の拡大斜視図である。 対称ＥＬＯ成長および非対称ＥＬＯ成長により得られたＧａＮ結晶層、およびサファイア下地基板の状態を示す模式図である。 実施例１における非対称ＥＬＯによる結晶の会合状態を示すＳＥＭ断面写真である。

本発明のＧａＮ結晶積層基板は、サファイア下地基板と、該サファイア下地基板の主面に対して傾斜した、ｃ面からなる側壁を起点として横方向結晶成長した暗点密度が１．０×１０^８個／ｃｍ^２以下のＧａＮ結晶層が、下地基板上に積層された構造を有する。積層されるＧａＮ結晶層は、好ましくは無極性または半極性の面方位を有する結晶層である。
暗転密度とは、結晶の転位欠陥である貫通転位の密度を示すための指標となる物性値であり、走査型電子顕微鏡／カソードルミネッセンス（ＳＥＭ・ＣＬ）装置を用いて測定される。測定試料はアンドープＧａＮ結晶層の上にｎ型ＧａＮ結晶層を積層した試料を用い、ｎ型ＧａＮ層表面において測定を行う。測定時の加速電圧は５ｋＶとし、観察範囲は２０μm×２０μmとする。このとき、観察範囲内に観察された暗点の総数より暗点密度を算出する。

サファイアのｃ面は安定な面であって、c面を起点としたＧａＮ結晶の成長は、一般的に速い。しかしながら、下地基板とは結晶学的に性質を異にする物質を成長させるために、溝部のc面側壁上で転位が発生し、しかも、該転位はｃ軸に対して直角の結晶軸方向に集中的に伝播することを、本発明者らは確認した。例えば、図２（ａ）に示す如く、主面がｒ面であり、溝部の左側面がｃ面であり、左側面の延長方向がｍ軸であるサファイ下地基板を用いて、ＥＬＯ法で成長させた場合、ｃ面上で転位が発生し、該転位は基板のｍ軸と平行なＧａＮ結晶のａ軸にそって伝播して最終的に得られるＧａＮ結晶の暗点密度を増大させる。この知見を基に、暗点密度を向上させるためにＧａＮ結晶のａ軸方向の転位を抑制する方法を検討し、この抑制を非対称ＥＬＯ法で達成できることを発見して本発明に結びつけた。

本発明のＧａＮ結晶積層基板は、以下の方法で製造される。
ＧａＮ結晶を成長させる下地基板としては、サファイアからなる下地基板上に、該下地基板の主面に対して傾斜した側壁を有する溝部を複数本有し、且つ、側壁の一部はｃ面である下地基板を用いることが重要である。
しかも、ＧａＮ結晶の成長方法として、隣接する溝部から成長させた成長結晶が互いに会合するまでは、非対称ＥＬＯ法を採用することが必須である。図２（ｂ）に模式的に示すように、非対称ＥＬＯ法で成長させた場合、成長するにつれて、成長が速いｃ軸方向に結晶端が突出し隣接する結晶のａ軸方向の結晶端を阻止してしまう。この結果、集中的に起こるａ軸方向への転位の伝播が阻止され、最終的な暗点密度が低下するものと推測している。図２（ａ）には、対称ＥＬＯ法で成長させた場合の結晶の成長の様子を示す。この場合、ａ軸方向への転位の伝播は阻止されず、結晶表面へ貫通する。

サファイア下地基板の主面は、目的とするＧａＮ結晶の結晶面に合わせて任意の面方位が選択される。例えば、＜１１−２２＞面を表面に有するＧａＮ結晶を成長させたい場合は、サファイア下地基板の主面は＜１０−１２＞とする。＜１０−１１＞面を表面に有するＧａＮ結晶を成長させたい場合は、サファイア下地基板の主面は＜１１−２３＞とする。その他、＜１０−１０＞面、＜１１−２０＞面、＜２０−２１＞面等を主面することができる。
この主面は、所望のＧａＮ結晶を得るために、結晶軸に対して所定の角度傾斜したミスカット面であってもよい。該下地基板は、通常、厚みが０．３〜３．０ｍｍ、直径が５０〜３００ｍｍの円盤状のものが使用される。

上記のとおり、下地基板の主面は任意に選択できるが、該下地基板は複数の溝部を有し、且つ、溝部側壁の一部がｃ面であることが必須である。例えば、下地基板主面が＜１０−１２＞面、溝部の延びる方向が＜１１−２０＞面の面方位、即ち、ａ軸方向である場合に、溝部の一方の側壁にｃ面が形成される。或いは、下地基板主面が＜１１−２３＞面、溝部の延びる方向が＜１０−１０＞面の面方位、即ち、ｍ軸方向である場合に、溝部の一方の側壁にｃ面が形成される。
主面が上記何れの面方位であっても、成長起点となる側壁がｃ面であり、且つ、後述する非対称ＥＬＯを採用して成長結晶を会合させる限り、ｃ軸以外の方向への転位を阻止でき、本発明のＧａＮ結晶積層基板を得ることができる。図１に、代表的な下地基板を示す。

サファイア下地基板の主面には、複数本の溝部が並行に設けられる。溝部の開口部幅は特に制限されず、通常０．５〜１０μｍの範囲から設定される。溝部の間隔、即ち、相互に隣接する溝部と溝部の下地基板主面線上の間隔は、１〜１００μｍである。溝部底面の横方向の幅、即ち溝部の延びる方向に直角な方向の距離（ｗ）も特に限定されず、１〜１０００００μｍが一般的である。主面上の溝部の数は、形成されるＧａＮ結晶の所望する面積に応じて任意に設けることができるが、上記開口幅、溝部の間隔、底面の幅を勘案して、通常、１ｍｍ当り、１０〜５００本程度設ければ良い。

上記溝部は、下地基板主面に対して所定の角度で傾斜した側壁を有しており、
図３に示すように、その断面形状は、溝開口部から溝底部に向かって溝幅を狭めるように傾斜したテ―パー状になっている。該傾斜角度とは、図３に示すように、下地基板主面と溝部側壁の延長面とがなす角度（Θ）を意味する。該角度は、下地基板主面の面方位に対応して形成される側壁のｃ面の面方位を勘案して決定される。

例えば、サファイア下地基板主面の面方位が＜１０−１２＞であり、所望するＧａＮ結晶の面方位が＜１１−２２＞面である場合は、この角度（Θ）を５８．４度として、この側壁から、ＧａＮを、サファイア下地基板のｃ軸にＧａＮ結晶のｃ軸が同一の方向となるように成長させて所望の結晶を得る。このときの角度５８．４度は、所望するＧａＮ結晶の主面である＜１１−２２＞面と、成長方向であるＧａＮ結晶のｃ軸に対して垂直となるＧａＮ結晶のｃ面とがなす角度が、５８．４度であることから決定される。
しかし、用いるサファイア下地基板の主面である＜１０−１２＞面と、溝部の側壁に現れるサファイアｃ面とがなす角度は５７．６度であるため、下地基板主面と溝部側壁とがなす角度（Θ）は５７．６度となり、その上に成長したＧａＮ結晶層の表面は、サファイア下地基板の主面に対し、約０．８度傾斜する。そこで、この角度を相殺するように、基板主面部分がサファイア＜１０−１２＞面にオフ角をつけた面であるミスカット基板を用いることにより、ＧａＮ結晶の＜１１−２２＞面がサファイア下地基板主面に対して平行となるように成長したＧａＮ結晶層を得ることができる。

サファイア下地基板主面の面方位が＜１１−２３＞であり、所望するＧａＮ結晶の面方位が＜１０−１１＞面である場合は、この角度を６２．０度とする。しかしながら、上記理由と同じ理由により生じる、約０．８度の下地基板主面とＧａＮ結晶表面との傾斜角度を相殺するように、基板主面部分がサファイア＜１１−２３＞面にオフ角をつけた面であるミスカット基板を用いることにより、ＧａＮ結晶の＜１０−１１＞面がサファイア下地基板主面に対して平行となるように成長したＧａＮ結晶層を得ることができる。

サファイア下地基板主面の面方位が＜１１−２０＞であり、所望するＧａＮ結晶の面方位が＜１０−１０＞面である場合、或いは、サファイア下地基板主面の面方位が＜１０−１０＞であり、所望するＧａＮ結晶の面方位が＜１１−２０＞面である場合は、この角度を９０度として、この側壁から、ＧａＮを、サファイア下地基板のｃ軸とＧａＮ結晶のｃ軸とが同一の方向となるように成長させて所望の結晶を得る。
しかし、下地基板主面と溝部側壁とがなす角度（Θ）が９０度となる溝部を形成することはエッチング技術上困難であるが、下地基板主面と溝部側壁とがなす角度（Θ）が９０度に近い溝部を有するサファイア下地基板を用いることにより、＜１１−２０＞面を主面とするサファイア下地基板上にＧａＮ結晶の＜１０−１０＞面が下地基板主面に対して平行となるように成長した、或いは、＜１０−１０＞面を主面とするサファイア下地基板上にＧａＮ結晶の＜１１−２０＞面が下地基板主面に対して平行となるように成長したＧａＮ結晶層を得ることができる。

上記溝部の側壁における、ＧａＮ結晶を成長させる領域（以下、結晶成長領域という）の幅（ｄ）は特に制限されないが、暗点密度を低減するためには、１０〜３０００ｎｍとすることが好ましく、１００〜１０００ｎｍとすることが特に好ましい。幅（ｄ）の下限は特に制限はなく小さいほど良いが、下記に述べる溝部作製の際の技術上の制約から決定される。
結晶成長領域の幅（ｄ）とは、図３に示す如く、側壁全てが結晶成長領域である場合は、下地基板主面と側壁が交わる辺と、側壁と溝部底面が交わる辺との間の、側壁上の最短距離（間隔）を云う。図４に示す如く、側壁の一部がマスキングされ結晶成長領域が制限されている場合は、上記最短距離（間隔）から、マスキング部の幅を除いた距離（ｄ）を云う。

上記所定の傾斜角度の側壁を有する溝部は、溝部形成予定部分だけが開ロ部となるようにフォトレジストのパターニングを形成し、フォトレジストをエッチングレジストとし、サファイア下地基板を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）等のドライエッチング或いはウエットエッチングをすることにより形成することができる。
更に、側壁の幅、溝部開口部幅、溝部間隔、底面幅などの制御手段としては、フォトレジストのパターニングを形成する段階において、フォトレジストの塗布量、ベーク温度、ベーク時間、ＵＶ照射量、ＵＶ照射する際のフォトマスクの形状などが挙げられる。また、エッチングの段階において、エッチングガス種、エッチングガス濃度、エッチングガス混合比、アンテナパワー、バイアスパワー、エッチング時間などによっても制御できる。
これら種々の条件を組み合わせることにより、所定の形状である溝部を有したサファイア下地基板を得ることができる。前記側壁の幅は、単位時間あたりにサファイアがエッチングされる速度であるエッチングレートを求め、エッチング時間を変更することで制御が可能である。

上記方法において、サファイア下地基板主面の選定、並びに溝部の延びる方向の設定により、ｃ面の面方位からなる側壁を有する下地基板を作成することができる。
側壁の一部をマスキングする場合、その手段としては、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等の方法により、結晶成長領域以外の領域に、ＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜、ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜、ＴｉＯ_２膜、ＺｒＯ_２膜等を形成してマスキングする方法が挙げられる。該マスキング層の厚さは、通常０．０１〜３μｍ程度である。

本発明においては、上記下地基板を用いて、その側壁を起点として、ＧａＮ結晶層を、非対称ＥＬＯ法により横方向に結晶成長させることを特徴とする。得られるＧａＮ結晶層の結晶表面の面方位は、前記の通りサファイ下地基板主面に対応し、＜１１−２２＞面、＜１０−１１＞面、＜２０−２１＞面などからなる。
非対称ＥＬＯとは、各結晶軸方向への結晶成長速度を異にして成長させる方法である。図２（ｂ）に示すように、サファイアの主面がｒ面であり、溝部の左側壁がｃ面であり、左側壁の延長方向がＧａＮ結晶のａ軸である場合、ｃ軸方向への結晶成長がａ軸方向への結晶成長より速くなるように制御する。この結果、成長結晶は、ｃ軸方向へ突出した形状の結晶となり、右隣の成長結晶のａ軸方向結晶端部を阻止する。

非対称ＥＬＯを実施する方法は、後述する成長方法；反応装置の形状や容積などの装置条件；キャリア―ガスの使用の有無や種類、ガス組成、ガス供給速度などの原料条件；反応温度や反応圧力などの結晶成長条件などにより制御しうるので、使用する成長方法や反応装置や原料等を決定した上で、予め、予備的な実験でその操作条件を決定しておけば良い。反応温度を変化させることで各軸方向の成長速度は顕著に変化するため、これらの制御因子の中で、反応温度による制御が好ましい。更に、隣接する成長結晶同士が会合するタイミングや会合後の成長は、全ての条件を同一にする限り、反応時間で制御できる。

ＧａＮ結晶の成長方法は、特に限定されず、有機金属気相成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）、分子線エピタキシ法（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy：ＨＶＰＥ）が採用され、これらのうち有機金属気相成長法が最も一般的である。以下では、有機金属気相成長法を利用した成長方法について説明する。また、本願発明の発明者等によって提案されたＷＯ２０１０／０２３８４６号公報に記載の技術を何ら制限なく準用できる。

結晶成長に用いられるＭＯＶＰＥ装置は、大きくは基板搬送系、基板加熱系、ガス供給系、及びガス排気系から構成され、全て電子制御される。基板加熱系は、熱電対及び抵抗加熱ヒータ、並びにその上に設けられた炭素製或いはＳｉＣ製のサセプタで構成され、そして、そのサセプタの上に本発明のサファイア下地基板をセットした石英トレイが搬送され、半導体層のエピタキシャル成長が行われる。この基板加熱系は、水冷機構を備えた石英製の二重管内或いはステンレス製の反応容器内に設置され、その二重管或いは反応容器内にキャリアガス及び各種原料ガスが供給される。特にステンレス反応容器を使う場合は、基板上に層流のガスの流れを実現するために、石英製のフローチャネルを用いる。
キャリアガスとしては、例えば、Ｈ_２、Ｎ_２が挙げられる。窒素元素供給源としては、例えば、ＮＨ_３が挙げられる。Ｇａ元素供給源としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）が挙げられる。

以下具体的に、ＧａＮ結晶層の非対称ＥＬＯについて説明する。まず、サファイア下地基板を基板主面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、サファイア下地基板を１０５０〜１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内に設置したフローチャネル内にキャリアガスとしてＨ_２を流通させ、その状態を数分間保持することによりサファイア下地基板をサーマルクリーニングする。
次いで、サファイア下地基板の温度を１０５０〜１１５０℃とすると共に反応容器内の圧力を１０〜１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスＨ_２を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＮＨ_３、及びＴＭＧを、それぞれの供給量が０．１〜５Ｌ／ｍｉｎ、及び１０〜１５０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように流す。このとき、図２（ｂ）に示すように、サファイア下地基板の溝部の側壁からその上にアンドープのＧａＮが非対称成長する。

そして、ある成長結晶のａ軸方向端部が隣接する成長結晶のｃ軸方向端部で阻止される。さらにＧａＮ結晶の成長を続けることで、隣接する結晶同士は会合し、最終的には、表面への転位の伝播を阻止した、低転位の、無極性または半極性面を主面とした平坦なＧａＮ結晶層が得られる。図５（ｂ）には、非対称ＥＬＯ法を用いて成長したＧａＮ結晶層、およびサファイア下地基板の状態の模式図を示す。また図５（ａ）には、非対称ＥＬＯ法を用いずに、通常の対称ＥＬＯ法にて成長したＧａＮ結晶層、およびサファイア下地基板の状態の模式図を示す。非対称ＥＬＯ法では、ＧａＮ結晶のｃ軸方向の成長速度が速いため、ＧａＮ結晶が隣接する結晶と会合するまでにｃ軸方向へ横方向成長する距離が、対称ＥＬＯ法に比べて長い。

上記のとおり、ＭＯＶＰＥ成長方法で、キャリアガスとしてＨ_２を、反応原料としてＮＨ_３およびＴＭＧを用いて、圧力および各原料の供給量を上記のとおり
とした場合、反応温度（サファイア下地基板の温度）を、１０５０〜１１５０℃に維持して成長させれば、非対称ＥＬＯが起こる。この場合、１０４０℃以下では非対称ＥＬＯは起こらず、通常の対称横方向成長（symmetric epitaxial lateral overgrowth；対称ＥＬＯ）となる。このように同じ成長条件においては反応温度によってＧａＮ結晶の各軸方向における成長速度を制御することができ、非対称成長または対称成長を自由に制御することができる。しかし、前記のとおり、装置条件、原料条件、結晶成長条件などの様々な条件の組み合わせによって結晶の成長様式は決定されるため、採用する条件によっては、上記の反応温度とは異なる温度にて非対称成長または対称成長が制御されることもある。

隣接する結晶が会合し転位を阻止した後の結晶成長は特に限定されず、非対称ＥＬＯ法で続けて成長させても良いし、通常の対称ＥＬＯ法に切り替えてもよい。対称ＥＬＯ法の方が、成長後の表面が平坦になり、その後のＬＥＤやＬＤなどの素子構造の作製に適しており好ましい。
下地基板のｃ面を起点としてＧａＮ結晶が成長し、最終的には下地基板を覆って下地基板主面に平行な表面を有する、種々の面方位のＧａＮ結晶層が形成される。
形成されるＧａＮ結晶層の厚み（サファイ下地基板主面からの高さ）は、特に限定されないが、通常、２〜２０μｍである。
上記方法によって得られたＧａＮ結晶積層基板は、このまま各種半導体発光素子の基板として使用することができる。

以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。

実施例１
〔サファイア下地基板の作製〕
＜１０−１２＞面サファイア基板上にストライプ状にレジストをパターニングし、次いで反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりドライエッチングすることで、サファイア基板上に複数本の溝部を形成した。溝部は、溝開口幅が３μｍ、溝の深さが１μｍ、及び隣接する溝部までの基板主面上での幅が３μｍとなるように形成した。側壁の傾斜角度は約６０度であり、溝深さ及び側壁の傾斜角度より算出した側壁の幅（ｄ）は１．１５μｍである。
ドライエッチングの後、レジストを洗浄除去することでサファイア下地基板を得た。このサファイア下地基板は、基板主面、約８５００本の溝部、溝部の側壁から構成される結晶成長領域、及び溝部底面を有する。

〔アンドープＧａＮ結晶層の形成〕
作製したサファイア下地基板を、ＭＯＶＰＥ装置内に、基板表面が上向きになるように石英トレイ上にセットした後、基板を１１５０℃に加熱すると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内にキャリアガスとしてＨ_２を１０Ｌ／ｍｉｎで流通させ、その状態を１０分間保持することにより基板をサーマルクリーニングした。
次いで、基板の温度を４６０℃とすると共に反応容器内の圧力を１００ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ_２５Ｌ／ｍｉｎの流量で流しながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ_３）、及びＩＩＩ族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が５Ｌ／ｍｉｎ及び５．５μｍｏｌ／ｍｉｎで基板上にアモルファス状のＧａＮを約２５ｎｍ堆積させた。続いて基板の温度を１０７５℃とすると共に反応容器内の圧力を２０ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ_２として、それを５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させることで、基板上に堆積したＧａＮを再結晶化し、溝部側壁の結晶成長領域に選択的にＧａＮ結晶核を形成した。

続いて、基板の温度を１０７５℃とすると共に反応容器内の圧力を２０ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ_２として、それを５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ_３）、及びＩＩＩ族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が２Ｌ／ｍｉｎ及び３０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように１８０分間流し、ＧａＮ結晶核の上にＧａＮ（アンドープＧａＮ）を結晶成長させることにより、基板の主面に形成された各溝部の側壁から横方向結晶成長するように基板上にＧａＮ結晶層を形成した。このとき、ｃ軸方向への結晶成長はａ軸方向への結晶成長より速く、ＧａＮは非対称横方向成長している。
続いて、基板の温度を１０２５℃とすると共に反応容器内の圧力を２０ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ_２として、それを５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ_３）、及びＩＩＩ族元素供給源（ＴＭＧ）を、それぞれの供給量が２Ｌ／ｍｉｎ及び３０μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように１８０分間流し、ＧａＮを成長させることにより、基板の主面に形成された各溝部の側壁から成長したＧａＮ結晶同士を会合し、ＧａＮ結晶の＜１１−２２＞面からなる表面が下地基板主面に対して平行に形成されたＧａＮ結晶層を形成した。

〔ｎ型ＧａＮ結晶層の形成〕
次いで、基板の温度を１０２５℃とすると共に反応容器内の圧力を２０ｋＰａとし、また、反応容器内を流通させるキャリアガスをＨ_２として、それを５Ｌ／ｍｉｎの流量で流通させながら、そこにＶ族元素供給源（ＮＨ_３）、ＩＩＩ族元素供給源（ＴＭＧ）、及びｎ型ドーピング元素供給源（ＳｉＨ_４）を、それぞれの供給量が２Ｌ／ｍｉｎ、３０μｍｏｌ／ｍｉｎ、及び５．８×１０^−３μｍｏｌ／ｍｉｎとなるように６０分間流し、アンドープＧａＮ層の上部に、アンドープＧａＮ層と同一面方位にエピタキシャル成長したｎ型ＧａＮ結晶層を形成した。
〔暗点密度評価〕
得られたＧａＮ結晶層について、走査型電子顕微鏡／カソードルミネッセンス装置を用いて、ｎ型ＧａＮ層表面の観察を行った。このときの加速電圧は５ｋＶ、観察範囲は２０μm×２０μmとし、観察範囲内に観察された暗点の総数から暗点密度を算出したところ、表１に示す結果が得られた。

比較例１
１０７５℃での非対称横方向成長工程を除き１０２５℃でのアンドープＧａＮ結晶層の成長時間を３００ｍｉｎとしたことを除いては実施例１と同様にして、サファイア下地基板上にＧａＮ結晶層を形成した。
実施例１と同様にして、暗点密度評価を行い、結果を表１に示した。

上記実施例１および比較例１の暗点密度評価結果から、非対称横方向成長工程を採用することにより暗点密度が大幅に低減し高品質のＧａＮ結晶層が得られることが認識できる。

１０ サファイア下地基板
１１ 下地基板主面
２０ 下地基板溝部
２１ 溝部側壁
２２ 溝部底面
２３ 側壁結晶成長領域
３０ ＧａＮ結晶層
３１ ＧａＮ結晶層表面
４０ マスキング部

Claims (3)

1. サファイア下地基板上に、該下地基板の主面に対して傾斜した側壁を有する複数本の溝部を形成し、該溝部の側壁より選択的に窒化ガリウム結晶を横方向成長（epitaxial lateral overgrowth）させる窒化ガリウム結晶積層基板の製造方法において、
   前記側壁の少なくとも一部がサファイア結晶のｃ面であって、該ｃ面側壁を起点として、ｃ軸方向の成長速度を、ｃ軸に対して垂直な方向のうち基板表面に向かう方向の成長速度より早くした窒化ガリウム結晶の非対称横方向成長（asymmetric epitaxial lateral overgrowth）を行い、隣接する成長結晶を会合させてｃ軸に対して垂直な方向のうち基板表面に向かう方向への結晶転位の伝播を阻止することを特徴とする前記窒化ガリウム結晶積層基板の製造方法。
2. サファイア下地基板と、該基板上に結晶成長せしめて形成された窒化ガリウム結晶層とを含み、該窒化ガリウム結晶層は、サファイア下地基板の主面に複数本形成された溝部のｃ面からなる側壁から横方向結晶成長して該主面と平行に表面が形成されたものであり、且つ、該窒化ガリウム結晶の暗点密度が１．０×１０^８個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする窒化ガリウム結晶積層基板。
3. 窒化ガリウム結晶層が、無極性または半極性の面方位を有する表面からなる窒化ガリウム結晶層であることを特徴とする請求項２に記載の窒化ガリウム結晶積層基板。