JP2014156388A - 窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低い転位密度を有する窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法を提供すること。
【解決手段】本発明の窒化物半導体積層構造は、ｍ面サファイヤ基板または（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板からなる群から選択される基板、前記基板の表面の一部に形成されたマスク層、および前記マスク層を被覆するように前記基板の表面に形成された窒化物半導体層を具備する。断面視において隣接する２つのマスク層の間に挟まれる窒化物半導体層の部分は、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれている領域Ｇ１および点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれている領域Ｇ２を有しており、領域Ｇ２は領域Ｇ１よりも低い転位密度を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法に関する。

特許文献１は、ＩＩＩ族窒化物半導体の成長方法を開示する。図１６は、特許文献１の図９の複製を示す。特許文献１によれば、図１６の上部に示されるように、ＩＩＩ族窒化物半導体の従来の成長方法によってｃ面基板上に成長されたＩＩＩ族窒化物半導体層の表面には、転位が現れる。転位は、ＩＩＩ族窒化物半導体層の品質を低下させる。

この問題を解決するため、特許文献１は、図１６の下部に示されるように、ｈの高さを有する複数のマスクを用いることを開示している。文字「θ」は、ＩＩＩ族窒化物半導体のファセット面および基板の表面の間に形成される角度を表す。文字「ｗ」は、隣接する２つのマスクの間の幅を表す。特許文献１によれば、数式（ＩＩ）：ｈ≧（ｗ／２）・ｔａｎθが充足される。このような高さｈを有するマスクは、図１６の下部に示されるように、基板に平行な転位の成長を停止する。このようにして、マスクは、ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面に転位が現れるという問題を解決する。

特許文献２は、窒化物半導体積層構造を開示する。図１７は、特許文献２の図１の複製を示す。特許文献２によれば、図１７に示されるように、ｍ面ＧａＮ基板上にマスク６０が形成され、ｍ面ＧａＮ基板上に積層される窒化物半導体積層構造に含まれる結晶欠陥の密度が減らされる。

非特許文献１は、ｍ面サファイヤ基板上に窒化物半導体層をエピタキシャル成長させることを開示している。成長された窒化物半導体層は、エピタキシャル成長の条件に依存して、（１０−１０）面、（１１−２２）面、および（１０−１−３）面からなる群から選択される１つの主面を有する。

米国特許第６８０９３５１号明細書 特開２００８−１５３２８６号公報

Philippe Vennegues et. al. "Study of the epitaxial relationships between III-nitrides and M-plane sapphire", Journal of Applied Physics, vol. 108, page 113521 (2010) S.F.Chichibu et. al. "Optional properties of nearly stacking-fault-free m-plane GaN homoepitaxial films grown by metal organic vapor phase epitaxy on low defect density freestanding GaN substrates", Applied Physics Letters, vol. 92, page 090912 (2008) Hiroshi Furuya et. al "Growth of [11-22] GaN on shallowly etched r-plane patterned sapphire substrates", Phys. Status Solidi C 9, No. 3-4, 568-571 (2012) Tanikawa et. al. "Growth of semi-polar (11-22) GaN on a (113) Si substrate by selective MOVPE", Phys. Status Solidi C 5, No. 9, 2966-2968 (2008)

本発明の目的は、低い転位密度を有する窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法を提供することである。

本発明の窒化物半導体積層構造は、以下を具備する：
ｍ面サファイヤ基板（１００）、
前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の表面の一部に形成されたマスク層（１２１）、および
前記マスク層（１２１）を被覆するように前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の表面に形成された窒化物半導体層（３００）、ここで
Ｘ軸は前記ｍ面サファイヤ基板（１００）のａ軸を表し、
Ｙ軸は前記ｍ面サファイヤ基板（１００）のｃ軸を表し、
Ｚ軸は前記ｍ面サファイヤ基板（１００）のｍ軸を表し、
前記Ｚ軸およびＹ軸を含む面に沿って前記窒化物半導体積層構造を切断することによって現れる断面視において、複数のマスク層（１２１）が現れ、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、底面（１２４）、第１の側面（１２２）、および第２の側面（１２３）を有し、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、Ｈの高さを有し、
前記窒化物半導体層（３００）は、（１１−２２）面により表される主面を有し、
前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）は、前記窒化物半導体層（３００）を挟んで、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層（１２１ｂ）の第２の側面（１２３ｂ）と向かい合い、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、各マスク層（１２１）の第１の側面（１２２）および第２の側面（１２３）に接しており、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、隣接する２つのマスク層（１２１）の間に露出する部分の前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に接しており、
前記窒化物半導体層（３００）は、前記断面視において、第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）、第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）、および第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）を含み、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記断面視において、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）よりも高い転位密度を有しており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）よりも高い転位密度を有しており、
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、前記ｍ面サファイヤ基板（１００）および前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）の間に挟まれており、
前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有しており、
前記点Ａは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）および前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｂは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層（１２１ｂ）の第２の側面（１２３ｂ）および前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｃは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）および直線Ｌ１の交点を表し、
前記点Ｄは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および直線Ｌ２の交点を表し、
前記直線Ｌ１は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）と角度θで交差し、
前記直線Ｌ２は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に平行であり、
数式（Ｉ）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθが充足され、：
距離Ｗは、前記断面視において、互いに平行な直線Ｌ３および直線Ｌ４の距離を表し、
角度θは、前記断面視において、前記Ｙ軸および窒化物半導体層（３００）のｃ面の間に形成される角度を表し、
前記直線Ｌ３は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に垂直であり、
前記直線Ｌ４は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に垂直であり、および
前記角度θは、４８度以上５８度以下である。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）と同じ転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し得る。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し、かつ
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

複数の前記マスク層（１２１）が前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の表面の一部に形成されており、
前記各マスク層（１２１）は、Ｘ軸に平行であり得る。

前記窒化物半導体積層構造の上面視において、前記マスク層（１２１）は開口部（１３０）を具備し、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）が前記開口部（１３０）に含まれ得る。

前記窒化物半導体層（３００）の上面は、前記ｍ面基板（１００）の表面に平行であり得る。

本発明の発光素子は、以下を具備する：
上記窒化物半導体積層構造、
前記窒化物半導体積層構造上に形成されたｎ型窒化物半導体層、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層、
前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層、
前記ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ側電極、および
前記ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ側電極。

本発明の他の窒化物半導体積層構造は、以下を具備する：
（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板（１００）、
前記窒化物半導体基板（１００）の表面の一部に形成されたマスク層（１２１）、および
前記マスク層（１２１）を被覆するように前記窒化物半導体基板（１００）の表面に形成された窒化物半導体層（３００）、ここで
Ｘ軸は＜１−１００＞方向を表し、
Ｙ軸は＜１１−２−３＞を表し、
Ｚ軸は＜１１−２２＞方向を表し、
前記Ｚ軸およびＹ軸を含む面に沿って前記窒化物半導体積層構造を切断することによって現れる断面視において、複数のマスク層（１２１）が現れ、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、底面（１２４）、第１の側面（１２２）、および第２の側面（１２３）を有し、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、Ｈの高さを有し、
前記窒化物半導体層（３００）は、（１１−２２）面により表される主面を有し、
前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）は、前記窒化物半導体層（３００）を挟んで、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層（１２１ｂ）の第２の側面（１２３ｂ）と向かい合い、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、各マスク層（１２１）の第１の側面（１２２）および第２の側面（１２３）に接しており、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、隣接する２つのマスク層（１２１）の間に露出する部分の前記窒化物半導体基板（１００）に接しており、
前記窒化物半導体層（３００）は、前記断面視において、第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）、第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）、および第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）を含み、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記断面視において、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれており、
前記窒化物半導体基板（１００）は、前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）よりも高い転位密度を有しており、
前記窒化物半導体基板（１００）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）よりも高い転位密度を有しており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）よりも高い転位密度を有しており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）よりも高い転位密度を有しており、
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、前記窒化物半導体基板（１００）および前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）の間に挟まれており、
前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有しており、
前記点Ａは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）および前記窒化物半導体基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｂは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層（１２１ｂ）の第２の側面（１２３ｂ）および前記窒化物半導体基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｃは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）および直線Ｌ１の交点を表し、
前記点Ｄは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および直線Ｌ２の交点を表し、
前記直線Ｌ１は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記窒化物半導体基板（１００）と角度θで交差し、
前記直線Ｌ２は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記窒化物半導体基板（１００）に平行であり、
数式（Ｉ）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθが充足され、：
距離Ｗは、前記断面視において、互いに平行な直線Ｌ３および直線Ｌ４の距離を表し、
角度θは、前記断面視において、前記Ｙ軸および窒化物半導体層（３００）のｃ面の間に形成される角度を表し、
前記直線Ｌ３は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記窒化物半導体基板（１００）に垂直であり、
前記直線Ｌ４は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記窒化物半導体基板（１００）に垂直であり、および
前記角度θは、４８度以上５８度以下である。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）と同じ転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し得る。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し、かつ
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

複数の前記マスク層（１２１）が前記窒化物半導体基板（１００）の表面の一部に形成されており、
前記各マスク層（１２１）は、Ｘ軸に平行であり得る。

前記窒化物半導体積層構造の上面視において、前記マスク層（１２１）は開口部（１３０）を具備し、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）が前記開口部（１３０）に含まれ得る。

前記窒化物半導体層（３００）の上面は、前記窒化物半導体基板（１００）の表面に平行であり得る。

本発明の他の発光素子は、以下を具備する：
上記窒化物半導体積層構造、
前記窒化物半導体積層構造上に形成されたｎ型窒化物半導体層、
前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層、
前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層、
前記ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ側電極、および
前記ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ側電極。

本発明の窒化物半導体積層構造を製造する方法は、以下の工程を具備する：
（ａ） ｍ面サファイヤ基板（１００）の表面の一部に、マスク層（１２１）を形成する工程；ここで
Ｘ軸は前記ｍ面サファイヤ基板（１００）のａ軸を表し、
Ｙ軸は前記ｍ面サファイヤ基板（１００）のｃ軸を表し、
Ｚ軸は前記ｍ面サファイヤ基板（１００）のｍ軸を表し、
前記Ｚ軸およびＹ軸を含む面に沿って前記窒化物半導体積層構造を切断することによって現れる断面視において、複数の前記マスク層（１２１）が現れ、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、底面（１２４）、第１の側面（１２２）、および第２の側面（１２３）を有し、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、Ｈの高さを有し、かつ
前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）は、前記窒化物半導体層（３００）を挟んで、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層（１２１ｂ）の第２の側面（１２３ｂ）と向かい合い、および

（ｂ） 工程（ａ）の後に、前記マスク層（１２１）を被覆するように前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の表面に窒化物半導体層（３００）をエピタキシャル成長させる工程、ここで
前記窒化物半導体層（３００）は、（１１−２２）面により表される主面を有し、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、各マスク層（１２１）の第１の側面（１２２）、および第２の側面（１２３）に接しており、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、隣接する２つのマスク層（１２１）の間に露出する部分の前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に接しており、
前記窒化物半導体層（３００）は、前記断面視において、第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）、第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）、および第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）を含み、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記断面視において、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）よりも高い転位密度を有しており、
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、前記ｍ面サファイヤ基板（１００）および前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）の間に挟まれており、
前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有しており、
前記点Ａは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面およびｍ面サファイヤ基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｂは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面およびｍ面サファイヤ基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｃは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面および直線Ｌ１の交点を表し、
前記点Ｄは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および直線Ｌ２の交点を表し、
前記直線Ｌ１は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）と角度θで交差し、
前記直線Ｌ２は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に平行であり、
数式（Ｉ）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθが充足され、：
距離Ｗは、前記断面視において、互いに平行な直線Ｌ３および直線Ｌ４の距離を表し、
角度θは、前記断面視において、前記Ｙ軸および窒化物半導体層（３００）のｃ面の間に形成される角度を表し、
前記直線Ｌ３は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に垂直であり、
前記直線Ｌ４は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板（１００）に垂直であり、および
前記角度θは、４８度以上５８度以下である。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）と同じ転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し得る。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し、かつ
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

複数の前記マスク層（１２１）が前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の表面の一部に形成されており、
前記各マスク層（１２１）は、Ｘ軸に平行であり得る。

前記窒化物半導体積層構造の上面視において、前記マスク層（１２１）は開口部（１３０）を具備し、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）が前記開口部（１３０）に含まれ得る。

前記窒化物半導体層（３００）の上面は、前記ｍ面サファイヤ基板（１００）の表面に平行であり得る。

本発明の他の窒化物半導体積層構造を製造する方法は、以下の工程を具備する：
（ａ） （１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板（１００）の表面の一部に、マスク層（１２１）を形成する工程；ここで
Ｘ軸は＜１−１００＞方向を表し、
Ｙ軸は＜１１−２−３＞を表し、
Ｚ軸は＜１１−２２＞方向を表し、
前記Ｚ軸およびＹ軸を含む面に沿って前記窒化物半導体積層構造を切断することによって現れる断面視において、複数の前記マスク層（１２１）が現れ、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、底面（１２４）、第１の側面（１２２）、および第２の側面（１２３）を有し、
前記断面視において、各マスク層（１２１）は、Ｈの高さを有し、かつ
前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層（１２１ａ）の第１の側面（１２２ａ）は、前記窒化物半導体層（３００）を挟んで、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層（１２１ｂ）の第２の側面（１２３ｂ）と向かい合い、および

（ｂ） 工程（ａ）の後に、前記マスク層（１２１）を被覆するように前記基板（１００）の表面に窒化物半導体層（３００）をエピタキシャル成長させる工程、ここで
前記窒化物半導体層（３００）は、（１１−２２）面により表される主面を有し、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、各マスク層（１２１）の第１の側面（１２２）、および第２の側面（１２３）に接しており、
前記断面視において、前記窒化物半導体層（３００）は、隣接する２つのマスク層（１２１）の間に露出する部分の前記基板（１００）に接しており、
前記窒化物半導体層（３００）は、前記断面視において、第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）、第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）、および第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）を含み、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記断面視において、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）よりも高い転位密度を有しており、
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれており、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記断面視において、前記基板（１００）および前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）の間に挟まれており、
前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有しており、
前記点Ａは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面および基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｂは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および基板（１００）の交点を表し、
前記点Ｃは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面および直線Ｌ１の交点を表し、
前記点Ｄは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および直線Ｌ２の交点を表し、
前記直線Ｌ１は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記基板（１００）と角度θで交差し、
前記直線Ｌ２は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記基板（１００）に平行であり、
数式（Ｉ）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθが充足され、：
距離Ｗは、前記断面視において、互いに平行な直線Ｌ３および直線Ｌ４の距離を表し、
角度θは、前記断面視において、前記Ｙ軸および窒化物半導体層（３００）のｃ面の間に形成される角度を表し、
前記直線Ｌ３は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記基板（１００）に垂直であり、
前記直線Ｌ４は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記基板（１００）に垂直であり、および
前記角度θは、４８度以上５８度以下である。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、前記第３の窒化物半導体領域（Ｇ３）と同じ転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し得る。

前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し、かつ
前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有し得る。

複数の前記マスク層（１２１）が前記基板（１００）の表面の一部に形成されており、
前記各マスク層（１２１）は、Ｘ軸に平行であり得る。

前記窒化物半導体積層構造の上面視において、前記マスク層（１２１）は開口部（１３０）を具備し、
前記第１の窒化物半導体領域（Ｇ１）および前記第２の窒化物半導体領域（Ｇ２）が前記開口部（１３０）に含まれ得る。

前記窒化物半導体層（３００）の上面は、前記基板（１００）の表面に平行であり得る。

本発明は、低い転位密度を有する窒化物半導体積層構造およびそれを製造する方法を提供する。

本実施形態による窒化物半導体積層構造の断面図 本実施形態による窒化物半導体積層構造を製造する方法における断面図 図２に引き続き、本実施形態による窒化物半導体積層構造を製造する方法における断面図 実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法に含まれる１工程における平面図 図４Ａに含まれる直線Ｌ８−Ｌ８’に沿って切り取った断面図 図４Ａに引き続き、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法に含まれる１工程における平面図 図５Ａに含まれる直線Ｌ８−Ｌ８’に沿って切り取った断面図 図５Ａに引き続き、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法に含まれる１工程における平面図 図６Ａに含まれる直線Ｌ８−Ｌ８’に沿って切り取った断面図 図６Ａに引き続き、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法に含まれる１工程における平面図 図７Ａに含まれる直線Ｌ８−Ｌ８’に沿って切り取った断面図 図７Ａに引き続き、実施例による窒化物半導体積層構造を製造する方法に含まれる１工程における平面図 図８Ａに含まれる直線Ｌ８−Ｌ８’に沿って切り取った断面図 他の実施形態によるマスク層１２１の平面図 実施例１による、複数の帯状のマスク層１２１を表面に具備するｍ面サファイヤ基板１００の断面写真 比較例１による窒化物半導体積層構造のＸ線回折プロファイルのグラフ 比較例１による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ像）写真 実施例１による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ像）写真 実施例２による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ像）写真 １０Ｋの低温下における比較例１および実施例１による窒化物半導体層３００の発光スペクトルのグラフ 実施例１による窒化物半導体積層構造の断面透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ像）写真 図１４Ａに描かれた破線によって囲まれた領域の拡大顕微鏡写真 図１４Ｂに描かれた破線によって囲まれた領域の拡大顕微鏡写真 比較例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジー顕微鏡写真 参考例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジー顕微鏡写真 参考例２による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジー顕微鏡写真 特許文献１の図９に示される図 特許文献２の図１に示される図

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態が説明される。

図１は、本実施形態による窒化物半導体積層構造の断面図を示す。図１に示されるように、本実施形態による窒化物半導体積層構造は、基板１００、マスク層１２１、および窒化物半導体層３００を具備する。

（基板１００）
基板１００は、ｍ面サファイヤ基板または（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板である。本明細書において用いられる用語「ｍ面」とは、（１−１００）面およびそれと等価な面を意味する。（１−１００）面と等価な面は、（−１１００）面、（０１-１０）面、（０−１１０）面、（１０−１０）面、および（−１０１０）面を含む。

基板１００がｍ面サファイヤ基板である場合、図面に描写されたＸ軸は、ｍ面サファイヤ基板１００のａ軸を表す。
基板１００がｍ面サファイヤ基板である場合、図面に描写されたＹ軸は、ｍ面サファイヤ基板１００のｃ軸を表す。
基板１００がｍ面サファイヤ基板である場合、図面に描写されたＺ軸は、ｍ面サファイヤ基板１００のｍ軸を表す。

基板１００が（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板である場合、図面に描写されたＸ軸は、＜１−１００＞方向を表す。
基板１００がｍ面サファイヤ基板である場合、図面に描写されたＹ軸は、＜１１−２−３＞方向を表す。
基板１００がｍ面サファイヤ基板である場合、図面に描写されたＺ軸は、＜１１−２２＞方向を表す。

図１では、Ｘ軸は紙面に垂直である。
図１では、Ｙ軸は紙面の横方向に平行である。
図１では、Ｚ軸は紙面の長手方向に平行である。

Ｚ軸は、本実施形態による窒化物半導体積層構造の積層方向に平行である。
Ｘ軸およびＹ軸は、積層方向、すなわちＺ軸に直交する。Ｘ軸およびＹ軸は、互いに直交する。

（マスク層１２１）
マスク層１２１は、基板１００の表面の一部に形成されている。図１に示されるように、Ｚ軸およびＹ軸を含む面に沿って窒化物半導体積層構造を切断することによって現れる断面図において、複数のマスク層１２１ａおよび１２１ｂが現れる。

図８Ａは、本実施形態によるマスク層１２１の平面図を示す。図８Ａに示されるように、基板１００に複数のマスク層１２１が形成され得る。複数のマスク層１２１は、互いに平行である。図８Ａでは、各マスク層１２１は、Ｘ軸に平行である。

図９は、他の実施形態によるマスク層１２１の平面図を示す。図９に示されるように、基板１００上に、開口部１３０を有するマスク層１２１が形成される。基板１００の表面の一部が、開口部１３０において露出している。図９に含まれる直線Ｌ９−Ｌ９’に沿ってマスク層１２１が切断されることによって現れる断面図には、図１に示されるように、複数のマスク層１２１が現れる。

図９では、開口部１３０は円形である。しかし、開口部１３０の形状は円の形状に限られない。開口部１３０の形状の他の例は、正方形、長方形、多角形、または楕円である。複数の開口部１３０が設けられ得る。複数の開口部１３０は格子状に設けられ得る。あるいは、複数の開口部１３０は縦方向および横方向に沿って配列され得る。

マスク層１２１の材料は限定されない。マスク層１２１の材料の例は、誘電体である。酸化シリコンまたは窒化シリコンが望ましい。酸化シリコンがより望ましい。

図１に示されるように、各マスク層１２１は、底面１２４、第１の側面１２２、および第２の側面１２３を有する。各マスク層１２１は、高さＨを有する。図１では、第１の側面１２２は、マスク層１２１の左側面である。第２の側面１２３は、マスク層１２１の右側面である。

図１では、隣接する２つのマスク層１２１ａおよび１２１ｂが描写されている。一方のマスク層１２１ａの第１の側面１２２ａは、他方のマスク層１２１ｂの第２の側面１２３ｂに向かい合っている。窒化物半導体層３００の一部が、これら２つの側面の間に挟まれる。

第１の側面１２２および基板１００によって形成される角度αは、６０度以上９０度以下であることが望ましい。同様に、第２の側面１２３および基板１００によって形成される角度も、６０度以上９０度以下であることが望ましい。角度αが６０度未満ｄである場合、マスク１２１は、あまりにも広い幅を有することが必要とされ得る。一方、９０度を超える角度αを有するマスク１２１を形成することは困難であり得る。

点Ａは、一方のマスク層１２１ａの第１の側面１２２ａおよび基板１００の交点を表す。点Ｂは、他方のマスク層１２１ｂの第２の側面１２３ｂおよび基板１００の交点を表す。

（窒化物半導体層３００）
窒化物半導体層３００は、マスク層１２１を被覆するように、基板１００の表面に形成される。本明細書において用いられる用語「窒化物半導体」は、Ａｌ_xＩｎ_yＧａ_zＮ（ここで、０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１、０＜ｚ≦１、およびｘ＋ｙ＋ｚ＝１）から形成される半導体を意味する。

図１に示されるように、窒化物半導体層３００は、各マスク層１２１の第１の側面１２２および第２の側面１２３に接している。窒化物半導体層３００は、隣接する２つのマスク層１２１ａおよび１２１ｂの間に露出する部分の基板１００に接している。

図１に示されるように、断面視において、窒化物半導体層３００は、３つの領域、すなわち、第１の窒化物半導体領域Ｇ１、第２の窒化物半導体領域Ｇ２、および第３の窒化物半導体領域Ｇ３から構成される。
第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれる。言うまでもないが、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、三角形である。
第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれる。言うまでもないが、第２の窒化物半導体領域Ｇ２も、三角形である。
これら４つの点Ａ〜点Ｄは、後に詳細に記述される。

第１の窒化物半導体領域Ｇ１および第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、窒化物半導体層３００の下部の部分である。第１の窒化物半導体領域Ｇ１および第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、隣接する２つのマスク層１２１の間に挟まれている。一方、第３の窒化物半導体領域Ｇ３は、窒化物半導体層３００の上部の部分である。第１の窒化物半導体領域Ｇ１および第２の窒化物半導体領域Ｇ２が、基板１００および第３の窒化物半導体領域Ｇ３の間に挟まれている。

窒化物半導体層３００は、（１１−２２）面の主面を有する。言い換えれば、窒化物半導体層３００は、＜１１−２２＞配向のみを有する。図１から明らかなように、窒化物半導体層３００の上面の法線方向はＺ軸に平行であるので、窒化物半導体層３００の＜１１−２２＞方向がＺ軸に平行である。窒化物半導体層３００のｍ軸、すなわち、＜１−１００＞方向がＸ軸に平行である。窒化物半導体層３００の＜−１−１２３＞方向が、Ｙ軸に平行である。窒化物半導体層３００のｃ軸およびａ軸もまた、図１に描写されている。

窒化物半導体は、ｃ軸方向に対して対称性を有さない。図１に示されるｃ軸方向は、＋ｃ軸方向を指し示す。

図１に示されるように、角度θが、Ｙ軸および窒化物半導体層３００のｃ面によって形成されている。いうまでもないが、ｃ面の法線はｃ軸である。言い換えれば、ｃ面の法線はｃ軸に平行である。従って、角度θが、Ｚ軸および窒化物半導体層３００のｃ軸によって形成されている。言い換えれば、角度θが、窒化物半導体層３００の＜１１−２２＞方向および窒化物半導体層３００のｃ軸、すなわち、＜０００１＞方向、によって形成されている。

ここで、点Ａ〜点Ｄが詳細に記述される。
点Ａは、一方のマスク層１２１ａの第１の側面１２２ａおよび基板１００の交点を表す。
点Ｂは、他方のマスク層１２１ｂの第２の側面１２３ｂおよび基板１００の交点を表す。
点Ｃは、一方のマスク層１２１ａの第１の側面１２２ａおよび直線Ｌ１の交点を表す。直線Ｌ１は、点Ｂを通り、かつ基板１００と角度θで交差する。
点Ｄは、他方のマスク層１２１ｂの第２の側面１２３ｂおよび直線Ｌ２の交点を表す。 直線Ｌ２は、点Ｃを通り、かつ基板１００に平行である。

本実施形態においては、以下の数式（Ｉ）が充足されることが必要とされる。
Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθ・・・・（Ｉ）
上述したように、Ｈは、マスク層１２１の高さを表す。
Ｗは、互いに平行な直線Ｌ３および直線Ｌ４の間の距離を表す。
直線Ｌ３は、点Ｂを通り、かつ基板１００に直交する。
直線Ｌ４は、点Ｃを通り、かつ基板１００に直交する。
角度θは、４８度以上５８度以下である。

オフ角を有さない基板１００が用いられた場合、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００は、５８度の角度θを有する。後述される実施例１および実施例２を参照せよ。

第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、第２の窒化物半導体領域Ｇ２および第３の窒化物半導体領域Ｇ３よりも高い転位密度を有する。より具体的には、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の高い転位密度を有し得る。一方、第２の窒化物半導体Ｇ２は、１０⁸ｃｍ^-2以下の低い転位密度を有し得る。

第３の窒化物半導体領域Ｇ３は、第２の窒化物半導体領域Ｇ２の上部にエピタキシャル成長されているので、第３の窒化物半導体領域Ｇ３もまた、１０⁸ｃｍ^-2以下という低い転位密度を有する。第３の窒化物半導体領域Ｇ３の上部の表面（すなわち、主面）は、本実施形態による窒化物半導体積層構造の表面であるので、本実施形態による窒化物半導体積層構造の表面もまた、１０⁸ｃｍ^-2以下という低い転位密度を有する。それ故、本実施形態による窒化物半導体積層構造は、１０⁸ｃｍ^-2以下という低い転位密度を有する。

以下、転位密度が詳細に説明される。
まず、第１の窒化物半導体領域Ｇ１が、図２に示されるように、基板１００上にエピタキシャル成長される。基板１００がｍ面サファイヤ基板１００である場合、ｍ面サファイヤ基板１００および窒化物半導体層３００との間の格子不整合のため、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、多くの転位２００を含む。言い換えれば、ｍ面サファイヤ基板１００は、第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００を引き起こす。基板１００が（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板である場合、窒化物半導体基板１００に含まれる転位のために、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、多くの転位２００を含む。転位２００は、図２および図３において、破線により表されている。この破線は、転位線とも呼ばれる。転位２００の密度は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上である。

これらの転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ軸に直交する傾向がある。言い換えれば、これらの転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ面に平行であり、ｃ面内に形成される傾向がある。この場合、ｃ面は、すべり面である。後述される図１４Ｃも参照せよ。本明細書において用いられる用語「転位」は、積層欠陥を含み得る。

しかし、より詳細には、積層欠陥は転位から区別される。積層欠陥は、面欠陥の１種である。積層欠陥は、ｃ面に形成され得る。転位は、線欠陥の１種である。特許文献１に開示されているように、転位は、成長方向およびファセット面に応じて、屈曲し得る。一方、積層欠陥は屈曲しない。

引き続き、図３に示されるように、第２の窒化物半導体領域Ｇ２が、窒化物半導体層３００のｃ軸方向に沿ってエピタキシャル成長される。第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、第１の窒化物半導体領域Ｇ１上に形成される。

第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、以下３つの理由のため、低い転位密度を有する。
（理由Ａ） 第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、転位２００を引き起こすｍ面サファイヤ基板１００または（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板に接しない。
（理由Ｂ） 第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ軸に直交するため、第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ軸に平行な方向に沿ってエピタキシャル成長される第２の窒化物半導体領域Ｇ２に現れない。言い換えれば、第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００は、第２の窒化物半導体領域Ｇ２に引き継がれない。
（理由Ｃ） マスク層１２１は転位をほとんど引き起こさない。

このようにして、低い転位密度を有する第２の窒化物半導体領域Ｇ２がエピタキシャル成長される。より具体的には、上述したように、第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、１０⁸ｃｍ^-2以下の低い転位密度を有する。

さらに、第３の窒化物半導体領域Ｇ３が、第２の窒化物半導体領域Ｇ２上にエピタキシャル成長される。

上記の数式（Ｉ）が充足されるため、第３の窒化物半導体領域Ｇ３は、第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００を含まない。以下、これが詳述される。

上述したように、第１の窒化物半導体領域Ｇ１が、エピタキシャル成長される間、第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００は、窒化物半導体層３００のｃ軸に垂直な方向に成長する。

しかし、図２に示されるように、各転位２００の成長は、マスク層１２１ａの第１の側面１２２ａで停止する。

さらに、図３に示されるように、マスク層１２１の高さＨが、点Ｃおよび基板１００の表面の間の高さ、すなわち、Ｗ・ｔａｎθ以上である限り、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は露出しない。言い換えれば、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、基板１００、隣接する２つのマスク層１２１、および第２の窒化物半導体領域Ｇ２によって囲まれる。

一例として、Ｗの値は、１００ナノメートル以上５マイクロメートル以下である。一例として、マスク層１２１の幅Ｑは、１００ナノメートル以上５マイクロメートル以下である。図１に示されるように、マスク層１２１の幅Ｑは、断面視において、基板１００に接するマスク層１２１の底面の幅を表す。

このため、第２の窒化物半導体領域Ｇ２がエピタキシャル成長された後にエピタキシャル成長される第３の窒化物半導体領域Ｇ３は、低い転位密度を有する。言い換えれば、第３の窒化物半導体領域Ｇ３がエピタキシャル成長される時には、第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００は、引き継がれない。

さらに、第１の窒化物半導体領域Ｇ１の表面の法線は、＋ｃ軸方向に平行である。このため、第１の窒化物半導体領域Ｇ１の表面上にエピタキシャル成長される第２の窒化物半導体領域Ｇ２においては、−ｃ軸方向のエピタキシャル成長は起きない。同様に、第３の窒化物半導体領域Ｇ３においてもまた、−ｃ軸方向のエピタキシャル成長は起きない。＋ｃ軸方向に沿ってエピタキシャル成長された層は、−ｃ軸方向に沿ってエピタキシャル成長された層よりも、高い表面平坦性および高い結晶性を有することは公知である。

このように、マスク層１２１によって、第１の窒化物半導体領域Ｇ１に含まれる転位２００が、第２の窒化物半導体領域Ｇ２および第３の窒化物半導体領域Ｇ３に引き継がれることが妨げられる。従って、マスク層１２１のために、第２の窒化物半導体領域Ｇ２および第３の窒化物半導体領域Ｇ３は、１０⁸ｃｍ^-2以下という低い転位密度を有する。

参考例１において実証されているように、ｃ軸に対して５度のオフ角を有するｍ面サファイヤ基板が基板１００として用いられた場合、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００は、５３度（＝５８度−５度）の角度θを有する。参考例２において実証されているように、ｃ軸に対して１０度のオフ角を有するｍ面サファイヤ基板が基板１００として用いられた場合、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００は、４８度（＝５８度−１０度）の角度θを有する。従って、角度θは、４８度以上５８度以下の範囲に収まる。

（製造方法）
本実施形態による窒化物半導体積層構造は、基板上に、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる一般的な方法によって製造され得る。ｍ面サファイヤ基板上に、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる方法を開示する非特許文献１を参照せよ。非特許文献３および非特許文献４は、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板を開示している。この他、後述される実施例１〜実施例２も参照せよ。

以下の実施例は、本発明をより詳細に説明する。

（実施例１）
図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、まず、ｍ面サファイヤ基板１００が準備された。ｍ面サファイヤ基板１００は、京セラ株式会社より入手した。図４Ａは、ｍ面サファイヤ基板１００の平面図を示す。図４Ｂは、図４Ａに含まれる線Ｌ８−Ｌ８’の線に沿ったｍ面サファイヤ基板１００の断面図を示す。

このｍ面サファイヤ基板１００は、およそ２インチの直径および０．４３ミリメートルの厚みを有していた。ｍ面サファイヤ基板１００は、０．１度以下のオフ角を有していた。オフ角の傾斜方向は、ｍ面サファイヤ基板１００のｃ軸方向であった。

（ｍ面サファイヤ基板の洗浄）
ｍ面サファイヤ基板１００は、摂氏１００度に加熱された洗浄液を用いて１０分間、洗浄された。洗浄液は、１：１の体積比を有する硫酸およびリン酸から構成されていた。続いて、ｍ面サファイヤ基板１００は、水を用いて洗浄された。

（マスク層の形成）
次に、図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、およそ３．５マイクロメートルの厚みを有するＳｉＯ₂膜１４０が、プラズマＣＶＤ法により、ｍ面サファイヤ基板１００上に形成された。

次に、図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、複数の帯状のフォトレジスト層１４１が、ＳｉＯ₂膜１４０上に形成された。これらの帯状のフォトレジスト層１４１は互いに平行であった。帯状の各フォトレジスト層１４１の長手方向は、ｍ面サファイヤ基板１００のａ軸に平行であった。言い換えれば、各フォトレジスト層１４１の長手方向は、Ｘ軸に平行であった。帯状の各フォトレジスト層１４１の幅Ｗ１は、２マイクロメートルであった。隣接する２つのフォトレジスト層１４１の間隔は、２マイクロメートルであった。

図７Ａおよび図７Ｂに示されるように、フォトレジスト層１４１に被覆されていない部分のＳｉＯ₂膜１４０がドライエッチングされた。その後、フォトレジスト層１４１が除去された。このようにして、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、ｍ面サファイヤ基板１００上にＳｉＯ₂からなる複数の帯状のマスク層１２１が形成された。

図８Ａおよび図８Ｂから明らかなように、複数の帯状のマスク１２１は、ｍ面サファイヤ基板１００のａ軸に平行であった。言い換えれば、複数の帯状のマスク１２１は、Ｘ軸に平行であった。帯状の各マスク１２１の幅Ｗ１は、２マイクロメートルであった。隣接する２つのマスク層１２１の間隔は、２マイクロメートルであった。各マスク層１２１の高さＨは、おおよそ３．５マイクロメートルであった。角度αは、おおよそ７５度であった。

図１０は、実施例１による、複数の帯状のマスク層１２１を表面に具備するｍ面サファイヤ基板１００の断面写真を示す。

ｍ面サファイヤ基板１００上に窒化物半導体層３００がエピタキシャル成長される場合、窒化物半導体層３００は（１１−２２）面の主面を有する。言い換えれば、窒化物半導体層３００の法線方向は、＜１１−２２＞方向である。図１に示されるように、ｍ面サファイヤ基板１００上には、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００がエピタキシャル成長される。この場合、図１に示されるように、角度θは５８度である。

隣接する２つのマスク層１２１の間隔は、２マイクロメートルであるため、数式（Ｉ）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθに基づき、マスク層１２１の高さＨは、およそ３．２（＝２×およそ１．６）マイクロメートル以上であることが必要とされる。上記のように、実施例１では、マスク層１２１の高さＨは、およそ３．５マイクロメートルであった。

（ＧａＮ層の成長）
マスク層１２１を具備するｍ面サファイヤ基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内にセットされた。ＭＯＣＶＤ装置内では、水素および窒素がキャリアガスとして用いられた。

ｍ面サファイヤ基板１００は、ＭＯＣＶＤ装置内で加熱された。ｍ面サファイヤ基板１００の温度が摂氏５００℃になったときに、アンモニアガスが供給され始めた。このアンモニアガスは、ｍ面サファイヤ基板１００の表面を窒化したと考えられた。

ｍ面サファイヤ基板１００の温度が、摂氏９２０度に到達した後、１分の時間が経過した。

その後、トリメチルガリウム（以下、「ＴＭＧ」という）およびアンモニアがＭＯＣＶＤ装置に供給され、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００をｍ面サファイヤ基板１００の表面に成長した。このようにして、ＧａＮから形成される窒化物半導体積層構造を得た。

窒化物半導体層３００がｍ面サファイヤ基板１００の表面に成長される間、ｍ面サファイヤ基板１００は、３ｒｐｍの回転速度で回転された。表１は、窒化物半導体層３００の成長条件を示す。

本実施例１では、低温バッファ層は形成されなかった。低温バッファ層は、一般的な方法によって基板上に窒化物半導体層が形成される際に、基板と窒化物半導体層との間に形成され得る。

（実施例２）
表１に示される成長条件に代えて、表２に示される成長条件が採用されたこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。

（比較例１）
マスク層１２１が形成されなかったこと以外は、実施例１と同様の実験が行われた。言い換えれば、ｍ面サファイヤ基板１００が洗浄された後、マスク層１２１を形成することなく窒化物半導体層３００が形成された。窒化物半導体層３００は、３．３マイクロメートルの厚みを有していた。

（結果および評価）
（Ｘ線回折プロファイル）
図１１は、比較例１による窒化物半導体積層構造のＸ線回折プロファイルを示す。図１１に示されるように、（３０−３０）面の回折ピークおよび（１１−２２）面の回折ピークが観測された。（３０-３０）面の回折ピークは、ｍ面サファイヤ基板１００に由来した。（１１−２２）面の回折ピークは、窒化物半導体層３００に由来した。他の回折ピークが観測されていないため、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００のみが成長されたことが見出された。言い換えれば、窒化物半導体層３００の主面の法線は、窒化物半導体の＜１１−２２＞結晶軸と平行であった。

このことは、実施例１による窒化物半導体層３００の成長方法が、ｍ面サファイヤ基板１００の表面に（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００をエピタキシャル成長させることを可能にすることを意味する。

（ＳＥＭ像）
図１２Ａは、比較例１による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す。図１２Ａに示されるように、ｍ面サファイヤ基板１００上に、（１１−２２）面の主面を有する一様な窒化物半導体層３００が形成されていた。窒化物半導体層３００の表面は平坦であった。しかし、比較例１による窒化物半導体層３００は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上という高い転位密度を有していた。

図１２Ｂは、実施例１による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す。図１２Ｂに示されるように、ｍ面サファイヤ基板１００上に、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体層３００が形成されていた。窒化物半導体層３００の表面は、Ａ面ファセットおよびＣ面ファセットを有していた。

図１２Ｃは、実施例２による窒化物半導体積層構造の断面走査型電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を示す。図１２Ｃに示されるように、ｍ面サファイヤ基板１００上に、（１１−２２）面の主面を有する一様な窒化物半導体層３００が形成されていた。窒化物半導体層３００の表面は平坦であった。

（低温フォトルミネセンス測定）
図１３は、１０Ｋの低温下における比較例１および実施例１によるＧａＮ層３００の発光スペクトルを示す。およそ３．４７ｅＶの付近に観察されたピークは、バンド端付近の発光（ドナー束縛励起子発光強度）に対応する。およそ３．４２ｅＶの付近に観察されたピークは、積層欠陥に由来する発光（以下、「積層欠陥由来発光(stacking-fault-originated light emission)」という）に対応する。およそ３．３ｅＶの付近に観察されたピークは、他の欠陥または転位に由来する発光に対応する。

図１３から明らかなように、実施例１による窒化物半導体積層構造は、比較例１による窒化物半導体積層構造よりも高いバンド端付近の発光強度を有した。さらに、実施例１による窒化物半導体積層構造は、比較例１による窒化物半導体積層構造よりも低い積層欠陥由来発光強度を有した。

非特許文献２によれば、バンド端付近発光のピークは、３．４７ｅＶ付近（１０Ｋでの測定時）に観測される。

図１３に示されるように、実施例１による窒化物半導体積層構造のバンド端付近のドナー束縛励起子発光のピークは、３．４７１ｅＶ付近に観測された。一方、比較例１のそれは、３．４８０ｅＶに観測された。

非特許文献２によるバンド端付近発光のピーク（３．４７ｅＶ）および比較例１によるバンド端付近発光のピーク（３．４８０ｅＶ）の間での相違は、およそ０．０１ｅＶという比較的大きい値であった。これは、窒化物半導体層３００が残留歪みを含んだからである。

一方、非特許文献２によるバンド端付近発光のピーク（３．４７ｅＶ）および実施例１によるバンド端付近発光のピーク（３．４７１ｅＶ）の間での相違は、およそ０．００１ｅＶという小さい値であった。これは、窒化物半導体層３００に含まれる歪みが緩和されたからである。このことは、実施例１による窒化物半導体積層構造は、比較例１による窒化物半導体積層構造よりも高い結晶性を有することを意味する。

実施例１による積層欠陥由来発光強度に対するドナー束縛励起子発光強度の比（およそ１．７９）は、比較例１の比（０．０４）と比較して、大幅に改善された。このことは、実施例１による窒化物半導体積層構造に含まれる積層欠陥の密度は、比較例１による窒化物半導体積層構造に含まれる積層欠陥の密度よりも低いことを意味する。

（ＴＥＭ像）
図１４Ａは、実施例による窒化物半導体積層構造の断面透過型電子顕微鏡像（以下、「ＴＥＭ像」という）を示す。
図１４Ｂは、図１４Ａにおいて点線によって囲まれた領域の拡大像を示す。
図１４Ｃは、図１４Ｂにおいて点線によって囲まれた領域の拡大像を示す。
ＴＥＭ像を得るために、窒化物半導体積層構造は、１００ナノメートルの厚みを有するようにスライスされた。転位密度は、スライスされた窒化物半導体積層構造の厚み（１００ナノメートル）、領域Ｇ１、Ｇ２、および領域Ｇ３の幅（およそ１マイクロメートル〜２マイクロメートル）、および転位の数から見積もられた。

図１４Ａ、図１４Ｂ、および図１４Ｃから明らかなように、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、数多くの転位および数多くの積層欠陥を有する。一方、第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、少ない転位および少ない積層欠陥を有する。これらの転位および積層欠陥は、Ｃ軸に直交する方向に形成されている。言い換えれば、これらの転位および積層欠陥は、ｃ面に平行に形成されている。

より具体的には、第１の窒化物半導体領域Ｇ１は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有していた。一方、第２の窒化物半導体領域Ｇ２は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有していた。

実施例２による第３の窒化物半導体領域Ｇ３（図１２Ｃを参照せよ）は、第２の窒化物半導体領域Ｇ２上にエピタキシャル成長されたので、実施例２による第３の窒化物半導体領域Ｇ３もまた、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有していたと考えられた。

（参考例１）
ｃ軸に対して５度のオフ角を有するｍ面サファイヤ基板１００が用いられたこと以外は、比較例１と同様の実験が行われた。このｍ面サファイヤ基板１００は、京セラ株式会社より入手可能であった。

ｍ面サファイヤ基板１００が５度のオフ角を有するので、参考例１では、角度θは５３度（＝５８度−５度）であった。

（参考例２）
ｃ軸に対して１０度のオフ角を有するｍ面サファイヤ基板１００が用いられたこと以外は、比較例１と同様の実験が行われた。このｍ面サファイヤ基板１００は、京セラ株式会社より入手可能であった。

ｍ面サファイヤ基板１００が１０度のオフ角を有するので、参考例１では、θは４８度（＝５８度−１０度）であった。

図１５Ａは、比較例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す。
図１５Ｂは、参考例１による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す。
図１５Ｃは、参考例２による窒化物半導体積層構造の表面モフォロジーを示す。
これらの表面モフォロジーは、レーザー顕微鏡を用いて観察された。

図１５Ａ、図１５Ｂ、および図１５Ｃは、互いに類似する表面モフォロジーを示す。これらの図１５Ａ〜図１５Ｃから明らかなように、角度θが４８度以上５８度以下である場合、（１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体積層構造がエピタキシャル成長されることが理解される。

本発明による窒化物半導体積層構造は、窒化物半導体発光素子および窒化物半導体レーザー用いられ得る。

具体的には、窒化物半導体発光素子および窒化物半導体レーザーは、以下の要素を具備する：
本発明による窒化物半導体積層構造
本発明による窒化物半導体積層構造上に形成されたｎ型窒化物半導体層
ｎ型窒化物半導体層の上に形成された活性層
活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層
ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ電気的に接続されたｎ側電極、および
ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ電気的に接続されたｐ側電極。

１００ 基板
１２１ マスク層
１２２ 第１の側面
１２３ 第２の側面
１２４ 底面
３００ 窒化物半導体層
Ｇ１ 第１の窒化物半導体領域
Ｇ２ 第２の窒化物半導体領域
Ｇ３ 第３の窒化物半導体領域

Claims (18)

1. 窒化物半導体積層構造であって、以下を具備する：
   ｍ面サファイヤ基板、
   前記ｍ面サファイヤ基板の表面の一部に形成されたマスク層、および
   前記マスク層を被覆するように前記ｍ面サファイヤ基板の表面に形成された窒化物半導体層、ここで
   Ｘ軸は前記ｍ面サファイヤ基板のａ軸を表し、
   Ｙ軸は前記ｍ面サファイヤ基板のｃ軸を表し、
   Ｚ軸は前記ｍ面サファイヤ基板のｍ軸を表し、
   前記Ｚ軸およびＹ軸を含む面に沿って前記窒化物半導体積層構造を切断することによって現れる断面視において、複数のマスク層が現れ、
   前記断面視において、各マスク層は、底面、第１の側面、および第２の側面を有し、
   前記断面視において、各マスク層は、Ｈの高さを有し、
   前記窒化物半導体層は、（１１−２２）面により表される主面を有し、
   前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面は、前記窒化物半導体層を挟んで、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面と向かい合い、
   前記断面視において、前記窒化物半導体層は、各マスク層の第１の側面および第２の側面に接しており、
   前記断面視において、前記窒化物半導体層は、隣接する２つのマスク層の間に露出する部分の前記ｍ面サファイヤ基板に接しており、
   前記窒化物半導体層は、前記断面視において、第１の窒化物半導体領域、第２の窒化物半導体領域、および第３の窒化物半導体領域を含み、
   前記第１の窒化物半導体領域は、前記断面視において、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれており、
   前記第１の窒化物半導体領域は、前記第２の窒化物半導体領域よりも高い転位密度を有しており、
   前記第１の窒化物半導体領域は、前記第３の窒化物半導体領域よりも高い転位密度を有しており、
   前記第２の窒化物半導体領域は、前記断面視において、点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれており、
   前記第１の窒化物半導体領域および前記第２の窒化物半導体領域は、前記断面視において、前記ｍ面サファイヤ基板および前記第３の窒化物半導体領域の間に挟まれており、
   前記第３の窒化物半導体領域は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有しており、
   前記点Ａは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面および前記ｍ面サファイヤ基板の交点を表し、
   前記点Ｂは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および前記ｍ面サファイヤ基板の交点を表し、
   前記点Ｃは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面および直線Ｌ１の交点を表し、
   前記点Ｄは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および直線Ｌ２の交点を表し、
   前記直線Ｌ１は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板と角度θで交差し、
   前記直線Ｌ２は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板に平行であり、
   数式（Ｉ）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθが充足され、：
   距離Ｗは、前記断面視において、互いに平行な直線Ｌ３および直線Ｌ４の距離を表し、
   角度θは、前記断面視において、前記Ｙ軸および窒化物半導体層のｃ面の間に形成される角度を表し、
   前記直線Ｌ３は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板に垂直であり、
   前記直線Ｌ４は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記ｍ面サファイヤ基板に垂直であり、および
   前記角度θは、４８度以上５８度以下である。
2. 請求項１の窒化物半導体積層構造であって、
   前記第２の窒化物半導体領域は、前記第３の窒化物半導体領域と同じ転位密度を有する。
3. 請求項１の窒化物半導体積層構造であって、
   前記第１の窒化物半導体領域は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有する。
4. 請求項１の窒化物半導体積層構造であって、
   前記第２の窒化物半導体領域は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有する。
5. 請求項１の窒化物半導体積層構造であって、
   前記第１の窒化物半導体領域は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し、かつ
   前記第２の窒化物半導体領域は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有する。
6. 請求項１の窒化物半導体積層構造であって、
   複数の前記マスク層が前記ｍ面サファイヤ基板の表面の一部に形成されており、
   前記各マスク層は、Ｘ軸に平行である。
7. 請求項１の窒化物半導体積層構造であって、
   前記窒化物半導体積層構造の上面視において、前記マスク層は開口部を具備し、
   前記第１の窒化物半導体領域および前記第２の窒化物半導体領域が前記開口部に含まれている。
8. 請求項１の窒化物半導体積層構造であって、
   前記窒化物半導体層の上面は、前記ｍ面基板の表面に平行である。
9. 発光素子であって、以下を具備する：
   請求項１の窒化物半導体積層構造、
   前記窒化物半導体積層構造上に形成されたｎ型窒化物半導体層、
   前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層、
   前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層、
   前記ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ側電極、および
   前記ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ側電極。
10. 窒化物半導体積層構造であって、以下を具備する：
    （１１−２２）面の主面を有する窒化物半導体基板、
    前記窒化物半導体基板の表面の一部に形成されたマスク層、および
    前記マスク層を被覆するように前記窒化物半導体基板の表面に形成された窒化物半導体層、ここで
    Ｘ軸は＜１−１００＞方向を表し、
    Ｙ軸は＜１１−２−３＞を表し、
    Ｚ軸は＜１１−２２＞方向を表し、
    前記Ｚ軸およびＹ軸を含む面に沿って前記窒化物半導体積層構造を切断することによって現れる断面視において、複数のマスク層が現れ、
    前記断面視において、各マスク層は、底面、第１の側面、および第２の側面を有し、
    前記断面視において、各マスク層は、Ｈの高さを有し、
    前記窒化物半導体層は、（１１−２２）面により表される主面を有し、
    前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面は、前記窒化物半導体層を挟んで、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面と向かい合い、
    前記断面視において、前記窒化物半導体層は、各マスク層の第１の側面および第２の側面に接しており、
    前記断面視において、前記窒化物半導体層は、隣接する２つのマスク層の間に露出する部分の前記窒化物半導体基板に接しており、
    前記窒化物半導体層は、前記断面視において、第１の窒化物半導体領域、第２の窒化物半導体領域、および第３の窒化物半導体領域を含み、
    前記第１の窒化物半導体領域は、前記断面視において、点Ａ、点Ｂ、および点Ｃによって囲まれており、
    前記窒化物半導体基板は、前記第２の窒化物半導体領域よりも高い転位密度を有しており、
    前記窒化物半導体基板は、前記第３の窒化物半導体領域よりも高い転位密度を有しており、
    前記第１の窒化物半導体領域は、前記第２の窒化物半導体領域よりも高い転位密度を有しており、
    前記第１の窒化物半導体領域は、前記第３の窒化物半導体領域よりも高い転位密度を有しており、
    前記第２の窒化物半導体領域は、前記断面視において、点Ｂ、点Ｃ、および点Ｄによって囲まれており、
    前記第１の窒化物半導体領域および前記第２の窒化物半導体領域は、前記断面視において、前記窒化物半導体基板および前記第３の窒化物半導体領域の間に挟まれており、
    前記第３の窒化物半導体領域は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有しており、
    前記点Ａは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面および前記窒化物半導体基板の交点を表し、
    前記点Ｂは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および前記窒化物半導体基板の交点を表し、
    前記点Ｃは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の一方のマスク層の第１の側面および直線Ｌ１の交点を表し、
    前記点Ｄは、前記断面視において、隣接する２つのマスク層の他方のマスク層の第２の側面および直線Ｌ２の交点を表し、
    前記直線Ｌ１は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記窒化物半導体基板と角度θで交差し、
    前記直線Ｌ２は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記窒化物半導体基板に平行であり、
    数式（Ｉ）：Ｈ≧Ｗ・ｔａｎθが充足され、：
    距離Ｗは、前記断面視において、互いに平行な直線Ｌ３および直線Ｌ４の距離を表し、
    角度θは、前記断面視において、前記Ｙ軸および窒化物半導体層のｃ面の間に形成される角度を表し、
    前記直線Ｌ３は、前記断面視において、前記点Ｂを通り、かつ前記窒化物半導体基板に垂直であり、
    前記直線Ｌ４は、前記断面視において、前記点Ｃを通り、かつ前記窒化物半導体基板に垂直であり、および
    前記角度θは、４８度以上５８度以下である。
11. 請求項１０の窒化物半導体積層構造であって、
    前記第２の窒化物半導体領域は、前記第３の窒化物半導体領域と同じ転位密度を有する。
12. 請求項１０の窒化物半導体積層構造であって、
    前記第１の窒化物半導体領域は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有する。
13. 請求項１０の窒化物半導体積層構造であって、
    前記第２の窒化物半導体領域は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有する。
14. 請求項１０の窒化物半導体積層構造であって、
    前記第１の窒化物半導体領域は、１０¹⁰ｃｍ^-2以上の転位密度を有し、かつ
    前記第２の窒化物半導体領域は、１０⁸ｃｍ^-2以下の転位密度を有する。
15. 請求項１０の窒化物半導体積層構造であって、
    複数の前記マスク層が前記窒化物半導体基板の表面の一部に形成されており、
    前記各マスク層は、Ｘ軸に平行である。
16. 請求項１０の窒化物半導体積層構造であって、
    前記窒化物半導体積層構造の上面視において、前記マスク層は開口部を具備し、
    前記第１の窒化物半導体領域および前記第２の窒化物半導体領域が前記開口部に含まれている。
17. 請求項１０の窒化物半導体積層構造であって、
    前記窒化物半導体層の上面は、前記窒化物半導体基板の表面に平行である。
18. 発光素子であって、以下を具備する：
    請求項１０の窒化物半導体積層構造、
    前記窒化物半導体積層構造上に形成されたｎ型窒化物半導体層、
    前記ｎ型窒化物半導体層上に形成された活性層、
    前記活性層上に形成されたｐ型窒化物半導体層、
    前記ｎ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｎ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｎ側電極、および
    前記ｐ型窒化物半導体層に接し、かつ前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたｐ側電極。

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