JP4913674B2 - 窒化物半導体構造及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は窒化物半導体構造及びその製造方法に関し、詳しくはＳｉ基材上に窒化物半導体膜を結晶成長させてなる窒化物半導体構造及びその製造方法に関する。

近年、青色発光ダイオード（青色ＬＥＤ）や青色レーザダイオード（青色ＬＤ）等、青色域の発光デバイス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、例えばＧａＮの任意の面を得るために、ＧａＮのバルク単結晶から切り出すことが理想的ではあるが、バルク成長技術自体が確立されておらず、現状では困難である。このため、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）を用いて、サファイア基板やＳｉＣ基板等の異種基板上に窒化物半導体を結晶成長させることが行われている。なお、半導体結晶の成長は、成長させる半導体と同種の基板に対して行うのが一般的であるが、窒化物半導体と同種の基板を作成することは現状では困難である。このため、窒化物半導体の結晶成長には、サファイア基板やＳｉＣ基板等の異種基板が一般に用いられている。

ところが、異種基板上に例えばＧａＮをヘテロ成長させて得られたＧａＮヘテロ構造においては、基板とＧａＮとで格子定数が大きく異なることに起因してピエゾ電界が発生する。このため、ＧａＮヘテロ構造をもつ発光デバイスにおいては、この格子不整合に基づくピエゾ電界により、高組成Ｉｎ領域において電子と正孔とが大きく空間的に分離して、発光効率が低下するという問題がある。

ここに、ＧａＮのような六方晶結晶におけるピエゾ電界は、Ｃ軸［０００１］方向で最大となる。このため、ＧａＮと基板とのヘテロ界面をＣ軸からずらして、極性方向とは異なる結晶面をもつＧａＮを作製すれば、ピエゾ電界を低減させることができる。これまでに、Ｃ軸と平行な（１−１００）面や（１１−２０）面などの無極性面をもつＧａＮの結晶成長や、あるいは（１−１０１）面や（１１−２２）面などの半極性面をもつＧａＮの結晶成長が試みられている。（１−１００）面や（１１−２０）面などの無極性面をもつＧａＮであれば、ピエゾ電界の発生を無くすことができ、また、（１−１０１）面や（１１−２２）面などの半極性面をもつＧａＮであってもピエゾ電界を大きく低減させることができる。なお、（１１−２２）面は、（１−１０１）面と比べて、ピエゾ電界を低減させる効果が大きいものである。

しかし、ＧａＮは、温度や圧力等の成長条件によって形成されるファセット面が変化し、安定面でない（１−１００）面や（１１−２０）面などの無極性面をフラット面として形成することが困難である。一方、（１−１０１）面や（１１−２２）面などの半極性面は、安定面である（０００１）面に次ぐ準安定面として、比較的フラット面として形成され易い。

ここに、ＧａＮ結晶はＳｉ（ｎ１１）面にＣ軸配向して成長する。このため、特定のファセット面にＧａＮを結晶成長させれば、ＧａＮの成長軸を傾けることができる。例えば、Ｓｉ基板において（３１１）面は（１１１）面に対して約５８．５°傾斜している。一方、ＧａＮにおける（０００１）面と（１１−２２）面との角度差は５８．４°である。このため、（３１１）Ｓｉ基板の（１１１）面にＧａＮを結晶成長させれば、（１１−２２）面を主面として有するＧａＮ結晶を直接得ることが可能となる。

そこで、特定のファセット面が形成されるように基板を加工し、その加工基板のファセット面に特定の半極性面をもつＧａＮ結晶を選択成長させることが試みられている。

例えば、半極性面としての（１−１０１）面を主面として有するＧａＮを結晶成長させる方法として、７°オフの（００１）Ｓｉ基板を加工して（１１１）面を形成し、この（１１１面）にＧａＮ結晶を選択成長させる技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

この技術では、図５に示されるように、７°オフの（００１）Ｓｉ基板８０上にＳｉＯ_２膜８１をスパッタリングにより堆積した後に、フォトリソグラフィーによりＳｉ基板８０の＜−１１０＞方向に沿うストライプパターンを形成する。そして、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液により基板表面を異方性エッチングすることで、＜−１１０＞方向に沿って延び、（１１１）面８２ａ及び（−１−１１）面８２ｂの両側面を有する溝８２を基板表面に形成する。次いで、（−１−１１）面８２ｂのみにＳｉＯ_２膜８３をスパッタリングにより形成する。こうして得られた加工基板に対してＭＯＶＰＥを施し、（１１１）面８２ａにＧａＮを結晶成長させて、（１−１０１）面８４ａを主面として有するＧａＮ膜８４を得る。

ここに、（−１−１１）面８２ｂをＳｉＯ_２膜８３でマスキングするのは、溝８２の両側面の（１１１）面８２ａ及び（−１−１１）面８２ｂがいずれも、六方晶ＧａＮが結晶成長し易い（ｎ１１）面だからである。すなわち、（−１−１１）面８２ｂに成長するＧａＮ結晶と、（１１１）面８２ａに成長するＧａＮ結晶とが干渉することによって、（１１１）面８２ａに結晶成長して得られるＧａＮ膜８４の結晶品質が低下することを防止すべく、（−１−１１）面８２ｂにＧａＮ結晶を成長させないようにするためである。なお、溝８２の底面８２ｃは（００１）面であり、六方晶ＧａＮが結晶成長し易い（ｎ１１）面ではないため、ＳｉＯ_２膜８３でマスキングしていない。

また、半極性面としての（１１−２２）面を主面として有するＧａＮを結晶成長させる方法として、（３１１）Ｓｉ基板を加工して（１−１１）面を形成し、この（１−１１）面にＧａＮを選択成長させる技術が知られている（例えば、非特許文献２参照）。

この技術では、図６に示されるように、（３１１）Ｓｉ基板９０上にＳｉＯ_２膜９１をスパッタリングにより堆積した後に、フォトリソグラフィーによりＳｉ基板９０の＜１−１−１＞方向に沿うストライプパターンを形成する。なお、非特許文献２には（１１３）Ｓｉ基板と記載されているが、（１１３）Ｓｉ基板と（３１１）Ｓｉ基板とは表現の仕方が異なるだけで同じものである。そして、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液により基板表面を異方性エッチングすることで、＜１−１−１＞方向に沿って延び、（１−１１）面９２ａ及び（−１１−１）面９２ｂの両側面と底面９２ｃとを有する溝９２を基板表面に形成する。次いで、底面９２ｃにＳｉＯ_２膜９３をスパッタリングにより形成する。こうして得られた加工基板に対してＭＯＶＰＥを施し、（１−１１）面９２ａにＧａＮを結晶成長させて、（１１−２２）面９４ａを主面として有するＧａＮ膜９４を得る。

ここに、底面９２ｃをＳｉＯ_２膜９３でマスキングするのは、この底面９２ｃが、六方晶ＧａＮが結晶成長し易い（ｎ１１）面たる（３１１）面だからである。すなわち、底面９２ｃに成長するＧａＮ結晶と、（１−１１）面９２ａに成長するＧａＮ結晶とが干渉することによって、（１−１１）面９２ａに結晶成長して得られるＧａＮ膜９４の結晶品質が低下することを防止すべく、底面９２ｃにＧａＮ結晶を成長させないようにするためである。

一方、（−１１−１）面９２ｂも六方晶ＧａＮが結晶成長し易い（ｎ１１）面である。このため、ＧａＮ膜９４の結晶品質の低下を防止する観点からは、この（−１１−１）面９２ｂにもＳｉＯ_２膜９３をマスキングするのが望ましい。しかし、この（−１１−１）面９２ｂは斜め下向きの側面であるため、スパッタリングにより（−１１−１）面９２ｂにＳｉＯ_２膜９３を形成することは極めて困難である。このため、下向き側面たる（−１１−１）面９２ｂはＳｉＯ_２膜９３でマスキングしていない。
JOURNAL OF CRYSTAL GROWTH 242 (2002) 82-86, "Growth of (1-101) GaN on a 7-degree off-oriented (001)Si substrate by selective MOVPE, Yoshio Honda, Norifumi Kameshiro, Masahito Yamaguchi, Nobuhiko Sawaki 第５３回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集、３４７頁、"加工（１１３）Ｓｉ基板上への（１１−２２）面ＧａＮのＭＯＶＰＥ成長"、彦坂年輝、黒木俊行、本田善央、山口雅史、澤木宣彦

しかしながら、加工基板を用いてＧａＮを選択成長させる前記非特許文献１及び２に記載の従来技術では、特定のファセット面のみにＧａＮ結晶を選択成長させることでファセット面に形成されるＧａＮ膜の結晶品質の低下を防止すべく、特定のファセット面以外の面をスパッタリングによりマスキングしなければならない。このため、マスキングのためのスパッタリング工程が増えるという問題があった。

また、（３１１）Ｓｉ基板９０を加工して形成した（１−１１）面９２ａに、（１１−２２）面を有するＧａＮ結晶を選択成長させる前記非特許文献２に記載の従来技術では、溝９２の（１−１１）面９２ａ及び（−１１−１）面９２ｂの両側面と底面（（３１１）面）９２ｃの全溝内面が、六方晶ＧａＮが結晶成長し易い（ｎ１１）面となる。しかし、これらの溝内面のうち（−１１−１）面９２ｂは、斜め下向きの側面である。このため、この斜め下向きの（−１１−１）面９２ｂには、スパッタリングによりマスキングすることが極めて困難である。したがって、この（−１１−１）面９２ｂにもＧａＮ結晶９５が成長してしまい、このＧａＮ結晶９５が、（１−１１）面９２ａに形成されたＧａＮ膜９４と干渉することで、ＧａＮ膜９４の結晶品質が低下するという問題があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ピエゾ電界の発生を低減させるのに有利な半極性窒化物半導体を加工基材に選択成長させる際に、マスキング技術を利用することなく特定のファセット面に結晶を選択成長させ、しかもその選択成長により形成された半極性窒化物半導体の結晶品質を高めることを解決すべき技術課題とするものである。

本発明者は、半極性窒化物半導体を加工基材に選択成長させる技術において、ピエゾ電界を低減させる効果が大きい、（１１−２２）面をもつ半極性ＧａＮについて鋭意研究した。そして、（１１−２２）面をもつＧａＮ結晶の選択成長に適する（３１１）Ｓｉ基材をＫＯＨにより異方性エッチングすれば、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面を有する溝が形成されることに着目した。そして、この溝の幅ｄ及び深さｈを調整することで、斜め上向きの（１−１１）面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させうることを突き止め、本発明を完成した。

なお、７°オフ（００１）Ｓｉ基板に対して（１−１０１）面をもつＧａＮ結晶を選択成長させる技術では、溝の両側面が共に斜め上を向き、溝の幅が開口部に向かって徐々に広くなっている。このため、結晶成長時に原料が両側面に均等に供給されてしまい、一方の側面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させることはできなかった。

すなわち、上記課題を解決する本発明の窒化物半導体構造の製造方法は、（３１１）Ｓｉ基材の（３１１）面に、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面を有し、かつ該（３１１）Ｓｉ基材の＜１−１−２＞方向に沿って延びる複数の溝を形成する基材加工工程と、前記溝が形成された前記（３１１）基材の前記（３１１）面に窒化物半導体を結晶成長させて、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜を形成する結晶成長工程と、を備え、前記溝の幅ｄを２０μｍ以下にし、かつ該溝の深さｈを０．２μｍ以上にするとともに、該溝の幅ｄ及び深さｈの関係を１≦ｈ／ｄに調整することにより、溝内面のうち前記（１−１１）面に前記窒化物半導体を優先的に結晶成長させることを特徴とするものである。

本発明の窒化物半導体構造の製造方法では、基材加工工程で、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面を有し、かつ、特定の幅ｄ及び特定の深さｈを有する溝を形成する。そして、結晶成長工程で、このような溝に対して窒化物半導体を結晶成長させることで、溝内面のうち斜め上向きの（１−１１）面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させることができる。このため、斜め下向きの（−１１−１）面及び底面に窒化物半導体が結晶成長することによる悪影響を受けない程度に、斜め上向きの（１−１１）面への結晶成長を優先させることにより、結晶品質の高い窒化物半導体膜を得ることが可能となる。

また、本発明の窒化物半導体構造の製造方法では、特定のファセット面への窒化物半導体の選択成長のために、マスキング技術を利用していないので、工程数を削減することができる。

したがって、本発明の窒化物半導体構造の製造方法によれば、結晶品質の高い（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜を簡単な工程で得ることができる。

前記基材加工工程では、前記溝の幅ｄ及び深さｈの関係を３／２≦ｈ／ｄに調整することが好ましい。このように溝の幅ｄ及び深さｈの関係を３／２≦ｈ／ｄに調整すれことにより、斜め上向きの（１−１１）面への結晶成長をより確実に優先させることができ、結晶品質のより高い窒化物半導体膜を得ることが可能となる。このとき、溝の幅ｄを５μｍ以下にすることが好ましい。溝の幅ｄを５μｍ以下にし、かつ溝の幅ｄ及び深さｈの関係を３／２≦ｈ／ｄに調整することにより、底面に結晶成長することを確実に阻止して、斜め上向きの（１−１１）面にのみ結晶成長させることができ、完全な選択性を得ることが可能となる。

前記結晶成長工程では、前記溝内面のうち前記（１−１１）面のみに前記窒化物半導体を結晶成長させることが好ましい。（１−１１）面のみに窒化物半導体を結晶成長させることにより、（−１１−１）面や底面に結晶成長することによる悪影響を全く受けない、極めて結晶品質が高い窒化物半導体膜を得ることが可能となる。

本発明の窒化物半導体構造は、（３１１）面に＜１−１−２＞方向に沿って延びる複数の溝であって、該溝の幅ｄを２０μｍ以下、該溝の深さｈを０．２μｍ以上、及び、該溝の幅ｄに対する該溝の深さｈの比（ｈ／ｄ）を１≦ｈ／ｄとする該溝を有する（３１１）Ｓｉ基材と、前記（３１１）Ｓｉ基材の前記（３１１）面に形成された（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜と、を備え、前記溝は、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面を有し、前記窒化物半導体膜は、溝内面のうち前記（１−１１）面のみに窒化物半導体が結晶成長することで形成されていることを特徴とするものである。

本発明の窒化物半導体構造では、斜め上向きの（１−１１）面のみに窒化物半導体が結晶成長することで、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜が形成されている。このため、この窒化物半導体膜は、斜め下向きの（−１１−１）面及び底面に窒化物半導体が結晶成長することによる悪影響を全く受けない、極めて高品質なものとなる。

したがって、本発明の窒化物半導体構造を発光デバイスに適用すれば、ピエゾ電界の発生や結晶欠陥に基づく発光効率の低下を抑えることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本実施形態に係る窒化物半導体構造の製造方法は、基材加工工程と、結晶成長工程とを備えている。

基材加工工程では、（３１１）Ｓｉ基材の（３１１）面に、（３１１）Ｓｉ基材の＜１−１−２＞方向に沿って延びる複数の溝を形成する。

（３１１）Ｓｉ基材の形状や大きさは特に限定されず、適宜設定可能である。

（３１１）Ｓｉ基材への溝の形成方法は特に限定されず、溶液中での化学反応を利用するウェットエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等のイオンビームを利用するドライエッチングの他、加工面において所定の平坦性を確保できるなら機械的加工を利用してもよい。ウェットエッチングとして、ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＣｓＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、ヒドラジン、ＫＯＨ、ＴＭＡＨやＥＤＰ等を利用可能だが、コスト面や毒性の観点から、ＫＯＨを利用することが好ましい。

例えば、ウェットエッチングにより溝を形成する場合は、まず、（３１１）Ｓｉ基材の（３１１）面にＳｉＯ_２膜等よりなるマスクをスパッタリング等により形成する。なお、マスクの種類及び形成方法は特に限定されない。そして、フォトリソグラフィーにより、開口部が＜１−１−２＞方向に沿って延びる周期的ストライプパターンを形成する。次いで、この周期的ストライプパターンが形成された（３１１）Ｓｉ基材をＫＯＨ溶液等に浸漬して、所定条件で異方性エッチングを行う。これにより、所定の幅ｄ及び所定の深さｈを有する複数の溝を形成する。

こうして形成された溝は、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面と、底面とを有するものとなる。

このような溝形成においては、周期的ストライプパターンの開口幅を変えることで溝の幅ｄを調整することができ、また、エッチング条件（ＫＯＨ溶液の濃度及び温度並びにＫＯＨ溶液への浸漬時間）を変えることで、溝の深さｈを調整することができる。

本実施形態に係る窒化物半導体構造の製造方法では、溝の幅ｄを２０μｍ以下にし、かつ溝の深さｈを０．２μｍ以上にする。

溝の幅ｄが２０μｍを超えると、溝の幅ｄ及び深さｈの関係を如何に調整しても、溝内面のうち（１−１１）面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させることができなくなる。これは、結晶成長工程において気相中で原料は２０μｍ程度以下しか動くことができないところ、溝の幅ｄが２０μｍを超えると、斜め下向きの（−１１−１）面にも斜め上向きの（１−１１）面と同様に原料が供給されてしまうからである。また、溝の幅ｄが２０μｍを超えると、斜め上向きの（１−１１）面に成長する結晶を溝の幅方向全体に成長させること自体も困難になる。

ここに、溝の幅ｄの下限は、形成可能な範囲で適宜設定可能である。基板加工工程において、フォトリソグラフィーにより所定のストライプパターンを形成する場合は、その技術的観点より、数百ｎｍ程度とすることができる。

溝の深さｈが０．２μｍ未満になると、溝の幅ｄ及び深さｈの関係を如何に調整しても、溝内面のうち（１−１１）面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させることができなくなる。これは、結晶成長工程において底面に多くの原料が供給されるところ、底面に供給された原料が面内で拡散して両側面に均等に供給されるためと考えられる。また、基板加工工程において、ウェットエッチングを利用した異方性エッチングにより溝を形成する場合、溝の深さｈが０．２μｍ未満になると、斜め上向きの側面たる（１−１１）面と底面との境界部が角丸となって、所定の角度で傾斜した斜め上向きの側面（１−１１）面を確実に形成することが困難となる。したがって、ウェットエッチングを利用した異方性エッチングにより溝を形成する場合、所定の角度で傾斜した斜め上向きの側面（１−１１）面を確実に形成する観点からは、溝の深さｈを０．３μｍ以上とすることが好ましく、０．５μｍ以上とすることがより好ましい。

ここに、溝の幅ｄに対して溝の深さｈが所定以上となる関係（溝の幅ｄに対する溝の深さｈが、溝の底面に結晶成長することを確実に阻止することができるような関係）であれば、それ以上溝を深くしても意味がない。また、基板加工工程において、ウェットエッチングを利用した異方性エッチングにより溝を形成する場合、溝の深さを深くしすぎると、隣り合う溝の隔壁Ｓｉ部が削られて極端に薄くなってしまう。したがって、溝の深さｈの上限は、溝の底面に結晶成長することを確実に阻止することができ、かつ、隔壁Ｓｉ部の厚さを所定以上に確保することができる程度に、適宜設定することができる。

また、本実施形態に係る窒化物半導体構造の製造方法では、結晶成長工程で溝内面のうち（１−１１）面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させうるように、溝の幅ｄ及び深さｈの関係を１≦ｈ／ｄに調整する。ｈ／ｄが１より小さくなると（深さｈの値が幅ｄの値よりも小さくなると）、底面にも原料が供給されてしまい、溝内面のうち（１−１１）面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させることができなくなる。

溝内面のうち（１−１１）面に窒化物半導体をより優先的に結晶成長させる観点より、溝の幅ｄ及び深さｈの関係を３／２≦ｈ／ｄに調整することが好ましい。すなわち、溝の幅ｄに対して深さｈを相対的により深くすることにより、（１−１１）面に窒化物半導体をより優先的に結晶成長させることができ、好ましい。

また、溝内面のうち（１−１１）面に窒化物半導体をより優先的に結晶成長させる観点より、溝の幅ｄを５μｍ以下にすることが好ましく、３μｍ以下にすることがより好ましく、１μｍ以下にすることが特に好ましい。同様の観点より、溝の深さｈを１μｍ以上にすることが好ましく、２μｍ以上にすることがより好ましい。

さらに、本実施形態に係る窒化物半導体構造の製造方法では、溝の幅ｄ及び深さｈの関係を３／２≦ｈ／ｄに調整し、かつ、溝の幅ｄを５μｍ以下にすることが好ましい。こうすることで、結晶成長工程で、溝内面のうち（１−１１）面のみに窒化物半導体を結晶成長させることができる。

本実施形態に係る窒化物半導体構造の製造方法では、（１−１１）面に対する結晶成長の選択性をより向上させる観点より、基材加工工程を実施した後に、必要に応じて、熱酸化工程と、ＲＩＥ処理工程とを実施してから、結晶成長工程を実施してもよい。

熱酸化工程では、（３１１）Ｓｉ基材を酸素含有雰囲気で加熱することにより、溝内面に熱酸化ＳｉＯ_２膜を形成する。このときの熱酸化の条件としては、溝内面、すなわち斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面並びに底面の全体に所定の膜厚を有する熱酸化ＳｉＯ_２膜を形成することができるものであれば特に限定されない。例えば、使用ガス：Ｏ_２又はＨ_２Ｏ、温度：１０００℃程度、酸化時間：１０分〜３時間の条件で熱酸化することにより、膜厚：１０〜２００ｎｍの熱酸化ＳｉＯ_２膜を形成することができる。

ＲＩＥ処理工程では、反応性イオンエッチングにより、（１−１１）面に形成された熱酸化ＳｉＯ_２膜を除去する。このように（１−１１）面に形成された熱酸化ＳｉＯ_２膜を除去してから結晶成長工程を実施することにより、（１−１１）面に対する結晶成長の選択性を向上させることができる。また、（１−１１）面に形成された熱酸化ＳｉＯ_２膜のみを除去し、底面の全体及び（−１１−１）面に形成された熱酸化ＳｉＯ_２膜を残存させておけば、（１−１１）面のみに確実に結晶成長させることができるので、（１−１１）面に対する結晶成長の完全な選択性を得ることが可能となる。ただし、斜め上向き側面たる（１−１１）面に形成された熱酸化ＳｉＯ_２膜以外に、底面に形成された熱酸化ＳｉＯ_２膜のうち（１−１１）面に近い側の端部を部分的に除去してもよい。

ＲＩＥ処理の条件としては、例えば、使用ガス：ＣＦ_４、Ｃ_４Ｈ_８＋Ｏ_２＋Ａｒ、Ｃ_５Ｆ_８＋Ｏ_２＋Ａｒ、Ｃ_３Ｆ_６＋Ｏ_２＋Ａｒ、Ｃ_４Ｆ_８＋ＣＯ、ＣＨＦ_３＋Ｏ_２又はＣＦ_４＋Ｈ_２、圧力：０．１〜１０Ｐａ、入射電力：１０〜１０００Ｗとすることができる。

結晶成長工程では、溝が形成された（３１１）Ｓｉ基材に窒化物半導体を結晶成長させて、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜を形成する。

窒化物半導体の結晶成長の方法は特に限定されない。例えば、以下のようにして結晶成長させることができる。

まず、必要に応じて中間層を形成する。中間層は、必ずしも必要なものではないが、例えばＡｌＮのようにＳｉと結合力の強いＡｌを含む窒化物半導体よりなる中間層を窒化物半導体膜の下地層として形成することで、窒化物半導体膜とＳｉ基材との結合力を高めることができる。なお、中間層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）等により形成することができる。

次いで、窒化物半導体を結晶成長させる。この方法も特に限定されず、ＭＯＶＰＥ、ＨＶＰＥやＭＢＥ等を採用することができる。

なお、前記中間層を形成する場合は、中間層の結晶成長と、その上に形成する窒化物半導体膜の結晶成長とを連続して行うことが好ましい。

本実施形態で製造する窒化物半導体膜としては、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＮ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）の組成とすることができ、Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_ＺＮ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１、０≦Ｘ≦０．３、０≦Ｙ≦０．３、０．４＜Ｚ≦１）の組成を有することが好ましい。窒化物半導体膜におけるＧａの含有量が多いほど、（１−１１）面に対する結晶成長の選択性の点で有利となる。このため、窒化物半導体膜を形成する初期段階ではＧａＮを結晶成長させ、その後適宜Ｉｎ及び／又はＡｌを原料に加えて、Ｇａの他にＩｎ及び／又はＡｌを含む窒化物半導体を結晶成長させることが好ましい。

本実施形態に係る結晶成長工程では、基材加工工程で特定形状の溝が形成されているので、この溝の（１−１１）面に窒化物半導体を優先的に結晶成長させることができる。このため、（１−１１）面に優先的に結晶成長させることで形成された窒化物半導体膜は、（−１１−１）面及び底面に窒化物半導体が結晶成長することによる悪影響を受けない、結晶品質の高いものとなる。

特に、溝内面のうち（１−１１）面のみに窒化物半導体を結晶成長させることで窒化物半導体膜を形成した、本実施形態に係る窒化物半導体膜構造によれば、極めて高い結晶品質とすることができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ具体的に説明する。

（実施例１）
図１（ｅ）の模式断面図に示される本実施例に係る窒化物半導体構造は、（３１１）Ｓｉ基板１０と、この（３１１）Ｓｉ基板１０上に形成された（１１−２２）面２０ａを主面とするＧａＮ膜２０と、を備えている。

（３１１）Ｓｉ基板１０は、（３１１）面に＜１−１−２＞方向に沿って延びる複数の溝３０を有している。

この溝３０は、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面３１及び（−１１−１）面３２と、底面３３とを有している。なお、この底面３３は、溝３０が深いことから、（１１０）面となっている。また、（１−１１）面３１、（−１１−１）面３２及び底面（（１１０）面）３３は、いずれも六方晶ＧａＮが結晶成長し易い（ｎ１１）面である。

溝３０の幅（窓幅）ｄは１μｍとされ、溝３０の深さｈは３μｍとされている。したがって、溝の幅ｄ及び深さｈの関係は、ｈ／ｄ＝３とされている。また、溝３０のピッチ（隣り合う溝３０の中心同士の間隔）ｐは２μｍとされている。

そして、本実施例に係る窒化物半導体構造において、ＧａＮ膜２０は、溝３０の内面のうち斜め上向きの側面たる（１−１１）面３１のみに窒化物半導体が結晶成長することで形成されている。すなわち、溝３０のうち斜め下向きの側面たる（−１１−１）面３２及び底面３３には、窒化物半導体が結晶成長していない。

以下、本実施例に係る窒化物半導体構造の製造方法について説明する。

＜基材加工工程＞
まず、成長用基板として（３１１）Ｓｉ基板１０を準備した（図１（ａ）参照）。そして、（３１１）Ｓｉ基板１０の（３１１）面１０ａに、約７０μｍ厚さのＳｉＯ_２膜よりなるマスク１１をスパッタリングにより形成した。

次に、フォトリソグラフィーにより、開口部１２が＜１−１−２＞方向に沿って延びる周期的ストライプパターンを形成した（図１（ｂ）参照）。なお、この周期的ストライプパターンにおいては、開口部１２の窓幅：１μｍ、マスク幅：１μｍ、開口部１２のピッチ（隣り合う開口部１２の中心同士の間隔）ｐ：２μｍとした。

次いで、この周期的ストライプパターンが形成された（３１１）Ｓｉ基板１０を、４０℃のＫＯＨ溶液（濃度：２５質量％）に１０分間浸漬した。この異方性エッチングにより、幅ｄが１μｍ、深さｈが３μｍで、ｈ／ｄ＝３の複数の溝３０を（３１１）Ｓｉ基板１０の（３１１）面１０ａに形成した（図１（ｃ）参照）。

＜結晶成長工程＞
このような溝が形成された（３１１）Ｓｉ基材１０に対して、以下のようにＭＯＶＰＥを施し、窒化物半導体の結晶成長を行った。

＜＜ＡｌＮ成長＞＞
まず、ＡｌＮの成長を行った。成長条件は、温度：１１２０℃、原料ガス：トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びアンモニア（ＮＨ_３）、ＴＭＡの供給量：３．８４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量：１リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）、キャリアガス：水素（Ｈ_２）、Ｈ_２の供給量：３リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）、成長時間：８分とした。これにより、（３１１）Ｓｉ基材１０の斜め上向き側面たる（１−１１）面３１に数十ｎｍ厚のＡｌＮ中間層を形成した。

＜＜ＧａＮ一次成長＞＞
続けて、ＧａＮの一次成長を行った。成長条件は、温度：１１００℃、原料ガス：トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ_３）、ＴＭＧの供給量：１４．４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量：２．５リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）、キャリアガス：水素（Ｈ_２）、Ｈ_２の供給量：３リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）、成長時間：１０分とした。

このＧａＮの一次成長では、成長温度：１１００℃、ＮＨ_３の供給量：２．５リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）とすることで、ＧａＮのストライプ方向＜１−１００＞への成長速度を上げて、ストライプ結合を促進した。これにより、（３１１）Ｓｉ基材１０の斜め上向き側面たる（１−１１）面３１にＧａＮを結晶成長させて、ＧａＮ結晶部２１を形成した（図１（ｄ）参照）。

＜＜ＧａＮ二次成長＞＞
続けて、ＧａＮの二次成長を行った。成長条件は、温度：１０６０℃、原料ガス：トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ_３）、ＴＭＧの供給量：１４．４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ_３の供給量：０．２５リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）、キャリアガス：水素（Ｈ_２）、Ｈ_２の供給量：３リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）、成長時間：２０分とした。

このＧａＮの二次次成長では、成長温度：１０６０℃、ＮＨ_３の供給量：０．２５リットル／ｍｉｎ（０℃、１気圧）と低下させることで、ＧａＮの＜０００１＞方向への成長速度を上げて、ストライプ同士の結合を促進した。これにより、膜厚２μｍで平坦な（１１−２２）面２０ｂを有するＧａＮ膜２０を形成した（図１（ｅ）参照）。

こうして得られたＧａＮ膜２０の結晶断面を観察した。その電子顕微鏡写真が図２に示されるように、斜め下向き側面たる（−１１−１）面３２及び底面（（１１０）面）３３からは、いずれも六方晶ＧａＮが結晶成長し易い（ｎ１１）面であるにもかかわらず、ＧａＮの結晶成長が見られなかった。また、得られたＧａＮ膜２０には積層欠陥等の結晶欠陥が認められなかった。

さらに、ＧａＮ膜２０をＣＬ（カソードルミネッセンス）にて評価した結果、低転位領域が形成されていることがわかった。これは、（３１１）Ｓｉ基板１０とＧａＮとの接触面積が小さく、かつ転位が（３１１）Ｓｉ基板１０とＧａＮとの界面付近で曲げられたために、ＧａＮ膜２０の表面には転位が伝搬しなかったためと考えられる。

したがって、本実施例により、極めて高品質なＧａＮ膜２０が得られることが確認できた。

（実施例２）
前記基材加工工程で、前記周期的ストライプパターンにおいて、開口部１２の窓幅：２μｍ、開口部１２のピッチ（隣り合う開口部１２の中心同士の間隔）ｐ：３μｍと変更すること以外は、前記実施例１と同様の方法により、窒化物半導体構造を製造した。

したがって、本実施例の窒化物半導体構造においては、溝３０の幅ｄが２μｍとされており、溝の幅ｄ及び深さｈの関係は、ｈ／ｄ＝３／２とされている。また、溝３０のピッチ（隣り合う溝３０の中心同士の間隔）ｐは３μｍとされている。

この窒化物半導体構造におけるＧａＮ膜２０の結晶断面を観察した。その電子顕微鏡写真が図３に示されるように、底面（（１１０）面）３３にはＧａＮの結晶成長が見られなかった。一方、下向き側面たる（−１１−１）面３２には、ＧａＮ結晶の成長が少し認められた。しかし、この下向き側面たる（−１１−１）面３２へのＧａＮ結晶の成長は、上向き側面たる（１−１１）面３１に結晶成長したＧａＮ結晶とほとんど干渉しない程度のものであった。このため、ＧａＮ膜２０には積層欠陥等の結晶欠陥が認められなかった。

（比較例１）
前記基材加工工程で、異方性エッチングにおける浸漬時間を２．５分に変更すること以外は、前記実施例１と同様の方法により、窒化物半導体構造を製造した。

したがって、比較例１の窒化物半導体構造においては、溝３０の深さｈが３００ｎｍとされており、溝の幅ｄ及び深さｈの関係は、ｈ／ｄ＝３／１０とされている。

この窒化物半導体構造におけるＧａＮ膜２０の結晶断面を観察した。その電子顕微鏡写真が図４に示されるように、（１−１１）面３１、（−１１−１）面３２及び底面３３の全ての面からＧａＮが結晶成長しており、また、ＧａＮ膜２０には平坦な（１１−２２）面２０ａが形成されなかった。

このような結果となったのは、ＧａＮの一次成長において、（１−１１）面３１、（−１１−１）面３２及び底面３３の全ての面からＧａＮが同時に結晶成長したためである。

本発明の実施例１に係る窒化物半導体構造の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の実施例１で得られたＧａＮ膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真（１万５千倍）である。 本発明の実施例２で得られたＧａＮ膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真（１万５千倍）である。 比較例で得られたＧａＮ膜の結晶構造を示す電子顕微鏡写真（１万５千倍）である。 従来の窒化物半導体構造を模式的に示す断面図である。 他の従来の窒化物半導体構造を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１０…（３１１）Ｓｉ基板 １０ａ…（３１１）面
１１…マスク（ＳｉＯ_２膜） １２…開口部
２０…ＧａＮ膜（窒化物半導体膜） ２０ａ…（１１−２２）面
２１…ＧａＮ結晶部 ３０…溝
３１…（１−１１）面 ３２…（−１１−１）面
３３…底面

Claims (5)

1. （３１１）Ｓｉ基材の（３１１）面に、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面を有し、かつ該（３１１）Ｓｉ基材の＜１−１−２＞方向に沿って延びる複数の溝を形成する基材加工工程と、
   前記溝が形成された前記（３１１）基材の前記（３１１）面に窒化物半導体を結晶成長させて、（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜を形成する結晶成長工程と、を備え、
   前記溝の幅ｄを２０μｍ以下にし、かつ該溝の深さｈを０．２μｍ以上にするとともに、該溝の幅ｄ及び深さｈの関係を１≦ｈ／ｄに調整することにより、溝内面のうち前記（１−１１）面に前記窒化物半導体を優先的に結晶成長させることを特徴とする窒化物半導体構造の製造方法。
2. 前記基材加工工程では、前記溝の幅ｄ及び深さｈの関係を３／２≦ｈ／ｄに調整す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の製造方法。
3. 前記基材加工工程では、前記溝の幅ｄを５μｍ以下にす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の製造方法。
4. 前記結晶成長工程では、前記溝のうち前記（１−１１）面のみに前記窒化物半導体を結晶成長させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の窒化物半導体構造の製造方法。
5. （３１１）面に＜１−１−２＞方向に沿って延びる複数の溝であって、該溝の幅ｄを２０μｍ以下、該溝の深さｈを０．２μｍ以上、及び、該溝の幅ｄに対する該溝の深さｈの比（ｈ／ｄ）を１≦ｈ／ｄとする該溝を有する（３１１）Ｓｉ基材と、
   前記（３１１）Ｓｉ基材の前記（３１１）面に形成された（１１−２２）面を主面とする窒化物半導体膜と、を備え、
   前記溝は、互いに平行に延びて対向する斜め上向き及び斜め下向きの側面たる（１−１１）面及び（−１１−１）面を有し、
   前記窒化物半導体膜は、溝内面のうち前記（１−１１）面のみに窒化物半導体が結晶成長することで形成されていることを特徴とする窒化物半導体構造。

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