ウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法
【課題】酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能なウエハ生産物を作製する方法を提供する。
【解決手段】工程Ｓ１０５において、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮといったIII族窒化物からなるバッファ層１３を酸化ガリウム基板１１の主面１１ａ上に摂氏６００度で成長する。バッファ層１３を成長した後に、水素及び窒素を含むガスＧ２を成長炉１０に供給しながら、摂氏１０５０度で酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を成長炉１１の雰囲気にさらす。III族窒化物半導体層１５の堆積は、改質されたバッファ層上に行われる。改質されたバッファ層は例えばボイドを含む。III族窒化物半導体層１５はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層１５を形成するとき、改質されたバッファ層１４上に良好な結晶品質が得られる。
【解決手段】工程Ｓ１０５において、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮといったIII族窒化物からなるバッファ層１３を酸化ガリウム基板１１の主面１１ａ上に摂氏６００度で成長する。バッファ層１３を成長した後に、水素及び窒素を含むガスＧ２を成長炉１０に供給しながら、摂氏１０５０度で酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を成長炉１１の雰囲気にさらす。III族窒化物半導体層１５の堆積は、改質されたバッファ層上に行われる。改質されたバッファ層は例えばボイドを含む。III族窒化物半導体層１５はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層１５を形成するとき、改質されたバッファ層１４上に良好な結晶品質が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、（１００）β−Ｇａ２Ｏ３基板上への有機金属気相成長法によるＧａＮエピタキシャル成長が記載されている。ＧａＮエピタキシャル成長では、Ｇａ２Ｏ３基板上に、低温ＧａＮバッファ層を摂氏６００度で成長する。この低温ＧａＮバッファ層上に直接に１０００ｎｍのＧａＮ層を摂氏１０７０度で成長する。
【０００３】
非特許文献２には、ＩｎＧａＮ系発光ダイオードが記載されている。発光ダイオードは、パターン形成されたサファイア基板を用い、またこのサファイア基板上にバッファ層を介して複数の窒化ガリウム系半導体層が成長される。サファイア基板のパターン形成により光の取り出し効率を向上させる。
【０００４】
非特許文献３には、ＩｎＧａＮ−ＧａＮ発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードはサファイア基板上に成長されたＧａＮ系膜を含む。サファイア基板は、レーザ光を用いてＧａＮ系膜と分離される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 44, No. 1, 2005, pp L7-L5
【非特許文献２】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41, (2002), pp L1431-L1433, Part 2, No.12B, 15, December, 2002
【非特許文献３】Appl. Phys. Lett. Vol. 89, 071109, (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸化ガリウム基板は、窒化ガリウム系半導体光素子の作製に利用可能である。発明者の知見によれば、酸化ガリウムは、窒化ガリウム系半導体層の成長に用いられる水素含有雰囲気に冒される。水素による酸化ガリウム基板の損傷を避けるために、高温の水素雰囲気に酸化ガリウム基板を触れさせない成膜シーケンスを用いる。ところが、発明者らの検討によれば、窒化ガリウム系半導体光素子のための窒化ガリウム系半導体層を酸化ガリウム基板上に成長するシーケンスにおいて、酸化ガリウムに接触する低温バッファ層を改質できることを見いだした。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能なウエハ生産物を作製する方法を提供することを目的とし、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能な窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は、窒化ガリウム系半導体光素子のためのウエハ生産物を作製する方法である。この方法は、（ａ）酸化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、（ｃ）前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、（ｄ）前記活性層上に第２のIII族窒化物半導体層を成長する工程とを備える。前記積層体を形成する前記工程では、（ｂ１）前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、（ｂ２）前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、（ｂ３）前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、（ｂ４）前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程とを備える。前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有する。前記III族窒化物バッファ層の厚さが前記III族窒化物半導体層の厚さより薄い。
【０００９】
この方法によれば、III族窒化物バッファ層を成長した第１の温度から第２の温度に基板温度を変更した後に、酸化ガリウム基板及びIII族窒化物バッファ層を水素及び窒素を含む雰囲気にさらす。III族窒化物半導体層の成長に先立って、水素を含む雰囲気において、III族窒化物バッファ層は改質され、またIII族窒化物半導体の堆積は、改質されたIII族窒化物バッファ層上に行われる。改質の後に成長されたIII族窒化物半導体層上には活性層が設けられる。これ故に、改質されたIII族窒化物バッファ層を有する窒化ガリウム系半導体光素子からの光取り出し効率が向上される。III族窒化物バッファ層の厚さがIII族窒化物半導体層の厚さよりも薄く、水素及び窒素を含む雰囲気による改質が、酸化ガリウム基板の表面近傍において引き起こされる。
【００１０】
本発明の一側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、好ましくは、水素の流量は窒素の流量以上であり、前記第２の温度は摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度前後である。水素を雰囲気に含むとともに、摂氏９５０度以上の基板温度であるとき、好ましくは１０５０度前後の基板温度であるとき、III族窒化物半導体層の成長に先立って、III族窒化物バッファ層は改質され、またIII族窒化物半導体の堆積は、改質されたIII族窒化物バッファ層上に行われる。また、本発明の一側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上であることが好ましい。このとき、良好な改質が行われる。
【００１１】
本発明の一側面に係る方法では、前記雰囲気にさらす工程における時間は１０秒以上であることができる。この時間が１０秒以上、好ましくは１分以上であるとき、上記の改質を効果的に引き起こすことができる。
【００１２】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上であることができる。バッファ層の厚さが２ナノメートル以上、好ましくは１０ナノメートルであるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。また、本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であることができる。バッファ層の厚さが１００ナノメートル以下であるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。
【００１３】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含むことができる。これらの材料でバッファ層を形成するとき、改質による技術的寄与が得られる。
【００１４】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層を含むことができる。バッファ層がＧａＮ層を含むとき、ＧａＮと水素との反応により改質が生じて改質による技術的寄与が提供される。
【００１５】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体層はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層を形成するとき、改質による技術的寄与が得られる。
【００１６】
本発明の一側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面であることができる。酸化ガリウム基板の主面の結晶面が実質的に（１００）面であるとき、III族窒化物半導体層の表面にｃ面又はｃ面から僅かに傾斜した面が形成される。
【００１７】
本発明の一側面に係る方法では、前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含むことができる。この方法によれば、改質処理により、上記の界面に複数のボイドが形成される。
【００１８】
本発明の一側面に係る方法では、前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された遷移層を含み、前記遷移層は前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆っている。この方法によれば、改質処理により、上記の界面に遷移層が形成される。遷移層はIII族窒化物領域を含むことができる。
【００１９】
本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）酸化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程とを備える。前記積層体を形成する前記工程では、（ｂ１）前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、（ｂ２）前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、（ｂ３）前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、（ｂ４）前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のための第１のIII族窒化物半導体層を堆積する工程とを備える。前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有する。前記III族窒化物バッファ層の厚さは前記第１のIII族窒化物半導体層の厚さよりも薄い。
【００２０】
この方法によれば、III族窒化物バッファ層を成長した第１の温度から第２の温度に基板温度を変更した後に、酸化ガリウム基板及びIII族窒化物バッファ層を水素及び窒素を含む雰囲気にさらす。水素を含む雰囲気であるとき、III族窒化物半導体層の成長に先立って、III族窒化物バッファ層は改質され、またIII族窒化物半導体の堆積は、改質されたIII族窒化物バッファ層上に行われる。改質されたIII族窒化物バッファ層上に活性層が設けられる窒化ガリウム系半導体光素子からの光取り出し効率が向上される。III族窒化物バッファ層の厚さがIII族窒化物半導体層の厚さよりも薄く、水素及び窒素を含む雰囲気による改質が、酸化ガリウム基板の表面近傍において引き起こされる。
【００２１】
本発明の別の側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素を含む雰囲気であり、好ましくは、水素の流量は窒素の流量以上であり、前記第２の温度は摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度前後である。水素を含む雰囲気であり、好ましくは水素の流量は窒素の流量以上であると共に基板温度が摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度前後の基板温度であるとき、III族窒化物半導体層の成長に先立って、III族窒化物バッファ層は改質される。
【００２２】
本発明の別の側面に係る方法では、前記雰囲気にさらす工程における時間は１０秒以上であることができる。この時間が１０秒以上、好ましくは１分以上であるとき、上記の改質を効果的に引き起こすことができる。
【００２３】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上であることができる。バッファ層の厚さが２ナノメートル以上、好ましくは10ナノメートルであるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。
【００２４】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含むことができる。これらの材料でバッファ層を形成するとき、改質による技術的な寄与が得られる。また、本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層を含むことができる。バッファ層がＧａＮ層を含むとき、ＧａＮと水素との反応により改質が生じて改質による技術的寄与が提供される。
【００２５】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体層はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層を形成するとき、改質による技術的寄与が得られる。
【００２６】
本発明の別の側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面であることができる。酸化ガリウム基板の主面の結晶面が実質的に（１００）面であるとき、III族窒化物半導体層の表面はｃ面又はｃ面から僅かに傾斜した面を有する。
【００２７】
本発明の別の側面に係る方法では、前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって提供される。
【００２８】
本発明の別の側面に係る方法では、前記改質層は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含むことができる。或いは、本発明の別の側面に係る方法では、前記改質層は、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆う遷移層を有している。
【００２９】
本発明の別の側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板、前記III族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記窒化ガリウム系半導体層は、ウエハ生産物を構成する。当該方法は、前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程とを更に備えることができる。
【００３０】
この方法によれば、活性層へ注入されるキャリアは、第１及び第２の電極から提供される。また、キャリアは、導電性の酸化ガリウム基板を介して活性層に到達する。
【００３１】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であることができる。この方法によれば、III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であるとき、バッファ層に起因する抵抗の増加を低減できる。
【００３２】
本発明の別の側面に係る方法は、前記活性層及び前記窒化ガリウム系半導体層をエッチングして、前記III族窒化物半導体層を露出させる工程と、前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程とを更に備えることができる。
【００３３】
この方法によれば、一方の素子面に第１及び第２の電極を備える発光素子が提供される。
【００３４】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能なウエハ生産物を作製する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能な窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。
【図２】図２は、単斜晶系酸化ガリウムウエハ及び単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図７】図７は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図８】図８は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図９】図９は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図１０】図１０は、実施例２における発光ダイオードの構造を示す図面である。
【図１１】図１１は、実施例２における発光特性を示す図面である。
【図１２】図１２は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。
【図１３】図１３は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１４】図１４は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１５】図１５は、剥離に要する時間を相対値により示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３８】
図１は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。これらの工程フローでは、窒化ガリウム系半導体光素子として、半導体光素子が作製される。工程フロー１００ａの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウム基板１１を準備する。図２（ａ）を参照すると、酸化ガリウム基板１１が示される。この基板１１は、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。基板１１は、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する主面１１ａ及び裏面１１ｂを含み、例えば主面１１ａ及び裏面１１ｂは互いに平行である。基板１１の主面１１ａは、例えば単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面である。この主面１１ａは、（１００）面に対して例えば１度以下０度以上の角度で傾斜することができる。図２（ａ）には、結晶座標系ＣＲが示されており、結晶座標系ＣＲはａ軸、ｂ軸及びｃ軸を有する。
【００３９】
図２（ｂ）を参照すると、単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子が示されている。単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子のａ軸、ｂ軸及びｃ軸の格子定数は、それぞれ、１．２２３ｎｍ、０．３０４ｎｍ及び０．５８ｎｍである。ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸の方向を示す。ベクトルＶａ及びＶｂは（００１）面を規定し、ベクトルＶｂ、Ｖｃは（１００）面を規定し、ベクトルＶｃ及びＶａは（０１０）面を規定する。ベクトルＶａ及びＶｂの成す角度α及びベクトルＶｂ及びＶｃの成す角度γは９０度であり、ベクトルＶｃ及びＶａの成す角度βは１０３．７度である。基板主面１１ａの傾斜角ＡＯＦＦを示すために、図２（ｂ）には、基板主面１１ａが一点鎖線で示されている。この基板１１によれば、単斜晶系酸化ガリウム（１００）面の基板主面１１ａ上に、良好なモフォロジのエピタキシャル層が成長される。酸化ガリウム基板１１の主面１１ａの結晶面が実質的に（１００）面であるとき、窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層の表面はｃ面又はｃ面から僅かに傾斜した面を有する。
【００４０】
図１に示される工程Ｓ１０２では、図３（ａ）に示されるように、成長炉１０のサセプタ１０ａ上に基板１１を配置する。工程Ｓ１０３では、エピタキシャル基板を作製するために、複数のIII族窒化物膜を含む積層構造を形成する。III族窒化物膜の成長は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等で行われる。
【００４１】
成長炉１０のサセプタ上に基板１１を配置した後に、工程Ｓ１０４では、図３（ｂ）に示されるように、ガスＧ０を成長炉１０に供給しながら、成長炉１０内の酸化ガリウム基板１１のサセプタ温度を変更する。ガスＧ０は、例えば窒素ガスを含むことができる。成長炉１０に供給された窒素に酸化ガリウム基板１１が触れているとき、水素によって酸化ガリウム基板１１が侵されることがない。これ故に、成長炉１０に水素を供給するときに比べて、サセプタ温度を高めることができる。窒素雰囲気においては、酸化ガリウム基板１１のための基板温度は、例えば摂氏６００度であることができる。
【００４２】
窒素を含む雰囲気中で成長温度Ｔ１に成長炉１０の温度を上昇した後に、工程Ｓ１０５において、酸化ガリウム基板１１の主面１１ａ上にIII族窒化物バッファ層１３を第１の温度Ｔ１で成長する。バッファ層１３は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮといったIII族窒化物からなる。III族窒化物の堆積のために、原料ガスとして、有機ガリウム原料、有機アルミニウム原料、窒素原料等が用いられる。
【００４３】
バッファ層１３がＧａＮからなるとき、成長炉１０には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ３）を含む原料ガスＧ１が供給される。ＧａＮ層バッファを用いると、ＧａＮと水素との反応により改質が生じて改質による技術的な寄与が提供される。バッファ層１３がＡｌＧａＮからなるとき、成長炉１０には、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びＮＨ３を含む原料ガスＧ１が供給される。ＡｌＧａＮ層バッファを用いると、ＧａＮバッファ層よりも熱的に安定であるため、第２の温度Ｔ２をより高い温度まで用いることができるという、技術的な寄与が提供される。バッファ層１３がＡｌＮからなるとき、成長炉１０には、ＴＭＡ及びＮＨ３を含む原料ガスＧ１が供給される。ＡｌＮ層バッファを用いると、ＧａＮバッファ層よりも熱的に安定であるため、第２の温度Ｔ２をより高い温度まで用いることができるという、技術的な寄与が提供される。バッファ層１３の成長温度Ｔ１は、例えば摂氏４００度以上摂氏８００度下の範囲にあり、バッファ層１３はいわゆる低温バッファ層と呼ばれる。
【００４４】
バッファ層１３の膜厚は例えば２ナノメートル以上であることができる。バッファ層の厚さが２ナノメートル以上、好ましくは１０ナノメートル以上であるとき、引き続き成長されるIII族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。また、バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であることができる。バッファ層１３の厚さが１００ナノメートル以下であるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好になる。
【００４５】
工程Ｓ１０６では、バッファ層１３を成長した後に、第１の温度Ｔ１よりも高い第２の温度Ｔ２に成長炉１０の基板温度を変更する。この後に、工程Ｓ１０７では、図３（ｃ）に示されるように、水素及び窒素を含むガスＧ２を成長炉１０に供給しながら、第２の温度Ｔ２の基板温度で酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を成長炉１１の雰囲気にさらす。ガスＧ２は、さらにアンモニアを含むことができる。酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を成長炉１１の雰囲気にさらす際において、雰囲気は水素を含み、好ましくは、水素の流量は窒素の流量以上である。また、第２の温度Ｔ２は摂氏９５０度以上、好ましくは、１０５０度前後である。成長炉１０において水素の流量が窒素の流量以上であると共に基板温度が摂氏９５０度以上であるとき、バッファ層１３は、改質されたバッファ層１４に変わる。第２の温度Ｔ２は摂氏１２００度以下である。改質されすぎてしまい、良好なエピ膜が堆積できないからである。この改質は、窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層の成長に先立って行われ、III族窒化物半導体の堆積は、改質されたバッファ層１４上に行われる。また、バッファ層１３の厚さがIII族窒化物半導体層１５の厚さより薄いとき、水素及び窒素を含む雰囲気による改質が、酸化ガリウム基板１１の表面近傍のバッファ層に引き起こされる。
【００４６】
雰囲気にさらす処理時間は１０秒以上であることができる。改質のための時間が１０秒以上、好ましくは１分以上であるとき、上記の改質を効果的に引き起こすことができる。
【００４７】
酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１４を成長炉１０の雰囲気にさらした後に、工程Ｓ１０８では、第２の温度Ｔ２に等しい或いはより大きい第３の温度Ｔ３に成長炉１０のサセプタ温度を設定する。この後に、工程Ｓ１０９では、図４（ａ）に示されるように、有機金属気相成長法で、窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層１５を堆積する。例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等といったIII族窒化物をバッファ層１４上に堆積するとき、この堆積物は、酸化ガリウム基板１１にエピタキシャル成長され、六方晶系のIII族窒化物半導体層１５が得られる。また、III族窒化物半導体層１５をバッファ層１４上に堆積するとき、III族窒化物半導体層１５の成長初期に、バッファ層１４の構造を引き継ぐ堆積が生じるとき、この初期成長層とバッファ層１４とを併せて改質層１４と呼ぶこともある。
【００４８】
III族窒化物半導体層１５はＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層１５を形成するとき、改質されたバッファ層１４上に良好な結晶品質が得られる。
【００４９】
III族窒化物半導体層１５の膜厚は、例えば１マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下の範囲であることができる。III族窒化物半導体層１５の成長温度Ｔ３は例えば摂氏９５０度以上摂氏１２００度以下の範囲になる。III族窒化物半導体層１５は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する半導体層であり、またアンドープ、ｐ型ドーパント添加、及びｎ型ドーパント添加であることができる。エピタキシャル層１５にｐ導電性またはｎ導電性を付与するために、III族窒化物半導体層１５を成長する際に原料ガスに加えてドーパントガスを供給する。ドーパントとしては、ｐ型導電性のためにシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用い、ｎ型導電性のためにシラン（例えばＳｉＨ４）を用いることができる。III族窒化物半導体層１５がｎ型ＧａＮからなるとき、成長炉１０には、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を含む原料ガスＧ３が供給される。これらの工程により、酸化ガリウム基板１１上に積層体１６が形成される。
【００５０】
次いで、工程Ｓ１１０において、図４（ｂ）に示されるように、原料ガスＧ４を成長炉１０に供給して、活性層１７をIII族窒化物半導体層１５上に形成する。活性層１７が量子井戸構造を有するとき、活性層１７は交互に配列された井戸層１７ａ及び障壁層１７ｂを含む。井戸層１７ａは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。井戸層１７ａの成長温度は例えば摂氏７５０度である。障壁層１７ｂは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。障壁層１７ｂの成長温度は例えば摂氏７５０度である。
【００５１】
この方法によれば、バッファ層１３を成長した第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２にサセプタ温度を変更した後に、摂氏９５０度以上、好ましくは摂氏１０５０度前後の基板温度で酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を水素及び窒素を含む雰囲気にさらして、改質されたバッファ層１４を形成する。水素を含む雰囲気であり、好ましくは水素の流量は窒素の流量以上であると共に基板温度が摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度の基板温度であるとき、バッファ層１４に十分な改質が施される。III族窒化物半導体の堆積は、改質されたバッファ層１４上に行われる。
【００５２】
この後に、工程Ｓ１１１において、図４（ｃ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体層１９を活性層１７上に形成する。窒化ガリウム系半導体層１９は、例えばｐ型電子ブロック層２１及びｐ型コンタクト層２３を含むことができる。
【００５３】
これまでの窒化ガリウム系半導体の堆積により、図５（ａ）に示されるように、ウエハ生産物Ｅが得られる。ウエハ生産物Ｅは、酸化ガリウムウエハ１１と、酸化ガリウムウエハ１１上に成長された半導体積層２５を含む。この半導体積層２５は、III族窒化物半導体層１５（例えば、第１導電型エピタキシャル層）と、活性層１７と、窒化ガリウム系半導体層１９（例えば、第２導電型エピタキシャル層）とを含み、活性層１７は、第１導電型エピタキシャル層と第２導電型エピタキシャル層との間に設けられている。酸化ガリウム基板１１、III族窒化物半導体層１５、活性層１７及び窒化ガリウム系半導体層１９は、ウエハ生産物を構成する。引き続き工程において、III族窒化物半導体層１５に電位を提供する第１の電極をウエハ生産物Ｅに形成すると共に、窒化ガリウム系半導体層１９に電位を提供する第２の電極をウエハ生産物Ｅに形成する。活性層１７へ注入されるキャリアは、第１及び第２の電極から提供される。また、キャリアは、導電性の酸化ガリウム基板１１を介して活性層１７に到達する。
【００５４】
電極プロセスの工程の一例として、以下の工程フローを行う。工程Ｓ１１２では、図５（ｂ）に示されるように、ウエハ生産物Ｅをエッチングして半導体メサ２７を形成する。このエッチングにより半導体積層２５の一部が除去されて、半導体積層２５内のIII族窒化物半導体層１５の一部が露出されると共に半導体メサ２７の上面２７ｄ（窒化ガリウム系半導体層１９ｃの表面１９ｄ）が形成される。
【００５５】
このウエハ生産物Ｅの加工の後に、工程Ｓ１１３では、図５（ｃ）に示されるように、III族窒化物半導体層１５の露出部分１５ｄ上に第１の電極２９ａを形成すると共に半導体メサ２７の上面２７ｄに第２の電極２９ｂを形成する。これらの工程により、窒化ガリウム系半導体発光デバイスのための基板生産物が作製される。
【００５６】
引き続き行われる実施例の説明から理解されるように、改質されたバッファ層１４は、以下の構造を有する。また、改質工程の後に活性層１７が成長されるとき、活性層１７における発光強度は向上される。
【００５７】
積層体１６は、酸化ガリウム基板１１と積層体１６との界面に形成された複数のボイドを含むことができる。改質処理により、上記の界面に複数のボイドが形成される。積層体１６は、酸化ガリウム基板１１と積層体１６との界面に形成された遷移層を含み、遷移層は酸化ガリウム基板１１の主面１１ａを覆っている。改質処理により、上記の界面に遷移層が形成される。遷移層はIII族窒化物領域を含むことができる。
【００５８】
（実施例１）
実験例１（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面にボイドや遷移層などがない）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥで成長した。このＡｌＮの成長温度は摂氏６００度であった。ＡｌＮ層の厚みは１０ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏１０５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は５リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は１０リットル／分であった。この後に、このＡｌＮ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ１が得られた。
【００５９】
参考のために、サファイア基板上に低温ＧａＮバッファ層を介してＧａＮ層を成長した。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ０が得られた。図６は、サファイア基板、ＡｌＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６０】
また、エピタキシャル基板ＥＷ０をエピタキシャル基板ＥＷ１と比較したとき、エピタキシャル層／酸化ガリウム基板の界面に関しても、本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と同様に、ボイドや遷移層等は観察されなかった。
【００６１】
実験例２（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面に微少なボイドが形成された）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥで成長した。このＡｌＮの成長温度は摂氏６００度であった。ＡｌＮ層の厚みは１０ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏９５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は１０リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は５リットル／分であった。この後に、ＧａＮエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にＡｌＮバッファ層を摂氏９５０度に１分間保持して、改質処理を行った。次いで、改質処理されたバッファ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ２が得られた。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６２】
図７は、実験例２における酸化ガリウム基板、ＡｌＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と異なり、サイズ（幅）１００ｎｍ程度のボイドが観察された。温度・水素の割合等の成長条件に応じて、ボイドのサイズは１０ｎｍ〜１μｍ程度の範囲で変更することができた。
【００６３】
本実験例ではＡｌＮバッファ層を用いたけれども、低温成長のＧａＮ及び低温成長のＡｌＧａＮの成膜条件やバッファ層の成膜後の熱処理に応じて、このような遷移層を界面に作製することが可能である。
【００６４】
実験例３（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面に大きなボイドが形成された）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＡｌＮの成長温度は摂氏６００度であった。ＡｌＮ層の厚みは１０ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏１０５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は１０リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は５リットル／分であった。この後に、ＧａＮエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にＡｌＮバッファ層を摂氏１０５０度に１分間保持して、改質処理を行った。次いで、改質処理されたバッファ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥで成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ３が得られた。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６５】
図８は、実験例３における酸化ガリウム基板、ＡｌＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と異なり、サイズ（幅）１００ｎｍ程度のボイドが観察された。温度・水素の割合等の成長条件に応じて、ボイドのサイズは１０ｎｍ〜１μｍ程度の範囲、さらにこれ以上のサイズで変更することができた。
【００６６】
本実験例ではＡｌＮバッファ層を用いたけれども、低温成長のＧａＮ及び低温成長のＡｌＧａＮの成膜条件やバッファ層の成膜後の熱処理に応じて、このような界面にボイドを作製することが可能である。
【００６７】
実験例４（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面に遷移層が形成された）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＧａＮバッファ層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＧａＮの成長温度は摂氏５００度であった。ＧａＮ層の厚みは２５ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏１０５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は１０リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は５リットル／分であった。この後に、ＧａＮエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にＧａＮバッファ層を摂氏１０５０度に１分間保持して、熱処理を行った。次いで、熱処理されたバッファ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥで成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ４が得られた。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６８】
図９は、実験例４における酸化ガリウム基板、ＧａＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と異なり、厚さ２μｍ程度の遷移層が観察された。この遷移層はＧａとＮとＯから構成され、ＧａＮとＧａ２Ｏ３等が混じっている層であった。遷移層は、例えば多孔質のIII族窒化物領域を含むことができる。
【００６９】
本実験例ではＧａＮバッファ層を用いたけれども、低温成長のＡｌＮ及び低温成長のＡｌＧａＮの成膜条件やバッファ層の成膜後の熱処理に応じて、このような界面の遷移層を作製することが可能である。
【００７０】
（実施例２）
実施例１において作製されたエピタキシャル基板ＥＷ０〜ＥＷ４を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）のためのエピタキシャル構造を形成した。図１０は、実施例２におけるエピタキシャル構造を示す。発光ダイオード構造ＬＥＤは、改質層３５、ｎ型ＧａＮ層３７、活性層３９、及びｐ型ＧＡｎ系層４１を含む。発光ダイオードＬＥＤでは、改質層３５、ｎ型ＧａＮ層３７、活性層３９、及びｐ型ＧａＮ系半導体層４１は酸化ガリウム基板３１の主面３１ａ上に設けられており、ｐ型ＧａＮ系半導体層４１はｐ型ＡｌＧａＮブロック層及びｐ型ＧａＮコンタクト層を含む。発光ダイオード構造ＬＥＤは、エッチングにより形成された半導体メサ３３を含む。半導体メサ３３の上面３３ａにはｐ型ＧａＮコンタクト層が露出されている。半導体メサ３３は、露出されたｎ型ＧａＮ層３７を含む。ｎ型ＧａＮ層３７は露出領域３３ｂを含む。上面３３ａにはｐ側電極４３ａを形成した。露出領域３３ｂ上にｎ側電極４３ｂを形成した。これらの工程により、エピタキシャル基板ＥＷ０〜ＥＷ４を用いてそれぞれ発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４が得られた。発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４の各々をプローバ上に配置した後に、発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４に２０ｍＡの電流を印加して、発光強度を測定した。発光ダイオード構造ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４では、バッファ層の厚さに起因する電気抵抗の増加を低減するために、バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下、好ましくは３０ナノメートル以下であることができる。
【００７１】
図１１は、発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４の発光強度を示す図面である。発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ４の発光強度は、発光ダイオード構造ＬＥＤ０を基準にして１．２倍、１．３倍、１．５倍、１．４倍であった。
【００７２】
図１２は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。工程フロー１００ｂの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウム基板１１を準備する。工程Ｓ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１１０〜Ｓ１１１を図１に示された工程フロー１００ａと同様に行う。
【００７３】
工程Ｓ１１５では、図１３（ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体層１９上に電極５１を形成して基板生産物ＳＰ１を作製する。電極５１の形成は例えば以下のように行われる。窒化ガリウム系半導体層１９の表面には絶縁膜５３を形成する。絶縁膜５３には開口が設けられており、絶縁膜５３は例えばシリコン酸化物またはシリコン窒化物からなることができる。
【００７４】
工程Ｓ１１６では、図１３（ｂ）に示されるように、貼り合わせ用の導電性支持体５５を準備する。この基板５５は、例えばＳｉ基板や、ヒートシンク等からなる。また、図１３（ｂ）に示されるように、基板生産物ＳＰ１上の電極５１が導電性支持体５５に対面するように、基板生産物ＳＰ１及び基板５５が配置される。
【００７５】
次いで、基板生産物ＳＰ１に導電性支持体５５を貼り付けて基板生産物ＳＰ２を作製する。基板生産物ＳＰ２では、導電性支持体５５は電極５３に電気的な接続をなす。この貼り合わせは、図１３（ｃ）に示されるように、例えば導電性接着剤５７等を用いて行われる。導電性接着剤５７は例えばＡｕＳｎ、ＰｂＳｎといった半田であることができる。
【００７６】
工程１１７では、図１４（ａ）に示されるように、基板生産物ＳＰ２の酸化ガリウム基板１１にレーザ光５９を照射する。レーザ光５９の波長は、酸化ガリウム基板１１のバンドギャップに対応する波長より短く、またIII族窒化物半導体層１５のバンドギャップに対応する波長より大きい。レーザ光は、例えばエキシマレーザによって提供される。この照射によって、図１４（ｂ）に示されるように、酸化ガリウム基板１１を基板生産物ＳＰ２の半導体積層２５ａから分離して、半導体積層２５ａ及び導電性支持体５５を含む基板生産物ＳＰ３を作製する。酸化ガリウム基板１１にレーザ光５９を照射するとき、改質層１４によりリフトオフが容易になる。この分離によりIII族窒化物半導体層１５が露出される。リフトオフにより露出された半導体積層２５ａのIII族窒化物半導体層１５の表面には、ラフネスが残る。
【００７７】
工程Ｓ１１８では、図１４（ｃ）に示されるように、III族窒化物半導体層１５の表面に電極５３ｂを形成する。
【００７８】
（実施例３）
レーザ光を用いた基板剥離を調べる実験を行った。酸化ガリウム基板の裏面にエキシマレーザ光を照射して、エピタキシャル膜から酸化ガリウム基板を剥離させた。剥離の実験は、ウエハ生産物から１０ｍｍ×１０ｍｍのサイズの実験片を切り出した。実験片にレーザを照射して剥離に要する時間を測定した。図１５は、剥離に要する時間を相対値により示す図面である。図１３を参照すると、剥離に要する時間が、相対値として０．３６、０．３８、０．１７、０．０８として示されている。このように、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）に比べて化学結合の点で弱いので、相対値が０．３６であり、レーザによる剥離が容易である。これに加え、酸化ガリウム基板／エピタキシャル膜の界面にボイドが形成されたとき、ボイドのサイズに応じて相対値が０．２８、０．１７となる。また、酸化ガリウム基板／エピタキシャル膜の界面に遷移層が形成されたとき、遷移層の粗密に応じて相対値が０．０８となる。酸化ガリウム基板／エピタキシャル膜の界面にボイドや遷移層が作製されているので、レーザリフトオフによる剥離のために要する時間はさらに短縮される。
【００７９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
発光ダイオードの光取り出し効率を向上させて、発光ダイオードの発光効率を大きくする試みがある。非特許文献２では、サファイア基板に起伏を付けて光取り出し効率を向上させている。また、非特許文献３では、基板剥離と共にエピタキシャル膜の裏面に起伏を作製して光取り出し効率を向上させている。
【００８１】
サファイア基板上にＧａＮ膜のエピタキシャル成長を行うとき、低温ＡｌＮバッファ層や低温ＧａＮバッファ層上にＧａＮのエピタキシャル成長を行う。このとき、ＧａＮエピタキシャル膜／サファイア基板の界面には、ボイド等を作製していない。一方で、酸化ガリウム基板上にＧａＮ膜のエピタキシャル成長を行うとき、成長方法を工夫することにより、ＧａＮエピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面にボイド等を形成できる。また、改質条件によっては、ボイドだけでなく、変質層及びラフネスの形成も可能である。
【００８２】
サファイア基板を加工してエピタキシャル膜／サファイア基板の界面における散乱により光取り出し効率を向上させるとき、サファイア基板に新たな微細加工を施す必要がある。この例から理解されるように、サファイア基板からＧａＮエピタキシャル膜を剥離するためは容易ではなく、エキシマレーザ等の高価な装置を長時間にわたり利用する必要がある。さらに、剥離により露出されたエピタキシャル膜面に起伏をつける工程も必要となる。
【００８３】
酸化ガリウム基板上にＧａＮエピタキシャル膜を成長するとき、成長条件によっては、エピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面に起伏やボイド等を形成することができる。この界面の改質には、例えば、昇温の雰囲気（高い水素分圧、低い窒素分圧）の雰囲気及び／またはＧａＮの成膜温度に近い高温によるアニール処理により提供される。さらに、このアニール時間を長くすることにより、エピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面を荒らてラフネスを形成でき、さらに、ボイドや変質層を作ることも可能になる。加工したサファイア基板等を使わずとも、エピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面の近傍領域の改質により、光取り出し効率を向上させる。この結果、発光ダイオードの発光効率の向上が可能となる。
【００８４】
また、大きなボイドや界面の遷移層、ラフネス等を形成することにより、容易に剥離が生じると同時に、エピタキシャル膜の裏面へのラフネスの形成をエピタキシャル成長で実現する。これ故に、エピタキシャル膜裏面のラフネス形成のための加工の省略可能となる。この方法を採用して光取り出し効率の向上を図るとき、基板剥離の容易さや高歩留まり等が提供される。また、この方法では、ＧａＮエピタキシャル膜の成長初期においてＧａＮの核をマスクにして用い、酸化ガリウム基板を高温の水素ガスでエッチングしている。
【００８５】
酸化ガリウムは、ガリウムと酸素との結合が弱いでの、高温の雰囲気、特に水素などにより損傷を受ける。これ故に、バッファ層堆積後の昇温時に酸化ガリウム基板が不所望な損傷を避けることが大切である。
【符号の説明】
【００８６】
１０…成長炉、１０ａ…サセプタ、１１…酸化ガリウム基板、１１ａ…基板主面、１１ｂ…基板裏面、１３…III族窒化物バッファ層、１４…バッファ層、改質層、１５…III族窒化物半導体層、１６…積層体、１７…活性層、１９…窒化ガリウム系半導体層、２１…ｐ型電子ブロック層、２３…ｐ型コンタクト層、ウエハ生産物Ｅ…、２５、２５ａ…半導体積層、２７…半導体メサ、２９ａ、２９ｂ…電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、（１００）β−Ｇａ２Ｏ３基板上への有機金属気相成長法によるＧａＮエピタキシャル成長が記載されている。ＧａＮエピタキシャル成長では、Ｇａ２Ｏ３基板上に、低温ＧａＮバッファ層を摂氏６００度で成長する。この低温ＧａＮバッファ層上に直接に１０００ｎｍのＧａＮ層を摂氏１０７０度で成長する。
【０００３】
非特許文献２には、ＩｎＧａＮ系発光ダイオードが記載されている。発光ダイオードは、パターン形成されたサファイア基板を用い、またこのサファイア基板上にバッファ層を介して複数の窒化ガリウム系半導体層が成長される。サファイア基板のパターン形成により光の取り出し効率を向上させる。
【０００４】
非特許文献３には、ＩｎＧａＮ−ＧａＮ発光ダイオードが記載されている。この発光ダイオードはサファイア基板上に成長されたＧａＮ系膜を含む。サファイア基板は、レーザ光を用いてＧａＮ系膜と分離される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 44, No. 1, 2005, pp L7-L5
【非特許文献２】Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 41, (2002), pp L1431-L1433, Part 2, No.12B, 15, December, 2002
【非特許文献３】Appl. Phys. Lett. Vol. 89, 071109, (2006)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸化ガリウム基板は、窒化ガリウム系半導体光素子の作製に利用可能である。発明者の知見によれば、酸化ガリウムは、窒化ガリウム系半導体層の成長に用いられる水素含有雰囲気に冒される。水素による酸化ガリウム基板の損傷を避けるために、高温の水素雰囲気に酸化ガリウム基板を触れさせない成膜シーケンスを用いる。ところが、発明者らの検討によれば、窒化ガリウム系半導体光素子のための窒化ガリウム系半導体層を酸化ガリウム基板上に成長するシーケンスにおいて、酸化ガリウムに接触する低温バッファ層を改質できることを見いだした。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能なウエハ生産物を作製する方法を提供することを目的とし、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能な窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面は、窒化ガリウム系半導体光素子のためのウエハ生産物を作製する方法である。この方法は、（ａ）酸化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、（ｃ）前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、（ｄ）前記活性層上に第２のIII族窒化物半導体層を成長する工程とを備える。前記積層体を形成する前記工程では、（ｂ１）前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、（ｂ２）前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、（ｂ３）前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、（ｂ４）前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程とを備える。前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有する。前記III族窒化物バッファ層の厚さが前記III族窒化物半導体層の厚さより薄い。
【０００９】
この方法によれば、III族窒化物バッファ層を成長した第１の温度から第２の温度に基板温度を変更した後に、酸化ガリウム基板及びIII族窒化物バッファ層を水素及び窒素を含む雰囲気にさらす。III族窒化物半導体層の成長に先立って、水素を含む雰囲気において、III族窒化物バッファ層は改質され、またIII族窒化物半導体の堆積は、改質されたIII族窒化物バッファ層上に行われる。改質の後に成長されたIII族窒化物半導体層上には活性層が設けられる。これ故に、改質されたIII族窒化物バッファ層を有する窒化ガリウム系半導体光素子からの光取り出し効率が向上される。III族窒化物バッファ層の厚さがIII族窒化物半導体層の厚さよりも薄く、水素及び窒素を含む雰囲気による改質が、酸化ガリウム基板の表面近傍において引き起こされる。
【００１０】
本発明の一側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、好ましくは、水素の流量は窒素の流量以上であり、前記第２の温度は摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度前後である。水素を雰囲気に含むとともに、摂氏９５０度以上の基板温度であるとき、好ましくは１０５０度前後の基板温度であるとき、III族窒化物半導体層の成長に先立って、III族窒化物バッファ層は改質され、またIII族窒化物半導体の堆積は、改質されたIII族窒化物バッファ層上に行われる。また、本発明の一側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上であることが好ましい。このとき、良好な改質が行われる。
【００１１】
本発明の一側面に係る方法では、前記雰囲気にさらす工程における時間は１０秒以上であることができる。この時間が１０秒以上、好ましくは１分以上であるとき、上記の改質を効果的に引き起こすことができる。
【００１２】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上であることができる。バッファ層の厚さが２ナノメートル以上、好ましくは１０ナノメートルであるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。また、本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であることができる。バッファ層の厚さが１００ナノメートル以下であるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。
【００１３】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含むことができる。これらの材料でバッファ層を形成するとき、改質による技術的寄与が得られる。
【００１４】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層を含むことができる。バッファ層がＧａＮ層を含むとき、ＧａＮと水素との反応により改質が生じて改質による技術的寄与が提供される。
【００１５】
本発明の一側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体層はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層を形成するとき、改質による技術的寄与が得られる。
【００１６】
本発明の一側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面であることができる。酸化ガリウム基板の主面の結晶面が実質的に（１００）面であるとき、III族窒化物半導体層の表面にｃ面又はｃ面から僅かに傾斜した面が形成される。
【００１７】
本発明の一側面に係る方法では、前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含むことができる。この方法によれば、改質処理により、上記の界面に複数のボイドが形成される。
【００１８】
本発明の一側面に係る方法では、前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された遷移層を含み、前記遷移層は前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆っている。この方法によれば、改質処理により、上記の界面に遷移層が形成される。遷移層はIII族窒化物領域を含むことができる。
【００１９】
本発明の別の側面は、窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法である。この方法は、（ａ）酸化ガリウム基板を準備する工程と、（ｂ）前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程とを備える。前記積層体を形成する前記工程では、（ｂ１）前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、（ｂ２）前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、（ｂ３）前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、（ｂ４）前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のための第１のIII族窒化物半導体層を堆積する工程とを備える。前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有する。前記III族窒化物バッファ層の厚さは前記第１のIII族窒化物半導体層の厚さよりも薄い。
【００２０】
この方法によれば、III族窒化物バッファ層を成長した第１の温度から第２の温度に基板温度を変更した後に、酸化ガリウム基板及びIII族窒化物バッファ層を水素及び窒素を含む雰囲気にさらす。水素を含む雰囲気であるとき、III族窒化物半導体層の成長に先立って、III族窒化物バッファ層は改質され、またIII族窒化物半導体の堆積は、改質されたIII族窒化物バッファ層上に行われる。改質されたIII族窒化物バッファ層上に活性層が設けられる窒化ガリウム系半導体光素子からの光取り出し効率が向上される。III族窒化物バッファ層の厚さがIII族窒化物半導体層の厚さよりも薄く、水素及び窒素を含む雰囲気による改質が、酸化ガリウム基板の表面近傍において引き起こされる。
【００２１】
本発明の別の側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素を含む雰囲気であり、好ましくは、水素の流量は窒素の流量以上であり、前記第２の温度は摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度前後である。水素を含む雰囲気であり、好ましくは水素の流量は窒素の流量以上であると共に基板温度が摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度前後の基板温度であるとき、III族窒化物半導体層の成長に先立って、III族窒化物バッファ層は改質される。
【００２２】
本発明の別の側面に係る方法では、前記雰囲気にさらす工程における時間は１０秒以上であることができる。この時間が１０秒以上、好ましくは１分以上であるとき、上記の改質を効果的に引き起こすことができる。
【００２３】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上であることができる。バッファ層の厚さが２ナノメートル以上、好ましくは10ナノメートルであるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。
【００２４】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含むことができる。これらの材料でバッファ層を形成するとき、改質による技術的な寄与が得られる。また、本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層を含むことができる。バッファ層がＧａＮ層を含むとき、ＧａＮと水素との反応により改質が生じて改質による技術的寄与が提供される。
【００２５】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物半導体層はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層を形成するとき、改質による技術的寄与が得られる。
【００２６】
本発明の別の側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面であることができる。酸化ガリウム基板の主面の結晶面が実質的に（１００）面であるとき、III族窒化物半導体層の表面はｃ面又はｃ面から僅かに傾斜した面を有する。
【００２７】
本発明の別の側面に係る方法では、前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって提供される。
【００２８】
本発明の別の側面に係る方法では、前記改質層は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含むことができる。或いは、本発明の別の側面に係る方法では、前記改質層は、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆う遷移層を有している。
【００２９】
本発明の別の側面に係る方法では、前記酸化ガリウム基板、前記III族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記窒化ガリウム系半導体層は、ウエハ生産物を構成する。当該方法は、前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程とを更に備えることができる。
【００３０】
この方法によれば、活性層へ注入されるキャリアは、第１及び第２の電極から提供される。また、キャリアは、導電性の酸化ガリウム基板を介して活性層に到達する。
【００３１】
本発明の別の側面に係る方法では、前記III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であることができる。この方法によれば、III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であるとき、バッファ層に起因する抵抗の増加を低減できる。
【００３２】
本発明の別の側面に係る方法は、前記活性層及び前記窒化ガリウム系半導体層をエッチングして、前記III族窒化物半導体層を露出させる工程と、前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程とを更に備えることができる。
【００３３】
この方法によれば、一方の素子面に第１及び第２の電極を備える発光素子が提供される。
【００３４】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能なウエハ生産物を作製する方法が提供される。また、本発明の別の側面によれば、酸化ガリウム基板上に成長された活性層を含み発光強度を向上可能な窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。
【図２】図２は、単斜晶系酸化ガリウムウエハ及び単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子を示す図面である。
【図３】図３は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図７】図７は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図８】図８は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図９】図９は、実施例１におけるＳＥＭ像を示す図面である。
【図１０】図１０は、実施例２における発光ダイオードの構造を示す図面である。
【図１１】図１１は、実施例２における発光特性を示す図面である。
【図１２】図１２は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。
【図１３】図１３は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１４】図１４は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１５】図１５は、剥離に要する時間を相対値により示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明のウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３８】
図１は、本実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。これらの工程フローでは、窒化ガリウム系半導体光素子として、半導体光素子が作製される。工程フロー１００ａの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウム基板１１を準備する。図２（ａ）を参照すると、酸化ガリウム基板１１が示される。この基板１１は、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶からなる。基板１１は、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する主面１１ａ及び裏面１１ｂを含み、例えば主面１１ａ及び裏面１１ｂは互いに平行である。基板１１の主面１１ａは、例えば単斜晶系酸化ガリウムの（１００）面である。この主面１１ａは、（１００）面に対して例えば１度以下０度以上の角度で傾斜することができる。図２（ａ）には、結晶座標系ＣＲが示されており、結晶座標系ＣＲはａ軸、ｂ軸及びｃ軸を有する。
【００３９】
図２（ｂ）を参照すると、単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子が示されている。単斜晶系酸化ガリウムの結晶格子のａ軸、ｂ軸及びｃ軸の格子定数は、それぞれ、１．２２３ｎｍ、０．３０４ｎｍ及び０．５８ｎｍである。ベクトルＶａ、Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸の方向を示す。ベクトルＶａ及びＶｂは（００１）面を規定し、ベクトルＶｂ、Ｖｃは（１００）面を規定し、ベクトルＶｃ及びＶａは（０１０）面を規定する。ベクトルＶａ及びＶｂの成す角度α及びベクトルＶｂ及びＶｃの成す角度γは９０度であり、ベクトルＶｃ及びＶａの成す角度βは１０３．７度である。基板主面１１ａの傾斜角ＡＯＦＦを示すために、図２（ｂ）には、基板主面１１ａが一点鎖線で示されている。この基板１１によれば、単斜晶系酸化ガリウム（１００）面の基板主面１１ａ上に、良好なモフォロジのエピタキシャル層が成長される。酸化ガリウム基板１１の主面１１ａの結晶面が実質的に（１００）面であるとき、窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層の表面はｃ面又はｃ面から僅かに傾斜した面を有する。
【００４０】
図１に示される工程Ｓ１０２では、図３（ａ）に示されるように、成長炉１０のサセプタ１０ａ上に基板１１を配置する。工程Ｓ１０３では、エピタキシャル基板を作製するために、複数のIII族窒化物膜を含む積層構造を形成する。III族窒化物膜の成長は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法等で行われる。
【００４１】
成長炉１０のサセプタ上に基板１１を配置した後に、工程Ｓ１０４では、図３（ｂ）に示されるように、ガスＧ０を成長炉１０に供給しながら、成長炉１０内の酸化ガリウム基板１１のサセプタ温度を変更する。ガスＧ０は、例えば窒素ガスを含むことができる。成長炉１０に供給された窒素に酸化ガリウム基板１１が触れているとき、水素によって酸化ガリウム基板１１が侵されることがない。これ故に、成長炉１０に水素を供給するときに比べて、サセプタ温度を高めることができる。窒素雰囲気においては、酸化ガリウム基板１１のための基板温度は、例えば摂氏６００度であることができる。
【００４２】
窒素を含む雰囲気中で成長温度Ｔ１に成長炉１０の温度を上昇した後に、工程Ｓ１０５において、酸化ガリウム基板１１の主面１１ａ上にIII族窒化物バッファ層１３を第１の温度Ｔ１で成長する。バッファ層１３は、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮといったIII族窒化物からなる。III族窒化物の堆積のために、原料ガスとして、有機ガリウム原料、有機アルミニウム原料、窒素原料等が用いられる。
【００４３】
バッファ層１３がＧａＮからなるとき、成長炉１０には、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）及びアンモニア（ＮＨ３）を含む原料ガスＧ１が供給される。ＧａＮ層バッファを用いると、ＧａＮと水素との反応により改質が生じて改質による技術的な寄与が提供される。バッファ層１３がＡｌＧａＮからなるとき、成長炉１０には、ＴＭＧ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びＮＨ３を含む原料ガスＧ１が供給される。ＡｌＧａＮ層バッファを用いると、ＧａＮバッファ層よりも熱的に安定であるため、第２の温度Ｔ２をより高い温度まで用いることができるという、技術的な寄与が提供される。バッファ層１３がＡｌＮからなるとき、成長炉１０には、ＴＭＡ及びＮＨ３を含む原料ガスＧ１が供給される。ＡｌＮ層バッファを用いると、ＧａＮバッファ層よりも熱的に安定であるため、第２の温度Ｔ２をより高い温度まで用いることができるという、技術的な寄与が提供される。バッファ層１３の成長温度Ｔ１は、例えば摂氏４００度以上摂氏８００度下の範囲にあり、バッファ層１３はいわゆる低温バッファ層と呼ばれる。
【００４４】
バッファ層１３の膜厚は例えば２ナノメートル以上であることができる。バッファ層の厚さが２ナノメートル以上、好ましくは１０ナノメートル以上であるとき、引き続き成長されるIII族窒化物半導体層の結晶品質が良好である。また、バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下であることができる。バッファ層１３の厚さが１００ナノメートル以下であるとき、III族窒化物半導体層の結晶品質が良好になる。
【００４５】
工程Ｓ１０６では、バッファ層１３を成長した後に、第１の温度Ｔ１よりも高い第２の温度Ｔ２に成長炉１０の基板温度を変更する。この後に、工程Ｓ１０７では、図３（ｃ）に示されるように、水素及び窒素を含むガスＧ２を成長炉１０に供給しながら、第２の温度Ｔ２の基板温度で酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を成長炉１１の雰囲気にさらす。ガスＧ２は、さらにアンモニアを含むことができる。酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を成長炉１１の雰囲気にさらす際において、雰囲気は水素を含み、好ましくは、水素の流量は窒素の流量以上である。また、第２の温度Ｔ２は摂氏９５０度以上、好ましくは、１０５０度前後である。成長炉１０において水素の流量が窒素の流量以上であると共に基板温度が摂氏９５０度以上であるとき、バッファ層１３は、改質されたバッファ層１４に変わる。第２の温度Ｔ２は摂氏１２００度以下である。改質されすぎてしまい、良好なエピ膜が堆積できないからである。この改質は、窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層の成長に先立って行われ、III族窒化物半導体の堆積は、改質されたバッファ層１４上に行われる。また、バッファ層１３の厚さがIII族窒化物半導体層１５の厚さより薄いとき、水素及び窒素を含む雰囲気による改質が、酸化ガリウム基板１１の表面近傍のバッファ層に引き起こされる。
【００４６】
雰囲気にさらす処理時間は１０秒以上であることができる。改質のための時間が１０秒以上、好ましくは１分以上であるとき、上記の改質を効果的に引き起こすことができる。
【００４７】
酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１４を成長炉１０の雰囲気にさらした後に、工程Ｓ１０８では、第２の温度Ｔ２に等しい或いはより大きい第３の温度Ｔ３に成長炉１０のサセプタ温度を設定する。この後に、工程Ｓ１０９では、図４（ａ）に示されるように、有機金属気相成長法で、窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層１５を堆積する。例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等といったIII族窒化物をバッファ層１４上に堆積するとき、この堆積物は、酸化ガリウム基板１１にエピタキシャル成長され、六方晶系のIII族窒化物半導体層１５が得られる。また、III族窒化物半導体層１５をバッファ層１４上に堆積するとき、III族窒化物半導体層１５の成長初期に、バッファ層１４の構造を引き継ぐ堆積が生じるとき、この初期成長層とバッファ層１４とを併せて改質層１４と呼ぶこともある。
【００４８】
III族窒化物半導体層１５はＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＮからなることができる。これらの材料でIII族窒化物半導体層１５を形成するとき、改質されたバッファ層１４上に良好な結晶品質が得られる。
【００４９】
III族窒化物半導体層１５の膜厚は、例えば１マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下の範囲であることができる。III族窒化物半導体層１５の成長温度Ｔ３は例えば摂氏９５０度以上摂氏１２００度以下の範囲になる。III族窒化物半導体層１５は、窒化ガリウム系半導体デバイスを構成する半導体層であり、またアンドープ、ｐ型ドーパント添加、及びｎ型ドーパント添加であることができる。エピタキシャル層１５にｐ導電性またはｎ導電性を付与するために、III族窒化物半導体層１５を成長する際に原料ガスに加えてドーパントガスを供給する。ドーパントとしては、ｐ型導電性のためにシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を用い、ｎ型導電性のためにシラン（例えばＳｉＨ４）を用いることができる。III族窒化物半導体層１５がｎ型ＧａＮからなるとき、成長炉１０には、ＴＭＧ、ＮＨ３及びＳｉＨ４を含む原料ガスＧ３が供給される。これらの工程により、酸化ガリウム基板１１上に積層体１６が形成される。
【００５０】
次いで、工程Ｓ１１０において、図４（ｂ）に示されるように、原料ガスＧ４を成長炉１０に供給して、活性層１７をIII族窒化物半導体層１５上に形成する。活性層１７が量子井戸構造を有するとき、活性層１７は交互に配列された井戸層１７ａ及び障壁層１７ｂを含む。井戸層１７ａは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。井戸層１７ａの成長温度は例えば摂氏７５０度である。障壁層１７ｂは、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ等からなる。障壁層１７ｂの成長温度は例えば摂氏７５０度である。
【００５１】
この方法によれば、バッファ層１３を成長した第１の温度Ｔ１から第２の温度Ｔ２にサセプタ温度を変更した後に、摂氏９５０度以上、好ましくは摂氏１０５０度前後の基板温度で酸化ガリウム基板１１及びバッファ層１３を水素及び窒素を含む雰囲気にさらして、改質されたバッファ層１４を形成する。水素を含む雰囲気であり、好ましくは水素の流量は窒素の流量以上であると共に基板温度が摂氏９５０度以上、好ましくは１０５０度の基板温度であるとき、バッファ層１４に十分な改質が施される。III族窒化物半導体の堆積は、改質されたバッファ層１４上に行われる。
【００５２】
この後に、工程Ｓ１１１において、図４（ｃ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体層１９を活性層１７上に形成する。窒化ガリウム系半導体層１９は、例えばｐ型電子ブロック層２１及びｐ型コンタクト層２３を含むことができる。
【００５３】
これまでの窒化ガリウム系半導体の堆積により、図５（ａ）に示されるように、ウエハ生産物Ｅが得られる。ウエハ生産物Ｅは、酸化ガリウムウエハ１１と、酸化ガリウムウエハ１１上に成長された半導体積層２５を含む。この半導体積層２５は、III族窒化物半導体層１５（例えば、第１導電型エピタキシャル層）と、活性層１７と、窒化ガリウム系半導体層１９（例えば、第２導電型エピタキシャル層）とを含み、活性層１７は、第１導電型エピタキシャル層と第２導電型エピタキシャル層との間に設けられている。酸化ガリウム基板１１、III族窒化物半導体層１５、活性層１７及び窒化ガリウム系半導体層１９は、ウエハ生産物を構成する。引き続き工程において、III族窒化物半導体層１５に電位を提供する第１の電極をウエハ生産物Ｅに形成すると共に、窒化ガリウム系半導体層１９に電位を提供する第２の電極をウエハ生産物Ｅに形成する。活性層１７へ注入されるキャリアは、第１及び第２の電極から提供される。また、キャリアは、導電性の酸化ガリウム基板１１を介して活性層１７に到達する。
【００５４】
電極プロセスの工程の一例として、以下の工程フローを行う。工程Ｓ１１２では、図５（ｂ）に示されるように、ウエハ生産物Ｅをエッチングして半導体メサ２７を形成する。このエッチングにより半導体積層２５の一部が除去されて、半導体積層２５内のIII族窒化物半導体層１５の一部が露出されると共に半導体メサ２７の上面２７ｄ（窒化ガリウム系半導体層１９ｃの表面１９ｄ）が形成される。
【００５５】
このウエハ生産物Ｅの加工の後に、工程Ｓ１１３では、図５（ｃ）に示されるように、III族窒化物半導体層１５の露出部分１５ｄ上に第１の電極２９ａを形成すると共に半導体メサ２７の上面２７ｄに第２の電極２９ｂを形成する。これらの工程により、窒化ガリウム系半導体発光デバイスのための基板生産物が作製される。
【００５６】
引き続き行われる実施例の説明から理解されるように、改質されたバッファ層１４は、以下の構造を有する。また、改質工程の後に活性層１７が成長されるとき、活性層１７における発光強度は向上される。
【００５７】
積層体１６は、酸化ガリウム基板１１と積層体１６との界面に形成された複数のボイドを含むことができる。改質処理により、上記の界面に複数のボイドが形成される。積層体１６は、酸化ガリウム基板１１と積層体１６との界面に形成された遷移層を含み、遷移層は酸化ガリウム基板１１の主面１１ａを覆っている。改質処理により、上記の界面に遷移層が形成される。遷移層はIII族窒化物領域を含むことができる。
【００５８】
（実施例１）
実験例１（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面にボイドや遷移層などがない）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥで成長した。このＡｌＮの成長温度は摂氏６００度であった。ＡｌＮ層の厚みは１０ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏１０５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は５リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は１０リットル／分であった。この後に、このＡｌＮ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ１が得られた。
【００５９】
参考のために、サファイア基板上に低温ＧａＮバッファ層を介してＧａＮ層を成長した。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ０が得られた。図６は、サファイア基板、ＡｌＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６０】
また、エピタキシャル基板ＥＷ０をエピタキシャル基板ＥＷ１と比較したとき、エピタキシャル層／酸化ガリウム基板の界面に関しても、本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と同様に、ボイドや遷移層等は観察されなかった。
【００６１】
実験例２（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面に微少なボイドが形成された）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥで成長した。このＡｌＮの成長温度は摂氏６００度であった。ＡｌＮ層の厚みは１０ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏９５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は１０リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は５リットル／分であった。この後に、ＧａＮエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にＡｌＮバッファ層を摂氏９５０度に１分間保持して、改質処理を行った。次いで、改質処理されたバッファ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ２が得られた。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６２】
図７は、実験例２における酸化ガリウム基板、ＡｌＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と異なり、サイズ（幅）１００ｎｍ程度のボイドが観察された。温度・水素の割合等の成長条件に応じて、ボイドのサイズは１０ｎｍ〜１μｍ程度の範囲で変更することができた。
【００６３】
本実験例ではＡｌＮバッファ層を用いたけれども、低温成長のＧａＮ及び低温成長のＡｌＧａＮの成膜条件やバッファ層の成膜後の熱処理に応じて、このような遷移層を界面に作製することが可能である。
【００６４】
実験例３（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面に大きなボイドが形成された）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＡｌＮバッファ層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＡｌＮの成長温度は摂氏６００度であった。ＡｌＮ層の厚みは１０ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏１０５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は１０リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は５リットル／分であった。この後に、ＧａＮエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にＡｌＮバッファ層を摂氏１０５０度に１分間保持して、改質処理を行った。次いで、改質処理されたバッファ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥで成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ３が得られた。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６５】
図８は、実験例３における酸化ガリウム基板、ＡｌＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と異なり、サイズ（幅）１００ｎｍ程度のボイドが観察された。温度・水素の割合等の成長条件に応じて、ボイドのサイズは１０ｎｍ〜１μｍ程度の範囲、さらにこれ以上のサイズで変更することができた。
【００６６】
本実験例ではＡｌＮバッファ層を用いたけれども、低温成長のＧａＮ及び低温成長のＡｌＧａＮの成膜条件やバッファ層の成膜後の熱処理に応じて、このような界面にボイドを作製することが可能である。
【００６７】
実験例４（酸化ガリウム基板／エピタキシャル層の界面に遷移層が形成された）
（１００）面の酸化ガリウム基板を準備した。酸化ガリウム基板の主面には意図的にオフ角をつけていない。酸化ガリウム基板の（１００）ジャスト面に対して、ＧａＮバッファ層をＭＯＶＰＥ法で成長した。このＧａＮの成長温度は摂氏５００度であった。ＧａＮ層の厚みは２５ナノメートルであった。４分かけて摂氏６００度から摂氏１０５０度まで昇温した。この昇温する際、水素（Ｈ２）の流量は１０リットル／分であり、アンモニア（ＮＨ３）の流量は５リットル／分であり、窒素（Ｎ２）の流量は５リットル／分であった。この後に、ＧａＮエピタキシャル層の成長に先立って、水素及び窒素の混合雰囲気にＧａＮバッファ層を摂氏１０５０度に１分間保持して、熱処理を行った。次いで、熱処理されたバッファ層上にＧａＮエピタキシャル層をＭＯＶＰＥで成長した。このＧａＮ層の厚さ３マイクロメートであった。これらの工程によってエピタキシャル基板ＥＷ４が得られた。ＧａＮ層のＸＲＣの半値全幅及び原子間力顕微鏡の表面粗さ等に関しては、サファイア基板上の参考例における品質と同等レベルだった。
【００６８】
図９は、実験例４における酸化ガリウム基板、ＧａＮバッファ層及びＧａＮエピタキシャル層の断面ＳＥＭ像を示す図面である。本実施例における界面には、サファイア基板上の参考例と異なり、厚さ２μｍ程度の遷移層が観察された。この遷移層はＧａとＮとＯから構成され、ＧａＮとＧａ２Ｏ３等が混じっている層であった。遷移層は、例えば多孔質のIII族窒化物領域を含むことができる。
【００６９】
本実験例ではＧａＮバッファ層を用いたけれども、低温成長のＡｌＮ及び低温成長のＡｌＧａＮの成膜条件やバッファ層の成膜後の熱処理に応じて、このような界面の遷移層を作製することが可能である。
【００７０】
（実施例２）
実施例１において作製されたエピタキシャル基板ＥＷ０〜ＥＷ４を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）のためのエピタキシャル構造を形成した。図１０は、実施例２におけるエピタキシャル構造を示す。発光ダイオード構造ＬＥＤは、改質層３５、ｎ型ＧａＮ層３７、活性層３９、及びｐ型ＧＡｎ系層４１を含む。発光ダイオードＬＥＤでは、改質層３５、ｎ型ＧａＮ層３７、活性層３９、及びｐ型ＧａＮ系半導体層４１は酸化ガリウム基板３１の主面３１ａ上に設けられており、ｐ型ＧａＮ系半導体層４１はｐ型ＡｌＧａＮブロック層及びｐ型ＧａＮコンタクト層を含む。発光ダイオード構造ＬＥＤは、エッチングにより形成された半導体メサ３３を含む。半導体メサ３３の上面３３ａにはｐ型ＧａＮコンタクト層が露出されている。半導体メサ３３は、露出されたｎ型ＧａＮ層３７を含む。ｎ型ＧａＮ層３７は露出領域３３ｂを含む。上面３３ａにはｐ側電極４３ａを形成した。露出領域３３ｂ上にｎ側電極４３ｂを形成した。これらの工程により、エピタキシャル基板ＥＷ０〜ＥＷ４を用いてそれぞれ発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４が得られた。発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４の各々をプローバ上に配置した後に、発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４に２０ｍＡの電流を印加して、発光強度を測定した。発光ダイオード構造ＬＥＤ１〜ＬＥＤ４では、バッファ層の厚さに起因する電気抵抗の増加を低減するために、バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下、好ましくは３０ナノメートル以下であることができる。
【００７１】
図１１は、発光ダイオード構造ＬＥＤ０〜ＬＥＤ４の発光強度を示す図面である。発光ダイオード構造ＬＥＤ１、ＬＥＤ２、ＬＥＤ３、ＬＥＤ４の発光強度は、発光ダイオード構造ＬＥＤ０を基準にして１．２倍、１．３倍、１．５倍、１．４倍であった。
【００７２】
図１２は、別の実施の形態に係るウエハ生産物を作製する方法、及び窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法における主要な工程フローを示す図面である。工程フロー１００ｂの工程Ｓ１０１では、単斜晶系酸化ガリウムからなる主面を有する酸化ガリウム基板１１を準備する。工程Ｓ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１１０〜Ｓ１１１を図１に示された工程フロー１００ａと同様に行う。
【００７３】
工程Ｓ１１５では、図１３（ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体層１９上に電極５１を形成して基板生産物ＳＰ１を作製する。電極５１の形成は例えば以下のように行われる。窒化ガリウム系半導体層１９の表面には絶縁膜５３を形成する。絶縁膜５３には開口が設けられており、絶縁膜５３は例えばシリコン酸化物またはシリコン窒化物からなることができる。
【００７４】
工程Ｓ１１６では、図１３（ｂ）に示されるように、貼り合わせ用の導電性支持体５５を準備する。この基板５５は、例えばＳｉ基板や、ヒートシンク等からなる。また、図１３（ｂ）に示されるように、基板生産物ＳＰ１上の電極５１が導電性支持体５５に対面するように、基板生産物ＳＰ１及び基板５５が配置される。
【００７５】
次いで、基板生産物ＳＰ１に導電性支持体５５を貼り付けて基板生産物ＳＰ２を作製する。基板生産物ＳＰ２では、導電性支持体５５は電極５３に電気的な接続をなす。この貼り合わせは、図１３（ｃ）に示されるように、例えば導電性接着剤５７等を用いて行われる。導電性接着剤５７は例えばＡｕＳｎ、ＰｂＳｎといった半田であることができる。
【００７６】
工程１１７では、図１４（ａ）に示されるように、基板生産物ＳＰ２の酸化ガリウム基板１１にレーザ光５９を照射する。レーザ光５９の波長は、酸化ガリウム基板１１のバンドギャップに対応する波長より短く、またIII族窒化物半導体層１５のバンドギャップに対応する波長より大きい。レーザ光は、例えばエキシマレーザによって提供される。この照射によって、図１４（ｂ）に示されるように、酸化ガリウム基板１１を基板生産物ＳＰ２の半導体積層２５ａから分離して、半導体積層２５ａ及び導電性支持体５５を含む基板生産物ＳＰ３を作製する。酸化ガリウム基板１１にレーザ光５９を照射するとき、改質層１４によりリフトオフが容易になる。この分離によりIII族窒化物半導体層１５が露出される。リフトオフにより露出された半導体積層２５ａのIII族窒化物半導体層１５の表面には、ラフネスが残る。
【００７７】
工程Ｓ１１８では、図１４（ｃ）に示されるように、III族窒化物半導体層１５の表面に電極５３ｂを形成する。
【００７８】
（実施例３）
レーザ光を用いた基板剥離を調べる実験を行った。酸化ガリウム基板の裏面にエキシマレーザ光を照射して、エピタキシャル膜から酸化ガリウム基板を剥離させた。剥離の実験は、ウエハ生産物から１０ｍｍ×１０ｍｍのサイズの実験片を切り出した。実験片にレーザを照射して剥離に要する時間を測定した。図１５は、剥離に要する時間を相対値により示す図面である。図１３を参照すると、剥離に要する時間が、相対値として０．３６、０．３８、０．１７、０．０８として示されている。このように、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）に比べて化学結合の点で弱いので、相対値が０．３６であり、レーザによる剥離が容易である。これに加え、酸化ガリウム基板／エピタキシャル膜の界面にボイドが形成されたとき、ボイドのサイズに応じて相対値が０．２８、０．１７となる。また、酸化ガリウム基板／エピタキシャル膜の界面に遷移層が形成されたとき、遷移層の粗密に応じて相対値が０．０８となる。酸化ガリウム基板／エピタキシャル膜の界面にボイドや遷移層が作製されているので、レーザリフトオフによる剥離のために要する時間はさらに短縮される。
【００７９】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
発光ダイオードの光取り出し効率を向上させて、発光ダイオードの発光効率を大きくする試みがある。非特許文献２では、サファイア基板に起伏を付けて光取り出し効率を向上させている。また、非特許文献３では、基板剥離と共にエピタキシャル膜の裏面に起伏を作製して光取り出し効率を向上させている。
【００８１】
サファイア基板上にＧａＮ膜のエピタキシャル成長を行うとき、低温ＡｌＮバッファ層や低温ＧａＮバッファ層上にＧａＮのエピタキシャル成長を行う。このとき、ＧａＮエピタキシャル膜／サファイア基板の界面には、ボイド等を作製していない。一方で、酸化ガリウム基板上にＧａＮ膜のエピタキシャル成長を行うとき、成長方法を工夫することにより、ＧａＮエピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面にボイド等を形成できる。また、改質条件によっては、ボイドだけでなく、変質層及びラフネスの形成も可能である。
【００８２】
サファイア基板を加工してエピタキシャル膜／サファイア基板の界面における散乱により光取り出し効率を向上させるとき、サファイア基板に新たな微細加工を施す必要がある。この例から理解されるように、サファイア基板からＧａＮエピタキシャル膜を剥離するためは容易ではなく、エキシマレーザ等の高価な装置を長時間にわたり利用する必要がある。さらに、剥離により露出されたエピタキシャル膜面に起伏をつける工程も必要となる。
【００８３】
酸化ガリウム基板上にＧａＮエピタキシャル膜を成長するとき、成長条件によっては、エピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面に起伏やボイド等を形成することができる。この界面の改質には、例えば、昇温の雰囲気（高い水素分圧、低い窒素分圧）の雰囲気及び／またはＧａＮの成膜温度に近い高温によるアニール処理により提供される。さらに、このアニール時間を長くすることにより、エピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面を荒らてラフネスを形成でき、さらに、ボイドや変質層を作ることも可能になる。加工したサファイア基板等を使わずとも、エピタキシャル膜／酸化ガリウム基板の界面の近傍領域の改質により、光取り出し効率を向上させる。この結果、発光ダイオードの発光効率の向上が可能となる。
【００８４】
また、大きなボイドや界面の遷移層、ラフネス等を形成することにより、容易に剥離が生じると同時に、エピタキシャル膜の裏面へのラフネスの形成をエピタキシャル成長で実現する。これ故に、エピタキシャル膜裏面のラフネス形成のための加工の省略可能となる。この方法を採用して光取り出し効率の向上を図るとき、基板剥離の容易さや高歩留まり等が提供される。また、この方法では、ＧａＮエピタキシャル膜の成長初期においてＧａＮの核をマスクにして用い、酸化ガリウム基板を高温の水素ガスでエッチングしている。
【００８５】
酸化ガリウムは、ガリウムと酸素との結合が弱いでの、高温の雰囲気、特に水素などにより損傷を受ける。これ故に、バッファ層堆積後の昇温時に酸化ガリウム基板が不所望な損傷を避けることが大切である。
【符号の説明】
【００８６】
１０…成長炉、１０ａ…サセプタ、１１…酸化ガリウム基板、１１ａ…基板主面、１１ｂ…基板裏面、１３…III族窒化物バッファ層、１４…バッファ層、改質層、１５…III族窒化物半導体層、１６…積層体、１７…活性層、１９…窒化ガリウム系半導体層、２１…ｐ型電子ブロック層、２３…ｐ型コンタクト層、ウエハ生産物Ｅ…、２５、２５ａ…半導体積層、２７…半導体メサ、２９ａ、２９ｂ…電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体光素子のためのウエハ生産物を作製する方法であって、
酸化ガリウム基板を準備する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、
前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、
前記活性層上に窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記積層体を形成する前記工程では、
前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、
前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、
前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程と
を備え、
前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、
前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有し、
前記III族窒化物バッファ層の厚さは、前記III族窒化物半導体層の厚さより薄い、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第２の温度は摂氏９５０度以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記雰囲気にさらす工程における処理時間は１０秒以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記III族窒化物半導体層は、ＧａＮ及びＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１１】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された遷移層を含み、
前記遷移層は前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆っている、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１２】
窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法であって、
酸化ガリウム基板を準備する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、
前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、
前記活性層上に窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記積層体を形成する前記工程では、
前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、
前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、
前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程と
を備え、
前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、
前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有し、
前記III族窒化物バッファ層の厚さは前記III族窒化物半導体層の厚さよりも薄い、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記第２の温度は摂氏９５０度以上である、ことを特徴とする請求項１２に記載された方法。
【請求項１４】
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上である、ことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載された方法。
【請求項１５】
前記雰囲気にさらす工程における処理時間は１０秒以上である、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１６】
前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上である、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１７】
前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面である、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１８】
前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１９】
前記III族窒化物半導体層はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２０】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、
前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって生成され、
前記改質層は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含む、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２１】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、
前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって生成され、
前記改質層は、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆う遷移層を有している、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２２】
前記酸化ガリウム基板、前記III族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記窒化ガリウム系半導体層は、ウエハ生産物を構成し、
当該方法は、
前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項１２〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２３】
前記III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下である、ことを特徴とする請求項２２に記載された方法。
【請求項２４】
前記活性層及び前記窒化ガリウム系半導体層をエッチングして、前記III族窒化物半導体層を露出させる工程と、
前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項１２〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１】
窒化ガリウム系半導体光素子のためのウエハ生産物を作製する方法であって、
酸化ガリウム基板を準備する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、
前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、
前記活性層上に窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記積層体を形成する前記工程では、
前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、
前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、
前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程と
を備え、
前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、
前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有し、
前記III族窒化物バッファ層の厚さは、前記III族窒化物半導体層の厚さより薄い、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第２の温度は摂氏９５０度以上である、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記雰囲気にさらす工程における処理時間は１０秒以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された方法。
【請求項５】
前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上である、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項６】
前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項７】
前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記III族窒化物半導体層は、ＧａＮ及びＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面である、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１０】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１１】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された遷移層を含み、
前記遷移層は前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆っている、ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１２】
窒化ガリウム系半導体光素子を作製する方法であって、
酸化ガリウム基板を準備する工程と、
前記酸化ガリウム基板の主面上に、III族窒化物からなる積層体を形成する工程と、
前記積層体を形成した後に、活性層を形成する工程と、
前記活性層上に窒化ガリウム系半導体層を成長する工程と
を備え、
前記積層体を形成する前記工程では、
前記酸化ガリウム基板を成長炉に配置した後に、前記酸化ガリウム基板の主面上にIII族窒化物バッファ層を第１の温度で成長する工程と、
前記III族窒化物バッファ層を成長した後に、前記第１の温度よりも高い第２の温度に前記第１の温度から基板温度を変更する工程と、
前記成長炉に水素及び窒素を供給しながら、前記第２の温度の基板温度で前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす工程と、
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらした後に、有機金属気相成長法で、前記窒化ガリウム系半導体光素子のためのIII族窒化物半導体層を堆積する工程と
を備え、
前記III族窒化物半導体層は第１導電型を有し、
前記窒化ガリウム系半導体層は第２導電型を有し、
前記III族窒化物バッファ層の厚さは前記III族窒化物半導体層の厚さよりも薄い、ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記第２の温度は摂氏９５０度以上である、ことを特徴とする請求項１２に記載された方法。
【請求項１４】
前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を前記成長炉の雰囲気にさらす際において、水素の流量は窒素の流量以上である、ことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載された方法。
【請求項１５】
前記雰囲気にさらす工程における処理時間は１０秒以上である、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１６】
前記III族窒化物バッファ層の厚さは２ナノメートル以上である、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１７】
前記酸化ガリウム基板の前記主面は（１００）面である、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１８】
前記III族窒化物バッファ層はＧａＮ層、ＡｌＧａＮ層及びＡｌＮ層の少なくともいずれかを含む、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１９】
前記III族窒化物半導体層はＧａＮ及びＡｌＧａＮからなる、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１８のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２０】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、
前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって生成され、
前記改質層は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に形成された複数のボイドを含む、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２１】
前記積層体は、前記酸化ガリウム基板と前記積層体との界面に位置する改質層を含み、
前記改質層は、前記成長炉において前記酸化ガリウム基板及び前記III族窒化物バッファ層を水素及び窒素を雰囲気にさらすことによって生成され、
前記改質層は、前記酸化ガリウム基板の前記主面を覆う遷移層を有している、ことを特徴とする請求項１２〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２２】
前記酸化ガリウム基板、前記III族窒化物半導体層、前記活性層、及び前記窒化ガリウム系半導体層は、ウエハ生産物を構成し、
当該方法は、
前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項１２〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
【請求項２３】
前記III族窒化物バッファ層の厚さは１００ナノメートル以下である、ことを特徴とする請求項２２に記載された方法。
【請求項２４】
前記活性層及び前記窒化ガリウム系半導体層をエッチングして、前記III族窒化物半導体層を露出させる工程と、
前記III族窒化物半導体層に電位を提供する第１の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体層に電位を提供する第２の電極を前記ウエハ生産物に形成する工程と
を更に備える、ことを特徴とする請求項１２〜請求項２１のいずれか一項に記載された方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２６３００７（Ｐ２０１０−２６３００７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１１１９７（Ｐ２００９−１１１１９７）
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]