窒化ガリウム結晶体を形成する方法、基板、および窒化ガリウム基板を形成する方法
【課題】窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を提供する。
【解決手段】基板１１ａは、ナノコラム領域１３と、窒化ガリウム半導体膜１５と、支持基体１７とを備える。ナノコラム領域１３は、窒化ガリウムからなる複数のナノコラム１３ａを有する。窒化ガリウム半導体膜１５は、複数のナノコラム１９の一端１９ａの各々に接続されている。窒化ガリウム半導体膜１５の導電型は、ナノコラム領域１３の窒化ガリウムの導電型と同じである。また、窒化ガリウム半導体膜１５は主面１５ａを有する。主面１５ａ上には、窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための半導体膜が堆積される。支持基体１７は、複数のナノコラム１９の他端１９ｂを支持しており、また窒化ガリウムとは異なる材料からなる支持体２１を含む。
【解決手段】基板１１ａは、ナノコラム領域１３と、窒化ガリウム半導体膜１５と、支持基体１７とを備える。ナノコラム領域１３は、窒化ガリウムからなる複数のナノコラム１３ａを有する。窒化ガリウム半導体膜１５は、複数のナノコラム１９の一端１９ａの各々に接続されている。窒化ガリウム半導体膜１５の導電型は、ナノコラム領域１３の窒化ガリウムの導電型と同じである。また、窒化ガリウム半導体膜１５は主面１５ａを有する。主面１５ａ上には、窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための半導体膜が堆積される。支持基体１７は、複数のナノコラム１９の他端１９ｂを支持しており、また窒化ガリウムとは異なる材料からなる支持体２１を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム結晶体を形成する方法、基板、および窒化ガリウム基板を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、高輝度、高発光効率のＧａＮの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、複数のＧａＮナノロッドを含む。各ＧａＮナノロッドは、ｎ型ＧａＮナノロッド、ＩｎＧａＮ量子井戸構造、およびｐ型ＧａＮナノロッドがこの順に長手方向に連続してなる。ｐｎ接合ＧａＮナノロッドのｐ−ｎ接合領域にはＩｎＧａＮ量子井戸構造が設けられている。このようなＧａＮナノロッドを多数個アレイ状に配置すると、積層フィルム状のＧａＮのＬＥＤに比べてさらに高輝度、高発光効率のＬＥＤが提供される。
【０００３】
非特許文献１には、シリコン（１１１）面基板上への結晶成長について記載されている。シリコン（１１１）面基板上への結晶成長では、窒素リッチの条件とガリウムリッチの条件では、異なる結晶モフォロジを示す。窒素リッチの条件では柱状の特徴を示す。ナノコラムの径は、例えば６０ｎｍ程度である。
【０００４】
非特許文献２には、サファイア基板上に形成されるＧａＮのナノ構造（ＧａＮナノコラム）が記載されている。このナノコラムは、ＲＦラジカル源を用いる分子線ビームエピタキシ法で形成される。ナノコラムの平均的な直径は、条件の調整により、４０ｎｍ〜４５ｎｍ程度まで小さくできる。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth 183, (1998) pp.23-30
【非特許文献２】Journal of Crystal Growth 189/190, (1998) pp.138-141
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１および２には、シリコン基板およびサファイア基板上に微細な柱状の構造物が成長することが示されている。平均的な直径が上記文献に示されている。窒素リッチの条件の下で形成される窒化ガリウム系柱状構造物を“ナノコラム”と呼んでいる。また、特許文献１には、各ナノコラムに形成された発光ダイオードを含む半導体デバイスを作製しており、ナノコラム間には透明絶縁物が設けられている。ナノコラムの下地となる窒化ガリウムバッファ層上にはｎ電極が設けられており、ナノコラムおよび透明絶縁物上には透明電極およびｐ電極が設けられている。透明電極は、ナノコラムの各々の直接に接続されるように設けられている。
【０００６】
上記のように、非特許文献１および２ではナノコラムの学術的な側面が記載されているだけであり、また特許文献１にはナノコラム内に形成された発光ダイオード（ＬＥＤ）が記載されているだけである。
【０００７】
一方、窒化ガリウム系半導体デバイスの分野では、他のIII−Ｖ化合物半導体とは異なり、窒化ガリウム系半導体デバイスのための良質の結晶成長を行うための基板を提供することが求められている。このような要求に応じるために、発明者らは様々な検討を行った。
【０００８】
本発明は、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法を提供することを目的とし、また窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を提供することを目的とし、さらに窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成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】
【０００９】
本発明の一側面は、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる半導体材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を基板上に形成する工程と、（ｃ）前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムを互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程とを備え、前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は、前記窒化ガリウム半導体系膜の導電型と同じである。
【００１０】
この方法によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい単結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長される窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さい単結晶からなる。また、基板が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含むので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。
【００１１】
本発明に係る方法は、（ｄ）前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程を更に備え、前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なることができる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体の成長にＨＶＰＥ法を用いるので、転位密度が小さい厚膜の窒化ガリウム系半導体が得られる。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜は窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、二元系結晶であるので、成長が容易である。
【００１３】
本発明に係る方法は、前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記基板を除去する工程を更に備えることができる。この方法によれば、窒化ガリウム半導体膜は基板内の支持体により支持されているので、窒化ガリウム系半導体膜の膜厚に依らず、窒化ガリウム系半導体厚膜を成長できる。基板の除去により、実質的に窒化ガリウム系半導体からなる結晶体が得られる。
【００１４】
本発明に係る方法は、前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程を更に備えることができる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体膜は、基板からの応力を受けることがない。
【００１５】
本発明に係る方法は、（ｅ）前記窒化ガリウム半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、（ｆ）前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程とを更に備え、前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なることができる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体厚膜の成長では、基板からの応力を受けることがない。また、実質的に窒化ガリウム系半導体からなる結晶体が得られる。
【００１６】
本発明に係る方法では、前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶が得られる。
【００１７】
本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体厚膜はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶が得られる。
【００１８】
本発明に係る方法では、前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜の導電型はｐ型である。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。
【００１９】
本発明に係る方法では、前記基板はシリコン支持体を含むことができる。この方法によれば、入手しやすい大口径、低コストのシリコン支持体を用いて、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。
【００２０】
本発明に係る方法では、前記基板はＧａＡｓ支持体を含むことが好ましい。この方法によれば、入手しやすいＧａＡｓ支持体を用いて、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。
【００２１】
上記の方法により作製された生産物を窒化ガリウム系結晶成長用基板として使用できる。あるいは、この方法により作製された生産物を窒化ガリウム系基板を作製するための結晶体として使用できる。
【００２２】
本発明の別の側面は窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板である。この基板は、（ａ）窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜と、（ｃ）窒化ガリウムとは異なる材料からなる支持体を含み、前記複数のナノコラムの他端を支持する支持基体とを備え、前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである。
【００２３】
この基板によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長された窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、ナノコラムが窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる基板を用いて形成されるので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。
【００２４】
本発明に係る基板では、前記支持基体はシリコンおよびＧａＡｓのいずれかからなる支持体を含むことができる。好ましくは、シリコンおよびＧａＡｓは所望の導電性を示す。
【００２５】
本発明の別の側面は窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板である。この基板は、（ａ）窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜とを備え、前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである。
【００２６】
この基板によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長された窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の半導体結晶からなる。また、ナノコラムが窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる基板を用いて形成されるので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。また、ナノコラム領域の他端が支持基体によって支持されていないので、窒化ガリウム結晶体は支持基体から応力を受けてない。これ故に、基板の反りが小さい。
【００２７】
本発明に係る基板では、前記支持基体はシリコンおよびＧａＡｓ並びにサファイアのいずれかからなる支持体を含むことができる。好ましくは、シリコンおよびＧａＡｓは所望の導電性を示す。
【００２８】
本発明の別の側面に係る基板では、前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム半導体膜の導電型はｐ型であることができる。この基板は、ｐ型窒化ガリウム半導体基板として使用できる。
【００２９】
本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系基板を形成する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、（ｃ）窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、（ｄ）前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、（ｅ）前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板および前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、（ｆ）前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程とを備える。
【００３０】
この方法によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長される窒化ガリウム系半導体もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、窒化ガリウム系半導体スライスのサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム系半導体単結晶スライスを形成できる。
【００３１】
本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系基板を形成する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、（ｃ）窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、（ｄ）前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、（ｅ）前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、（ｆ）前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上にＨＶＰＥ法により窒化ガリウム系半導体厚膜を成長する工程と、（ｇ）前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、（ｈ）前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程とを備える。
【００３２】
この方法によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長される窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、前記基板を除去するので、基板からの応力無しで窒化ガリウム系半導体厚膜が成長される。さらに、窒化ガリウム系半導体スライスのサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体単結晶スライスを形成できる。
【００３３】
本発明の更なる別の側面に係る方法では、前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、ｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶が得られる。
【００３４】
本発明の更なる別の側面に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体スライスはｐ導電型窒化ガリウム半導体からなることが好ましい。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム半導体基板のためスライスが提供される。
【００３５】
本発明の更なる別の側面に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体厚膜は、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶スライスを形成できる。
【００３６】
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】
【００３７】
以上説明したように、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。また、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板が提供される。さらに、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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、本発明の窒化ガリウム結晶体を形成する方法、基板、および窒化ガリウム基板を形成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。
【００３９】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。この基板１１ａは、ナノコラム領域１３と、窒化ガリウム半導体膜１５と、支持基体１７とを備える。ナノコラム領域１３は、窒化ガリウムからなる複数のナノコラム１３ａを有する。窒化ガリウム半導体膜１５は、複数のナノコラム１９の一端１９ａの各々に接続されている。窒化ガリウム半導体膜１５の導電型は、ナノコラム領域１３の窒化ガリウムの導電型と同じである。また、窒化ガリウム半導体膜１５は主面１５ａを有する。主面１５ａは、窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための半導体膜を堆積するために設けられる。支持基体１７は、複数のナノコラム１９の他端１９ｂを支持しており、また窒化ガリウムとは異なる材料からなる支持体２１を含む。支持体２１は、例えばシリコン、ＧａＡｓ等からなることができる。シリコンおよびＧａＡｓは所望の導電性を示すことが好ましい。シリコン基板は例えば（１１１）面からなる主面を有しており、シリコン基板を含む支持基体１７は、シリコン（１１１）面上に設けられた薄いバッファ膜２３を含み、このバッファ膜は、例えばＡｌＮ膜を含む。ＡｌＮ膜はウルツアイト結晶構造を有する。また、支持体２１は、例えばサファイア等からなることができる。サファイア基板は例えば（０００１）面からなる主面を有しており、サファイア基板を含む支持基体１７は、サファイア（０００１）面上に設けられた薄いバッファ膜２３を含み、このバッファ膜は、例えばＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を含む。ＧａＮ膜またはＡｌＮ膜は、ウルツアイト結晶構造を有する。
【００４０】
この基板１１ａによれば、ナノコラム領域１３は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域１３上に成長された窒化ガリウム系半導体膜１５もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板１７が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体２１を含むので、窒化ガリウム系半導体基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜１５を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜１５のサイズは、実質的に上記支持基体１７のサイズと同じにできる。
【００４１】
個々のナノコラム１９は、基板１７の主面１７ａに直交する軸に沿って伸びており、既に説明したように、ナノコラム１９の一端１９ａは窒化ガリウム半導体膜１５に接続されており、ナノコラム１９の他端１９ｂは支持基体１７に接続されている。個々のナノコラム１９は、窒化ガリウム系単結晶からなり、その成長軸は下地の基板１７の面方位により規定されている。また、窒化ガリウム半導体膜１５は、一体の窒化ガリウム系単結晶体へ個々のナノコラム１９から遷移する領域を有する。
【００４２】
支持基体１７の支持体２１がシリコン製であるとき、支持基体１７のサイズは、市場に流通しているシリコンウエハのサイズであり、例えば２インチから１２インチ程度である。支持体２１がＧａＡｓからなることができる。支持基体１７の支持体２１がサファイア製であるとき、支持基体１７のサイズは、市場に流通しているサファイア基板のサイズであり、例えば２インチから６インチ程度である。
【００４３】
ナノコラム領域１３の厚さＤ１は、例えば０．５マイクロメートル以上であることが好ましい。ナノコラム領域１３の厚さＤ１が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために結晶性が改善されたナノコラムが得られるという利点がある。また、ナノコラム領域１３の厚さＤ１は、例えば１マイクロメートル以上であることが好ましい。ナノコラム領域１３の厚さＤ１が１マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために低転位なナノコラムが得られるという利点がある。
【００４４】
窒化ガリウム半導体膜１５の厚さＤ２は、例えば０．５マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ２が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために表面平滑という利点がある。窒化ガリウム半導体膜１５の厚さＤ２は、例えば３マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ２が３マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために結晶性が高く導電性を付加する場合に低抵抗で横方向に電流が拡がるという利点がある。
【００４５】
ナノコラム領域１３および窒化ガリウム系半導体膜１５は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、ｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶が得られる。
【００４６】
（実施例１）
（１１１）面を有するシリコンウエハをＲＣＡ洗浄した後に、ＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度でウエハを加熱する。加熱時間は、例えば１０分以上４０分以下であることが好ましい。この加熱で、シリコンウエハの自然酸化膜を除去する。このシリコンウエハ上にＡｌＮバッファ層を成長した後に、窒素リッチの条件でＧａＮナノコラムを作製する。この後に、Ｇａフラックス量を増加して個々のＧａＮナノコラムを結合する。結合の後に、引き続きＧａＮ結晶を成長する。この結果、ＧａＮ膜／ＧａＮナノコラム／バッファ層／ウエハからなる構造が得られる。この窒化ガリウムの成長の際に、ＧａＮナノコラム、ＧａＮ膜を堆積するときにドーパントを添加しなければ、絶縁性を示す窒化ガリウムが作製される。また、ドーパントを添加すれば、導電性を示す窒化ガリウムが作製される。例えば、Ｍｇといったｐ型ドーパントを添加しながらＧａＮを成長すればｐ型の窒化ガリウム基板が得られる。ＧａＮ膜の転位密度は、例えば１×１０５ｃｍ−２以下である。転位密度はカソードルミネッセンスにより測定された。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図１（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。この基板１１ｂは、ナノコラム領域２５と、窒化ガリウム半導体膜２７とを備える。ナノコラム領域２５は、窒化ガリウムからなる複数のナノコラム２９を有する。窒化ガリウム半導体膜２７は、複数のナノコラム２９の一端２９ａの各々に接続されており、また窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面２７ａを有する。ナノコラム領域２５の窒化ガリウムの導電型は窒化ガリウム半導体膜２７の導電型と同じである。
【００４８】
この基板１１ｂによれば、ナノコラム領域２５は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域２５上に成長された窒化ガリウム系半導体膜２７もまた、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の半導体結晶からなる。また、ナノコラム２９の他端２９ｂが支持基体によって支持されていないので、窒化ガリウム結晶体は支持基体から応力を受けてない。これ故に、基板の反りが小さい。
【００４９】
ナノコラム２９が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる基板を用いて形成されるので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、大口径の窒化ガリウム系半導体膜２７を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜２７のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。ナノコラム２９の他端２９ｂには、バッファ層を含むことができる。このバッファ層は例えばＡｌＮ層を含んでいてもよい。このＡｌＮ層はウルツアイト結晶構造を有する。このウルツアイト結晶構造により、個々のナノコラム２９の結晶軸が規定される。
【００５０】
個々のナノコラム２９は、窒化ガリウム半導体膜２７の主面２７ａに直交する軸に沿って伸びており、既に説明したように、ナノコラム２９の一端２９ａは窒化ガリウム半導体膜２７に接続されており、ナノコラム２９の他端２９ｂは開放されている。個々のナノコラム２９は窒化ガリウム系単結晶からなり、その成長軸は下地の成長用基板の面方位により規定されている。また、窒化ガリウム半導体膜２７は、一体の窒化ガリウム系単結晶体へ個々のナノコラム２９から遷移する領域を有する。
【００５１】
ナノコラム領域２７の厚さＤ３は、例えば０．５マイクロメートルから１マイクロメートル程度であることが好ましい。ナノコラム領域２７の厚さＤ３が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために、結晶性が改善されたナノコラムが得られるという利点がある。また、ナノコラム領域２７の厚さＤ３が１マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために低転位なナノコラムが得られるという利点がある。
【００５２】
また、窒化ガリウム半導体膜２７の厚さＤ４は、例えば０．５マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ４が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために、多数のコラム状のナノコラム領域が接続する窒化ガリウム半導体膜２７の表面に、下地（ナノコラム領域）の影響が実質的な現れない程度に平滑）になるという利点がある。窒化ガリウム半導体膜２７の厚さＤ４は、例えば３マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ４が３マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために結晶性が高く導電性を付加する場合に低抵抗で横方向に電流が拡がるという利点がある。
【００５３】
基板１１ｂは、基板１１ａの支持体、例えばシリコンウエハを除去することにより得られる。シリコンウエハの除去には、ウエットエッチングを用いることができる。エッチャントとして、シリコンがエッチングされるけれども、窒化ガリウム系半導体がエッチングされない、例えばＨＦ＋ＨＮＯ３、等を用いることができる。窒化ガリウム系材料と異なる材料からなるウエハを除去すれば、例えばヘテロ接合（例えばシリコンと窒化アルミニウムとの接合）に起因する電位障壁、界面準位の影響が除かれる。また、この除去により、基板１１ｂの反りは、基板１１ａの反りに比べて小さくなる。
【００５４】
以上説明したように、第１および第２の実施の形態によれば、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板が提供される。窒化ガリウム半導体膜１５、２７の主面１５ａ、２７ａの転位密度は低く、主面１５ａ、２７ａのサイズは、ナノコラムの作製に用いられる下地基板のサイズとほぼ等しい。窒化ガリウム基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体デバイスのための大口径の基板が提供される。
【００５５】
（第３の実施の形態）
図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図３は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【００５６】
図２（Ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長するための基板３１を準備する。基板３１は、窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体３３と、支持体３３上に形成されたバッファ膜３５とを含む。基板３１は例えば以下のように準備される。支持体３３を結晶成長装置３７に配置する。本実施例では、結晶成長装置３７としてＲＦ−ＭＢＥ装置を用いるが、これに限定されることなくＨＶＰＥ等も用いることができる。支持体３３としては、例えば（１１１）面シリコンウエハまたはＧａＡｓウエハ、（０００１）面サファイア基板等を用いることができる。支持体３３上にバッファ膜３５を堆積する。（１１１）面シリコン基板を用いる場合、バッファ膜３５は例えばＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を含むことができる。この場合、バッファ膜３５の厚さは、例えば３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。（０００１）面サファイア基板を用いる場合、バッファ膜３５は例えばＡｌＮ膜を含むことができる。この場合、バッファ膜３５の厚さは、例えば３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。必要な場合には、バッファ膜の成長に先立って、支持体３３の表面３３ａの熱クリーニングを行うことができる。
【００５７】
（実施例２）
ＡｌＮバッファ層の成長の一例
（１）シリコン（１１１）面を有する６インチウエハをＲＣＡ洗浄した後に、ＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度で加熱する。加熱時間は、例えば１０分以上４０分以下であることが好ましい。この加熱で、シリコン６インチウエハの自然酸化膜を除去する。次いで、摂氏５００度において、１〜３層のモノレイヤのアルミニウムを蒸着すると共に、ＲＦラジカルガンを用いて活性窒素を供給して、ＡｌＮバッファ層を得る。
【００５８】
（２）サファイア（０００１）面４インチ基板の裏面にチタン膜を蒸着する。チタン膜は、例えば２００ｎｍである。チタン膜の形成後に、サファイア基板をＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度で加熱する。その後に、摂氏５００度においてＲＦラジカルガンから活性窒素を供給して、サファイア基板の表面を窒化する。続けて、ＲＦラジカルガンから活性窒素を供給すると共に、Ａｌフラックスを供給して、１〜５ｎｍのＡｌＮ膜を形成する。
【００５９】
ＧａＮバッファ層の成長の一例
サファイア（０００１）面４インチ基板の裏面にチタン膜を蒸着する。チタン膜は、例えば２００ｎｍである。チタン膜の形成後に、サファイア基板をＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度で加熱する。その後に、摂氏５００度においてＲＦラジカルガンから活性窒素を供給して、サファイア基板の表面を窒化する。続けて、摂氏５００度においてＲＦラジカルガンから活性窒素を供給すると共に、Ｇａフラックスを供給して、１〜５ｎｍのＧａＮ膜を形成する。
【００６０】
図２（Ｂ）に示されるように、ナノコラム領域３９を基板３１上に形成する。ナノコラム領域３９は、窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム４１を有する。V族原料の供給モル数とIII族原料の供給モル数との比（以下「Ｖ／III」として参照する）に応じて、ナノコラムの形状が変化する。ナノコラムは窒素リッチの条件で成長される。ナノコラムは、ウルツアイト構造のバッファ膜上に形成され、バッファ膜の（０００１）軸の方向に伸びる。ナノコラム領域におけるナノコラム密度は、例えばバッファ層の材料の種類、その膜厚、その成長条件に応じて変わる。ナノコラム密度は、例えば、１×１０９ｃｍ−２〜５×１０１０ｃｍ−２程度の範囲で変更可能である。窒素リッチの条件では、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが制限されるので、結晶膜の形成よりも、コラム状の結晶が成長する。
【００６１】
（実施例３）
ＧａＮナノコラム成長の一例
ＭＢＥ成長装置を用いる。Ｋセルを用いて７Ｎのガリウム源および７Ｎのアルミニウム源を提供すると共に、並びにＲＦラジカルガンを用いて６ＮのＮ２ガスを窒素源を提供する。成長温度は、摂氏７５０度から摂氏８５０度の範囲にある。ガリウム原料および活性窒素を供給する。
一例のＶ／III比：ナノコラム成長（平滑なＧａＮ成長よりも窒素リッチ条件）
である。ナノコラムの歪みは緩和されており、ナノコラム領域は非常に高品質の結晶である。成長表面はファセット面を含み成長と共に転位は曲げられ、この結果、ナノコラム領域は低転位となる。ナノコラムの直径は、成長温度、成長速度、Ｖ／III比に応じて変化し、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の範囲で制御される。特に、ナノコラムの直径は、ガリウム供給量に大きく依存する。これは、ナノコラムの成長が、窒素リッチの条件の下でガリウムのマイグレーションを調整していることに因る。ナノコラム領域の厚さは、成長時間に応じて変更される。高品位のナノコラムを得るためには、この厚さが０．５マイクロメートル以上であれば、結晶性改善という技術的な利点がある。この厚さが３マイクロメートル程度であれば、低転位という技術的な利点がある。
【００６２】
図３に示されるように、ナノコラム領域３９の複数のナノコラム４１を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜４３を成長する。先ず、ナノコラム領域３９の複数のナノコラム４１を互いに結合する窒化ガリウム系半導体領域４５を成長する。ナノコラム領域３９の成長条件におけるガリウム供給量よりも大きいガリウム原料を供給する。ガリウム原料の増加により、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが促進される。この結果、複数のナノコラム４１が互いに結合され、遷移領域４５が形成される。
【００６３】
（実施例４）
遷移領域４５を形成する。次いで、窒化ガリウム系半導体領域４５上に窒化ガリウム単結晶領域４７を堆積する。これにより、窒化ガリウム系半導体膜４３が得られる。ナノコラム領域３９の窒化ガリウム系半導体の導電型は、窒化ガリウム半導体系膜４３の導電型と同じである。
【００６４】
この方法によれば、ナノコラム領域３９は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域３９上に成長される窒化ガリウム系半導体膜４３もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板３１が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体３３を含むので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜４３を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜４３のサイズは、実質的に上記基板３１のサイズと同じにできる。これにより、基板生産物４９が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物４９は、基板３１と、この上に成長された窒化ガリウム系領域５１とを含む。
【００６５】
以上、主要な工程を説明したが、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。
【００６６】
必要な場合には、図４（Ａ）に示されるように、基板生産物４９を準備する。基板生産物４９は、結晶成長装置５７に置かれる。図４（Ｂ）に示されるように、基板生産物４９の窒化ガリウム系半導体膜４３上に窒化ガリウム系半導体厚膜５３を成長することができる。この成長は、例えばＨＶＰＥ法等を用いて行われる。窒化ガリウム系半導体厚膜５３の導電型は、窒化ガリウム半導体系膜４３及びナノコラム領域３９の窒化ガリウム系半導体の導電型と同じである。これにより、基板生産物５５が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物５５は、基板３１と、この上に成長された窒化ガリウム系領域５９とを含む。
【００６７】
（実施例５）
厚膜の成長には、ＨＶＰＥ法が用いられる。６Ｎのガリウムソース、５Ｎの塩化水素ソース、６Ｎのアンモニアソースが用いられ、これらがＨＶＰＥ成長炉に供給される。キャリアガスとしてＨ２を用いる。この成長炉では、ＧａメタルにＨＣｌを供給して塩化ガリウムを生成する。この塩化ガリウムとアンモニアとが、下地の窒化ガリウム膜の表面で反応して、窒化ガリウムが堆積される。基板温度は、例えば摂氏９００度から摂氏１０５０度である。また、成長は、常圧で行われる。成長速度は、例えば２０−３００マイクロメートル／ｈｒ程度であり、この成長速度によれは、４ｍｍ〜８ｍｍ程度の窒化ガリウム膜を実用的な時間で成長できる。
【００６８】
窒化ガリウム系半導体厚膜５３はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶が得られる。
【００６９】
ナノコラム領域３９および窒化ガリウム系半導体膜４３の導電型はｐ型であることができる。また、窒化ガリウム系半導体厚膜５３の導電型はｐ型であることができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。この単結晶を用いてｐ型窒化ガリウム系半導体基板が提供される。
【００７０】
この結果、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００７１】
（第４の実施の形態）
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。本実施の形態では、支持体３３は、エッチングにより除去可能な材料からなる。例えば、支持体３３はシリコンまたはＧａＡｓから成る。
【００７２】
図５（Ａ）に示されるように、生産物４９（または５９）をエッチング装置６１に置く。エッチング装置６１は、支持体３３を選択的に除去するために用いられる。例えば、シリコンをエッチングにより除去するためには、例えばＨＦ＋ＨＮＯ３、等を用いることができる。
【００７３】
図５（Ｂ）は、エッチング装置６１により支持体３３が選択的に除去された生産物６３を示す。生産物６３は、実質的に窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）からなる。窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）はナノコラム領域３９を含む。ナノコラム領域３９のナノコラム４１の各々では、その一端４１ａにバッファ層３５ａがエッチングされることなく残っている。必要な場合には、残ったバッファ層３５ａを除去する。これにより、基板生産物６３が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物６３は、窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）を含む。窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）は、ナノコラム領域３９と、この上に成長された窒化ガリウム系半導体膜４３（４３、５３）とを含む。
【００７４】
以上、主要な工程を説明したが、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００７５】
（第５の実施の形態）
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。本実施の形態では、支持体３３は、エッチングにより除去可能な材料からなる。支持体３３は、例えば、シリコンまたはＧａＡｓから成る。
【００７６】
図６（Ａ）に示されるように、基板生産物６３を準備する。基板生産物６３は、結晶成長装置５７に置かれる。図６（Ｂ）に示されるように、基板生産物６３の窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜６５を成長することができる。この成長は、例えばＨＶＰＥ法等を用いて行われる。基板生産物６３の窒化ガリウム系半導体５１ａの導電型は、窒化ガリウム系半導体厚膜６３の導電型と同じである。これにより、基板生産物６７が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物６７は、窒化ガリウム系領域５１ａと、この上に成長された窒化ガリウム系半導体厚膜６３とを含む。この厚膜６３は、例えば実施例５と同様にして成長されることができる。
【００７７】
この結果、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００７８】
（第６の実施の形態）
図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。本実施の形態では、支持体３３は、エッチングにより除去可能な材料からなる。支持体３３は、例えばシリコンまたはＧａＡｓから成る。
【００７９】
図７（Ａ）に示されるように、生産物５５をエッチング装置６１に置く。エッチング装置６１は、支持体３３を選択的に除去するために用いられる。例えば、シリコンをエッチングにより除去するためには、例えばＨＦ＋ＨＮＯ３、等を用いることができる。
【００８０】
図７（Ｂ）は、エッチング装置６１により支持体３３が選択的に除去された生産物７１を示す。生産物７１は、実質的に窒化ガリウム系領域５９ｂからなる。窒化ガリウム系領域５９ｂはナノコラム領域３９を含む。ナノコラム領域３９のナノコラム４１の各々では、その一端４１ａにバッファ層３５ａがエッチングされることなく残っている。必要な場合には、残ったバッファ層３５ａを除去する。これにより、基板生産物７１が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物７１は、窒化ガリウム系領域５９ｂを含む。窒化ガリウム系領域５９ｂは、ナノコラム領域３９と、この上に成長された窒化ガリウム系半導体膜４３、５３とを含む。
【００８１】
以上、主要な工程を説明したが、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００８２】
（第７の実施の形態）
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を示す図面である。
【００８３】
まず、図８（Ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長するための基板７５を準備する。この基板７５は、窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる。また基板７５は、支持体７７と、支持体７７上に設けられたバッファ層７９とを含む。バッファ層は、支持体７７上に成長される。
【００８４】
図８（Ｂ）に示されるように、ナノコラム領域８１を基板７５上に形成する。ナノコラム領域８１は、窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有する。
【００８５】
図８（Ｃ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域８１の複数のナノコラムの一端を互いに結合すると共に、複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に窒化ガリウム系半導体膜８３を成長する。
【００８６】
図９（Ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体膜８３を成長した後に、基板７７およびナノコラム領域８１を除去して窒化ガリウム系結晶体８５を作製する。基板７７の除去は、既に説明したようにエッチングにより行われる。また、ナノコラム領域８１の除去は、例えば研磨を用いることができる。
【００８７】
図９（Ｂ）に示されるように、窒化ガリウム系結晶体８５から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライス８７ａ〜８７ｄを形成する。
【００８８】
図９（Ｃ）に示されるように、研磨等の必要な処理が完了すると、窒化ガリウム系半導体ウエハ８９が完成される。窒化ガリウム系半導体ウエハ８９は、結晶成長のための主面８９ａを有する。
【００８９】
この方法によれば、ナノコラム領域８１は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域８１上に成長される窒化ガリウム系半導体膜８３もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、窒化ガリウム系半導体スライス８７ａ〜８７ｄのサイズは、実質的に上記基板７５のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム系半導体単結晶スライス８７ａ〜８７ｄを形成できる。
【００９０】
一変形例によれば、個々のナノコラムを結合するように窒化ガリウム系半導体を成長した後に、基板７５を除去する。基板８５を除去した後に、窒化ガリウム系半導体上にＨＶＰＥ法により窒化ガリウム系半導体厚膜を成長する。窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、ナノコラム領域８１を除去して窒化ガリウム系結晶体８５を作製する。この方法によれば、ナノコラム領域８１は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域８１上に成長される窒化ガリウム系半導体膜８３もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板７５を除去するので、基板７５からの応力無しで窒化ガリウム系半導体厚膜が成長される。さらに、窒化ガリウム系半導体スライス８７ａ〜８７ｄのサイズは、実質的に上記基板７５のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体単結晶スライス８７ａ〜８７ｄを形成できる。別の変形例では、ナノコラム領域８１を除去した後に、窒化ガリウム系半導体厚膜を成長してもよい。
【００９１】
（実施例６）
内周刃スライサを用いて窒化ガリウム結晶体を（０００１）面に平行に切断して窒化ガリウムスライスを作製する。この後に、研磨等の加工を行い、スライス表面の変質層が除去された窒化ガリウムウエハを得る。このウエハは、半導体デバイスを作製するために使用可能である。また、ウエハの反りは非常に小さい。
【００９２】
ナノコラム領域８１、窒化ガリウム系半導体膜８３は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、ｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶体８５が得られる。
【００９３】
窒化ガリウム系結晶体８５はｐ導電型窒化ガリウム半導体からなることが好ましい。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム半導体基板のためスライス８７ａ〜８７ｄが提供される。
【００９４】
窒化ガリウム系半導体厚膜はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶スライスを形成できる。
【００９５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１（Ａ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。図１（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。
【図２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法を示す図面である。
【図５】図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図６】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図７】図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）は、窒化ガリウム系半導体デバイス用の窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を示す図面である。
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、窒化ガリウム系半導体デバイス用の窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００９７】
１１ａ、１１ｂ…基板、１３…ナノコラム領域、１５…窒化ガリウム半導体膜、１７…支持基体、１９…ナノコラム、２１…支持体、２３…バッファ膜、Ｄ１…
ナノコラム領域の厚さ、Ｄ２…窒化ガリウム半導体膜の厚さ、２５…ナノコラム領域、２７…窒化ガリウム半導体膜、２９…ナノコラム、Ｄ３…ナノコラム領域の厚さ、Ｄ４…窒化ガリウム半導体膜の厚さ、３１…基板、３３…支持体、３５…バッファ膜、３７…結晶成長装置、３９…ナノコラム領域、４１…ナノコラム、４３…窒化ガリウム半導体系膜、４５…窒化ガリウム系半導体領域または遷移領域、４７…窒化ガリウム単結晶領域、４９…基板生産物、５１…窒化ガリウム系領域、５１ａ…窒化ガリウム系半導体、５３…窒化ガリウム系半導体厚膜、５５…基板生産物、５７…結晶成長装置、５９…窒化ガリウム系領域、５９ａ…窒化ガリウム系領域、５９ｂ…窒化ガリウム系領域、６１…エッチング装置、６３…基板生産物、６７…基板生産物、７１…基板生産物、７５…基板、７７…支持体、７９…バッファ層、８１…ナノコラム領域、８３…窒化ガリウム系半導体膜、８５…窒化ガリウム系結晶体、８７ａ〜８７ｄ…窒化ガリウム系半導体スライス、８９…窒化ガリウム系半導体ウエハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化ガリウム結晶体を形成する方法、基板、および窒化ガリウム基板を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、高輝度、高発光効率のＧａＮの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、複数のＧａＮナノロッドを含む。各ＧａＮナノロッドは、ｎ型ＧａＮナノロッド、ＩｎＧａＮ量子井戸構造、およびｐ型ＧａＮナノロッドがこの順に長手方向に連続してなる。ｐｎ接合ＧａＮナノロッドのｐ−ｎ接合領域にはＩｎＧａＮ量子井戸構造が設けられている。このようなＧａＮナノロッドを多数個アレイ状に配置すると、積層フィルム状のＧａＮのＬＥＤに比べてさらに高輝度、高発光効率のＬＥＤが提供される。
【０００３】
非特許文献１には、シリコン（１１１）面基板上への結晶成長について記載されている。シリコン（１１１）面基板上への結晶成長では、窒素リッチの条件とガリウムリッチの条件では、異なる結晶モフォロジを示す。窒素リッチの条件では柱状の特徴を示す。ナノコラムの径は、例えば６０ｎｍ程度である。
【０００４】
非特許文献２には、サファイア基板上に形成されるＧａＮのナノ構造（ＧａＮナノコラム）が記載されている。このナノコラムは、ＲＦラジカル源を用いる分子線ビームエピタキシ法で形成される。ナノコラムの平均的な直径は、条件の調整により、４０ｎｍ〜４５ｎｍ程度まで小さくできる。
【特許文献１】特開２００５−２２８９３６号公報
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth 183, (1998) pp.23-30
【非特許文献２】Journal of Crystal Growth 189/190, (1998) pp.138-141
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１および２には、シリコン基板およびサファイア基板上に微細な柱状の構造物が成長することが示されている。平均的な直径が上記文献に示されている。窒素リッチの条件の下で形成される窒化ガリウム系柱状構造物を“ナノコラム”と呼んでいる。また、特許文献１には、各ナノコラムに形成された発光ダイオードを含む半導体デバイスを作製しており、ナノコラム間には透明絶縁物が設けられている。ナノコラムの下地となる窒化ガリウムバッファ層上にはｎ電極が設けられており、ナノコラムおよび透明絶縁物上には透明電極およびｐ電極が設けられている。透明電極は、ナノコラムの各々の直接に接続されるように設けられている。
【０００６】
上記のように、非特許文献１および２ではナノコラムの学術的な側面が記載されているだけであり、また特許文献１にはナノコラム内に形成された発光ダイオード（ＬＥＤ）が記載されているだけである。
【０００７】
一方、窒化ガリウム系半導体デバイスの分野では、他のIII−Ｖ化合物半導体とは異なり、窒化ガリウム系半導体デバイスのための良質の結晶成長を行うための基板を提供することが求められている。このような要求に応じるために、発明者らは様々な検討を行った。
【０００８】
本発明は、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法を提供することを目的とし、また窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を提供することを目的とし、さらに窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成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】
【０００９】
本発明の一側面は、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる半導体材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を基板上に形成する工程と、（ｃ）前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムを互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程とを備え、前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は、前記窒化ガリウム半導体系膜の導電型と同じである。
【００１０】
この方法によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい単結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長される窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さい単結晶からなる。また、基板が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含むので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。
【００１１】
本発明に係る方法は、（ｄ）前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程を更に備え、前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なることができる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体の成長にＨＶＰＥ法を用いるので、転位密度が小さい厚膜の窒化ガリウム系半導体が得られる。
【００１２】
本発明に係る方法では、前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜は窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、二元系結晶であるので、成長が容易である。
【００１３】
本発明に係る方法は、前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記基板を除去する工程を更に備えることができる。この方法によれば、窒化ガリウム半導体膜は基板内の支持体により支持されているので、窒化ガリウム系半導体膜の膜厚に依らず、窒化ガリウム系半導体厚膜を成長できる。基板の除去により、実質的に窒化ガリウム系半導体からなる結晶体が得られる。
【００１４】
本発明に係る方法は、前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程を更に備えることができる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体膜は、基板からの応力を受けることがない。
【００１５】
本発明に係る方法は、（ｅ）前記窒化ガリウム半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、（ｆ）前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程とを更に備え、前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なることができる。この方法によれば、窒化ガリウム系半導体厚膜の成長では、基板からの応力を受けることがない。また、実質的に窒化ガリウム系半導体からなる結晶体が得られる。
【００１６】
本発明に係る方法では、前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶が得られる。
【００１７】
本発明に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体厚膜はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶が得られる。
【００１８】
本発明に係る方法では、前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜の導電型はｐ型である。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。
【００１９】
本発明に係る方法では、前記基板はシリコン支持体を含むことができる。この方法によれば、入手しやすい大口径、低コストのシリコン支持体を用いて、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。
【００２０】
本発明に係る方法では、前記基板はＧａＡｓ支持体を含むことが好ましい。この方法によれば、入手しやすいＧａＡｓ支持体を用いて、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。
【００２１】
上記の方法により作製された生産物を窒化ガリウム系結晶成長用基板として使用できる。あるいは、この方法により作製された生産物を窒化ガリウム系基板を作製するための結晶体として使用できる。
【００２２】
本発明の別の側面は窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板である。この基板は、（ａ）窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜と、（ｃ）窒化ガリウムとは異なる材料からなる支持体を含み、前記複数のナノコラムの他端を支持する支持基体とを備え、前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである。
【００２３】
この基板によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長された窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、ナノコラムが窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる基板を用いて形成されるので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。
【００２４】
本発明に係る基板では、前記支持基体はシリコンおよびＧａＡｓのいずれかからなる支持体を含むことができる。好ましくは、シリコンおよびＧａＡｓは所望の導電性を示す。
【００２５】
本発明の別の側面は窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板である。この基板は、（ａ）窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、（ｂ）前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜とを備え、前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである。
【００２６】
この基板によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長された窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の半導体結晶からなる。また、ナノコラムが窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる基板を用いて形成されるので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。また、ナノコラム領域の他端が支持基体によって支持されていないので、窒化ガリウム結晶体は支持基体から応力を受けてない。これ故に、基板の反りが小さい。
【００２７】
本発明に係る基板では、前記支持基体はシリコンおよびＧａＡｓ並びにサファイアのいずれかからなる支持体を含むことができる。好ましくは、シリコンおよびＧａＡｓは所望の導電性を示す。
【００２８】
本発明の別の側面に係る基板では、前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム半導体膜の導電型はｐ型であることができる。この基板は、ｐ型窒化ガリウム半導体基板として使用できる。
【００２９】
本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系基板を形成する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、（ｃ）窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、（ｄ）前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、（ｅ）前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板および前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、（ｆ）前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程とを備える。
【００３０】
この方法によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長される窒化ガリウム系半導体もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、窒化ガリウム系半導体スライスのサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム系半導体単結晶スライスを形成できる。
【００３１】
本発明の更なる別の側面は、窒化ガリウム系基板を形成する方法である。この方法は、（ａ）窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、（ｂ）窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、（ｃ）窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、（ｄ）前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、（ｅ）前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、（ｆ）前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上にＨＶＰＥ法により窒化ガリウム系半導体厚膜を成長する工程と、（ｇ）前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、（ｈ）前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程とを備える。
【００３２】
この方法によれば、ナノコラム領域は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域上に成長される窒化ガリウム系半導体膜もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、前記基板を除去するので、基板からの応力無しで窒化ガリウム系半導体厚膜が成長される。さらに、窒化ガリウム系半導体スライスのサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体単結晶スライスを形成できる。
【００３３】
本発明の更なる別の側面に係る方法では、前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、ｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶が得られる。
【００３４】
本発明の更なる別の側面に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体スライスはｐ導電型窒化ガリウム半導体からなることが好ましい。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム半導体基板のためスライスが提供される。
【００３５】
本発明の更なる別の側面に係る方法では、前記窒化ガリウム系半導体厚膜は、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶スライスを形成できる。
【００３６】
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】
【００３７】
以上説明したように、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。また、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板が提供される。さらに、本発明によれば、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
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、本発明の窒化ガリウム結晶体を形成する方法、基板、および窒化ガリウム基板を形成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。
【００３９】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。この基板１１ａは、ナノコラム領域１３と、窒化ガリウム半導体膜１５と、支持基体１７とを備える。ナノコラム領域１３は、窒化ガリウムからなる複数のナノコラム１３ａを有する。窒化ガリウム半導体膜１５は、複数のナノコラム１９の一端１９ａの各々に接続されている。窒化ガリウム半導体膜１５の導電型は、ナノコラム領域１３の窒化ガリウムの導電型と同じである。また、窒化ガリウム半導体膜１５は主面１５ａを有する。主面１５ａは、窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための半導体膜を堆積するために設けられる。支持基体１７は、複数のナノコラム１９の他端１９ｂを支持しており、また窒化ガリウムとは異なる材料からなる支持体２１を含む。支持体２１は、例えばシリコン、ＧａＡｓ等からなることができる。シリコンおよびＧａＡｓは所望の導電性を示すことが好ましい。シリコン基板は例えば（１１１）面からなる主面を有しており、シリコン基板を含む支持基体１７は、シリコン（１１１）面上に設けられた薄いバッファ膜２３を含み、このバッファ膜は、例えばＡｌＮ膜を含む。ＡｌＮ膜はウルツアイト結晶構造を有する。また、支持体２１は、例えばサファイア等からなることができる。サファイア基板は例えば（０００１）面からなる主面を有しており、サファイア基板を含む支持基体１７は、サファイア（０００１）面上に設けられた薄いバッファ膜２３を含み、このバッファ膜は、例えばＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を含む。ＧａＮ膜またはＡｌＮ膜は、ウルツアイト結晶構造を有する。
【００４０】
この基板１１ａによれば、ナノコラム領域１３は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域１３上に成長された窒化ガリウム系半導体膜１５もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板１７が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体２１を含むので、窒化ガリウム系半導体基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜１５を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜１５のサイズは、実質的に上記支持基体１７のサイズと同じにできる。
【００４１】
個々のナノコラム１９は、基板１７の主面１７ａに直交する軸に沿って伸びており、既に説明したように、ナノコラム１９の一端１９ａは窒化ガリウム半導体膜１５に接続されており、ナノコラム１９の他端１９ｂは支持基体１７に接続されている。個々のナノコラム１９は、窒化ガリウム系単結晶からなり、その成長軸は下地の基板１７の面方位により規定されている。また、窒化ガリウム半導体膜１５は、一体の窒化ガリウム系単結晶体へ個々のナノコラム１９から遷移する領域を有する。
【００４２】
支持基体１７の支持体２１がシリコン製であるとき、支持基体１７のサイズは、市場に流通しているシリコンウエハのサイズであり、例えば２インチから１２インチ程度である。支持体２１がＧａＡｓからなることができる。支持基体１７の支持体２１がサファイア製であるとき、支持基体１７のサイズは、市場に流通しているサファイア基板のサイズであり、例えば２インチから６インチ程度である。
【００４３】
ナノコラム領域１３の厚さＤ１は、例えば０．５マイクロメートル以上であることが好ましい。ナノコラム領域１３の厚さＤ１が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために結晶性が改善されたナノコラムが得られるという利点がある。また、ナノコラム領域１３の厚さＤ１は、例えば１マイクロメートル以上であることが好ましい。ナノコラム領域１３の厚さＤ１が１マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために低転位なナノコラムが得られるという利点がある。
【００４４】
窒化ガリウム半導体膜１５の厚さＤ２は、例えば０．５マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ２が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために表面平滑という利点がある。窒化ガリウム半導体膜１５の厚さＤ２は、例えば３マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ２が３マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために結晶性が高く導電性を付加する場合に低抵抗で横方向に電流が拡がるという利点がある。
【００４５】
ナノコラム領域１３および窒化ガリウム系半導体膜１５は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、ｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶が得られる。
【００４６】
（実施例１）
（１１１）面を有するシリコンウエハをＲＣＡ洗浄した後に、ＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度でウエハを加熱する。加熱時間は、例えば１０分以上４０分以下であることが好ましい。この加熱で、シリコンウエハの自然酸化膜を除去する。このシリコンウエハ上にＡｌＮバッファ層を成長した後に、窒素リッチの条件でＧａＮナノコラムを作製する。この後に、Ｇａフラックス量を増加して個々のＧａＮナノコラムを結合する。結合の後に、引き続きＧａＮ結晶を成長する。この結果、ＧａＮ膜／ＧａＮナノコラム／バッファ層／ウエハからなる構造が得られる。この窒化ガリウムの成長の際に、ＧａＮナノコラム、ＧａＮ膜を堆積するときにドーパントを添加しなければ、絶縁性を示す窒化ガリウムが作製される。また、ドーパントを添加すれば、導電性を示す窒化ガリウムが作製される。例えば、Ｍｇといったｐ型ドーパントを添加しながらＧａＮを成長すればｐ型の窒化ガリウム基板が得られる。ＧａＮ膜の転位密度は、例えば１×１０５ｃｍ−２以下である。転位密度はカソードルミネッセンスにより測定された。
【００４７】
（第２の実施の形態）
図１（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。この基板１１ｂは、ナノコラム領域２５と、窒化ガリウム半導体膜２７とを備える。ナノコラム領域２５は、窒化ガリウムからなる複数のナノコラム２９を有する。窒化ガリウム半導体膜２７は、複数のナノコラム２９の一端２９ａの各々に接続されており、また窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面２７ａを有する。ナノコラム領域２５の窒化ガリウムの導電型は窒化ガリウム半導体膜２７の導電型と同じである。
【００４８】
この基板１１ｂによれば、ナノコラム領域２５は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域２５上に成長された窒化ガリウム系半導体膜２７もまた、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の半導体結晶からなる。また、ナノコラム２９の他端２９ｂが支持基体によって支持されていないので、窒化ガリウム結晶体は支持基体から応力を受けてない。これ故に、基板の反りが小さい。
【００４９】
ナノコラム２９が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる基板を用いて形成されるので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、大口径の窒化ガリウム系半導体膜２７を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜２７のサイズは、実質的に上記基板のサイズと同じにできる。ナノコラム２９の他端２９ｂには、バッファ層を含むことができる。このバッファ層は例えばＡｌＮ層を含んでいてもよい。このＡｌＮ層はウルツアイト結晶構造を有する。このウルツアイト結晶構造により、個々のナノコラム２９の結晶軸が規定される。
【００５０】
個々のナノコラム２９は、窒化ガリウム半導体膜２７の主面２７ａに直交する軸に沿って伸びており、既に説明したように、ナノコラム２９の一端２９ａは窒化ガリウム半導体膜２７に接続されており、ナノコラム２９の他端２９ｂは開放されている。個々のナノコラム２９は窒化ガリウム系単結晶からなり、その成長軸は下地の成長用基板の面方位により規定されている。また、窒化ガリウム半導体膜２７は、一体の窒化ガリウム系単結晶体へ個々のナノコラム２９から遷移する領域を有する。
【００５１】
ナノコラム領域２７の厚さＤ３は、例えば０．５マイクロメートルから１マイクロメートル程度であることが好ましい。ナノコラム領域２７の厚さＤ３が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために、結晶性が改善されたナノコラムが得られるという利点がある。また、ナノコラム領域２７の厚さＤ３が１マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために低転位なナノコラムが得られるという利点がある。
【００５２】
また、窒化ガリウム半導体膜２７の厚さＤ４は、例えば０．５マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ４が０．５マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために、多数のコラム状のナノコラム領域が接続する窒化ガリウム半導体膜２７の表面に、下地（ナノコラム領域）の影響が実質的な現れない程度に平滑）になるという利点がある。窒化ガリウム半導体膜２７の厚さＤ４は、例えば３マイクロメートル以上であることが好ましい。厚さＤ４が３マイクロメートル以上であれば、基板用窒化ガリウム系結晶体を作製するために結晶性が高く導電性を付加する場合に低抵抗で横方向に電流が拡がるという利点がある。
【００５３】
基板１１ｂは、基板１１ａの支持体、例えばシリコンウエハを除去することにより得られる。シリコンウエハの除去には、ウエットエッチングを用いることができる。エッチャントとして、シリコンがエッチングされるけれども、窒化ガリウム系半導体がエッチングされない、例えばＨＦ＋ＨＮＯ３、等を用いることができる。窒化ガリウム系材料と異なる材料からなるウエハを除去すれば、例えばヘテロ接合（例えばシリコンと窒化アルミニウムとの接合）に起因する電位障壁、界面準位の影響が除かれる。また、この除去により、基板１１ｂの反りは、基板１１ａの反りに比べて小さくなる。
【００５４】
以上説明したように、第１および第２の実施の形態によれば、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板が提供される。窒化ガリウム半導体膜１５、２７の主面１５ａ、２７ａの転位密度は低く、主面１５ａ、２７ａのサイズは、ナノコラムの作製に用いられる下地基板のサイズとほぼ等しい。窒化ガリウム基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体デバイスのための大口径の基板が提供される。
【００５５】
（第３の実施の形態）
図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図３は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【００５６】
図２（Ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長するための基板３１を準備する。基板３１は、窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体３３と、支持体３３上に形成されたバッファ膜３５とを含む。基板３１は例えば以下のように準備される。支持体３３を結晶成長装置３７に配置する。本実施例では、結晶成長装置３７としてＲＦ−ＭＢＥ装置を用いるが、これに限定されることなくＨＶＰＥ等も用いることができる。支持体３３としては、例えば（１１１）面シリコンウエハまたはＧａＡｓウエハ、（０００１）面サファイア基板等を用いることができる。支持体３３上にバッファ膜３５を堆積する。（１１１）面シリコン基板を用いる場合、バッファ膜３５は例えばＧａＮ膜またはＡｌＮ膜を含むことができる。この場合、バッファ膜３５の厚さは、例えば３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。（０００１）面サファイア基板を用いる場合、バッファ膜３５は例えばＡｌＮ膜を含むことができる。この場合、バッファ膜３５の厚さは、例えば３ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。必要な場合には、バッファ膜の成長に先立って、支持体３３の表面３３ａの熱クリーニングを行うことができる。
【００５７】
（実施例２）
ＡｌＮバッファ層の成長の一例
（１）シリコン（１１１）面を有する６インチウエハをＲＣＡ洗浄した後に、ＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度で加熱する。加熱時間は、例えば１０分以上４０分以下であることが好ましい。この加熱で、シリコン６インチウエハの自然酸化膜を除去する。次いで、摂氏５００度において、１〜３層のモノレイヤのアルミニウムを蒸着すると共に、ＲＦラジカルガンを用いて活性窒素を供給して、ＡｌＮバッファ層を得る。
【００５８】
（２）サファイア（０００１）面４インチ基板の裏面にチタン膜を蒸着する。チタン膜は、例えば２００ｎｍである。チタン膜の形成後に、サファイア基板をＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度で加熱する。その後に、摂氏５００度においてＲＦラジカルガンから活性窒素を供給して、サファイア基板の表面を窒化する。続けて、ＲＦラジカルガンから活性窒素を供給すると共に、Ａｌフラックスを供給して、１〜５ｎｍのＡｌＮ膜を形成する。
【００５９】
ＧａＮバッファ層の成長の一例
サファイア（０００１）面４インチ基板の裏面にチタン膜を蒸着する。チタン膜は、例えば２００ｎｍである。チタン膜の形成後に、サファイア基板をＭＢＥチャンバに配置する。ＭＢＥチャンバにおいて、真空排気後に、摂氏８５０度から摂氏９５０度の範囲の温度で加熱する。その後に、摂氏５００度においてＲＦラジカルガンから活性窒素を供給して、サファイア基板の表面を窒化する。続けて、摂氏５００度においてＲＦラジカルガンから活性窒素を供給すると共に、Ｇａフラックスを供給して、１〜５ｎｍのＧａＮ膜を形成する。
【００６０】
図２（Ｂ）に示されるように、ナノコラム領域３９を基板３１上に形成する。ナノコラム領域３９は、窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラム４１を有する。V族原料の供給モル数とIII族原料の供給モル数との比（以下「Ｖ／III」として参照する）に応じて、ナノコラムの形状が変化する。ナノコラムは窒素リッチの条件で成長される。ナノコラムは、ウルツアイト構造のバッファ膜上に形成され、バッファ膜の（０００１）軸の方向に伸びる。ナノコラム領域におけるナノコラム密度は、例えばバッファ層の材料の種類、その膜厚、その成長条件に応じて変わる。ナノコラム密度は、例えば、１×１０９ｃｍ−２〜５×１０１０ｃｍ−２程度の範囲で変更可能である。窒素リッチの条件では、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが制限されるので、結晶膜の形成よりも、コラム状の結晶が成長する。
【００６１】
（実施例３）
ＧａＮナノコラム成長の一例
ＭＢＥ成長装置を用いる。Ｋセルを用いて７Ｎのガリウム源および７Ｎのアルミニウム源を提供すると共に、並びにＲＦラジカルガンを用いて６ＮのＮ２ガスを窒素源を提供する。成長温度は、摂氏７５０度から摂氏８５０度の範囲にある。ガリウム原料および活性窒素を供給する。
一例のＶ／III比：ナノコラム成長（平滑なＧａＮ成長よりも窒素リッチ条件）
である。ナノコラムの歪みは緩和されており、ナノコラム領域は非常に高品質の結晶である。成長表面はファセット面を含み成長と共に転位は曲げられ、この結果、ナノコラム領域は低転位となる。ナノコラムの直径は、成長温度、成長速度、Ｖ／III比に応じて変化し、例えば３０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の範囲で制御される。特に、ナノコラムの直径は、ガリウム供給量に大きく依存する。これは、ナノコラムの成長が、窒素リッチの条件の下でガリウムのマイグレーションを調整していることに因る。ナノコラム領域の厚さは、成長時間に応じて変更される。高品位のナノコラムを得るためには、この厚さが０．５マイクロメートル以上であれば、結晶性改善という技術的な利点がある。この厚さが３マイクロメートル程度であれば、低転位という技術的な利点がある。
【００６２】
図３に示されるように、ナノコラム領域３９の複数のナノコラム４１を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜４３を成長する。先ず、ナノコラム領域３９の複数のナノコラム４１を互いに結合する窒化ガリウム系半導体領域４５を成長する。ナノコラム領域３９の成長条件におけるガリウム供給量よりも大きいガリウム原料を供給する。ガリウム原料の増加により、ガリウムの核生成やガリウムのマイグレーションが促進される。この結果、複数のナノコラム４１が互いに結合され、遷移領域４５が形成される。
【００６３】
（実施例４）
遷移領域４５を形成する。次いで、窒化ガリウム系半導体領域４５上に窒化ガリウム単結晶領域４７を堆積する。これにより、窒化ガリウム系半導体膜４３が得られる。ナノコラム領域３９の窒化ガリウム系半導体の導電型は、窒化ガリウム半導体系膜４３の導電型と同じである。
【００６４】
この方法によれば、ナノコラム領域３９は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域３９上に成長される窒化ガリウム系半導体膜４３もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板３１が窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体３３を含むので、窒化ガリウム系半導体からなる基板を用いることなく、窒化ガリウム系半導体膜４３を得ることができる。さらに、窒化ガリウム系半導体膜４３のサイズは、実質的に上記基板３１のサイズと同じにできる。これにより、基板生産物４９が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物４９は、基板３１と、この上に成長された窒化ガリウム系領域５１とを含む。
【００６５】
以上、主要な工程を説明したが、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。
【００６６】
必要な場合には、図４（Ａ）に示されるように、基板生産物４９を準備する。基板生産物４９は、結晶成長装置５７に置かれる。図４（Ｂ）に示されるように、基板生産物４９の窒化ガリウム系半導体膜４３上に窒化ガリウム系半導体厚膜５３を成長することができる。この成長は、例えばＨＶＰＥ法等を用いて行われる。窒化ガリウム系半導体厚膜５３の導電型は、窒化ガリウム半導体系膜４３及びナノコラム領域３９の窒化ガリウム系半導体の導電型と同じである。これにより、基板生産物５５が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物５５は、基板３１と、この上に成長された窒化ガリウム系領域５９とを含む。
【００６７】
（実施例５）
厚膜の成長には、ＨＶＰＥ法が用いられる。６Ｎのガリウムソース、５Ｎの塩化水素ソース、６Ｎのアンモニアソースが用いられ、これらがＨＶＰＥ成長炉に供給される。キャリアガスとしてＨ２を用いる。この成長炉では、ＧａメタルにＨＣｌを供給して塩化ガリウムを生成する。この塩化ガリウムとアンモニアとが、下地の窒化ガリウム膜の表面で反応して、窒化ガリウムが堆積される。基板温度は、例えば摂氏９００度から摂氏１０５０度である。また、成長は、常圧で行われる。成長速度は、例えば２０−３００マイクロメートル／ｈｒ程度であり、この成長速度によれは、４ｍｍ〜８ｍｍ程度の窒化ガリウム膜を実用的な時間で成長できる。
【００６８】
窒化ガリウム系半導体厚膜５３はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶が得られる。
【００６９】
ナノコラム領域３９および窒化ガリウム系半導体膜４３の導電型はｐ型であることができる。また、窒化ガリウム系半導体厚膜５３の導電型はｐ型であることができる。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム系半導体からなる単結晶が得られる。この単結晶を用いてｐ型窒化ガリウム系半導体基板が提供される。
【００７０】
この結果、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００７１】
（第４の実施の形態）
図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。本実施の形態では、支持体３３は、エッチングにより除去可能な材料からなる。例えば、支持体３３はシリコンまたはＧａＡｓから成る。
【００７２】
図５（Ａ）に示されるように、生産物４９（または５９）をエッチング装置６１に置く。エッチング装置６１は、支持体３３を選択的に除去するために用いられる。例えば、シリコンをエッチングにより除去するためには、例えばＨＦ＋ＨＮＯ３、等を用いることができる。
【００７３】
図５（Ｂ）は、エッチング装置６１により支持体３３が選択的に除去された生産物６３を示す。生産物６３は、実質的に窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）からなる。窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）はナノコラム領域３９を含む。ナノコラム領域３９のナノコラム４１の各々では、その一端４１ａにバッファ層３５ａがエッチングされることなく残っている。必要な場合には、残ったバッファ層３５ａを除去する。これにより、基板生産物６３が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物６３は、窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）を含む。窒化ガリウム系領域５１ａ（５９ａ）は、ナノコラム領域３９と、この上に成長された窒化ガリウム系半導体膜４３（４３、５３）とを含む。
【００７４】
以上、主要な工程を説明したが、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００７５】
（第５の実施の形態）
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。本実施の形態では、支持体３３は、エッチングにより除去可能な材料からなる。支持体３３は、例えば、シリコンまたはＧａＡｓから成る。
【００７６】
図６（Ａ）に示されるように、基板生産物６３を準備する。基板生産物６３は、結晶成長装置５７に置かれる。図６（Ｂ）に示されるように、基板生産物６３の窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜６５を成長することができる。この成長は、例えばＨＶＰＥ法等を用いて行われる。基板生産物６３の窒化ガリウム系半導体５１ａの導電型は、窒化ガリウム系半導体厚膜６３の導電型と同じである。これにより、基板生産物６７が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物６７は、窒化ガリウム系領域５１ａと、この上に成長された窒化ガリウム系半導体厚膜６３とを含む。この厚膜６３は、例えば実施例５と同様にして成長されることができる。
【００７７】
この結果、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００７８】
（第６の実施の形態）
図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。本実施の形態では、支持体３３は、エッチングにより除去可能な材料からなる。支持体３３は、例えばシリコンまたはＧａＡｓから成る。
【００７９】
図７（Ａ）に示されるように、生産物５５をエッチング装置６１に置く。エッチング装置６１は、支持体３３を選択的に除去するために用いられる。例えば、シリコンをエッチングにより除去するためには、例えばＨＦ＋ＨＮＯ３、等を用いることができる。
【００８０】
図７（Ｂ）は、エッチング装置６１により支持体３３が選択的に除去された生産物７１を示す。生産物７１は、実質的に窒化ガリウム系領域５９ｂからなる。窒化ガリウム系領域５９ｂはナノコラム領域３９を含む。ナノコラム領域３９のナノコラム４１の各々では、その一端４１ａにバッファ層３５ａがエッチングされることなく残っている。必要な場合には、残ったバッファ層３５ａを除去する。これにより、基板生産物７１が得られた。窒化ガリウム系基板のための基板生産物７１は、窒化ガリウム系領域５９ｂを含む。窒化ガリウム系領域５９ｂは、ナノコラム領域３９と、この上に成長された窒化ガリウム系半導体膜４３、５３とを含む。
【００８１】
以上、主要な工程を説明したが、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法が提供される。また、これらの工程により、窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法が提供される。
【００８２】
（第７の実施の形態）
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を示す図面である。
【００８３】
まず、図８（Ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長するための基板７５を準備する。この基板７５は、窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる。また基板７５は、支持体７７と、支持体７７上に設けられたバッファ層７９とを含む。バッファ層は、支持体７７上に成長される。
【００８４】
図８（Ｂ）に示されるように、ナノコラム領域８１を基板７５上に形成する。ナノコラム領域８１は、窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有する。
【００８５】
図８（Ｃ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域８１の複数のナノコラムの一端を互いに結合すると共に、複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に窒化ガリウム系半導体膜８３を成長する。
【００８６】
図９（Ａ）に示されるように、窒化ガリウム系半導体膜８３を成長した後に、基板７７およびナノコラム領域８１を除去して窒化ガリウム系結晶体８５を作製する。基板７７の除去は、既に説明したようにエッチングにより行われる。また、ナノコラム領域８１の除去は、例えば研磨を用いることができる。
【００８７】
図９（Ｂ）に示されるように、窒化ガリウム系結晶体８５から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライス８７ａ〜８７ｄを形成する。
【００８８】
図９（Ｃ）に示されるように、研磨等の必要な処理が完了すると、窒化ガリウム系半導体ウエハ８９が完成される。窒化ガリウム系半導体ウエハ８９は、結晶成長のための主面８９ａを有する。
【００８９】
この方法によれば、ナノコラム領域８１は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域８１上に成長される窒化ガリウム系半導体膜８３もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、窒化ガリウム系半導体スライス８７ａ〜８７ｄのサイズは、実質的に上記基板７５のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さいｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム系半導体単結晶スライス８７ａ〜８７ｄを形成できる。
【００９０】
一変形例によれば、個々のナノコラムを結合するように窒化ガリウム系半導体を成長した後に、基板７５を除去する。基板８５を除去した後に、窒化ガリウム系半導体上にＨＶＰＥ法により窒化ガリウム系半導体厚膜を成長する。窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、ナノコラム領域８１を除去して窒化ガリウム系結晶体８５を作製する。この方法によれば、ナノコラム領域８１は非常に転位密度の小さい結晶からなるので、ナノコラム領域８１上に成長される窒化ガリウム系半導体膜８３もまた、非常に転位密度の小さい結晶からなる。また、基板７５を除去するので、基板７５からの応力無しで窒化ガリウム系半導体厚膜が成長される。さらに、窒化ガリウム系半導体スライス８７ａ〜８７ｄのサイズは、実質的に上記基板７５のサイズと同じにできる。したがって、非常に転位密度の小さい窒化ガリウム系半導体単結晶スライス８７ａ〜８７ｄを形成できる。別の変形例では、ナノコラム領域８１を除去した後に、窒化ガリウム系半導体厚膜を成長してもよい。
【００９１】
（実施例６）
内周刃スライサを用いて窒化ガリウム結晶体を（０００１）面に平行に切断して窒化ガリウムスライスを作製する。この後に、研磨等の加工を行い、スライス表面の変質層が除去された窒化ガリウムウエハを得る。このウエハは、半導体デバイスを作製するために使用可能である。また、ウエハの反りは非常に小さい。
【００９２】
ナノコラム領域８１、窒化ガリウム系半導体膜８３は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなることが好ましい。この方法によれば、ｎ型、ｉ型またはｐ型の窒化ガリウム単結晶体８５が得られる。
【００９３】
窒化ガリウム系結晶体８５はｐ導電型窒化ガリウム半導体からなることが好ましい。この方法によれば、ｐ型窒化ガリウム半導体基板のためスライス８７ａ〜８７ｄが提供される。
【００９４】
窒化ガリウム系半導体厚膜はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなることができる。この方法によれば、非常に転位密度の小さいＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮの単結晶スライスを形成できる。
【００９５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】図１（Ａ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。図１（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板を概略的に示す図面である。
【図２】図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図３】図３は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図４】図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法および窒化ガリウム系半導体の結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法を示す図面である。
【図５】図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図６】図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図７】図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、窒化ガリウム系半導体デバイスのための窒化ガリウム系基板を形成する方法、窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法の主要な工程を概略的に示す図面である。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）は、窒化ガリウム系半導体デバイス用の窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を示す図面である。
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、窒化ガリウム系半導体デバイス用の窒化ガリウム系基板を形成する方法の主要な工程を示す図面である。
【符号の説明】
【００９７】
１１ａ、１１ｂ…基板、１３…ナノコラム領域、１５…窒化ガリウム半導体膜、１７…支持基体、１９…ナノコラム、２１…支持体、２３…バッファ膜、Ｄ１…
ナノコラム領域の厚さ、Ｄ２…窒化ガリウム半導体膜の厚さ、２５…ナノコラム領域、２７…窒化ガリウム半導体膜、２９…ナノコラム、Ｄ３…ナノコラム領域の厚さ、Ｄ４…窒化ガリウム半導体膜の厚さ、３１…基板、３３…支持体、３５…バッファ膜、３７…結晶成長装置、３９…ナノコラム領域、４１…ナノコラム、４３…窒化ガリウム半導体系膜、４５…窒化ガリウム系半導体領域または遷移領域、４７…窒化ガリウム単結晶領域、４９…基板生産物、５１…窒化ガリウム系領域、５１ａ…窒化ガリウム系半導体、５３…窒化ガリウム系半導体厚膜、５５…基板生産物、５７…結晶成長装置、５９…窒化ガリウム系領域、５９ａ…窒化ガリウム系領域、５９ｂ…窒化ガリウム系領域、６１…エッチング装置、６３…基板生産物、６７…基板生産物、７１…基板生産物、７５…基板、７７…支持体、７９…バッファ層、８１…ナノコラム領域、８３…窒化ガリウム系半導体膜、８５…窒化ガリウム系結晶体、８７ａ〜８７ｄ…窒化ガリウム系半導体スライス、８９…窒化ガリウム系半導体ウエハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法であって、
窒化ガリウム系半導体とは異なる半導体材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、
前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と
を備え、
前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は、前記窒化ガリウム半導体系膜の導電型と同じである、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程を更に備え、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項５】
前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と
を更に備え、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なる、ことができる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項６】
前記窒化ガリウム半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、
前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程と
を更に備え、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項７】
前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記窒化ガリウム系半導体厚膜はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなる、ことを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜の導電型はｐ型である、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】
前記基板はシリコン支持体を含む、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】
前記基板はＧａＡｓからなる支持体を含む、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１２】
窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板であって、
窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜と
を備え、
前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである、ことを特徴とする基板。
【請求項１３】
窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板であって、
窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜と、
窒化ガリウムとは異なる半導体材料からなる支持体を含み、前記複数のナノコラムの他端を支持する支持基体と
を備え、
前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである、ことを特徴とする基板。
【請求項１４】
前記支持基体は、シリコンおよびＧａＡｓのいずれかからなる支持体を含む、ことを特徴とする請求項１３に記載された基板。
【請求項１５】
前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム半導体膜の導電型はｐ型である、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基板。
【請求項１６】
窒化ガリウム系基板を形成する方法であって、
窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、
窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、
前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板および前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、
前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程と
を備える、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
窒化ガリウム系基板を形成する方法であって、
窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、
窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、
前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、
前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上にＨＶＰＥ法により窒化ガリウム系半導体厚膜を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、
前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程と
を備える、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載された方法。
【請求項１９】
前記窒化ガリウム系半導体厚膜は、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなる、ことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載された方法。
【請求項２０】
前記窒化ガリウム系半導体スライスはｐ導電型窒化ガリウム半導体からなる、ことを特徴とする請求項１６〜請求項１９のいずれか一項に記載された方法。
【請求項１】
窒化ガリウム系結晶成長用基板のための窒化ガリウム系結晶体を形成する方法であって、
窒化ガリウム系半導体とは異なる半導体材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、
前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合するように窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と
を備え、
前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は、前記窒化ガリウム半導体系膜の導電型と同じである、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜は窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項１に記載された方法。
【請求項３】
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程を更に備える、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項４】
前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程を更に備え、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項５】
前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と
を更に備え、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なる、ことができる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項６】
前記窒化ガリウム半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、
前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上に窒化ガリウム系半導体厚膜をＨＶＰＥ法で成長する工程と
を更に備え、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長する結晶成長法はＨＶＰＥ法と異なる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された方法。
【請求項７】
前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載された方法。
【請求項８】
前記窒化ガリウム系半導体厚膜はＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなる、ことを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれか一項に記載された方法。
【請求項９】
前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム系半導体膜の導電型はｐ型である、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】
前記基板はシリコン支持体を含む、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】
前記基板はＧａＡｓからなる支持体を含む、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１２】
窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板であって、
窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜と
を備え、
前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである、ことを特徴とする基板。
【請求項１３】
窒化ガリウム系半導体デバイスのための基板であって、
窒化ガリウムからなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域と、
前記複数のナノコラムの一端の各々に接続されており窒化ガリウム系半導体デバイスを形成するための主面を有する窒化ガリウム半導体膜と、
窒化ガリウムとは異なる半導体材料からなる支持体を含み、前記複数のナノコラムの他端を支持する支持基体と
を備え、
前記ナノコラム領域の窒化ガリウムの導電型は前記窒化ガリウム半導体膜の導電型と同じである、ことを特徴とする基板。
【請求項１４】
前記支持基体は、シリコンおよびＧａＡｓのいずれかからなる支持体を含む、ことを特徴とする請求項１３に記載された基板。
【請求項１５】
前記ナノコラム領域および前記窒化ガリウム半導体膜の導電型はｐ型である、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基板。
【請求項１６】
窒化ガリウム系基板を形成する方法であって、
窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、
窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、
前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板および前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、
前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程と
を備える、ことを特徴とする方法。
【請求項１７】
窒化ガリウム系基板を形成する方法であって、
窒化ガリウム系半導体とは異なる材料からなる支持体を含んでおり窒化ガリウム系半導体を成長するための基板を準備する工程と、
窒化ガリウム系半導体からなる複数のナノコラムを有するナノコラム領域を前記基板上に形成する工程と、
窒化ガリウム系半導体を成長しながら、前記ナノコラム領域の前記複数のナノコラムの一端を互いに結合する工程と、
前記複数のナノコラムの一端を互いに結合した後に、窒化ガリウム系半導体膜を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体膜を成長した後に、前記基板を除去する工程と、
前記基板を除去した後に、前記窒化ガリウム系半導体膜上にＨＶＰＥ法により窒化ガリウム系半導体厚膜を成長する工程と、
前記窒化ガリウム系半導体厚膜を成長した後に、前記ナノコラム領域を除去して窒化ガリウム系結晶体を作製する工程と、
前記窒化ガリウム系結晶体から一又は複数の窒化ガリウム系半導体スライスを形成する工程と
を備える、ことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記ナノコラム領域、前記窒化ガリウム系半導体膜および前記窒化ガリウム系半導体厚膜は同一の導電型を有する窒化ガリウムからなる、ことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載された方法。
【請求項１９】
前記窒化ガリウム系半導体厚膜は、ＩｎＸＡｌＹＧａ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１）からなる、ことを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載された方法。
【請求項２０】
前記窒化ガリウム系半導体スライスはｐ導電型窒化ガリウム半導体からなる、ことを特徴とする請求項１６〜請求項１９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６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２９７２２３（Ｐ２００７−２９７２２３Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２４１２０（Ｐ２００６−１２４１２０）
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【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１９年１１月１５日（２００７．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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