ＧａＮ半導体基板の製造方法およびＧａＮ半導体基板
【課題】良好な品質の無極性面ＧａＮ結晶を生成できるＧａＮ半導体基板の製造方法を提供する。
【解決手段】下地基板１０上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物からなる層を形成する工程と、炭化物層を窒化する工程と、窒化された炭化物層１２の上に、ＧａＮ結晶を無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層１６を形成する工程と、下地基板１０を除去して、無極性面ＧａＮ結晶層１６を含むＧａＮ半導体基板を得る工程と、を含むＧａＮ半導体基板の製造方法。
【解決手段】下地基板１０上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物からなる層を形成する工程と、炭化物層を窒化する工程と、窒化された炭化物層１２の上に、ＧａＮ結晶を無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層１６を形成する工程と、下地基板１０を除去して、無極性面ＧａＮ結晶層１６を含むＧａＮ半導体基板を得る工程と、を含むＧａＮ半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ半導体基板の製造方法、およびこの方法により得られるＧａＮ半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバルク結晶から作製した基板は、青紫色レーザに必要不可欠とされ、開発と応用がなされてきたが、さらに高輝度白色発光ダイオード用基板や電子デバイス用基板として使用する試みが活発化している。従来の技術では、サファイア基板のｃ面にＧａＮ結晶を成長させるため、得られるＧａＮ結晶はｃ面ＧａＮ結晶であった（例えば、特許文献１）。しかし、ｃ面ＧａＮ結晶は、成長方向にＧａ原子のみから構成される原子面とＮ原子のみから構成される原子面が交互に積層し、電気的中性が保たれるように結晶の終端面の一方がＧａ原子面、もう一方がＮ原子面となっているためにｃ軸に沿って自発分極が生じ、電子と正孔が対向する面に分離してしまう性質がある。さらに、サファイアのａ軸方向の格子定数とＧａＮのａ軸方向の格子定数に差があることが原因で、ＧａＮのｃ軸方向にピエゾ電界が生じ、これが原因となり発光層に注入される電子と正孔が離れ、発光に寄与する再結合確率が低下して内部量子効率が低下する。また、このｃ面ＧａＮ結晶を発光デバイスに用いた場合、発光波長が長波長側にずれ、印加する電圧によっても発光波長が変化するなどの不具合が生じる。
この問題を回避するために無極性面のＧａＮ結晶を用いることが有用である。ＧａＮの無極性面にはａ面とｍ面があるが、これら無極性面はＧａとＮを同数含むことから電気的中性が保たれており、成長方向に沿った分極の発生を抑制できる。
無極性面のａ面およびｍ面を成長面としたＧａＮ結晶とその製造方法は、特許文献２および３に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２８４６００号公報
【特許文献２】特開２００５−３２０２３７号公報
【特許文献３】特開２０００−２１６４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の方法では、無極性面ＧａＮ結晶を良好な結晶品質で得ることは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従来の方法で無極性面ＧａＮ結晶が安定的に得られない原因として、下地基板結晶と無極性面ＧａＮ結晶との格子不整合が大きいことが考えられる。
そこで、本発明者らは、上記事情を鑑みて鋭意検討した結果、下地基板上に、炭化物層を設けることにより、無極性面ＧａＮ結晶が良好に成長することを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物層を形成する工程と、前記炭化物層を窒化する工程と、窒化された前記炭化物層の上に、ＧａＮ結晶を無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層を形成する工程と、前記下地基板を除去して、前記無極性面ＧａＮ結晶層を含むＧａＮ半導体基板を得る工程と、を含むことを特徴とするＧａＮ半導体基板の製造方法を提供するものである。
【０００５】
下地基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、γ−ＬｉＡｌＯ２基板等を使用することが可能である。前記下地基板を使用してａ面ＧａＮ結晶を成長するには、ｒ面サファイア基板、６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板、２Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板、３Ｃ−ＳｉＣ（１００）基板、ＺｎＯ（１１−２０） 基板、シリコン（１００）基板、ＧａＡｓ（１００）基板、ＧａＰ（１００）基板、γ−ＬｉＡｌＯ２（１１０）基板などが好適である。また、ｍ面ＧａＮ結晶を成長するには、ｍ面サファイア基板、６Ｈ−ＳｉＣ（１０−１０）基板、４Ｈ−ＳｉＣ（１０−１０）基板、２Ｈ−ＳｉＣ（１０−１０）基板、３Ｃ−ＳｉＣ（１１０）基板、ＺｎＯ（１０−１０） 基板、シリコン（１１０）基板、ＧａＡｓ（１１０）基板、ＧａＰ（１１０）基板、γ−ＬｉＡｌＯ２（１０１）基板などが好適である。
特に、サファイア基板は大口径の基板が入手可能であり、ＧａＮ成長時の原料ガスや雰囲気ガスに対して安定であるため、例えばｒ面サファイア基板の上に上記の炭化物層を形成することによって、ａ面ＧａＮを安定的に成長させることができる。また、炭化物層を窒化することにより、ＧａＮ結晶からのｒ面サファイア基板の剥離が容易になる。すなわち本発明において、下地基板の上に炭化物層を形成し、この炭化物層を窒化することにより、下地基板とＧａＮと間に生じる格子不整合や熱応力歪みが緩和され、結晶性の優れた無極性面ＧａＮ結晶が得られるとともに、下地基板の剥離が容易になる。
【０００６】
この際、無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる前記工程は、窒化された前記炭化物層の上にファセット構造のＧａＮ膜を形成させながら、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長させる工程を含むことが好ましい。
ファセット構造のＧａＮ膜を形成させながら無極性面ＧａＮ結晶層を成長させることにより、下地基板から成長方向に伸びた転位はファセット構造で横方向に折り曲げられ、上部の無極性面ＧａＮ結晶層中に結晶欠陥が伝達されることが抑制される。これにより、結晶品質の良い無極性面ＧａＮ結晶層を安定的に得ることができる。
【０００７】
また、ファセット構造のＧａＮ膜の厚さは、３μｍ以上、２５μｍ以下に制御することが好ましい。ファセット構造のＧａＮ膜の厚さが、３μｍより薄い場合、ファセット構造が明確な結晶面を呈する形態となり難く、結晶品質の向上効果は不安定となる。一方、２５μｍより厚い場合、下地基板からＧａＮ膜には多数の転位が伸び、ＧａＮ膜の表層部に形成されたファセット構造で多数の転位を横方向に折り曲げることが困難となり、結晶品質の向上効果は不安定となる。
【０００８】
また、ＧａＮ半導体基板を得る前記工程は、前記下地基板、前記窒化された炭化物層、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長温度から冷却し、この冷却過程で、前記無極性面ＧａＮ結晶層から、前記下地基板を分離除去する工程を含む。
この方法によれば、下地基板の熱膨張係数と無極性ＧａＮ結晶層との熱膨張係数との違いにより発生する応力を利用して、下地基板と無極性ＧａＮ結晶層とを容易に分離することができる。
【０００９】
さらに、炭化物層の厚さは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。炭化物層の厚さが５ｎｍより薄い場合、炭化物層は殆どが窒化物に変化するとともに、生成したカーボンがメタンとなって消失するため、無極性面ＧａＮ結晶層が窒化物を介して下地基板と強固に結合し、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を分離除去することは困難となる場合がある。一方、２００ｎｍより厚い場合、炭化物層の窒化が不十分となり、無極性面ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長後にも下地基板との間に炭化物層が残留することで、窒化された炭化物層と残留した炭化物との界面からクラックが入り、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を分離除去することは困難となる場合がある。
【００１０】
さらに、炭化物層を窒化する前記工程は、３００℃以上１０５０℃以下の温度で行われることが好ましい。３００℃未満では、炭化物層の窒化速度が遅い。従って、炭化物層の窒化が不十分となり、無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長後にも下地基板との間に炭化物層が残留することで、窒化された炭化物層と残留した炭化物との界面からクラックが入り、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を分離除去することが困難となる場合がある。また、１０５０℃より高温にすると、炭化物層の窒化とともに生成したカーボンのメタン化が促進されるため、下地基板との界面でカーボンの残留量が減り、無極性面ＧａＮ結晶層が窒化物を介して下地基板と強固に結合するため、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を除去することが困難となる場合がある。炭化物層を窒化する温度を３００℃以上１０５０℃以下とすることで、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板をより容易に剥離することができる。
【００１１】
下地基板としてはサファイア基板が、ＧａＮ成長雰囲気で化学的に安定であり、大口径基板も入手し易い。ｒ面サファイア基板は炭化物層と格子整合性が良好であり、炭化物層の窒化によって生成する窒化物とａ面ＧａＮと格子整合性も良好であるため、良好な結晶品質の無極性ＧａＮ結晶層を得ることが可能となる。
【００１２】
また、本発明によれば、上述したいずれかの製造方法により製造されたＧａＮ半導体基板も提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、良好な結晶品質の無極性面ＧａＮ結晶を得ることができ、さらにＧａＮ半導体基板の製造方法が提供される。また、本発明のＧａＮ半導体基板の製造方法において、容易に下地基板を剥離することができるため、良好な結晶品質の無極性面ＧａＮ結晶が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
本実施形態に係る自立基板の製造方法の概要について説明する。本実施形態の自立基板の製造方法は、以下の工程を含むものである。
（ｉ）下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物層を形成する工程、
（ｉｉ）上記炭化物層を窒化する工程、
（ｉｉｉ）窒化された上記炭化物層の上に、ＧａＮ結晶を、その無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層を形成する工程、
（ｉｖ）上記下地基板を除去して、上記無極性面ＧａＮ結晶層を含むＧａＮ半導体基板を得る工程。
【００１６】
以下に、本実施形態に従う方法を、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮ結晶層を成長する場合を例に挙げ詳細に説明する。
（ｉ）炭化物層の形成工程
まず、ｒ面サファイア基板として、例えば、厚さ５５０μｍ、３インチφのｒ面サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１０を用意する。このｒ面サファイア基板は、市販のものを使用することができる。次に、このｒ面サファイア基板１０上に、炭化物層１１を形成する（図１（Ａ））。
【００１７】
炭化物層１１の成膜条件は、例えば以下のようにする。
【００１８】
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：６００〜１０００℃
成膜時間：１〜４０分
ターゲット：Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａ）
反応ガス：メタン
膜厚 ：５ｎｍ〜２００ｎｍ
【００１９】
炭化物としては、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかが使用される。これらの炭化物はいずれも面心立方晶の結晶構造を有する。これらの炭化物は、図３に示すように、ｒ面サファイアとａ面ＧａＮに対する格子不整合が比較的小さいため、その上に成長するａ面ＧａＮ結晶の結晶性が良好となる。上記炭化物の中でもｒ面サファイアおよびａ面ＧａＮと格子不整合率が小さい炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブまたは炭化タンタルは好適である。
炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムまたは炭化タンタルは、一般的に不定比組成であることが知られており、Ｃ／Ｍモル比（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａ）が３／４あるいは１／１などに限定されるものではない。なお、炭化物層に過剰のカーボンまたはＭ（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａ）が混合していても構わない。炭化物層を窒化する工程で過剰のカーボンの多くはメタン化により消失し、過剰なＭは窒化され、炭化物の窒化によって生成するＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、ＴａＮと一体になる。
【００２０】
ここで、サファイアのｒ面とは、（１−１０２）面であり、ＧａＮのａ面とは、（１１−２０）面である。
ｒ面サファイアと炭化物との格子不整合は、以下のように定義される。
Ａｌ２Ｏ３〔１１−２０〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（サファイア単位格子のａ軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）］／（サファイア単位格子のａ軸長）｝×１００・・・式（１）
Ａｌ２Ｏ３〔１−１０１〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（サファイア単位格子の〔１−１０１〕軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）×３］／（サファイア単位格子の〔１−１０１〕軸長）｝×１００・・・式（２）
【００２１】
ａ面ＧａＮと炭化物との格子不整合は以下のように定義される。
ＧａＮ〔１−１００〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（ＧａＮ単位格子の〔１−１００〕軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）］／（ＧａＮ単位格子の〔１−１００〕軸長）｝×１００・・・式（３）
ＧａＮ〔０００１〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（ＧａＮ単位格子のｃ軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）×３］／（ＧａＮ単位格子のｃ軸長）｝×１００・・・式（４）
式（２）および（４）において炭化物単位格子のａ軸長を３倍しているが、炭化物単位格子のａ軸方向に３つの炭化物単位格子を重ねるとサファイア単位格子の〔１−１０１〕軸長と整合性が保たれることを意味する。上記の各軸長を図４に示す。
【００２２】
（ｉｉ）炭化物層を窒化する工程
次に、図１（Ｂ）に示すように、炭化物層１１を３００℃〜１０５０℃の温度で窒化し、窒化した炭化物層１２を形成する。
炭化物層１１の窒化条件は、例えば以下のようにする。
【００２３】
窒化ガス：アンモニア（ＮＨ３）ガス、ＮＨ３とＨ２の混合ガス、ＮＨ３とＨ２とＮ２の混合ガス、またはＨ２とＮ２の混合ガス
窒化温度：３００℃〜１０５０℃
窒化時間：３分〜６０分
【００２４】
炭化物層１１の窒化は、スパッタリング装置内で炭化物層１１の形成工程から連続で行うこともできる。また、ＧａＮ成長に用いるＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置内で炭化物層１１の窒化を行い、連続してａ面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長することも可能である。
炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化ニオブ層、炭化バナジウムまたは炭化タンタル層は、以下の（５）式および（６）式に示すように窒化によってＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮまたはＴａＮを生成する。（５）式および（６）式の反応を完全に進めてしまうと下地基板上にはＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮまたはＴａＮが形成されるが、炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化ニオブ層、炭化バナジウムまたは炭化タンタル層を適度に窒化するとｒ面サファイア基板と接する部分にはＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＶＣまたはＴａＣが残り、その上にはＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＶＣまたはＴａＣの結晶情報を引き継いだＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮまたはＴａＮを有する、窒化された炭化物層１２が形成される。
２ＭＣ＋２ＮＨ３＋Ｈ２→２ＭＮ＋２ＣＨ４・・・（５）式
６ＭＣ＋８ＮＨ３→６ＭＮ＋６ＣＨ４＋Ｎ２・・・（６）式
（５）式および（６）式において、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａである。
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａは、これら炭化物と窒化物の結晶構造が同一であるため、ＴｉＣからＴｉＮ、ＺｒＣからＺｒＮ、ＨｆＣからＨｆＮ、ＮｂＣからＮｂＮ、ＶＣからＶＮまたはＴａＣからＴａＮへの結晶情報の引継ぎが良好である。
なお、図１（Ｂ）に示す符号１２２は、窒化していない炭化物層を示し、符号１２１は、窒化物層を示す。すなわち、ｒ面サファイア基板１０と接する部分には窒化していない炭化物が残り、その上にはこの炭化物の結晶情報を引き継いだ窒化物が形成されることを示している。
【００２５】
（ｉｉｉ）無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ＧａＮのファセット構造の形成）
次に、図１（Ｃ）に示すように、窒化した炭化物層１２上にファセット構造のＧａＮ膜１４を形成する。ファセット構造を簡便に形成するには、ＧａＮ結晶を比較的低い温度で短時間の薄膜成長により形成する方法があり、ファセットを有した島状結晶からなるＧａＮ膜が得られる。
ＧａＮ膜１４の成膜条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
成膜方法：ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法
成膜温度：３００℃〜１０００℃
成膜時間：０．５分〜５分
膜厚：３μｍ〜２５μｍ
ＨＶＰＥ装置（図示略）中には、Ｇａソースが配置され、このＧａソースに対し、ＨＣｌガスを供給する。ＨＣｌガスと、Ｇａソースを反応させ、ＧａＣｌを窒化した炭化物層１２を含むサファイア基板１０近傍の領域に輸送する。この領域には、ＮＨ３ガスも供給されているので、ＮＨ３ガスと、ＧａＣｌが反応してファセット構造のＧａＮ膜１４が形成されることとなる。
【００２６】
次いで、図２（Ａ）に示すように、ファセット構造のＧａＮ膜１４の上に、ＧａＮ結晶をａ面を成長面としてエピタキシャル成長させて、ａ面ＧａＮ結晶層１６を形成する。
ａ面ＧａＮ結晶層１６の成長条件は、例えば、以下のようにすることができる。
【００２７】
成膜方法：ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法
成膜温度：１０００℃〜１０８０℃
成膜時間：３０分〜２７０分
膜厚：１００〜９００μｍ
ＨＶＰＥ装置（図示略）中には、Ｇａソースが配置され、このＧａソースに対し、ＨＣｌガスを供給する。ＨＣｌガスと、Ｇａソースを反応させ、ＧａＣｌをファセット構造のＧａＮ膜１４を含む基板近傍の領域に輸送する。この領域には、ＮＨ３ガスも供給されているので、ＮＨ３ガスと、ＧａＣｌが反応してａ面ＧａＮ結晶層１６が形成されることとなる。窒化していない炭化物層１２２は徐々にＧａＮ結晶から供給される窒素原子で窒化され、カーボンを含有する窒化物を生成する。最終的に図２（Ｂ）に示すように、カーボンを含有した窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７が生成する。なお、図２（Ｂ）において、符号１２３は、カーボンを含有する窒化物層を示している。
【００２８】
（ｉｖ）サファイア基板の剥離工程
次に、図２（Ｃ）に示すように、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７から、ｒ面サファイア基板１０を剥離して除去する。
具体的には、ａ面ＧａＮ結晶層１７を形成したＨＶＰＥ装置の温度を成長温度から降温し、このａ面ＧａＮ結晶層１７を常温まで冷却する。
この冷却中に、ａ面ＧａＮ結晶層１７とｒ面サファイア基板１０の熱膨張係数の違いから、これらの積層体に歪みが生じ、ａ面ＧａＮ結晶層１７とｒ面サファイア基板１０とが分離されることとなる。
その後、剥離したａ面ＧａＮ結晶層１７の表面および裏面を研磨することで、平坦化した自立基板であるａ面ＧａＮ基板を作製することができる。
【００２９】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
ｒ面サファイア基板１０の上に、炭化物層１１を形成し、この炭化物層１１を窒化し、その後この窒化された炭化物層１２の上でＧａＮ結晶を成長させることにより、良好な結晶品質のａ面ＧａＮを得ることができる。
また、ｒ面サファイア基板１０上に炭化物層１１を形成し、この炭化物層１１を窒化することで、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７から、サファイア基板１０を容易に除去することができる。従って、従来技術のように、レーザ光を使用してＧａＮ膜を熱分解したり、金属膜をエッチングしたりする必要がない。
【００３０】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００３１】
上記実施形態における、炭化物層１１、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ半導体層１７等の膜厚、製造条件は単なる例示に過ぎず、形成する半導体層の組成、構造に応じて適宜変更可能である。
また、窒化した炭化物層１２上にファセット構造のＧａＮ膜１４を形成する手段として特定のＨＶＰＥ条件を用いたが、形成手段はこれに限定されない。例えば、前記実施形態と同様の方法で窒化した炭化物層１２上にマスクとなるＳｉＯ２膜を作製し、サファイア基板１０上にストライプ状の開口部を設け、開口部内でファセット構造のＧａＮ膜１４を形成させ、その後ＧａＮ半導体層１６を成長させると、最終的に生成するカーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ半導体層１７中に結晶欠陥が伝達されることが抑制される。このため、得られるＧａＮ半導体基板の品質を向上させることができる。マスクのピッチ、マスクの幅、マスク間の開口部幅は、結晶欠陥伝達の抑制効果に優れる構成を選択する。例えばマスクのピッチあるいは開口部の幅を一定の規則性を有するように変化させることでファセット構造を大きくすることが可能である。また開口部の形状もストライプに限定せずに、格子状、ドット状なども適用可能である。
【００３２】
また、前記実施形態のｒ面サファイア基板１０を剥離する工程では、ｒ面サファイア基板１０、およびカーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７を冷却することで、ｒ面サファイア基板１０を分離したが、これに限らず、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７にダメージが加わらない程度の力を加えることで、ｒ面サファイア基板１０を剥離してもよい。
ただし、前記実施形態のように、冷却することにより、ほとんど外力を加えずに、ｒ面サファイア基板１０が分離除去されれば、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７に加わるダメージを確実に抑制することができる。このため、損傷の少ない高品質のａ面ＧａＮ半導体基板が安定的に得られる。
【００３３】
このようなａ面ＧａＮ半導体基板上にＧａＮ系素子構造を作製すれば、結晶の上下面にアップダウン電極構造を有する発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子を作ることが可能であり、高性能トランジスタ等の電子デバイスへの適用も可能である。好ましくは、ａ面ＧａＮ半導体基板は、鏡面に研摩され、ドライエッチングまたはケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）を施された後、この上に、発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子、さらにはトランジスタ等の電子デバイスが作製される。また、ａ面ＧａＮ半導体基板を種結晶として、ＨＶＰＥ法、フラックス法、アモノサーマル法などにより高品質ＧａＮ結晶を成長させることが可能である。
【００３４】
さらに、上記実施形態では、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７を成長させた直後にｒ面サファイア基板１０を分離していたが、これに限らず、ａ面ＧａＮ結晶層１７上に発光ダイオード等の発光素子、さらには、トランジスタ等の電子デバイスを作製した後に、ｒ面サファイア基板１０を除去しても良い。
【００３５】
また、前記実施形態では、単層のカーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７を得たが、これに限られるものではない。本発明で製造されるＧａＮ半導体基板は多層構造であっても良い。
なお、上記実施形態ではｒ面サファイア基板上へのａ面ＧａＮ結晶層の成長について説明したが、ｍ面ＧａＮ結晶層についても上記の好適な下地基板を選択することで成長が可能であり、ｍ面ＧａＮ半導体基板を安定的に得ることが可能である。無極性面ＧａＮ半導体としては、ＧａＮに限らずＡｌやＩｎを含む窒化物半導体であっても構わない・
【実施例】
【００３６】
以下、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の例により制限されるものではない。
【００３７】
（実施例１）
本実施例では、上記実施形態（図１および図２）で説明したものと同様の工程を用いた。本実施形態では、炭化物層として、炭化チタン層を形成した。下地基板としては、８５ｍｍφｒ面サファイア基板を使用した。
１．炭化チタン層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：８分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス圧力：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｔｉ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
得られた炭化チタン層のＸ線回折パターンにより、ｒ面サファイア基板上に成膜した炭化チタンは、（１１１）配向であることが確認された（図５）。
【００３８】
２．炭化チタン層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化チタン層を窒化した。
【００３９】
３．無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．１８ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：２５μｍ
次に、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚３００μｍとした。成膜温度の１０４０℃まで昇温する間もＮＨ３ガスは供給した。
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成長方法：ＨＶＰＥ法
成長温度：１０４０℃
成長ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：９０分
ＧａＮ層厚さ：３００ μｍ
炭化チタン層を窒化する工程と、無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程の温度プロファイルを図６に示す。なお、図６において、ＧａＣｌの下側の矢印は、５０分〜５５分、７０〜１６０分の間でＧａＣｌが発生していることを示し、ＮＨ３の下側の矢印は、矢印で示す間中、ＮＨ３ガスを供給していることを示している。
【００４０】
４．サファイア基板の剥離工程
ＧａＮ結晶層を形成したＨＶＰＥ装置の反応管の温度を降温し、常温まで冷却した。
ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層のＸ線回折パターンを図７に、Ｘ線ロッキングカーブを図８に示す。これらから、ＧａＮは、ａ面ＧａＮであり、（１１−２０）半値幅が８００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００４１】
図９（Ａ）、（Ｂ）に、ＧａＮ表面の顕微鏡像（１００倍）を示し、図１０に、ＧａＮ表面の顕微鏡像（２００倍）を示す。
図１１（Ａ）、（Ｂ）は、ＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像（１００倍）であり、図１２は、ＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像（１０００倍）である。
本実施例で得られたＧａＮ結晶層表面は、平坦でありピットが少ないことが分かる。ＧａＮ結晶層の断面像からは、３００μｍの成長段階で、ＧａＮ結晶層が略平坦になっていることが分かる。
以上より、ｒ面サファイア基板上に、炭化物層を成膜し、この炭化物層を窒化した後に、ＧａＮ結晶を成長させると、ａ面ＧａＮ結晶層が良好な結晶品質で得られることが分かった。
【００４２】
（実施例２）
本実施例では、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程の中で、ファセット構造のＧａＮ膜の形成を行わなかった以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
３．無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成長方法：ＨＶＰＥ法
成長温度：１０４０℃
成長ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：９０分
ＧａＮ層厚さ：３００ μｍ
【００４３】
ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は９００ａｒｃｓｅｃと比較的良好な結晶品質を有することが確認された。
【００４４】
（実施例３）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ジルコニウム層の形成工程、および炭化ジルコニウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化ジルコニウム層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｚｒ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００４５】
２．炭化ジルコニウム層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化ジルコニウム層を窒化した。
【００４６】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は５００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００４７】
（実施例４）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ハフニウム層の形成工程、および炭化ハフニウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化ハフニウム層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｈｆ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００４８】
２．炭化ハフニウム層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化ハフニウム層を窒化した。
【００４９】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５０】
（実施例５）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ニオブ層の形成工程、および炭化ニオブ層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化ニオブ層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｎｂ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００５１】
２．炭化ニオブ層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化ニオブ層を窒化した。
【００５２】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５３】
（実施例６）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化バナジウム層の形成工程、および炭化バナジウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化バナジウム層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｖ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００５４】
２．炭化バナジウム層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化バナジウム層を窒化した。
【００５５】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は９００ａｒｃｓｅｃと比較的良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５６】
（実施例７）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化タンタル層の形成工程、および炭化タンタル層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化タンタル層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：９分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｔａ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００５７】
２．炭化タンタル層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化タンタル層を窒化した。
【００５８】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５９】
（比較例１）
本比較例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を除いた以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。下地基板としては、８５ｍｍφｒ面サファイア基板を使用した。
１． 無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．０９ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：２５μｍ
次に、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚３００μｍとした。成膜温度の１０４０℃まで昇温する間もＮＨ３ガスは供給した。
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
成膜温度：１０４０℃
成膜ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：９０分
膜厚 ：６０ μｍ（目標：３００μｍ）
【００６０】
２．サファイア基板の剥離工程
ＧａＮ結晶層を形成したＨＶＰＥ装置の反応管の温度を降温し、常温まで、冷却したが、ＧａＮ結晶層はエピタキシャル成長中にサファイア基板に密着したまま無定形の小片に割れたため目標の膜厚３００μｍに達する前にエピタキシャル成長を中止した。ＧａＮ結晶層の膜厚は６０μｍであった。
【００６１】
（比較例２）
本比較例では、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長時間を１０分にした以外は比較例１で説明したものと同様の工程を用いた。下地基板としては、８５ｍｍφｒ面サファイア基板を使用した。
１．無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．０９ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：２５μｍ
次に、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚３００μｍとした。成膜温度の１０４０℃まで昇温する間もＮＨ３ガスは供給した。
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
成膜温度：１０４０℃
成膜ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：１０分
膜厚 ：２０ μｍ
【００６２】
２．サファイア基板の剥離工程
ＧａＮ結晶層を形成したＨＶＰＥ装置の反応管の温度を降温し、常温まで、冷却したが、ＧａＮ結晶層はサファイア基板に密着したままで、剥離しなかった。得られたサファイア基板上のＧａＮ結晶のＸ線ロッキングカーブを図１３に示す。これらから、ＧａＮは、ａ面ＧａＮであり、（１１−２０）半値幅は９５０ａｒｃｓｅｃであった。
【００６３】
（実施例８）
本実施例では、ファセット構造のＧａＮ膜の厚さを変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：０．５分〜５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．１８ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：３μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍの各膜厚に制御した。
【００６４】
（比較例３）
比較例３において、ＧａＮ膜の膜厚を１μｍ、３５μｍに変更した。他の条件は実施例８と同じである。
【００６５】
（実施例８と比較例３の結果）
ａ面ＧａＮ半導体層の結晶性について（１１―２０）Ｘ線ロッキングカーブ半値幅で評価し、以下の結果が得られた。
１μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ船ロッキングカーブ半値幅は９００ａｒｃｓｅｃであった。
３μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃであった。
５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃであった。
１０μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃであった。
１５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃであった。
２０μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃであった。
２５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ船ロッキングカーブ半値幅は８００ａｒｃｓｅｃであった。
３５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は１０００ａｒｃｓｅｃであった。
以上の実施例８および比較例３の結果より、ＧａＮ膜の膜厚は３μｍから２５μｍとすることが好ましい。
【００６６】
（実施例９）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程において膜厚を５ｎｍ、１００ｎｍ、１４０ｎｍ、２００ｎｍに変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化チタン層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：１分、２０分、２８分および４０分にすることで膜厚を制御した。
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｔｉ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚：５ｎｍ、１００ｎｍ、１４０ｎｍおよび２００ｎｍの各膜厚に制御した。
【００６７】
（比較例４）
比較例４において、成膜時間を０．５分および４８分とすることでＧａＮ結晶膜の膜厚を３ｎｍおよび２４０ｎｍに変更した。他の条件は実施例９と同じである。
【００６８】
（実施例９と比較例４の結果）
ａ面ＧａＮ半導体層の剥離状況に関しては、以下の結果が得られた。
３ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、６枚でクラックが発生し剥離できなかった。
５ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１００ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１４０ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
２００ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
２４０ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、５枚でクラックが発生し剥離できなかった。
以上の実施例９および比較例４の結果より、炭化物層の膜厚は１０ｎｍから２００ｎｍとすることが好ましい。
【００６９】
（実施例１０）
本実施例では、炭化チタン層を窒化する工程において、窒化を３００℃保持、６００℃保持または１０５０℃保持に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
２．炭化チタン層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃、６００℃および１０５０℃の各温度に制御した。
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
【００７０】
（比較例５）
比較例５において、窒化温度を２５０℃および１１００℃に変更した。他の条件は実施例１０と同じである。
【００７１】
（実施例１０と比較例５の結果）
ａ面ＧａＮ半導体層の剥離状況に関しては、以下の結果が得られた。
２５０℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、４枚でクラックが発生し剥離できなかった。
３００℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
６００℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１０５０℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１１００℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、６枚でクラックが発生し剥離できなかった。
以上の実施例１０および比較例５の結果より、炭化物層を窒化する工程は、３００℃以上１０５０℃以下で行うことが好ましい。
【００７２】
実施例１において、ａ面ＧａＮ半導体層をｒ面サファイア基板から剥離して得られたＧａＮ結晶の表面および裏面をダイヤモンドスラリーで研磨することで、平坦化した自立基板である厚さ２００μｍのａ面ＧａＮ自立基板を作製した。図１４に作製したａ面ＧａＮ自立基板を示す。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態にかかるＧａＮ半導体基板の製造工程を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるＧａＮ半導体基板の製造工程を示す模式図である。
【図３】本発明で使用される炭化物および窒化物の結晶構造と格子不整合率を示す表である。
【図４】本発明で使用される炭化物、窒化物およびサファイアの格子定数を示す表である。
【図５】実施例１の炭化チタンのＸ線回折パターンを示す図である。
【図６】実施例１の無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程の温度プロファイルを示す図である。
【図７】実施例１のＧａＮ結晶層のＸ線回折パターンを示す図である。
【図８】実施例１のＧａＮ結晶層のＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図９】実施例１のＧａＮ結晶層の表面の顕微鏡像である。
【図１０】実施例１のＧａＮ結晶層の表面の顕微鏡像である。
【図１１】実施例１のＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像である。
【図１２】実施例１のＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像である。
【図１３】比較例２のＧａＮ結晶層のＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図１４】本発明の実施例１で剥離したＧａＮ結晶層から作製したａ面ＧａＮ基板を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０ ｒ面サファイア基板
１１ 炭化物層
１２ 一部が窒化された炭化物層
１２１ 窒化物層
１２２ 窒化していない炭化物層
１２３ カーボンを含有する窒化物層
１４ ファセット構造のＧａＮ膜
１６ ａ面ＧａＮ結晶層
１７ カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＧａＮ半導体基板の製造方法、およびこの方法により得られるＧａＮ半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）のバルク結晶から作製した基板は、青紫色レーザに必要不可欠とされ、開発と応用がなされてきたが、さらに高輝度白色発光ダイオード用基板や電子デバイス用基板として使用する試みが活発化している。従来の技術では、サファイア基板のｃ面にＧａＮ結晶を成長させるため、得られるＧａＮ結晶はｃ面ＧａＮ結晶であった（例えば、特許文献１）。しかし、ｃ面ＧａＮ結晶は、成長方向にＧａ原子のみから構成される原子面とＮ原子のみから構成される原子面が交互に積層し、電気的中性が保たれるように結晶の終端面の一方がＧａ原子面、もう一方がＮ原子面となっているためにｃ軸に沿って自発分極が生じ、電子と正孔が対向する面に分離してしまう性質がある。さらに、サファイアのａ軸方向の格子定数とＧａＮのａ軸方向の格子定数に差があることが原因で、ＧａＮのｃ軸方向にピエゾ電界が生じ、これが原因となり発光層に注入される電子と正孔が離れ、発光に寄与する再結合確率が低下して内部量子効率が低下する。また、このｃ面ＧａＮ結晶を発光デバイスに用いた場合、発光波長が長波長側にずれ、印加する電圧によっても発光波長が変化するなどの不具合が生じる。
この問題を回避するために無極性面のＧａＮ結晶を用いることが有用である。ＧａＮの無極性面にはａ面とｍ面があるが、これら無極性面はＧａとＮを同数含むことから電気的中性が保たれており、成長方向に沿った分極の発生を抑制できる。
無極性面のａ面およびｍ面を成長面としたＧａＮ結晶とその製造方法は、特許文献２および３に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２８４６００号公報
【特許文献２】特開２００５−３２０２３７号公報
【特許文献３】特開２０００−２１６４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の方法では、無極性面ＧａＮ結晶を良好な結晶品質で得ることは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従来の方法で無極性面ＧａＮ結晶が安定的に得られない原因として、下地基板結晶と無極性面ＧａＮ結晶との格子不整合が大きいことが考えられる。
そこで、本発明者らは、上記事情を鑑みて鋭意検討した結果、下地基板上に、炭化物層を設けることにより、無極性面ＧａＮ結晶が良好に成長することを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物層を形成する工程と、前記炭化物層を窒化する工程と、窒化された前記炭化物層の上に、ＧａＮ結晶を無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層を形成する工程と、前記下地基板を除去して、前記無極性面ＧａＮ結晶層を含むＧａＮ半導体基板を得る工程と、を含むことを特徴とするＧａＮ半導体基板の製造方法を提供するものである。
【０００５】
下地基板としては、サファイア基板、ＳｉＣ基板、ＺｎＯ基板、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＰ基板、γ−ＬｉＡｌＯ２基板等を使用することが可能である。前記下地基板を使用してａ面ＧａＮ結晶を成長するには、ｒ面サファイア基板、６Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板、４Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板、２Ｈ−ＳｉＣ（１１−２０）基板、３Ｃ−ＳｉＣ（１００）基板、ＺｎＯ（１１−２０） 基板、シリコン（１００）基板、ＧａＡｓ（１００）基板、ＧａＰ（１００）基板、γ−ＬｉＡｌＯ２（１１０）基板などが好適である。また、ｍ面ＧａＮ結晶を成長するには、ｍ面サファイア基板、６Ｈ−ＳｉＣ（１０−１０）基板、４Ｈ−ＳｉＣ（１０−１０）基板、２Ｈ−ＳｉＣ（１０−１０）基板、３Ｃ−ＳｉＣ（１１０）基板、ＺｎＯ（１０−１０） 基板、シリコン（１１０）基板、ＧａＡｓ（１１０）基板、ＧａＰ（１１０）基板、γ−ＬｉＡｌＯ２（１０１）基板などが好適である。
特に、サファイア基板は大口径の基板が入手可能であり、ＧａＮ成長時の原料ガスや雰囲気ガスに対して安定であるため、例えばｒ面サファイア基板の上に上記の炭化物層を形成することによって、ａ面ＧａＮを安定的に成長させることができる。また、炭化物層を窒化することにより、ＧａＮ結晶からのｒ面サファイア基板の剥離が容易になる。すなわち本発明において、下地基板の上に炭化物層を形成し、この炭化物層を窒化することにより、下地基板とＧａＮと間に生じる格子不整合や熱応力歪みが緩和され、結晶性の優れた無極性面ＧａＮ結晶が得られるとともに、下地基板の剥離が容易になる。
【０００６】
この際、無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる前記工程は、窒化された前記炭化物層の上にファセット構造のＧａＮ膜を形成させながら、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長させる工程を含むことが好ましい。
ファセット構造のＧａＮ膜を形成させながら無極性面ＧａＮ結晶層を成長させることにより、下地基板から成長方向に伸びた転位はファセット構造で横方向に折り曲げられ、上部の無極性面ＧａＮ結晶層中に結晶欠陥が伝達されることが抑制される。これにより、結晶品質の良い無極性面ＧａＮ結晶層を安定的に得ることができる。
【０００７】
また、ファセット構造のＧａＮ膜の厚さは、３μｍ以上、２５μｍ以下に制御することが好ましい。ファセット構造のＧａＮ膜の厚さが、３μｍより薄い場合、ファセット構造が明確な結晶面を呈する形態となり難く、結晶品質の向上効果は不安定となる。一方、２５μｍより厚い場合、下地基板からＧａＮ膜には多数の転位が伸び、ＧａＮ膜の表層部に形成されたファセット構造で多数の転位を横方向に折り曲げることが困難となり、結晶品質の向上効果は不安定となる。
【０００８】
また、ＧａＮ半導体基板を得る前記工程は、前記下地基板、前記窒化された炭化物層、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長温度から冷却し、この冷却過程で、前記無極性面ＧａＮ結晶層から、前記下地基板を分離除去する工程を含む。
この方法によれば、下地基板の熱膨張係数と無極性ＧａＮ結晶層との熱膨張係数との違いにより発生する応力を利用して、下地基板と無極性ＧａＮ結晶層とを容易に分離することができる。
【０００９】
さらに、炭化物層の厚さは、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましい。炭化物層の厚さが５ｎｍより薄い場合、炭化物層は殆どが窒化物に変化するとともに、生成したカーボンがメタンとなって消失するため、無極性面ＧａＮ結晶層が窒化物を介して下地基板と強固に結合し、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を分離除去することは困難となる場合がある。一方、２００ｎｍより厚い場合、炭化物層の窒化が不十分となり、無極性面ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長後にも下地基板との間に炭化物層が残留することで、窒化された炭化物層と残留した炭化物との界面からクラックが入り、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を分離除去することは困難となる場合がある。
【００１０】
さらに、炭化物層を窒化する前記工程は、３００℃以上１０５０℃以下の温度で行われることが好ましい。３００℃未満では、炭化物層の窒化速度が遅い。従って、炭化物層の窒化が不十分となり、無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長後にも下地基板との間に炭化物層が残留することで、窒化された炭化物層と残留した炭化物との界面からクラックが入り、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を分離除去することが困難となる場合がある。また、１０５０℃より高温にすると、炭化物層の窒化とともに生成したカーボンのメタン化が促進されるため、下地基板との界面でカーボンの残留量が減り、無極性面ＧａＮ結晶層が窒化物を介して下地基板と強固に結合するため、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板を除去することが困難となる場合がある。炭化物層を窒化する温度を３００℃以上１０５０℃以下とすることで、無極性面ＧａＮ結晶層から下地基板をより容易に剥離することができる。
【００１１】
下地基板としてはサファイア基板が、ＧａＮ成長雰囲気で化学的に安定であり、大口径基板も入手し易い。ｒ面サファイア基板は炭化物層と格子整合性が良好であり、炭化物層の窒化によって生成する窒化物とａ面ＧａＮと格子整合性も良好であるため、良好な結晶品質の無極性ＧａＮ結晶層を得ることが可能となる。
【００１２】
また、本発明によれば、上述したいずれかの製造方法により製造されたＧａＮ半導体基板も提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、良好な結晶品質の無極性面ＧａＮ結晶を得ることができ、さらにＧａＮ半導体基板の製造方法が提供される。また、本発明のＧａＮ半導体基板の製造方法において、容易に下地基板を剥離することができるため、良好な結晶品質の無極性面ＧａＮ結晶が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
本実施形態に係る自立基板の製造方法の概要について説明する。本実施形態の自立基板の製造方法は、以下の工程を含むものである。
（ｉ）下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物層を形成する工程、
（ｉｉ）上記炭化物層を窒化する工程、
（ｉｉｉ）窒化された上記炭化物層の上に、ＧａＮ結晶を、その無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層を形成する工程、
（ｉｖ）上記下地基板を除去して、上記無極性面ＧａＮ結晶層を含むＧａＮ半導体基板を得る工程。
【００１６】
以下に、本実施形態に従う方法を、ｒ面サファイア基板上にａ面ＧａＮ結晶層を成長する場合を例に挙げ詳細に説明する。
（ｉ）炭化物層の形成工程
まず、ｒ面サファイア基板として、例えば、厚さ５５０μｍ、３インチφのｒ面サファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板１０を用意する。このｒ面サファイア基板は、市販のものを使用することができる。次に、このｒ面サファイア基板１０上に、炭化物層１１を形成する（図１（Ａ））。
【００１７】
炭化物層１１の成膜条件は、例えば以下のようにする。
【００１８】
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：６００〜１０００℃
成膜時間：１〜４０分
ターゲット：Ｍ（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａ）
反応ガス：メタン
膜厚 ：５ｎｍ〜２００ｎｍ
【００１９】
炭化物としては、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムまたは炭化タンタルから選択されるいずれかが使用される。これらの炭化物はいずれも面心立方晶の結晶構造を有する。これらの炭化物は、図３に示すように、ｒ面サファイアとａ面ＧａＮに対する格子不整合が比較的小さいため、その上に成長するａ面ＧａＮ結晶の結晶性が良好となる。上記炭化物の中でもｒ面サファイアおよびａ面ＧａＮと格子不整合率が小さい炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブまたは炭化タンタルは好適である。
炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムまたは炭化タンタルは、一般的に不定比組成であることが知られており、Ｃ／Ｍモル比（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａ）が３／４あるいは１／１などに限定されるものではない。なお、炭化物層に過剰のカーボンまたはＭ（Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａ）が混合していても構わない。炭化物層を窒化する工程で過剰のカーボンの多くはメタン化により消失し、過剰なＭは窒化され、炭化物の窒化によって生成するＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮ、ＴａＮと一体になる。
【００２０】
ここで、サファイアのｒ面とは、（１−１０２）面であり、ＧａＮのａ面とは、（１１−２０）面である。
ｒ面サファイアと炭化物との格子不整合は、以下のように定義される。
Ａｌ２Ｏ３〔１１−２０〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（サファイア単位格子のａ軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）］／（サファイア単位格子のａ軸長）｝×１００・・・式（１）
Ａｌ２Ｏ３〔１−１０１〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（サファイア単位格子の〔１−１０１〕軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）×３］／（サファイア単位格子の〔１−１０１〕軸長）｝×１００・・・式（２）
【００２１】
ａ面ＧａＮと炭化物との格子不整合は以下のように定義される。
ＧａＮ〔１−１００〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（ＧａＮ単位格子の〔１−１００〕軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）］／（ＧａＮ単位格子の〔１−１００〕軸長）｝×１００・・・式（３）
ＧａＮ〔０００１〕に対する炭化物の格子不整合（％）＝｛［（ＧａＮ単位格子のｃ軸長）−（炭化物単位格子のａ軸長）×３］／（ＧａＮ単位格子のｃ軸長）｝×１００・・・式（４）
式（２）および（４）において炭化物単位格子のａ軸長を３倍しているが、炭化物単位格子のａ軸方向に３つの炭化物単位格子を重ねるとサファイア単位格子の〔１−１０１〕軸長と整合性が保たれることを意味する。上記の各軸長を図４に示す。
【００２２】
（ｉｉ）炭化物層を窒化する工程
次に、図１（Ｂ）に示すように、炭化物層１１を３００℃〜１０５０℃の温度で窒化し、窒化した炭化物層１２を形成する。
炭化物層１１の窒化条件は、例えば以下のようにする。
【００２３】
窒化ガス：アンモニア（ＮＨ３）ガス、ＮＨ３とＨ２の混合ガス、ＮＨ３とＨ２とＮ２の混合ガス、またはＨ２とＮ２の混合ガス
窒化温度：３００℃〜１０５０℃
窒化時間：３分〜６０分
【００２４】
炭化物層１１の窒化は、スパッタリング装置内で炭化物層１１の形成工程から連続で行うこともできる。また、ＧａＮ成長に用いるＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）装置内で炭化物層１１の窒化を行い、連続してａ面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長することも可能である。
炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化ニオブ層、炭化バナジウムまたは炭化タンタル層は、以下の（５）式および（６）式に示すように窒化によってＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮまたはＴａＮを生成する。（５）式および（６）式の反応を完全に進めてしまうと下地基板上にはＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮまたはＴａＮが形成されるが、炭化チタン層、炭化ジルコニウム層、炭化ハフニウム層、炭化ニオブ層、炭化バナジウムまたは炭化タンタル層を適度に窒化するとｒ面サファイア基板と接する部分にはＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＶＣまたはＴａＣが残り、その上にはＴｉＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＶＣまたはＴａＣの結晶情報を引き継いだＴｉＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＮｂＮ、ＶＮまたはＴａＮを有する、窒化された炭化物層１２が形成される。
２ＭＣ＋２ＮＨ３＋Ｈ２→２ＭＮ＋２ＣＨ４・・・（５）式
６ＭＣ＋８ＮＨ３→６ＭＮ＋６ＣＨ４＋Ｎ２・・・（６）式
（５）式および（６）式において、Ｍは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａである。
Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｖ、またはＴａは、これら炭化物と窒化物の結晶構造が同一であるため、ＴｉＣからＴｉＮ、ＺｒＣからＺｒＮ、ＨｆＣからＨｆＮ、ＮｂＣからＮｂＮ、ＶＣからＶＮまたはＴａＣからＴａＮへの結晶情報の引継ぎが良好である。
なお、図１（Ｂ）に示す符号１２２は、窒化していない炭化物層を示し、符号１２１は、窒化物層を示す。すなわち、ｒ面サファイア基板１０と接する部分には窒化していない炭化物が残り、その上にはこの炭化物の結晶情報を引き継いだ窒化物が形成されることを示している。
【００２５】
（ｉｉｉ）無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ＧａＮのファセット構造の形成）
次に、図１（Ｃ）に示すように、窒化した炭化物層１２上にファセット構造のＧａＮ膜１４を形成する。ファセット構造を簡便に形成するには、ＧａＮ結晶を比較的低い温度で短時間の薄膜成長により形成する方法があり、ファセットを有した島状結晶からなるＧａＮ膜が得られる。
ＧａＮ膜１４の成膜条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
成膜方法：ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法
成膜温度：３００℃〜１０００℃
成膜時間：０．５分〜５分
膜厚：３μｍ〜２５μｍ
ＨＶＰＥ装置（図示略）中には、Ｇａソースが配置され、このＧａソースに対し、ＨＣｌガスを供給する。ＨＣｌガスと、Ｇａソースを反応させ、ＧａＣｌを窒化した炭化物層１２を含むサファイア基板１０近傍の領域に輸送する。この領域には、ＮＨ３ガスも供給されているので、ＮＨ３ガスと、ＧａＣｌが反応してファセット構造のＧａＮ膜１４が形成されることとなる。
【００２６】
次いで、図２（Ａ）に示すように、ファセット構造のＧａＮ膜１４の上に、ＧａＮ結晶をａ面を成長面としてエピタキシャル成長させて、ａ面ＧａＮ結晶層１６を形成する。
ａ面ＧａＮ結晶層１６の成長条件は、例えば、以下のようにすることができる。
【００２７】
成膜方法：ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）法
成膜温度：１０００℃〜１０８０℃
成膜時間：３０分〜２７０分
膜厚：１００〜９００μｍ
ＨＶＰＥ装置（図示略）中には、Ｇａソースが配置され、このＧａソースに対し、ＨＣｌガスを供給する。ＨＣｌガスと、Ｇａソースを反応させ、ＧａＣｌをファセット構造のＧａＮ膜１４を含む基板近傍の領域に輸送する。この領域には、ＮＨ３ガスも供給されているので、ＮＨ３ガスと、ＧａＣｌが反応してａ面ＧａＮ結晶層１６が形成されることとなる。窒化していない炭化物層１２２は徐々にＧａＮ結晶から供給される窒素原子で窒化され、カーボンを含有する窒化物を生成する。最終的に図２（Ｂ）に示すように、カーボンを含有した窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７が生成する。なお、図２（Ｂ）において、符号１２３は、カーボンを含有する窒化物層を示している。
【００２８】
（ｉｖ）サファイア基板の剥離工程
次に、図２（Ｃ）に示すように、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７から、ｒ面サファイア基板１０を剥離して除去する。
具体的には、ａ面ＧａＮ結晶層１７を形成したＨＶＰＥ装置の温度を成長温度から降温し、このａ面ＧａＮ結晶層１７を常温まで冷却する。
この冷却中に、ａ面ＧａＮ結晶層１７とｒ面サファイア基板１０の熱膨張係数の違いから、これらの積層体に歪みが生じ、ａ面ＧａＮ結晶層１７とｒ面サファイア基板１０とが分離されることとなる。
その後、剥離したａ面ＧａＮ結晶層１７の表面および裏面を研磨することで、平坦化した自立基板であるａ面ＧａＮ基板を作製することができる。
【００２９】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
ｒ面サファイア基板１０の上に、炭化物層１１を形成し、この炭化物層１１を窒化し、その後この窒化された炭化物層１２の上でＧａＮ結晶を成長させることにより、良好な結晶品質のａ面ＧａＮを得ることができる。
また、ｒ面サファイア基板１０上に炭化物層１１を形成し、この炭化物層１１を窒化することで、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７から、サファイア基板１０を容易に除去することができる。従って、従来技術のように、レーザ光を使用してＧａＮ膜を熱分解したり、金属膜をエッチングしたりする必要がない。
【００３０】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００３１】
上記実施形態における、炭化物層１１、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ半導体層１７等の膜厚、製造条件は単なる例示に過ぎず、形成する半導体層の組成、構造に応じて適宜変更可能である。
また、窒化した炭化物層１２上にファセット構造のＧａＮ膜１４を形成する手段として特定のＨＶＰＥ条件を用いたが、形成手段はこれに限定されない。例えば、前記実施形態と同様の方法で窒化した炭化物層１２上にマスクとなるＳｉＯ２膜を作製し、サファイア基板１０上にストライプ状の開口部を設け、開口部内でファセット構造のＧａＮ膜１４を形成させ、その後ＧａＮ半導体層１６を成長させると、最終的に生成するカーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ半導体層１７中に結晶欠陥が伝達されることが抑制される。このため、得られるＧａＮ半導体基板の品質を向上させることができる。マスクのピッチ、マスクの幅、マスク間の開口部幅は、結晶欠陥伝達の抑制効果に優れる構成を選択する。例えばマスクのピッチあるいは開口部の幅を一定の規則性を有するように変化させることでファセット構造を大きくすることが可能である。また開口部の形状もストライプに限定せずに、格子状、ドット状なども適用可能である。
【００３２】
また、前記実施形態のｒ面サファイア基板１０を剥離する工程では、ｒ面サファイア基板１０、およびカーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７を冷却することで、ｒ面サファイア基板１０を分離したが、これに限らず、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７にダメージが加わらない程度の力を加えることで、ｒ面サファイア基板１０を剥離してもよい。
ただし、前記実施形態のように、冷却することにより、ほとんど外力を加えずに、ｒ面サファイア基板１０が分離除去されれば、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７に加わるダメージを確実に抑制することができる。このため、損傷の少ない高品質のａ面ＧａＮ半導体基板が安定的に得られる。
【００３３】
このようなａ面ＧａＮ半導体基板上にＧａＮ系素子構造を作製すれば、結晶の上下面にアップダウン電極構造を有する発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子を作ることが可能であり、高性能トランジスタ等の電子デバイスへの適用も可能である。好ましくは、ａ面ＧａＮ半導体基板は、鏡面に研摩され、ドライエッチングまたはケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）を施された後、この上に、発光ダイオードまたはレーザーダイオード等の発光素子、さらにはトランジスタ等の電子デバイスが作製される。また、ａ面ＧａＮ半導体基板を種結晶として、ＨＶＰＥ法、フラックス法、アモノサーマル法などにより高品質ＧａＮ結晶を成長させることが可能である。
【００３４】
さらに、上記実施形態では、カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７を成長させた直後にｒ面サファイア基板１０を分離していたが、これに限らず、ａ面ＧａＮ結晶層１７上に発光ダイオード等の発光素子、さらには、トランジスタ等の電子デバイスを作製した後に、ｒ面サファイア基板１０を除去しても良い。
【００３５】
また、前記実施形態では、単層のカーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層１７を得たが、これに限られるものではない。本発明で製造されるＧａＮ半導体基板は多層構造であっても良い。
なお、上記実施形態ではｒ面サファイア基板上へのａ面ＧａＮ結晶層の成長について説明したが、ｍ面ＧａＮ結晶層についても上記の好適な下地基板を選択することで成長が可能であり、ｍ面ＧａＮ半導体基板を安定的に得ることが可能である。無極性面ＧａＮ半導体としては、ＧａＮに限らずＡｌやＩｎを含む窒化物半導体であっても構わない・
【実施例】
【００３６】
以下、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の例により制限されるものではない。
【００３７】
（実施例１）
本実施例では、上記実施形態（図１および図２）で説明したものと同様の工程を用いた。本実施形態では、炭化物層として、炭化チタン層を形成した。下地基板としては、８５ｍｍφｒ面サファイア基板を使用した。
１．炭化チタン層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：８分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス圧力：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｔｉ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
得られた炭化チタン層のＸ線回折パターンにより、ｒ面サファイア基板上に成膜した炭化チタンは、（１１１）配向であることが確認された（図５）。
【００３８】
２．炭化チタン層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化チタン層を窒化した。
【００３９】
３．無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．１８ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：２５μｍ
次に、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚３００μｍとした。成膜温度の１０４０℃まで昇温する間もＮＨ３ガスは供給した。
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成長方法：ＨＶＰＥ法
成長温度：１０４０℃
成長ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：９０分
ＧａＮ層厚さ：３００ μｍ
炭化チタン層を窒化する工程と、無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程の温度プロファイルを図６に示す。なお、図６において、ＧａＣｌの下側の矢印は、５０分〜５５分、７０〜１６０分の間でＧａＣｌが発生していることを示し、ＮＨ３の下側の矢印は、矢印で示す間中、ＮＨ３ガスを供給していることを示している。
【００４０】
４．サファイア基板の剥離工程
ＧａＮ結晶層を形成したＨＶＰＥ装置の反応管の温度を降温し、常温まで冷却した。
ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層のＸ線回折パターンを図７に、Ｘ線ロッキングカーブを図８に示す。これらから、ＧａＮは、ａ面ＧａＮであり、（１１−２０）半値幅が８００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００４１】
図９（Ａ）、（Ｂ）に、ＧａＮ表面の顕微鏡像（１００倍）を示し、図１０に、ＧａＮ表面の顕微鏡像（２００倍）を示す。
図１１（Ａ）、（Ｂ）は、ＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像（１００倍）であり、図１２は、ＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像（１０００倍）である。
本実施例で得られたＧａＮ結晶層表面は、平坦でありピットが少ないことが分かる。ＧａＮ結晶層の断面像からは、３００μｍの成長段階で、ＧａＮ結晶層が略平坦になっていることが分かる。
以上より、ｒ面サファイア基板上に、炭化物層を成膜し、この炭化物層を窒化した後に、ＧａＮ結晶を成長させると、ａ面ＧａＮ結晶層が良好な結晶品質で得られることが分かった。
【００４２】
（実施例２）
本実施例では、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程の中で、ファセット構造のＧａＮ膜の形成を行わなかった以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
３．無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成長方法：ＨＶＰＥ法
成長温度：１０４０℃
成長ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：９０分
ＧａＮ層厚さ：３００ μｍ
【００４３】
ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は９００ａｒｃｓｅｃと比較的良好な結晶品質を有することが確認された。
【００４４】
（実施例３）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ジルコニウム層の形成工程、および炭化ジルコニウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化ジルコニウム層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｚｒ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００４５】
２．炭化ジルコニウム層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化ジルコニウム層を窒化した。
【００４６】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は５００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００４７】
（実施例４）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ハフニウム層の形成工程、および炭化ハフニウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化ハフニウム層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｈｆ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００４８】
２．炭化ハフニウム層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化ハフニウム層を窒化した。
【００４９】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５０】
（実施例５）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化ニオブ層の形成工程、および炭化ニオブ層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化ニオブ層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｎｂ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００５１】
２．炭化ニオブ層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化ニオブ層を窒化した。
【００５２】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５３】
（実施例６）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化バナジウム層の形成工程、および炭化バナジウム層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化バナジウム層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：７分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｖ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００５４】
２．炭化バナジウム層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化バナジウム層を窒化した。
【００５５】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は９００ａｒｃｓｅｃと比較的良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５６】
（実施例７）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を、炭化タンタル層の形成工程、および炭化タンタル層を窒化する工程に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化タンタル層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：９分
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｔａ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚 ：４０ｎｍ
【００５７】
２．炭化タンタル層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
この工程では、３００℃から９００℃に至る昇温過程で炭化タンタル層を窒化した。
【００５８】
引き続き、ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程、およびサファイア基板の剥離工程を実施したところ、ＧａＮ結晶層はサファイア基板から剥離した。得られたＧａＮ結晶層はａ面ＧａＮであり、（１１−２０）のＸ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃと良好な結晶品質を有することが確認された。
【００５９】
（比較例１）
本比較例では、炭化チタン層の形成工程、および炭化チタン層を窒化する工程を除いた以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。下地基板としては、８５ｍｍφｒ面サファイア基板を使用した。
１． 無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．０９ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：２５μｍ
次に、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚３００μｍとした。成膜温度の１０４０℃まで昇温する間もＮＨ３ガスは供給した。
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
成膜温度：１０４０℃
成膜ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：９０分
膜厚 ：６０ μｍ（目標：３００μｍ）
【００６０】
２．サファイア基板の剥離工程
ＧａＮ結晶層を形成したＨＶＰＥ装置の反応管の温度を降温し、常温まで、冷却したが、ＧａＮ結晶層はエピタキシャル成長中にサファイア基板に密着したまま無定形の小片に割れたため目標の膜厚３００μｍに達する前にエピタキシャル成長を中止した。ＧａＮ結晶層の膜厚は６０μｍであった。
【００６１】
（比較例２）
本比較例では、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長時間を１０分にした以外は比較例１で説明したものと同様の工程を用いた。下地基板としては、８５ｍｍφｒ面サファイア基板を使用した。
１．無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．０９ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：２５μｍ
次に、ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長を行ない膜厚３００μｍとした。成膜温度の１０４０℃まで昇温する間もＮＨ３ガスは供給した。
（ＧａＮ結晶層のエピタキシャル成長）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
成膜温度：１０４０℃
成膜ガス：ＨＣｌガス ０．１５ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５ｌ／ｍｉｎ
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
成長時間：１０分
膜厚 ：２０ μｍ
【００６２】
２．サファイア基板の剥離工程
ＧａＮ結晶層を形成したＨＶＰＥ装置の反応管の温度を降温し、常温まで、冷却したが、ＧａＮ結晶層はサファイア基板に密着したままで、剥離しなかった。得られたサファイア基板上のＧａＮ結晶のＸ線ロッキングカーブを図１３に示す。これらから、ＧａＮは、ａ面ＧａＮであり、（１１−２０）半値幅は９５０ａｒｃｓｅｃであった。
【００６３】
（実施例８）
本実施例では、ファセット構造のＧａＮ膜の厚さを変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
（ファセット構造のＧａＮ膜の形成）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
ファセット形成温度：９００℃
成膜時間：０．５分〜５分
ソース ：Ｇａソース（８５０℃）
ＧａＮ膜形成ガス：ＨＣｌガス ０．１８ｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス３．３ｌ／ｍｉｎ
ＧａＮ膜厚さ：３μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍの各膜厚に制御した。
【００６４】
（比較例３）
比較例３において、ＧａＮ膜の膜厚を１μｍ、３５μｍに変更した。他の条件は実施例８と同じである。
【００６５】
（実施例８と比較例３の結果）
ａ面ＧａＮ半導体層の結晶性について（１１―２０）Ｘ線ロッキングカーブ半値幅で評価し、以下の結果が得られた。
１μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ船ロッキングカーブ半値幅は９００ａｒｃｓｅｃであった。
３μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃであった。
５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃであった。
１０μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は６００ａｒｃｓｅｃであった。
１５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃであった。
２０μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は７００ａｒｃｓｅｃであった。
２５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ船ロッキングカーブ半値幅は８００ａｒｃｓｅｃであった。
３５μｍ ＧａＮはａ面ＧａＮであり、Ｘ線ロッキングカーブ半値幅は１０００ａｒｃｓｅｃであった。
以上の実施例８および比較例３の結果より、ＧａＮ膜の膜厚は３μｍから２５μｍとすることが好ましい。
【００６６】
（実施例９）
本実施例では、炭化チタン層の形成工程において膜厚を５ｎｍ、１００ｎｍ、１４０ｎｍ、２００ｎｍに変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
１．炭化チタン層の形成工程
成膜方法：反応性スパッタリング法
成膜温度：７３０〜７６０℃
成膜時間：１分、２０分、２８分および４０分にすることで膜厚を制御した。
Ａｒ圧力：０．３Ｐａ
反応ガス：メタン ０．１Ｐａ
ターゲット：Ｔｉ
ターゲット出力：１５０Ｗ
膜厚：５ｎｍ、１００ｎｍ、１４０ｎｍおよび２００ｎｍの各膜厚に制御した。
【００６７】
（比較例４）
比較例４において、成膜時間を０．５分および４８分とすることでＧａＮ結晶膜の膜厚を３ｎｍおよび２４０ｎｍに変更した。他の条件は実施例９と同じである。
【００６８】
（実施例９と比較例４の結果）
ａ面ＧａＮ半導体層の剥離状況に関しては、以下の結果が得られた。
３ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、６枚でクラックが発生し剥離できなかった。
５ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１００ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１４０ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
２００ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
２４０ｎｍ 作製したＧａＮ結晶７枚中、５枚でクラックが発生し剥離できなかった。
以上の実施例９および比較例４の結果より、炭化物層の膜厚は１０ｎｍから２００ｎｍとすることが好ましい。
【００６９】
（実施例１０）
本実施例では、炭化チタン層を窒化する工程において、窒化を３００℃保持、６００℃保持または１０５０℃保持に変更した以外は実施例１で説明したものと同様の工程を用いた。
２．炭化チタン層を窒化する工程
窒化装置：ＨＶＰＥ装置
窒化温度：３００℃、６００℃および１０５０℃の各温度に制御した。
窒化時間：３５分
窒化ガス：ＮＨ３ガス、３．３ｌ／ｍｉｎ
【００７０】
（比較例５）
比較例５において、窒化温度を２５０℃および１１００℃に変更した。他の条件は実施例１０と同じである。
【００７１】
（実施例１０と比較例５の結果）
ａ面ＧａＮ半導体層の剥離状況に関しては、以下の結果が得られた。
２５０℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、４枚でクラックが発生し剥離できなかった。
３００℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
６００℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１０５０℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、７枚でクラックが発生せず剥離した。
１１００℃ 作製したＧａＮ結晶７枚中、６枚でクラックが発生し剥離できなかった。
以上の実施例１０および比較例５の結果より、炭化物層を窒化する工程は、３００℃以上１０５０℃以下で行うことが好ましい。
【００７２】
実施例１において、ａ面ＧａＮ半導体層をｒ面サファイア基板から剥離して得られたＧａＮ結晶の表面および裏面をダイヤモンドスラリーで研磨することで、平坦化した自立基板である厚さ２００μｍのａ面ＧａＮ自立基板を作製した。図１４に作製したａ面ＧａＮ自立基板を示す。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施形態にかかるＧａＮ半導体基板の製造工程を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるＧａＮ半導体基板の製造工程を示す模式図である。
【図３】本発明で使用される炭化物および窒化物の結晶構造と格子不整合率を示す表である。
【図４】本発明で使用される炭化物、窒化物およびサファイアの格子定数を示す表である。
【図５】実施例１の炭化チタンのＸ線回折パターンを示す図である。
【図６】実施例１の無極性面ＧａＮ結晶層をエピタキシャル成長させる工程の温度プロファイルを示す図である。
【図７】実施例１のＧａＮ結晶層のＸ線回折パターンを示す図である。
【図８】実施例１のＧａＮ結晶層のＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図９】実施例１のＧａＮ結晶層の表面の顕微鏡像である。
【図１０】実施例１のＧａＮ結晶層の表面の顕微鏡像である。
【図１１】実施例１のＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像である。
【図１２】実施例１のＧａＮ結晶層の断面の顕微鏡像である。
【図１３】比較例２のＧａＮ結晶層のＸ線ロッキングカーブを示す図である。
【図１４】本発明の実施例１で剥離したＧａＮ結晶層から作製したａ面ＧａＮ基板を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０ ｒ面サファイア基板
１１ 炭化物層
１２ 一部が窒化された炭化物層
１２１ 窒化物層
１２２ 窒化していない炭化物層
１２３ カーボンを含有する窒化物層
１４ ファセット構造のＧａＮ膜
１６ ａ面ＧａＮ結晶層
１７ カーボンを含有する窒化物と一体化したａ面ＧａＮ結晶層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物からなる層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
窒化された前記炭化物層の上に、ＧａＮ結晶の無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層を形成する工程と、
前記下地基板を除去して、前記無極性面ＧａＮ結晶層を含むＧａＮ半導体基板を得る工程と、
を含むことを特徴とするＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項２】
ＧａＮ結晶の無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させる前記工程は、窒化された前記炭化物層の上にファセット構造のＧａＮ膜を形成させながら、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長させる工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記ファセット構造のＧａＮ膜の厚さが３μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする、請求項２に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項４】
ＧａＮ半導体基板を得る前記工程は、前記下地基板、前記窒化された炭化物層、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長温度から冷却し、この冷却過程で、前記無極性面ＧａＮ結晶層から、前記下地基板が分離除去されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記下地基板がｒ面サファイア基板であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記ＧａＮ結晶の無極性面がａ面であることを特徴とする請求項５に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法
【請求項７】
前記炭化物層の厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項８】
炭化物層を窒化する前記工程は、３００℃以上１０５０℃以下で行われることを特徴とする、請求項７に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法により得られるＧａＮ半導体基板。
【請求項１】
下地基板上に、炭化チタン、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化ニオブ、炭化バナジウムおよび炭化タンタルからなる群より選択される炭化物からなる層を形成する工程と、
前記炭化物層を窒化する工程と、
窒化された前記炭化物層の上に、ＧａＮ結晶の無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させて、無極性面ＧａＮ結晶層を形成する工程と、
前記下地基板を除去して、前記無極性面ＧａＮ結晶層を含むＧａＮ半導体基板を得る工程と、
を含むことを特徴とするＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項２】
ＧａＮ結晶の無極性面を成長面としてエピタキシャル成長させる前記工程は、窒化された前記炭化物層の上にファセット構造のＧａＮ膜を形成させながら、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長させる工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項３】
前記ファセット構造のＧａＮ膜の厚さが３μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする、請求項２に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項４】
ＧａＮ半導体基板を得る前記工程は、前記下地基板、前記窒化された炭化物層、前記無極性面ＧａＮ結晶層を成長温度から冷却し、この冷却過程で、前記無極性面ＧａＮ結晶層から、前記下地基板が分離除去されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記下地基板がｒ面サファイア基板であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記ＧａＮ結晶の無極性面がａ面であることを特徴とする請求項５に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法
【請求項７】
前記炭化物層の厚さが５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項８】
炭化物層を窒化する前記工程は、３００℃以上１０５０℃以下で行われることを特徴とする、請求項７に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のＧａＮ半導体基板の製造方法により得られるＧａＮ半導体基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１３】
【図１４】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１３】
【図１４】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１２０４２５（Ｐ２００９−１２０４２５Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９４５７７（Ｐ２００７−２９４５７７）
【出願日】平成１９年１１月１３日（２００７．１１．１３）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１３日（２００７．１１．１３）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【Ｆターム（参考）】
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