ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びにＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイス
【課題】アズグロウンの状態での基板の反りを小さくすることにより、基板表面の面方位のばらつきを低減させることができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びに当該基板を使用した基板面内均一性に優れたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを提供する。
【解決手段】基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下であり、かつ厚さ方向において基板裏面から表面に至るまで転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少しているＧａＮ自立基板１０を用いて、その上にＧａＮ系半導体結晶からなるエピタキシャル層を形成して発光素子を形成する。
【解決手段】基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下であり、かつ厚さ方向において基板裏面から表面に至るまで転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少しているＧａＮ自立基板１０を用いて、その上にＧａＮ系半導体結晶からなるエピタキシャル層を形成して発光素子を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びにＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスに関し、特に、アズグロウン（as grown）状態での基板の反りを小さくすることにより、基板表面の面方位のばらつきを低減させることができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びに当該基板を使用して基板面内均一性に優れた、短波長ＬＤ（レーザーダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）及び高耐圧ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きくバンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子、特に青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に用いられている。また、最近では、更に短波長の紫外ＬＥＤや、これらＬＥＤと蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤが実用化され始めている。
【０００３】
半導体のデバイスを作製する場合、その下地基板にはエピタキシャル成長する結晶と格子定数や線膨張係数の同じ基板を使用する、いわゆるホモエピタキシャル成長を行うのが一般的である。例えば、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓのエピタキシャル成長を行うための基板には、ＧａＡｓ単結晶基板が用いられている。
【０００４】
しかし、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶に限っては、これまでに実用に足るサイズ、特性のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板を製造することができなかった。このため、これまでに実用化されている窒化物系発光ダイオードは、そのほとんどが格子定数の近いサファイア基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶をヘテロエピタキシャル成長させることにより製造されている。従って、ヘテロ成長であることに起因した様々な問題が発生していた。
【０００５】
例えば、サファイア基板とＧａＮの線膨張係数の違いに起因して、エピタキシャル成長後の基板が大きく反ってしまうという問題が生じていた。これは、エピタキシャル成長後のフォトリソグラフィ工程やチップ加工工程において、基板の割れを生じさせるなど、歩留り低下の原因となる。
【０００６】
また、サファイア基板とＧａＮでは、格子定数が異なるため、窒化物結晶を単結晶成長させるために、一旦本来の結晶成長温度よりも低い温度でバッファ層を堆積させる必要があり、これが結晶成長の工程時間を延ばす要因になっている。更に、サファイア基板上の成長では、サファイアとＧａＮの格子定数差に起因して、ＧａＮエピ層中に１０８から１０９個／ｃｍ−２もの多量の転位が発生してしまう。この転位は、発光素子の出力や信頼性を阻害する要因となる。従来の青色系のＬＥＤでは、これまで転位が問題とされることは少なかったが、今後、より高出力化が求められるようになり、また、紫外ＬＥＤの実現に向けて短波長化が促進されると、デバイス特性に及ぼす転位の影響が大きくなってくることが予想されており、何らかの対策が必要となっている。
【０００７】
これらの問題を解決するため、近年、ＧａＮの単結晶自立基板が開発されてきた。ＧａＮ自立基板の製造方法としては、例えば、下地基板に開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得る技術、いわゆるＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術を用いてサファイア基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、ＥＬＯ法をさらに発展させた方法として、ＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＩＥＬＯ法は、酸化シリコンマスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯ法と共通するが、選択成長の際にマスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上面に至る貫通転位を低減する。ＦＩＥＬＯ法を用いて、例えばサファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後下地基板を除去すれば、結晶欠陥の比較的少ない良質のＧａＮ自立基板を得ることができる。
【０００９】
上記以外にも、低転位のＧａＮ自立基板を得る方法として、ＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits）法が開発されている（例えば、非特許文献２、特許文献２参照）。ＤＥＥＰ法は、ＧａＡｓ基板上にパターニングした窒化珪素等のマスクを用いてＧａＮを成長させることにより、結晶表面に意図的にファセット面で囲まれたピットを複数形成し、前記ピットの底部に転位を集積させることにより、その他の領域を低転位化するものである。
【００１０】
これらＥＬＯ法やＤＥＥＰ法等の方法を用いて異種基板上にＨＶＰＥ法でＧａＮ膜を成長し、その後、下地基板からＧａＮ層を剥離して得られたＧａＮ基板は、特に低転位結晶の必要なレーザーダイオード（ＬＤ）の開発に主に用いられているが、最近では、ＬＥＤ用の基板としても使われるようになってきている。
【特許文献１】特開平１１−２５１２５３号公報
【特許文献２】特開２００３−１６５７９９号公報
【非特許文献１】Akira Usui et. al.,「Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Phase Epitaxy」, Jpn. J. Appl. Phys. vol. 36(1997) pp. L899-L902
【非特許文献２】Kensaku Motoki et. al., 「Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate」, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40(2001)pp. L140-L143
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の方法で得られたアズグロウンのＧａＮ自立基板においても、表面平坦性が悪い、基板の反りが大きい等の理由のため、そのままでは窒化物系半導体用基板として用いることが出来ない。このため、通常、ＧａＮ自立基板の表面と裏面を研磨加工して鏡面に仕上げてから、デバイス作製に使用するのが一般的である。
【００１２】
しかし、アズグロウンの状態で反りが大きいと、鏡面研磨後に表面の面方位に大きな面内分布を生じてしまう。このような基板を用いてＬＥＤやＬＤを製作すると、面方位の分布が直接的に発光波長の分布に影響を与えてしまうため、歩留りを大きく損ねてしまうという問題があった。
【００１３】
従って、本発明の目的は、上記の課題を解決すること、具体的には、アズグロウンの状態での基板の反りを小さくすることにより、基板表面の面方位のばらつきを低減させることができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びに当該基板を使用して基板面内均一性に優れたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成すべく本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立した半導体基板であって、基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下であり、かつ厚さ方向において基板裏面から表面に至るまで転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少していることを特徴とする。
【００１５】
前記基板厚さは１００μｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成をＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。
【００１６】
また、上記目的を達成すべく本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法は、異種基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を厚さ方向において転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少するように堆積する工程と、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層と前記異種基板とを分離する工程と、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の前記異種基板を分離した側の面に対して、転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下となるように転位密度を低減する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を堆積する工程は、ＨＶＰＥ法により行うことが好ましい。また、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成をＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。
【００１８】
更に、前記転位密度を低減する工程は、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を、前記異種基板を分離した側の面から所定の厚さだけ研磨するものとすることができる。
【００１９】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなるエピタキシャル層を形成してＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスとすることができる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスとしては、ＬＤ（レーザーダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）、及びＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板によれば、アズグロウンの状態での基板の反りを小さくして、基板表面の面方位のばらつきを低減させることができる。
【００２１】
また、本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法によれば、上記の基板表面の面方位のばらつきを低減したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板を確実に得ることができる。
【００２２】
更に、本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスによれば、基板表面の面方位のばらつきを低減させた基板を用いているので、基板面内均一性に優れた特性を有し、歩留りが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本実施形態に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板は、異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離することにより得られる自立したＧａＮ単結晶基板であって、基板裏面の転位密度及び、厚さ方向における基板裏面から表面に至るまでの転位密度の割合を特定の範囲としている。以下、これらの点を中心に詳しく説明する。
【００２４】
（自立基板）
まず、自立基板（自立した基板）とは、自らの形状を保持できるだけでなく、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を有するためには、自立基板の厚さを好ましくは１００μｍ以上、更に好ましくは２００μｍ以上とする。
【００２５】
（基板裏面）
基板裏面は平坦に研磨加工することが好ましい。これは、転位密度の高い領域を取り除いて後述する低転位密度の範囲に収めると共に、基板にエピ成長を行う際に、基板とサセプタとの密着性を良くするためである。基板の裏面全面が、サセプタと均等に接触していないと、サセプタからの熱伝導が不均一になって、エピ成長中の基板温度が面内で不均一になってしまう。基板温度の面内ばらつきは、結晶成長速度や組成、不純物濃度のばらつきとなって現れるため、特性の面内均一性の高いエピを成長することができなくなってしまう。エピの成長装置には、基板の裏面をサセプタと密着させない、フェイスダウン方式も存在するが、この場合も、基板の裏面に均熱板と呼ぶ平板を置くことが一般的であり、基板の裏面と均熱板との距離にばらつきがあれば、前述の温度ばらつきが生じ、特性の均一性に支障を来たす結果になる。
【００２６】
また、ＧａＮ基板の裏面（Ｎ面）は、表面（Ｇａ面）に較べて研磨が容易であり、裏面の平坦化研磨は、表面ほど工数の増加、歩留りの低下をもたらさない。裏面は、エピ成長時のサセプタとの密着性が問題なく得られる程度に平坦であれば良く、必ずしも鏡面になっている必要はない。即ち、ラップ面や研削面、あるいはこれに歪除去のための処理（エッチング等）を施した面であっても構わない。
【００２７】
（基板表面）
ＧａＮ基板の基板表面においては、基板裏面のように、低転位密度の範囲に収めたり、基板とサセプタとの密着性を良くしたりする目的で研磨する必要はないが、アズグロウンの状態（結晶成長したままの状態であり、研削や研磨などの加工工程を加えていない状態）では、完全に平坦な面が得られない。デバイスの作成プロセスに微細加工が必要なことから、基板表面においても、裏面と同様に研磨加工を行うことが好ましい。
【００２８】
（基板の導電型、キャリア濃度）
基板の導電型は、目的とするデバイスに合わせて適宜制御すべきであり、一律に決めることはできないが、例えば、Ｓｉ、Ｓ、Ｏ等をドープしたｎ型や、ＭｇやＺｎ等をドープしたｐ型とすることができる。また、基板のキャリア濃度の絶対値も、目的とするデバイスに合わせて適宜制御すべきであるから、一律に決めることはできない。しかし、ＬＥＤ用の基板にあっては、裏面電極のコンタクトが容易に取れる程度の導電性基板であることが望ましく、このためには、基板のキャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上であることが望ましい。但し、ＬＥＤ用の基板のキャリア濃度としては、あまり高すぎても、基板の結晶性を下げ、また透明性を損なう原因にもなるため、５×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下に制御することがより望ましい。
【００２９】
（基板の転位密度）
異種基板上に、ＥＬＯ法やＦＩＥＬＯ法などによりＧａＮを成長させると、成長初期（おおよそ３０μｍ程度）で大幅に転位が減少し、その後は、一般的な傾向として欠陥がゆっくりと減少していくが、最終的に基板の裏面と表面とで転位密度に大きな差があると格子間隔に差が生じるため、その差により基板が反ってしまう。このため、（１）この成長初期の転位が多い領域を研磨により除去して、裏面の転位密度を裏面の鏡面研磨後の状態で３×１０６ｃｍ−２以下にする、（２）上記の欠陥がゆっくりと減少していく領域の成長条件を制御して、基板の厚さ方向の単位長さ当たり転位密度差を３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下にする、ことによりアズグロウンでの反りを減少させて、面方位のばらつきを抑え、後述する実施例の結果からも明らかなように、大幅に歩留りを向上させることが可能になる。
【００３０】
上記の（１）と（２）の条件を満たせば、例えば、基板表面近傍において厚さ２５０μｍで転位密度が１×１０６ｃｍ−２変化する場合（即ち、１ｍｍあたり４×１０６ｃｍ−２位変化する場合）のような急激な転位密度の低下が除かれ、アズグロウンでの反りは大きくならず、よって面方位のばらつきもあまり変化しなくなる。さらに、現状では基板表面全面で１０４ｃｍ−２台の低転位密度を達成したＧａＮ基板は存在しないが、基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２であり、仮に基板表面の転位密度が理想的に０としても、これは最大３×１０６倍転位密度が異なる場合であり、厚さが１ｍｍ以上であれば（１）、（２）の条件を満たすため、十分に小さい面方位ばらつきが得られることになる。
【００３１】
（基板の材料）
本実施形態の基板の材料としては、ＧａＮのみならず、一般式：ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦x≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦x＋y≦１）で表すＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶には、ＧａＮを始めとしてＡｌＮやＩｎＮ、また、これらの混晶が実用に供されている。基板という観点で見たとき、ある程度の大口径でかつ厚みの厚い結晶を容易に得ることができ、また、ホモエピタキシャル成長も容易なのがＧａＮであるが、これ以外には、ＡｌＮやＡｌＧａＮの基板が使い勝手の点で有利である。また、これらの基板表面は（０００１）のＩＩＩ族面であることが望ましい。ＧａＮ系の結晶は極性が強く、ＩＩＩ族面の方がＶ族面（窒素面）より化学的及び熱的に安定で、デバイスの作製が容易であるからである。
【００３２】
（基板の製造方法）
本実施形態の基板は、異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離することにより得られる。
ＧａＮ系半導体単結晶は、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長）により成長することが望ましい。これは、ＨＶＰＥ法は結晶成長速度が速く、厚膜成長を必要とする基板の作製に適するからである。また、ＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離する方法には、ボイド形成剥離法（ＶＡＳ法）を用いることができる。ＶＡＳ法は、大口径の基板を再現良く剥離することが可能で、かつ、低転位で特性の均一なＧａＮ系自立基板を得ることができるという点で優れている。異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離する手法を用いるのは、現状、直径φ２インチ以上でかつハンドリングに耐える十分な厚さを有するＧａＮ系自立基板の成長方法は、ＶＡＳ法や、ＦＩＥＬＯ法にレーザーリフトオフ法を組み合わせたような手法に限られているためである。
【００３３】
（ＧａＮ系デバイス）
本実施形態のＧａＮ自立基板は、その上にＭＯＶＰＥ法でＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長させ、短波長のＬＤ、ＬＥＤ及び高耐圧ＨＥＭＴを製造する用途に適している。本実施形態のＧａＮ自立基板では面方位のばらつきが低減されているので、その基板を用いて、短波長のＬＤやＬＥＤを製造することにより、発光波長の面内分布が均一なＬＤやＬＥＤを得ることができる。また、ＨＥＭＴなどの高周波素子では、基板表面の面方位のばらつきにより、エピ・基板界面に蓄積される導電性を与える不純物の取り込みに差が生じる可能性があるが、本実施形態のＧａＮ自立基板を用いることにより、その面方位のばらつきを抑えてバッファリークの安定化が可能であり、不純物低減の諸策と相まって、低リーク且つそのばらつきが小さい高性能なＨＥＭＴエピの提供が可能になる。
【実施例１】
【００３４】
（ＧａＮ自立基板の製造）
図１に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した。
まず、直径２インチ径のＣ面サファイア基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、２０ｎｍの低温成長ＧａＮバッファ層を介してＳｉドープＧａＮ層３を０．５μｍ成長させた（ａ）。成長条件は、圧力を常圧とし、バッファ層成長時の基板温度を６００℃、エピ層成長時の基板温度を１１００℃とした。原料は、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧを、Ｖ族原料としてＮＨ３を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は４μｍ／ｈとした。エピ層のキャリア濃度は、２×１０１８ｃｍ−３とした。
【００３５】
次に、このＳｉドープＧａＮ層３上に、金属Ｔｉ薄膜５を２０ｎｍの厚さに蒸着した（ｂ）。こうして得られた基板を電気炉に入れ、２０％のＮＨ３を含有するＨ２気流中において１０５０℃で２０分間熱処理した。その結果、ＧａＮ層３の一部がエッチングされて高密度の空隙層（ボイド層）６が発生し、またＴｉ層は窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されたＴｉＮ層７に変化した（ｃ）。
【００３６】
この基板をＨＶＰＥ炉に入れ、キャリアガス中に８×１０−３ａｔｍのＧａＣｌ及び４．８×１０−２ａｔｍのＮＨ３からなる原料ガスを含有する供給ガス用いて、ＧａＮ層８を６００μｍの厚さに成長させた（ｄ）。ここで、キャリアガスは、Ｈ２を５％含有するＮ２ガスを用いた。ＧａＮ層の成長条件は、常圧及び１０８０℃の基板温度とした。またＧａＮ結晶の成長工程において、ドーピング原料ガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２を基板領域に供給することによりＳｉをドープした。成長が終了した後、ＨＶＰＥ装置を冷却する過程で、ＧａＮ層８はボイド層６を境に下地基板から自然に剥離し、ＧａＮの自立基板が得られた。
【００３７】
得られたＧａＮ自立基板９は、裏面側に凸向きに反りを生じており、表面は、裏面の反りの形状を反映した凹面形状になっていた（ｅ）。次に、ＧａＮ自立基板９を窒化物系半導体素子用基板として用いることができるようにするため、両面を研磨した。研磨は裏面側から行った。裏面（Ｎ面）の研磨は、研削により行ったが、ラップ（ＧＣ♯８００などを使用）により行ってもよい。一例として、ＧａＮ自立基板９を、約１５０μｍから３００μｍの厚さ、研磨した。その後、ＮａＯＨ水溶液または塩酸と過酸化水素水の混合液を用いて裏面をエッチングした。例えば、当該混合液は、塩酸：過酸化水素水：水＝１：１：２の比率で混合した混合液を用いた。エッチング後裏面粗さは数μｍ〜数百ｎｍになった。裏面エッチング後ＧａＮ自立基板の表面（Ｇａ面）を鏡面化するためラップ後ポリッシュした。更に、表面についても同様の工程で研磨を行い、ＧａＮ自立基板１０が得られた（ｆ）。
【００３８】
この基板（Ｎｏ．１）の裏面及び表面の転位密度はそれぞれ８．１×１０６、４．３×１０６ｃｍ−２であり、裏面と表面の転位密度比は１．９であった。また、単位厚さあたりの転位密度差は７．６×１０６ｃｍ−２／ｍｍであった。得られた結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
上記と同様に、図１に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した（Ｎｏ．２）。
【００４１】
上記と同様に、図１に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した（Ｎｏ．３）。
【実施例２】
【００４２】
（ＧａＮ系発光素子の製造）
得られたＮｏ．１〜３のＧａＮ自立基板１０上に、減圧ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＮ系発光素子を製造した。
【００４３】
図２に、製造したＧａＮ系発光素子の構造を示す。この発光素子は、ＧａＮ自立基板１０上に、３層のＩｎＧａＮ井戸層２１と４層のＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造２０、Ｍｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２３、及びＭｇをドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層２４を順次積層し、ＧａＮ自立基板１０の裏面にｎ型電極２５、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４の表面にｐ型電極２６を形成したものである。
【００４４】
このＧａＮ系発光素子は、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、有機金属原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を、ガス原料として、アンモニア（ＮＨ３），シラン（ＳｉＨ４）を、キャリアガスとして、水素及び窒素を用い、以下のようにして製造した。
【００４５】
まず、Ｎｏ．１のＧａＮ自立基板１０上に、厚さ３ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層２１が３層と、厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層２２が４層とから成る多重量子井戸構造（ＭＱＷ）２０を有するＩｎＧａＮ系活性層を形成した。この際、それぞれの井戸層及び障壁層形成後に成長中断をおいた。なお、成長中断は、ＴＭＧ、ＴＭＩ等のＩＩＩ族原料の供給を一時的に停止することにより実施した。次に、多重量子井戸構造２０の上部に、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層２３，ｐ型ＧａＮコンタクト層２４を順に形成した。最後に、ＧａＮ自立基板１０の裏面（Ｎ面）側にｎ型電極２５を、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４上にｐ型電極２６を形成した。
【００４６】
次に、Ｎｏ．２、３のＧａＮ自立基板上にも同様にしてＧａＮ系発光素子を製造し、良品率を比較した。なお、ＧａＮ基板の厚さは５００μｍに合わせている。結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
【００４８】
良品率の絶対値は、エピ構造、成長方法及び規格などにより変わるが、同じ条件で比較した結果、表２に示したとおり、裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下で、かつ単位厚さあたりの転位密度差が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下とすることにより、大幅な歩留改善を成し遂げることができることが分かった。
【００４９】
［他の実施形態］
以上、本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。たとえば、実施例においてはＧａＮ結晶成長をＨＶＰＥ法で行ったが、ＧａＮ結晶成長の一部にＭＯＶＰＥ法を組合せても良い。
【００５０】
上記実施例では、ＬＥＤ構造における効果を検証したが、ＭＱＷを備えるＬＤ構造でも、同様の効果が推定される。
【００５１】
また、結晶成長の初期又は途中の段階で、結晶成長界面に複数の凹凸を出しながら成長を行わせるために、ＳｉＯ２等のマスクを用いる周知のＥＬＯ技術を組合せて用いても良い。
【００５２】
また、実施例では下地基板にサファイア基板を用いたが、ＧａＡｓやＳｉ、ＺｒＢ２、ＺｎＯ等のように、従来ＧａＮ系エピタキシャル層用基板として報告例のある基板は、すべて適用が可能である。
【００５３】
更に、実施例ではＳｉドープのＧａＮの自立基板の製造方法を例示したが、アンドープや他のドーパント、例えばＭｇやＦｅ、Ｓ、Ｏ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｅ等をドープしたＧａＮ自立基板に適用することもできる。
【００５４】
また、実施例ではＧａＮの自立基板の製造方法を例示したが、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮの基板に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例１に係るＧａＮ自立基板の製造方法を示す模式図である。
【図２】実施例２に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ サファイア基板
３ ＳｉドープＧａＮ層
５ Ｔｉ薄膜
６ ボイド層
７ ＴｉＮ層
８ ＧａＮ層
９ ＧａＮ自立基板
１０ ＧａＮ自立基板
２０ 多重量子井戸構造
２１ ＩｎＧａＮ井戸層
２２ ＧａＮ障壁層
２３ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２４ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２５ ｎ型電極
２６ ｐ型電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びにＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスに関し、特に、アズグロウン（as grown）状態での基板の反りを小さくすることにより、基板表面の面方位のばらつきを低減させることができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びに当該基板を使用して基板面内均一性に優れた、短波長ＬＤ（レーザーダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）及び高耐圧ＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きくバンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子、特に青色発光ダイオード（ＬＥＤ）の製造に用いられている。また、最近では、更に短波長の紫外ＬＥＤや、これらＬＥＤと蛍光体を組み合わせた白色ＬＥＤが実用化され始めている。
【０００３】
半導体のデバイスを作製する場合、その下地基板にはエピタキシャル成長する結晶と格子定数や線膨張係数の同じ基板を使用する、いわゆるホモエピタキシャル成長を行うのが一般的である。例えば、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓのエピタキシャル成長を行うための基板には、ＧａＡｓ単結晶基板が用いられている。
【０００４】
しかし、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶に限っては、これまでに実用に足るサイズ、特性のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板を製造することができなかった。このため、これまでに実用化されている窒化物系発光ダイオードは、そのほとんどが格子定数の近いサファイア基板上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶をヘテロエピタキシャル成長させることにより製造されている。従って、ヘテロ成長であることに起因した様々な問題が発生していた。
【０００５】
例えば、サファイア基板とＧａＮの線膨張係数の違いに起因して、エピタキシャル成長後の基板が大きく反ってしまうという問題が生じていた。これは、エピタキシャル成長後のフォトリソグラフィ工程やチップ加工工程において、基板の割れを生じさせるなど、歩留り低下の原因となる。
【０００６】
また、サファイア基板とＧａＮでは、格子定数が異なるため、窒化物結晶を単結晶成長させるために、一旦本来の結晶成長温度よりも低い温度でバッファ層を堆積させる必要があり、これが結晶成長の工程時間を延ばす要因になっている。更に、サファイア基板上の成長では、サファイアとＧａＮの格子定数差に起因して、ＧａＮエピ層中に１０８から１０９個／ｃｍ−２もの多量の転位が発生してしまう。この転位は、発光素子の出力や信頼性を阻害する要因となる。従来の青色系のＬＥＤでは、これまで転位が問題とされることは少なかったが、今後、より高出力化が求められるようになり、また、紫外ＬＥＤの実現に向けて短波長化が促進されると、デバイス特性に及ぼす転位の影響が大きくなってくることが予想されており、何らかの対策が必要となっている。
【０００７】
これらの問題を解決するため、近年、ＧａＮの単結晶自立基板が開発されてきた。ＧａＮ自立基板の製造方法としては、例えば、下地基板に開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得る技術、いわゆるＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術を用いてサファイア基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、ＧａＮ自立基板を得ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、ＥＬＯ法をさらに発展させた方法として、ＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）法が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。ＦＩＥＬＯ法は、酸化シリコンマスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯ法と共通するが、選択成長の際にマスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上面に至る貫通転位を低減する。ＦＩＥＬＯ法を用いて、例えばサファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後下地基板を除去すれば、結晶欠陥の比較的少ない良質のＧａＮ自立基板を得ることができる。
【０００９】
上記以外にも、低転位のＧａＮ自立基板を得る方法として、ＤＥＥＰ（Dislocation Elimination by the Epi-growth with Inverted-Pyramidal Pits）法が開発されている（例えば、非特許文献２、特許文献２参照）。ＤＥＥＰ法は、ＧａＡｓ基板上にパターニングした窒化珪素等のマスクを用いてＧａＮを成長させることにより、結晶表面に意図的にファセット面で囲まれたピットを複数形成し、前記ピットの底部に転位を集積させることにより、その他の領域を低転位化するものである。
【００１０】
これらＥＬＯ法やＤＥＥＰ法等の方法を用いて異種基板上にＨＶＰＥ法でＧａＮ膜を成長し、その後、下地基板からＧａＮ層を剥離して得られたＧａＮ基板は、特に低転位結晶の必要なレーザーダイオード（ＬＤ）の開発に主に用いられているが、最近では、ＬＥＤ用の基板としても使われるようになってきている。
【特許文献１】特開平１１−２５１２５３号公報
【特許文献２】特開２００３−１６５７９９号公報
【非特許文献１】Akira Usui et. al.,「Thick GaN Epitaxial Growth with Low Dislocation Density by Hydride Vapor Phase Epitaxy」, Jpn. J. Appl. Phys. vol. 36(1997) pp. L899-L902
【非特許文献２】Kensaku Motoki et. al., 「Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate」, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40(2001)pp. L140-L143
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の方法で得られたアズグロウンのＧａＮ自立基板においても、表面平坦性が悪い、基板の反りが大きい等の理由のため、そのままでは窒化物系半導体用基板として用いることが出来ない。このため、通常、ＧａＮ自立基板の表面と裏面を研磨加工して鏡面に仕上げてから、デバイス作製に使用するのが一般的である。
【００１２】
しかし、アズグロウンの状態で反りが大きいと、鏡面研磨後に表面の面方位に大きな面内分布を生じてしまう。このような基板を用いてＬＥＤやＬＤを製作すると、面方位の分布が直接的に発光波長の分布に影響を与えてしまうため、歩留りを大きく損ねてしまうという問題があった。
【００１３】
従って、本発明の目的は、上記の課題を解決すること、具体的には、アズグロウンの状態での基板の反りを小さくすることにより、基板表面の面方位のばらつきを低減させることができるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法、並びに当該基板を使用して基板面内均一性に優れたＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成すべく本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板は、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立した半導体基板であって、基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下であり、かつ厚さ方向において基板裏面から表面に至るまで転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少していることを特徴とする。
【００１５】
前記基板厚さは１００μｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成をＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。
【００１６】
また、上記目的を達成すべく本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法は、異種基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を厚さ方向において転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少するように堆積する工程と、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層と前記異種基板とを分離する工程と、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の前記異種基板を分離した側の面に対して、転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下となるように転位密度を低減する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を堆積する工程は、ＨＶＰＥ法により行うことが好ましい。また、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成をＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表すことができる。
【００１８】
更に、前記転位密度を低減する工程は、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を、前記異種基板を分離した側の面から所定の厚さだけ研磨するものとすることができる。
【００１９】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなるエピタキシャル層を形成してＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスとすることができる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスとしては、ＬＤ（レーザーダイオード）、ＬＥＤ（発光ダイオード）、及びＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）等を挙げることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板によれば、アズグロウンの状態での基板の反りを小さくして、基板表面の面方位のばらつきを低減させることができる。
【００２１】
また、本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法によれば、上記の基板表面の面方位のばらつきを低減したＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板を確実に得ることができる。
【００２２】
更に、本発明のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイスによれば、基板表面の面方位のばらつきを低減させた基板を用いているので、基板面内均一性に優れた特性を有し、歩留りが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本実施形態に係るＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板は、異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離することにより得られる自立したＧａＮ単結晶基板であって、基板裏面の転位密度及び、厚さ方向における基板裏面から表面に至るまでの転位密度の割合を特定の範囲としている。以下、これらの点を中心に詳しく説明する。
【００２４】
（自立基板）
まず、自立基板（自立した基板）とは、自らの形状を保持できるだけでなく、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を有するためには、自立基板の厚さを好ましくは１００μｍ以上、更に好ましくは２００μｍ以上とする。
【００２５】
（基板裏面）
基板裏面は平坦に研磨加工することが好ましい。これは、転位密度の高い領域を取り除いて後述する低転位密度の範囲に収めると共に、基板にエピ成長を行う際に、基板とサセプタとの密着性を良くするためである。基板の裏面全面が、サセプタと均等に接触していないと、サセプタからの熱伝導が不均一になって、エピ成長中の基板温度が面内で不均一になってしまう。基板温度の面内ばらつきは、結晶成長速度や組成、不純物濃度のばらつきとなって現れるため、特性の面内均一性の高いエピを成長することができなくなってしまう。エピの成長装置には、基板の裏面をサセプタと密着させない、フェイスダウン方式も存在するが、この場合も、基板の裏面に均熱板と呼ぶ平板を置くことが一般的であり、基板の裏面と均熱板との距離にばらつきがあれば、前述の温度ばらつきが生じ、特性の均一性に支障を来たす結果になる。
【００２６】
また、ＧａＮ基板の裏面（Ｎ面）は、表面（Ｇａ面）に較べて研磨が容易であり、裏面の平坦化研磨は、表面ほど工数の増加、歩留りの低下をもたらさない。裏面は、エピ成長時のサセプタとの密着性が問題なく得られる程度に平坦であれば良く、必ずしも鏡面になっている必要はない。即ち、ラップ面や研削面、あるいはこれに歪除去のための処理（エッチング等）を施した面であっても構わない。
【００２７】
（基板表面）
ＧａＮ基板の基板表面においては、基板裏面のように、低転位密度の範囲に収めたり、基板とサセプタとの密着性を良くしたりする目的で研磨する必要はないが、アズグロウンの状態（結晶成長したままの状態であり、研削や研磨などの加工工程を加えていない状態）では、完全に平坦な面が得られない。デバイスの作成プロセスに微細加工が必要なことから、基板表面においても、裏面と同様に研磨加工を行うことが好ましい。
【００２８】
（基板の導電型、キャリア濃度）
基板の導電型は、目的とするデバイスに合わせて適宜制御すべきであり、一律に決めることはできないが、例えば、Ｓｉ、Ｓ、Ｏ等をドープしたｎ型や、ＭｇやＺｎ等をドープしたｐ型とすることができる。また、基板のキャリア濃度の絶対値も、目的とするデバイスに合わせて適宜制御すべきであるから、一律に決めることはできない。しかし、ＬＥＤ用の基板にあっては、裏面電極のコンタクトが容易に取れる程度の導電性基板であることが望ましく、このためには、基板のキャリア濃度は５×１０１７ｃｍ−３以上であることが望ましい。但し、ＬＥＤ用の基板のキャリア濃度としては、あまり高すぎても、基板の結晶性を下げ、また透明性を損なう原因にもなるため、５×１０１７ｃｍ−３以上、１×１０１９ｃｍ−３以下に制御することがより望ましい。
【００２９】
（基板の転位密度）
異種基板上に、ＥＬＯ法やＦＩＥＬＯ法などによりＧａＮを成長させると、成長初期（おおよそ３０μｍ程度）で大幅に転位が減少し、その後は、一般的な傾向として欠陥がゆっくりと減少していくが、最終的に基板の裏面と表面とで転位密度に大きな差があると格子間隔に差が生じるため、その差により基板が反ってしまう。このため、（１）この成長初期の転位が多い領域を研磨により除去して、裏面の転位密度を裏面の鏡面研磨後の状態で３×１０６ｃｍ−２以下にする、（２）上記の欠陥がゆっくりと減少していく領域の成長条件を制御して、基板の厚さ方向の単位長さ当たり転位密度差を３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下にする、ことによりアズグロウンでの反りを減少させて、面方位のばらつきを抑え、後述する実施例の結果からも明らかなように、大幅に歩留りを向上させることが可能になる。
【００３０】
上記の（１）と（２）の条件を満たせば、例えば、基板表面近傍において厚さ２５０μｍで転位密度が１×１０６ｃｍ−２変化する場合（即ち、１ｍｍあたり４×１０６ｃｍ−２位変化する場合）のような急激な転位密度の低下が除かれ、アズグロウンでの反りは大きくならず、よって面方位のばらつきもあまり変化しなくなる。さらに、現状では基板表面全面で１０４ｃｍ−２台の低転位密度を達成したＧａＮ基板は存在しないが、基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２であり、仮に基板表面の転位密度が理想的に０としても、これは最大３×１０６倍転位密度が異なる場合であり、厚さが１ｍｍ以上であれば（１）、（２）の条件を満たすため、十分に小さい面方位ばらつきが得られることになる。
【００３１】
（基板の材料）
本実施形態の基板の材料としては、ＧａＮのみならず、一般式：ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（ただし、０≦x≦１、０≦ｙ≦１、及び０≦x＋y≦１）で表すＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体を用いることができる。ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶には、ＧａＮを始めとしてＡｌＮやＩｎＮ、また、これらの混晶が実用に供されている。基板という観点で見たとき、ある程度の大口径でかつ厚みの厚い結晶を容易に得ることができ、また、ホモエピタキシャル成長も容易なのがＧａＮであるが、これ以外には、ＡｌＮやＡｌＧａＮの基板が使い勝手の点で有利である。また、これらの基板表面は（０００１）のＩＩＩ族面であることが望ましい。ＧａＮ系の結晶は極性が強く、ＩＩＩ族面の方がＶ族面（窒素面）より化学的及び熱的に安定で、デバイスの作製が容易であるからである。
【００３２】
（基板の製造方法）
本実施形態の基板は、異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離することにより得られる。
ＧａＮ系半導体単結晶は、ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長）により成長することが望ましい。これは、ＨＶＰＥ法は結晶成長速度が速く、厚膜成長を必要とする基板の作製に適するからである。また、ＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離する方法には、ボイド形成剥離法（ＶＡＳ法）を用いることができる。ＶＡＳ法は、大口径の基板を再現良く剥離することが可能で、かつ、低転位で特性の均一なＧａＮ系自立基板を得ることができるという点で優れている。異種基板上にＧａＮ系半導体単結晶を成長した後、これを剥離する手法を用いるのは、現状、直径φ２インチ以上でかつハンドリングに耐える十分な厚さを有するＧａＮ系自立基板の成長方法は、ＶＡＳ法や、ＦＩＥＬＯ法にレーザーリフトオフ法を組み合わせたような手法に限られているためである。
【００３３】
（ＧａＮ系デバイス）
本実施形態のＧａＮ自立基板は、その上にＭＯＶＰＥ法でＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶をエピタキシャル成長させ、短波長のＬＤ、ＬＥＤ及び高耐圧ＨＥＭＴを製造する用途に適している。本実施形態のＧａＮ自立基板では面方位のばらつきが低減されているので、その基板を用いて、短波長のＬＤやＬＥＤを製造することにより、発光波長の面内分布が均一なＬＤやＬＥＤを得ることができる。また、ＨＥＭＴなどの高周波素子では、基板表面の面方位のばらつきにより、エピ・基板界面に蓄積される導電性を与える不純物の取り込みに差が生じる可能性があるが、本実施形態のＧａＮ自立基板を用いることにより、その面方位のばらつきを抑えてバッファリークの安定化が可能であり、不純物低減の諸策と相まって、低リーク且つそのばらつきが小さい高性能なＨＥＭＴエピの提供が可能になる。
【実施例１】
【００３４】
（ＧａＮ自立基板の製造）
図１に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した。
まず、直径２インチ径のＣ面サファイア基板１上に、ＭＯＶＰＥ法で、２０ｎｍの低温成長ＧａＮバッファ層を介してＳｉドープＧａＮ層３を０．５μｍ成長させた（ａ）。成長条件は、圧力を常圧とし、バッファ層成長時の基板温度を６００℃、エピ層成長時の基板温度を１１００℃とした。原料は、ＩＩＩ族原料としてＴＭＧを、Ｖ族原料としてＮＨ３を、ドーパントとしてモノシランを用いた。キャリアガスは、水素と窒素の混合ガスである。結晶の成長速度は４μｍ／ｈとした。エピ層のキャリア濃度は、２×１０１８ｃｍ−３とした。
【００３５】
次に、このＳｉドープＧａＮ層３上に、金属Ｔｉ薄膜５を２０ｎｍの厚さに蒸着した（ｂ）。こうして得られた基板を電気炉に入れ、２０％のＮＨ３を含有するＨ２気流中において１０５０℃で２０分間熱処理した。その結果、ＧａＮ層３の一部がエッチングされて高密度の空隙層（ボイド層）６が発生し、またＴｉ層は窒化されて表面にサブミクロンの微細な穴が高密度に形成されたＴｉＮ層７に変化した（ｃ）。
【００３６】
この基板をＨＶＰＥ炉に入れ、キャリアガス中に８×１０−３ａｔｍのＧａＣｌ及び４．８×１０−２ａｔｍのＮＨ３からなる原料ガスを含有する供給ガス用いて、ＧａＮ層８を６００μｍの厚さに成長させた（ｄ）。ここで、キャリアガスは、Ｈ２を５％含有するＮ２ガスを用いた。ＧａＮ層の成長条件は、常圧及び１０８０℃の基板温度とした。またＧａＮ結晶の成長工程において、ドーピング原料ガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２を基板領域に供給することによりＳｉをドープした。成長が終了した後、ＨＶＰＥ装置を冷却する過程で、ＧａＮ層８はボイド層６を境に下地基板から自然に剥離し、ＧａＮの自立基板が得られた。
【００３７】
得られたＧａＮ自立基板９は、裏面側に凸向きに反りを生じており、表面は、裏面の反りの形状を反映した凹面形状になっていた（ｅ）。次に、ＧａＮ自立基板９を窒化物系半導体素子用基板として用いることができるようにするため、両面を研磨した。研磨は裏面側から行った。裏面（Ｎ面）の研磨は、研削により行ったが、ラップ（ＧＣ♯８００などを使用）により行ってもよい。一例として、ＧａＮ自立基板９を、約１５０μｍから３００μｍの厚さ、研磨した。その後、ＮａＯＨ水溶液または塩酸と過酸化水素水の混合液を用いて裏面をエッチングした。例えば、当該混合液は、塩酸：過酸化水素水：水＝１：１：２の比率で混合した混合液を用いた。エッチング後裏面粗さは数μｍ〜数百ｎｍになった。裏面エッチング後ＧａＮ自立基板の表面（Ｇａ面）を鏡面化するためラップ後ポリッシュした。更に、表面についても同様の工程で研磨を行い、ＧａＮ自立基板１０が得られた（ｆ）。
【００３８】
この基板（Ｎｏ．１）の裏面及び表面の転位密度はそれぞれ８．１×１０６、４．３×１０６ｃｍ−２であり、裏面と表面の転位密度比は１．９であった。また、単位厚さあたりの転位密度差は７．６×１０６ｃｍ−２／ｍｍであった。得られた結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
【００４０】
上記と同様に、図１に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した（Ｎｏ．２）。
【００４１】
上記と同様に、図１に示す製造工程により、ＧａＮ自立基板を製造した（Ｎｏ．３）。
【実施例２】
【００４２】
（ＧａＮ系発光素子の製造）
得られたＮｏ．１〜３のＧａＮ自立基板１０上に、減圧ＭＯＶＰＥ法を用いてＧａＮ系発光素子を製造した。
【００４３】
図２に、製造したＧａＮ系発光素子の構造を示す。この発光素子は、ＧａＮ自立基板１０上に、３層のＩｎＧａＮ井戸層２１と４層のＧａＮ障壁層とからなる多重量子井戸構造２０、Ｍｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＮクラッド層２３、及びＭｇをドープしたｐ型ＧａＮコンタクト層２４を順次積層し、ＧａＮ自立基板１０の裏面にｎ型電極２５、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４の表面にｐ型電極２６を形成したものである。
【００４４】
このＧａＮ系発光素子は、周知の有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、有機金属原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）を、ガス原料として、アンモニア（ＮＨ３），シラン（ＳｉＨ４）を、キャリアガスとして、水素及び窒素を用い、以下のようにして製造した。
【００４５】
まず、Ｎｏ．１のＧａＮ自立基板１０上に、厚さ３ｎｍのＩｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ井戸層２１が３層と、厚さ１０ｎｍのＧａＮ障壁層２２が４層とから成る多重量子井戸構造（ＭＱＷ）２０を有するＩｎＧａＮ系活性層を形成した。この際、それぞれの井戸層及び障壁層形成後に成長中断をおいた。なお、成長中断は、ＴＭＧ、ＴＭＩ等のＩＩＩ族原料の供給を一時的に停止することにより実施した。次に、多重量子井戸構造２０の上部に、ｐ型Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎクラッド層２３，ｐ型ＧａＮコンタクト層２４を順に形成した。最後に、ＧａＮ自立基板１０の裏面（Ｎ面）側にｎ型電極２５を、ｐ型ＧａＮコンタクト層２４上にｐ型電極２６を形成した。
【００４６】
次に、Ｎｏ．２、３のＧａＮ自立基板上にも同様にしてＧａＮ系発光素子を製造し、良品率を比較した。なお、ＧａＮ基板の厚さは５００μｍに合わせている。結果を表２に示す。
【００４７】
【表２】
【００４８】
良品率の絶対値は、エピ構造、成長方法及び規格などにより変わるが、同じ条件で比較した結果、表２に示したとおり、裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下で、かつ単位厚さあたりの転位密度差が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下とすることにより、大幅な歩留改善を成し遂げることができることが分かった。
【００４９】
［他の実施形態］
以上、本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。たとえば、実施例においてはＧａＮ結晶成長をＨＶＰＥ法で行ったが、ＧａＮ結晶成長の一部にＭＯＶＰＥ法を組合せても良い。
【００５０】
上記実施例では、ＬＥＤ構造における効果を検証したが、ＭＱＷを備えるＬＤ構造でも、同様の効果が推定される。
【００５１】
また、結晶成長の初期又は途中の段階で、結晶成長界面に複数の凹凸を出しながら成長を行わせるために、ＳｉＯ２等のマスクを用いる周知のＥＬＯ技術を組合せて用いても良い。
【００５２】
また、実施例では下地基板にサファイア基板を用いたが、ＧａＡｓやＳｉ、ＺｒＢ２、ＺｎＯ等のように、従来ＧａＮ系エピタキシャル層用基板として報告例のある基板は、すべて適用が可能である。
【００５３】
更に、実施例ではＳｉドープのＧａＮの自立基板の製造方法を例示したが、アンドープや他のドーパント、例えばＭｇやＦｅ、Ｓ、Ｏ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｅ等をドープしたＧａＮ自立基板に適用することもできる。
【００５４】
また、実施例ではＧａＮの自立基板の製造方法を例示したが、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮの基板に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】実施例１に係るＧａＮ自立基板の製造方法を示す模式図である。
【図２】実施例２に係るＧａＮ系発光素子を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ サファイア基板
３ ＳｉドープＧａＮ層
５ Ｔｉ薄膜
６ ボイド層
７ ＴｉＮ層
８ ＧａＮ層
９ ＧａＮ自立基板
１０ ＧａＮ自立基板
２０ 多重量子井戸構造
２１ ＩｎＧａＮ井戸層
２２ ＧａＮ障壁層
２３ ｐ型ＡｌＧａＮクラッド層
２４ ｐ型ＧａＮコンタクト層
２５ ｎ型電極
２６ ｐ型電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立した半導体基板であって、基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下であり、かつ厚さ方向において基板裏面から表面に至るまで転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少していることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項２】
前記基板厚さが１００μｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項３】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項４】
異種基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を厚さ方向において転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少するように堆積する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層と前記異種基板とを分離する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の前記異種基板を分離した側の面に対して、転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下となるように転位密度を低減する工程と、
を含むことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を堆積する工程は、ＨＶＰＥ法により行われることを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されることを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記転位密度を低減する工程は、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を、前記異種基板を分離した側の面から所定の厚さだけ研磨するものであることを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなるエピタキシャル層が形成されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイス。
【請求項１】
ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなる自立した半導体基板であって、基板裏面の転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下であり、かつ厚さ方向において基板裏面から表面に至るまで転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少していることを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項２】
前記基板厚さが１００μｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項３】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されることを特徴とする請求項１に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項４】
異種基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を厚さ方向において転位密度が３×１０６ｃｍ−２／ｍｍ以下の割合で減少するように堆積する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層と前記異種基板とを分離する工程と、
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層の前記異種基板を分離した側の面に対して、転位密度が３×１０６ｃｍ−２以下となるように転位密度を低減する工程と、
を含むことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項５】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶を堆積する工程は、ＨＶＰＥ法により行われることを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項６】
前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶の組成がＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表されることを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項７】
前記転位密度を低減する工程は、前記ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体層を、前記異種基板を分離した側の面から所定の厚さだけ研磨するものであることを特徴とする請求項４に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体基板上に、ＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体結晶からなるエピタキシャル層が形成されてなるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系半導体デバイス。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２３８５３（Ｐ２００９−２３８５３Ａ）
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８６０１２（Ｐ２００７−１８６０１２）
【出願日】平成１９年７月１７日（２００７．７．１７）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１７日（２００７．７．１７）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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