ＩＩＩ族窒化物半導体成長用の下地基板およびＩＩＩ族窒化物半導体の成長方法
【課題】表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体の厚膜結晶を成長させることができる下地基板を提供する。
【解決手段】第１結晶成長面１１０と第１結晶成長面１１０と同じ方向に面している第２結晶成長面１０９を有する下地基板１１２であって、第１結晶成長面１１０の周縁の５０％以上または全周縁に下向きの段差を介して第２結晶成長面１０９が連接している。ここで、第１結晶成長面１１０は円形とし、第２結晶成長面１０９は環状であり、第１結晶成長面１１０と同心とする。
【解決手段】第１結晶成長面１１０と第１結晶成長面１１０と同じ方向に面している第２結晶成長面１０９を有する下地基板１１２であって、第１結晶成長面１１０の周縁の５０％以上または全周縁に下向きの段差を介して第２結晶成長面１０９が連接している。ここで、第１結晶成長面１１０は円形とし、第２結晶成長面１０９は環状であり、第１結晶成長面１１０と同心とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体成長用の下地基板および該下地基板を用いたIII族窒化物半導体の成長方法に関する。より具体的には、本発明は、結晶の表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長することができる下地基板と、その下地基板を用いたIII族窒化物半導体の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体は、高融点であり、しかも融点付近の窒素の解離圧が高いことから、融液からのバルク成長が困難である。一方、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の気相成長法を用いることによって、III族窒化物半導体基板を製造できることが知られている。窒化ガリウム半導体基板を製造する場合、例えば、サファイア等の下地基板を気相成長装置の成長室（リアクター）内にセットし、リアクター内に、ガリウム化合物を含有するガスと窒素化合物を含有するガスなどからなるIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより、下地基板上に窒化ガリウム半導体を数μｍ〜数ｃｍの厚さにまで成長させる。そして、その後、下地基板などの部分を研磨やレーザーを照射する方法を用いて除去することにより、所望のIII族窒化物半導体基板を得ることができる。前記の気相成長法のうち、ＨＶＰＥ法は他の成長方法に比べて高い成長速度が実現できる特徴をもつことから、III族窒化物半導体の厚膜成長が必要な場合や、十分な厚みを有するIII族窒化物半導体基板を得るための方法として有効である。
【０００３】
従来は１枚の下地基板上に５００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さの単結晶窒化ガリウムを成長し、下地基板を取り除き、加工研磨を行うことにより１枚の窒化ガリウム単結晶基板を得ていた。これでは非常に製造の効率が悪く、安価な単結晶窒化ガリウム基板を供給することはできない。そこで下地基板上に数ｍｍ〜数ｃｍの厚さの単結晶を成長し、その単結晶バルクをスライシングすることによって、１枚の下地基板から複数枚の窒化ガリウム単結晶基板を得る手法が注目されている。
【０００４】
しかしながら、数ｍｍ以上の厚膜を成長させる上で新たな問題が発生する。数ｍｍ以上の厚膜成長を行うと基板周縁部に結晶が異常成長するため、基板中心部でのガスの流れが乱れ良好な結晶が得られない。また、基板周縁部の結晶の異常成長が加速され基板中心部の膜厚がほとんど増えないうえ、ＧａＮの形成に伴って発生する塩酸ガスのエッチング作用の影響だと思われる表面荒れも発生する。
【０００５】
このような基板端部における結晶の異常成長を防ぐために、端部をカバーで覆う技術が提案されている（特許文献１参照）。具体的には、成長面の外周から半径方向内側に向かって１ｍｍ以上の部分をカバーで覆うことが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２００２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、端部をカバーで覆うと結晶成長面におけるガスの流れが阻害され、表面性に優れた結晶を均一に成長させることが困難になるという問題がある。また、結晶成長面の一部を覆うことから成長面を効率よく利用することができず、サイズが大きな結晶を成長させるには不利であるという問題もある。
【０００７】
本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、結晶成長面におけるガスの流れを阻害せずに、表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体の厚膜結晶を成長させることができる下地基板を提供することを本発明の目的として設定した。また、そのような下地基板を利用して表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させる方法を提供することも本発明の目的として設定した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、結晶成長面の周縁に段差をつけて別の結晶成長面を設けることによって従来技術の課題を解決しうることを見出した。すなわち、課題を解決する手段として、以下の本発明を提供するに至った。
【０００９】
［１］ 第１結晶成長面と前記第１結晶成長面と同じ方向に面している第２結晶成長面を有する下地基板であって、前記第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［２］ 前記第１結晶成長面の全周縁に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とする［１］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［３］ 前記第１結晶成長面が円形であることを特徴とする［１］または［２］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［４］ 前記第２結晶成長面が環状であり、円形の前記第１結晶成長面と同心であることを特徴とする［３］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［５］ 前記第２結晶成長面の幅が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［６］ 前記段差の高さが０．１〜５ｍｍであることを特徴とする［１］〜［５］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［７］ 前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面が連続している単一部材内に存在することを特徴とする［１］〜［６］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［８］ 前記第１結晶成長面を構成する部材と前記第２結晶成長面を構成する部材が異なっていることを特徴とする［１］〜［６］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［９］ 前記第１結晶成長面を構成する材料と前記第２結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなることを特徴とする［１］〜［８］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［１０］ 前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面を構成する部材が基礎基板上に形成されていることを特徴とする［１］〜［９］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［１１］ 前記基礎基板がサファイア単結晶基板またはＳｉＣ単結晶基板であることを特徴とする［１０］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【００１０】
［１２］ ［１］〜［１１］のいずれか一項に記載の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより前記下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の成長方法。
［１３］ 前記下地基板が、結晶成長させるIII族窒化物半導体と同種の単結晶からなることを特徴とする［１２］に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
［１４］ 前記III族窒化物半導体を厚み５ｍｍ以上で結晶成長させることを特徴とする［１２］または［１３］に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
［１５］ 前記結晶成長をハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）により行うことを特徴とする［１２］〜［１４］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
［１６］ 前記下地基板から前記第２結晶成長面を分離する工程をさらに含むことを特徴とする［１２］〜［１５］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の下地基板は、第１結晶成長面の周縁に段差をつけて第２結晶成長面が設けられているため、第１結晶成長面の周縁部においてIII族窒化物半導体結晶が異常成長するのを抑えることができる。その結果、第１結晶成長面上に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。また、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法によれば、平坦で均一な厚膜結晶を作製することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、本発明の下地基板およびIII族窒化物半導体の成長方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【００１３】
（III族窒化物半導体成長用の下地基板）
本発明の下地基板は、第１結晶成長面と前記第１結晶成長面と同じ方向に面している第２結晶成長面を有する下地基板であって、前記第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の下地基板は少なくとも第１結晶成長面と第２結晶成長面を備えている。第１結晶成長面と第２結晶成長面は互いに同じ方向に面しているが、ここでいう「同じ方向に面している」とは、第１結晶成長面の法線と第２結晶成長面の法線の角度が２０°以内であることを意味する。第１結晶成長面の法線と第２結晶成長面の法線の角度は１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましく、１°以内であることが特に好ましい。
【００１５】
第１結晶成長面は、表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体結晶を成長させる面である。第１結晶成長面の形状は特に制限されず、取得しようとしているIII族窒化物半導体結晶の形状にあわせて形状を決定することができる。通常は円形、楕円形または矩形であり、好ましくは円形である。第１結晶成長面のサイズも、取得しようとしているIII族窒化物半導体のサイズにあわせて決定することができる。第１結晶成長面が円形である場合の直径や第１結晶成長面が矩形である場合の最大径は、通常１０〜３００ｍｍであり、２０〜１５０ｍｍであることが好ましく、５０〜１００ｍｍであることがより好ましい。
【００１６】
第２結晶成長面は、第１結晶成長面よりも低い位置でIII族窒化物半導体結晶を成長させる面であり、第２結晶成長面にIII族窒化物半導体結晶を成長させることによって第１結晶成長面の周縁部に結晶が異常成長するのを抑制する機能を有する面である。第２結晶成長面にIII族窒化物半導体結晶を成長させることによって、第１結晶成長面に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体結晶を成長させることが可能になる。
【００１７】
第２結晶成長面は、第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して連接している。すなわち、第１結晶成長面の周縁の長さの５０％以上は、下向きの段差を介して第２結晶成長面につながっている。好ましくは第１結晶成長面の周縁の７０％以上、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上、特に好ましくは１００％が、下向きの段差を介して第２結晶成長面につながっていることが望ましい。下向きの段差を介して第２結晶成長面に連接している周縁を連接周縁部といい、連接していない周縁を非連接周縁部というとき、第１結晶成長面の周縁は連接周縁部と非連接周縁部が交互に現れるものであってもよい。好ましいのは、連接周縁部と非連接周縁部が規則性を持って交互に現れる態様であり、より好ましいのは下地基板が円形で連接周縁部と非連接周縁部が規則性を持って交互に現れる態様であり、さらに好ましいのは回転対称性を有する態様であり、特に好ましいのは周縁がすべて連接周縁部である態様である。好ましい態様を採用することによって、より均一な結晶を第１結晶成長面上に成長させることができる。
【００１８】
第２結晶成長面は、第１結晶成長面の周縁に下向きの段差を介して連接していることから、第１結晶成長面が円形であるとき第２結晶成長面は環状であることが好ましい。このとき、環状の第２結晶成長面は円形の第１結晶成長面と同心であることがより好ましい。第２結晶成長面の幅は通常０．５〜２０ｍｍであり、１〜１５ｍｍであることが好ましく、２〜１５ｍｍであることがより好ましい。第２結晶成長面の幅は、本発明の下地基板全体にわたって一定であってもよいし、幅が広い部分と幅が狭い部分が混在していてもよい。下地基板全体にわたって幅が一定であれば、より均一なIII族窒化物半導体結晶を第１結晶成長面上に成長させることができるため好ましい。
【００１９】
第１結晶成長面と第２結晶成長面の間に介在する段差は、高低差が通常０．１〜５ｍｍであり、０．２〜２ｍｍであることが好ましく、０．３〜１ｍｍであることがより好ましい。第１結晶成長面と第２結晶成長面との間の高低差は、本発明の下地基板全体にわたって必ずしも一定でなくても構わないが、下地基板全体にわたって一定であることが好ましい。下地基板全体にわたって一定であれば、より均一なIII族窒化物半導体結晶を第１結晶成長面上に成長させることができる。
【００２０】
第１結晶成長面と第２結晶成長面は、同一の結晶からなるものであってもよいし、異なる結晶からなるものであってもよい。いずれの場合であっても、III族窒化物半導体を成長させることができるものでなければならない。好ましいのは、第１結晶成長面と第２結晶成長面におけるIII族窒化物半導体結晶の成長速度がほぼ同じである態様である。したがって、第１結晶成長面と第２結晶成長面は、同一の結晶からなるものであることが好ましい。また、第１結晶成長面と第２結晶成長面は、いずれもIII族窒化物半導体の単結晶であることが好ましく、下地基板上に結晶成長させるIII族窒化物半導体と同じ種類の単結晶であることがより好ましい。
【００２１】
第１結晶成長面と第２結晶成長面は、連続した単一部材内に存在していてもよいし、異なる部材内にそれぞれが存在していてもよい。連続した単一部材内に存在している態様として、例えば１つの単結晶内に第１結晶成長面と第２結晶成長面が設けられている場合を例示することができる。また、異なる部材内にそれぞれが存在している態様として、第１結晶成長面を有する単結晶と第２結晶成長面を有する単結晶とが、互いに接触して一体化している場合を例示することができる。後者の場合、２つの部材は互いに強固に連結していてもよいし、単に一方の部材が他方の部材の上に搭載されているだけでもよい。後者の場合は、搭載のタイミングは特に制限されない。例えば、反応容器内において下側の部材（第２結晶成長面を有する部材）上に上側の部材（第１結晶成長面を有する部材）を搭載してもよい。
【００２２】
本発明の下地基板は、基礎基板上に形成されていてもよい。ここでいう基礎基板とは、一般に基板と呼ばれているもので、その上に化合物半導体を成長させることができる厚膜材料をいう。基礎基板としては、例えばサファイア単結晶基板、ＳｉＣ単結晶基板、Ｓｉ基板などを挙げることができる。好ましいのは、サファイア単結晶基板またはＳｉＣ単結晶基板である。本発明の下地基板は、このような基礎基板を備えたままIII族窒化物半導体結晶の成長に用いてもよいし、基礎基板を除去したうえでIII族窒化物半導体結晶の成長に用いてもよい。いずれにするかは、下地基板の安定性、作業性、成長させるIII族窒化物半導体の形状や用途などに応じて、適宜決定することができる。
【００２３】
（III族窒化物半導体の成長方法）
本発明のIII族窒化物半導体の成長方法は、上記の本発明の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより、下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とする。結晶成長させるIII族窒化物半導体の種類は特に制限されない。例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどを挙げることができる。好ましいのはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮであり、より好ましいのはＧａＮである。
【００２４】
III族窒化物半導体形成用ガスは、本発明の下地基板の第１結晶成長面に供給されるようにする。具体的には、第１結晶成長面の法線方向に対して０〜４５°の方向から供給することが好ましく、０〜３０°の方向から供給することがより好ましく、０〜１０°の方向から供給することがさらに好ましい。III族窒化物半導体形成用ガスは、第２結晶成長面に直接供給してもよいし、第１結晶成長面を経由して供給されるようにしてもよい。好ましいのは、第１結晶成長面を経由して供給される場合である。
【００２５】
本発明のIII族窒化物半導体の成長方法において用いることが結晶成長法として、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、昇華法等を挙げることができる。好ましいのはＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法であり、最も好ましいのはＨＶＰＥ法である。
【００２６】
次に、本発明の下地基板を用いてIII族窒化物半導体結晶を成長させる工程について説明する。
結晶成長に用いる装置の詳細は特に制限されない。例えば、図１に示すようなＨＶＰＥ装置を用いることができる。図１のＨＶＰＥ装置は、リアクター１００内に、下地基板１１２を載置するための基板ホルダー（サセプター）１０７と、成長させるIII族窒化物半導体の原料を入れるリザーバー１０５とを備えている。また、リアクター１００内にガスを導入するための導入管１０１〜１０４と、排気するための排気管１０８が設置されている。さらに、リアクター１００を側面から加熱するためのヒーター１０６が設置されている。
【００２７】
リアクター１００の材質としては、石英、多結晶ＢＮ、ステンレス等が用いられる。好ましい材質は石英である。リアクター１００内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガスとしては、例えばＨ2ガス、Ｎ2ガス、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。
【００２８】
基板ホルダー１０７の材質としてはカーボンが好ましく、ＳｉＣで表面をコーティングしているものがより好ましい。基板ホルダー１０７の形状は、本発明の下地基板１１２を設置することができる形状であれば特に制限されないが、結晶成長する際に成長している結晶の上流側に構造物が存在しないものであることが好ましい。上流側に結晶が成長する可能性のある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、その生成物としてＨＣｌガスが発生して結晶成長させようとしている結晶に悪影響が及んでしまう。基板ホルダー１０７の下地基板載置面の大きさは、載置する下地基板１１２よりも小さいことが好ましい。すなわち、ガス上流側から見たときに、下地基板１１２の大きさで基板ホルダー１０７が隠れるくらいの大きさであることがさらに好ましい。
【００２９】
下地基板１１２を基板ホルダー１０７に載置するとき、下地基板１１２の第１結晶成長面はガス流れの上流側（図１ではリアクターの上方）を向くように載置することが好ましい。すなわち、ガスが第１結晶成長面に向かって流れるように載置することが好ましく、ガスが第１結晶成長面に垂直な方向から流れるようにすることがより好ましい。このように下地基板１１２を載置することによって、より均一で結晶性に優れたIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。
【００３０】
リザーバー１０５には、III族源となる原料を入れる。そのようなIII族源となる原料として、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎなどを挙げることができる。
【００３１】
リザーバー１０５にガスを導入するための導入管１０３からは、リザーバー１０５に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー１０５にIII族源となる原料を入れた場合は、導入管１０３からＨＣｌガスを供給することができる。このとき、ＨＣｌガスとともに、導入管１０３からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えばＨ2ガス、Ｎ2ガス、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。キャリアガスは雰囲気ガスと同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
【００３２】
導入管１０１からは、窒素源となる原料ガスを供給する。通常はＮＨ3ガスを供給する。また、導入管１０２からは、キャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、導入管１０３から供給するキャリアガスと同じものを例示することができる。導入管１０２から供給するキャリアガスと導入管１０３から供給するキャリアガスは同じものであることが好ましい。また、導入管１０２からは、ドーパントガスを供給することもできる。例えば、ＳｉＨ4やＳｉＨ2Ｃｌ2等のｎ型のドーパントガスを供給することができる。
【００３３】
導入管１０４からは、エッチングガスを供給することができる。エッチングガスとしては、塩素系のガスを挙げることができ、ＨＣｌガスを用いることが好ましい。エッチングガスの流量を総流量に対して０．１％〜３％程度とすることによりエッチングを行うことができる。好ましい流量は総流量に対して１％程度である。ガスの流量はマスフローコントロラー（ＭＦＣ）等で制御することができ、個別のガスの流量は常にＭＦＣで監視することが好ましい。
【００３４】
導入管１０１、１０２、１０４から供給する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から供給しても構わない。また、Ｖ族源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して供給してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの供給態様は、リアクター１００の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。
【００３５】
ガス排出管１０８は、ガス導入のための導入管１０１〜１０４とは反対側のリアクター内壁から排出することができるように設置するのが一般的である。図１では、ガス導入のための導入管１０１〜１０４が設置されているリアクター上面とは反対に位置するリアクター底面にガス排出管１０８が設置されている。ガス導入のための導入管がリアクター右側面に設置されている場合は、ガス排出管はリアクター左側面に設置されていることが好ましい。このような態様を採用することによって、一定方向に向けて安定にガスの流れを形成することができる。
【００３６】
ＨＶＰＥ法による結晶成長は、通常は９００℃〜１０７０℃で行い、９２５℃〜１０５０℃で行うことが好ましく、９５０℃〜１０３０℃で行うことがより好ましく、９７５℃から１０００℃で行うことがさらに好ましい。リアクター内の圧力は１０ｋＰａ〜２００ｋＰａであるのが好ましく、３０ｋＰａ〜１５０ｋＰａであるのがより好ましく、５０ｋＰａ〜１２０ｋＰａであるのがさらに好ましい。エッチングを行うときのエッチング温度や圧力は、上記の結晶成長の温度や圧力と同一であっても異なっていてもよい。
【００３７】
結晶成長を行った後に得られるIII族窒化物半導体結晶は、結晶面の境界に多結晶体を有することがある。ここでいう多結晶体とは、例えば六方晶系の結晶格子を形成することができず、しかるべき位置に原子がいない状態の結晶を意味する。すなわち結晶方位が無秩序な微小な結晶の集合体をいい、非常に小さな単結晶粒の集まりを意味する。このような多結晶体を有する場合は、多結晶体を除去する工程を行った後に、さらに多結晶体を除去した結晶の表面にIII族窒化物半導体結晶を成長する工程を行う。そのようにして得られたIII族窒化物半導体結晶が、なお結晶面の境界に多結晶体を有するときは、再び多結晶体を除去する工程を行い、さらに表面にIII族窒化物半導体結晶を成長する工程を行う。このような操作を繰り返すことによって、多結晶体を有さないIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。
【００３８】
本発明の製造方法によって得られるIII族窒化物半導体の結晶系は、六方晶系であることが好ましい。また、得られるIII族窒化物半導体結晶は、単結晶であることが好ましい。下地基板の上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の厚さは２ｍｍ〜１０ｃｍが好ましい。結晶成長後に研削、研磨、レーザ照射等を行う場合は、ある程度の大きさの結晶が必要になるため、下地基板の上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の厚さは５ｍｍ〜１０ｃｍが好ましく、１ｃｍ〜１０ｃｍがより好ましい。
【００３９】
本発明の製造方法によって得られたIII族窒化物半導体結晶は、そのまま用いてもよいし、研削やスライス加工などの処理を行ってから用いてもよい。ここでスライス加工とは、（１）成長した結晶を下地基板として使用できるようにＣ面表面の品質を均一にする加工や、（２）成長初期部分には内在する転位から発生するストレスがあることを考慮してその部分を切り捨てるために行う加工をいう。スライス加工は、具体的には内周刃スライサー、ワイヤーソースライサー等を用いて行うことができる。本発明では、スライス加工を行うことによって、形状がほぼ同じで、転位密度がより低く、かつ、表面欠陥が少ない結晶を製造することが好ましい。
【００４０】
本発明の製造方法によれば、表面粗さが１ｎｍ以下であるＣ面やＭ面を備えているIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。特に、結晶成長後に研磨を行わなくても、表面粗さが１ｎｍ以下であるＣ面やＭ面をもつことを備えているIII族窒化物半導体結晶を製造することができる点で優れている。なお、本発明における表面粗さ（Ｒｍｓ）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて１０μｍ角の表面粗さを測定したデータから自乗平均平方根で計算することにより求められる。
【００４１】
本発明の製造方法により製造したIII族窒化物半導体結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に、紫外、青色又は緑色等の発光ダイオード、半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。また、本発明の製造方法により製造したIII族窒化物半導体結晶を下地基板として用いて、さらに大きなIII族窒化物半導体結晶を得ることも可能である。
【実施例】
【００４２】
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
なお、以下の実施例および比較例では、図１に示すＨＶＰＥ装置を用いて結晶成長を行った。
【００４３】
（実施例１）
表面が（０００１）面からなる厚さ４３０μｍ、直径７６．２ｍｍ（３インチ）のサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ装置により厚さ４μｍのＧａＮ層を成長させた。これを、直径８０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き、さらにＧａＮ層の上に、表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５４ｍｍのＧａＮ自立基板を搭載し（図２）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
１０５０℃まで昇温した後、Ｈ2キャリアガスＧ１と、Ｎ キャリアガスＧ２と、ＧａとＨＣｌの反応生成物であるＧａＣｌガスＧ３と、ＮＨ3ガスＧ４とを、導入管１０１〜１０４からそれぞれ供給しながら、ＧａＮ層を２６時間成長させた。このＧａＮ層成長工程において、成長圧力を１．０１×１０5Ｐａとし、ＧａＣｌガスＧ３の分圧を３．０７×１０2Ｐａとし、ＮＨ3ガスＧ４の分圧を１．２７×１０4Ｐａとした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約３．８ｍｍのＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４４】
（実施例２）
表面が（０００１）面からなる厚さ４３０μｍ、直径６０ｍｍのサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ装置により厚さ４μｍのＧａＮ層を成長させた。これを、直径７５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き、さらにＧａＮ層の上に、表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５４ｍｍのＧａＮ自立基板を搭載し（図２）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約４．０ｍｍのＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４５】
（実施例３）
表面が（０００１）面からなる厚さ６００μｍ、直径６０ｍｍのＧａＮ自立基板の外周部全周にわたって幅約３ｍｍ、高さ４００μｍの段差をつける加工を施した（図３）。これを、直径７５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き(図４)、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約４．０ｍｍのＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４６】
（比較例１）
表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５０．８ｍｍ（２インチ）のＧａＮ自立基板を、直径７５ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き（図５）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温しＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４７】
（比較例２）
表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５０．８ｍｍ（２インチ）のＧａＮ自立基板を、直径３０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き（図６）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、ＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４８】
（試験例）
実施例１〜３、比較例１および２で得られたＧａＮ結晶の表面状態を目視および光学顕微鏡により観察した。また、結晶断面形状をスライサーで切断後、目視により確認した。さらに、結晶中心部の厚みをマイクロメーターにより測定した。結果を以下の表に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
実施例１および実施例２では、周辺部の異常成長や、表面荒れがなく、断面形状が良好な良質のＧａＮ単結晶厚膜が得られた。
実施例３では、最外周に結晶の異常成長が観察されたが、異常成長した結晶の高さは低く、中心部の直径約５４ｍｍの範囲では異常成長や表面荒れがない良質のＧａＮ単結晶厚膜が得られた。
比較例１では、基板端部での異常成長が観察され、表面荒れが激しかった。また中心部の膜厚は約２．５ｍｍであり、同一ガス流量、成長時間で成長した実施例１〜３の結晶よりも約１．３〜１．５ｍｍ程度薄かった。
また、比較例２でも、基板端部での異常成長が観察され、表面荒れが激しかった。また中心部の膜厚は約２．２ｍｍであり、同一ガス流量、成長時間で成長した実施例１〜３の結晶よりも１．６〜１．８ｍｍ程度薄かった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の下地基板を用いてIII族窒化物半導体結晶を成長させれば、第１結晶成長面の周縁部においてIII族窒化物半導体結晶が異常成長するのを抑えることができる。その結果、第１結晶成長面上に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。また、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法によれば、平坦で均一な厚膜結晶を安価に作製することが可能である。得られた結晶は、発光ダイオード、半導体レーザー等の半導体発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。したがって、本発明は産業上の利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例および比較例で用いたＨＶＰＥ装置の概略断面図である。
【図２】基板ホルダー上に設置した下地基板の概略断面図である（実施例１および２）。
【図３】外周に段差加工を施した種結晶基板の上面図および側断面図である（実施例３）。
【図４】基板ホルダー上に設置した外周に段差加工を施した種結晶基板の概略断面図である（実施例３）。
【図５】基板ホルダー上に設置した種結晶基板の概略断面図である（比較例１）。
【図６】基板ホルダー上に設置した種結晶基板の概略断面図である（比較例２）。
【符号の説明】
【００５３】
１００ リアクター
１０１〜１０４ 導入管
１０５ リザーバー
１０６ ヒーター
１０７ 基板ホルダー
１０８ 排気管
１０９ 第２結晶成長面を備えた結晶
１１０ 第１結晶成長面を備えた結晶
１１１ 外周に段差加工を施した種結晶基板
１１２ 下地基板
Ｇ１ Ｈ2キャリアガス
Ｇ２ Ｎ2キャリアガス
Ｇ３ III族原料ガス
Ｇ４ Ｖ族原料ガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体成長用の下地基板および該下地基板を用いたIII族窒化物半導体の成長方法に関する。より具体的には、本発明は、結晶の表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長することができる下地基板と、その下地基板を用いたIII族窒化物半導体の成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体は、高融点であり、しかも融点付近の窒素の解離圧が高いことから、融液からのバルク成長が困難である。一方、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）や有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等の気相成長法を用いることによって、III族窒化物半導体基板を製造できることが知られている。窒化ガリウム半導体基板を製造する場合、例えば、サファイア等の下地基板を気相成長装置の成長室（リアクター）内にセットし、リアクター内に、ガリウム化合物を含有するガスと窒素化合物を含有するガスなどからなるIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより、下地基板上に窒化ガリウム半導体を数μｍ〜数ｃｍの厚さにまで成長させる。そして、その後、下地基板などの部分を研磨やレーザーを照射する方法を用いて除去することにより、所望のIII族窒化物半導体基板を得ることができる。前記の気相成長法のうち、ＨＶＰＥ法は他の成長方法に比べて高い成長速度が実現できる特徴をもつことから、III族窒化物半導体の厚膜成長が必要な場合や、十分な厚みを有するIII族窒化物半導体基板を得るための方法として有効である。
【０００３】
従来は１枚の下地基板上に５００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さの単結晶窒化ガリウムを成長し、下地基板を取り除き、加工研磨を行うことにより１枚の窒化ガリウム単結晶基板を得ていた。これでは非常に製造の効率が悪く、安価な単結晶窒化ガリウム基板を供給することはできない。そこで下地基板上に数ｍｍ〜数ｃｍの厚さの単結晶を成長し、その単結晶バルクをスライシングすることによって、１枚の下地基板から複数枚の窒化ガリウム単結晶基板を得る手法が注目されている。
【０００４】
しかしながら、数ｍｍ以上の厚膜を成長させる上で新たな問題が発生する。数ｍｍ以上の厚膜成長を行うと基板周縁部に結晶が異常成長するため、基板中心部でのガスの流れが乱れ良好な結晶が得られない。また、基板周縁部の結晶の異常成長が加速され基板中心部の膜厚がほとんど増えないうえ、ＧａＮの形成に伴って発生する塩酸ガスのエッチング作用の影響だと思われる表面荒れも発生する。
【０００５】
このような基板端部における結晶の異常成長を防ぐために、端部をカバーで覆う技術が提案されている（特許文献１参照）。具体的には、成長面の外周から半径方向内側に向かって１ｍｍ以上の部分をカバーで覆うことが提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２００２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、端部をカバーで覆うと結晶成長面におけるガスの流れが阻害され、表面性に優れた結晶を均一に成長させることが困難になるという問題がある。また、結晶成長面の一部を覆うことから成長面を効率よく利用することができず、サイズが大きな結晶を成長させるには不利であるという問題もある。
【０００７】
本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、結晶成長面におけるガスの流れを阻害せずに、表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体の厚膜結晶を成長させることができる下地基板を提供することを本発明の目的として設定した。また、そのような下地基板を利用して表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させる方法を提供することも本発明の目的として設定した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、結晶成長面の周縁に段差をつけて別の結晶成長面を設けることによって従来技術の課題を解決しうることを見出した。すなわち、課題を解決する手段として、以下の本発明を提供するに至った。
【０００９】
［１］ 第１結晶成長面と前記第１結晶成長面と同じ方向に面している第２結晶成長面を有する下地基板であって、前記第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［２］ 前記第１結晶成長面の全周縁に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とする［１］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［３］ 前記第１結晶成長面が円形であることを特徴とする［１］または［２］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［４］ 前記第２結晶成長面が環状であり、円形の前記第１結晶成長面と同心であることを特徴とする［３］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［５］ 前記第２結晶成長面の幅が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする［１］〜［４］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［６］ 前記段差の高さが０．１〜５ｍｍであることを特徴とする［１］〜［５］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［７］ 前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面が連続している単一部材内に存在することを特徴とする［１］〜［６］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［８］ 前記第１結晶成長面を構成する部材と前記第２結晶成長面を構成する部材が異なっていることを特徴とする［１］〜［６］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［９］ 前記第１結晶成長面を構成する材料と前記第２結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなることを特徴とする［１］〜［８］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［１０］ 前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面を構成する部材が基礎基板上に形成されていることを特徴とする［１］〜［９］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
［１１］ 前記基礎基板がサファイア単結晶基板またはＳｉＣ単結晶基板であることを特徴とする［１０］に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【００１０】
［１２］ ［１］〜［１１］のいずれか一項に記載の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより前記下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の成長方法。
［１３］ 前記下地基板が、結晶成長させるIII族窒化物半導体と同種の単結晶からなることを特徴とする［１２］に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
［１４］ 前記III族窒化物半導体を厚み５ｍｍ以上で結晶成長させることを特徴とする［１２］または［１３］に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
［１５］ 前記結晶成長をハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）により行うことを特徴とする［１２］〜［１４］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
［１６］ 前記下地基板から前記第２結晶成長面を分離する工程をさらに含むことを特徴とする［１２］〜［１５］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の下地基板は、第１結晶成長面の周縁に段差をつけて第２結晶成長面が設けられているため、第１結晶成長面の周縁部においてIII族窒化物半導体結晶が異常成長するのを抑えることができる。その結果、第１結晶成長面上に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。また、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法によれば、平坦で均一な厚膜結晶を作製することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下において、本発明の下地基板およびIII族窒化物半導体の成長方法について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【００１３】
（III族窒化物半導体成長用の下地基板）
本発明の下地基板は、第１結晶成長面と前記第１結晶成長面と同じ方向に面している第２結晶成長面を有する下地基板であって、前記第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とする。
【００１４】
本発明の下地基板は少なくとも第１結晶成長面と第２結晶成長面を備えている。第１結晶成長面と第２結晶成長面は互いに同じ方向に面しているが、ここでいう「同じ方向に面している」とは、第１結晶成長面の法線と第２結晶成長面の法線の角度が２０°以内であることを意味する。第１結晶成長面の法線と第２結晶成長面の法線の角度は１０°以内であることが好ましく、５°以内であることがより好ましく、３°以内であることがさらに好ましく、１°以内であることが特に好ましい。
【００１５】
第１結晶成長面は、表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体結晶を成長させる面である。第１結晶成長面の形状は特に制限されず、取得しようとしているIII族窒化物半導体結晶の形状にあわせて形状を決定することができる。通常は円形、楕円形または矩形であり、好ましくは円形である。第１結晶成長面のサイズも、取得しようとしているIII族窒化物半導体のサイズにあわせて決定することができる。第１結晶成長面が円形である場合の直径や第１結晶成長面が矩形である場合の最大径は、通常１０〜３００ｍｍであり、２０〜１５０ｍｍであることが好ましく、５０〜１００ｍｍであることがより好ましい。
【００１６】
第２結晶成長面は、第１結晶成長面よりも低い位置でIII族窒化物半導体結晶を成長させる面であり、第２結晶成長面にIII族窒化物半導体結晶を成長させることによって第１結晶成長面の周縁部に結晶が異常成長するのを抑制する機能を有する面である。第２結晶成長面にIII族窒化物半導体結晶を成長させることによって、第１結晶成長面に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体結晶を成長させることが可能になる。
【００１７】
第２結晶成長面は、第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して連接している。すなわち、第１結晶成長面の周縁の長さの５０％以上は、下向きの段差を介して第２結晶成長面につながっている。好ましくは第１結晶成長面の周縁の７０％以上、より好ましくは９０％以上、さらに好ましくは９５％以上、特に好ましくは１００％が、下向きの段差を介して第２結晶成長面につながっていることが望ましい。下向きの段差を介して第２結晶成長面に連接している周縁を連接周縁部といい、連接していない周縁を非連接周縁部というとき、第１結晶成長面の周縁は連接周縁部と非連接周縁部が交互に現れるものであってもよい。好ましいのは、連接周縁部と非連接周縁部が規則性を持って交互に現れる態様であり、より好ましいのは下地基板が円形で連接周縁部と非連接周縁部が規則性を持って交互に現れる態様であり、さらに好ましいのは回転対称性を有する態様であり、特に好ましいのは周縁がすべて連接周縁部である態様である。好ましい態様を採用することによって、より均一な結晶を第１結晶成長面上に成長させることができる。
【００１８】
第２結晶成長面は、第１結晶成長面の周縁に下向きの段差を介して連接していることから、第１結晶成長面が円形であるとき第２結晶成長面は環状であることが好ましい。このとき、環状の第２結晶成長面は円形の第１結晶成長面と同心であることがより好ましい。第２結晶成長面の幅は通常０．５〜２０ｍｍであり、１〜１５ｍｍであることが好ましく、２〜１５ｍｍであることがより好ましい。第２結晶成長面の幅は、本発明の下地基板全体にわたって一定であってもよいし、幅が広い部分と幅が狭い部分が混在していてもよい。下地基板全体にわたって幅が一定であれば、より均一なIII族窒化物半導体結晶を第１結晶成長面上に成長させることができるため好ましい。
【００１９】
第１結晶成長面と第２結晶成長面の間に介在する段差は、高低差が通常０．１〜５ｍｍであり、０．２〜２ｍｍであることが好ましく、０．３〜１ｍｍであることがより好ましい。第１結晶成長面と第２結晶成長面との間の高低差は、本発明の下地基板全体にわたって必ずしも一定でなくても構わないが、下地基板全体にわたって一定であることが好ましい。下地基板全体にわたって一定であれば、より均一なIII族窒化物半導体結晶を第１結晶成長面上に成長させることができる。
【００２０】
第１結晶成長面と第２結晶成長面は、同一の結晶からなるものであってもよいし、異なる結晶からなるものであってもよい。いずれの場合であっても、III族窒化物半導体を成長させることができるものでなければならない。好ましいのは、第１結晶成長面と第２結晶成長面におけるIII族窒化物半導体結晶の成長速度がほぼ同じである態様である。したがって、第１結晶成長面と第２結晶成長面は、同一の結晶からなるものであることが好ましい。また、第１結晶成長面と第２結晶成長面は、いずれもIII族窒化物半導体の単結晶であることが好ましく、下地基板上に結晶成長させるIII族窒化物半導体と同じ種類の単結晶であることがより好ましい。
【００２１】
第１結晶成長面と第２結晶成長面は、連続した単一部材内に存在していてもよいし、異なる部材内にそれぞれが存在していてもよい。連続した単一部材内に存在している態様として、例えば１つの単結晶内に第１結晶成長面と第２結晶成長面が設けられている場合を例示することができる。また、異なる部材内にそれぞれが存在している態様として、第１結晶成長面を有する単結晶と第２結晶成長面を有する単結晶とが、互いに接触して一体化している場合を例示することができる。後者の場合、２つの部材は互いに強固に連結していてもよいし、単に一方の部材が他方の部材の上に搭載されているだけでもよい。後者の場合は、搭載のタイミングは特に制限されない。例えば、反応容器内において下側の部材（第２結晶成長面を有する部材）上に上側の部材（第１結晶成長面を有する部材）を搭載してもよい。
【００２２】
本発明の下地基板は、基礎基板上に形成されていてもよい。ここでいう基礎基板とは、一般に基板と呼ばれているもので、その上に化合物半導体を成長させることができる厚膜材料をいう。基礎基板としては、例えばサファイア単結晶基板、ＳｉＣ単結晶基板、Ｓｉ基板などを挙げることができる。好ましいのは、サファイア単結晶基板またはＳｉＣ単結晶基板である。本発明の下地基板は、このような基礎基板を備えたままIII族窒化物半導体結晶の成長に用いてもよいし、基礎基板を除去したうえでIII族窒化物半導体結晶の成長に用いてもよい。いずれにするかは、下地基板の安定性、作業性、成長させるIII族窒化物半導体の形状や用途などに応じて、適宜決定することができる。
【００２３】
（III族窒化物半導体の成長方法）
本発明のIII族窒化物半導体の成長方法は、上記の本発明の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより、下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とする。結晶成長させるIII族窒化物半導体の種類は特に制限されない。例えばＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどを挙げることができる。好ましいのはＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮであり、より好ましいのはＧａＮである。
【００２４】
III族窒化物半導体形成用ガスは、本発明の下地基板の第１結晶成長面に供給されるようにする。具体的には、第１結晶成長面の法線方向に対して０〜４５°の方向から供給することが好ましく、０〜３０°の方向から供給することがより好ましく、０〜１０°の方向から供給することがさらに好ましい。III族窒化物半導体形成用ガスは、第２結晶成長面に直接供給してもよいし、第１結晶成長面を経由して供給されるようにしてもよい。好ましいのは、第１結晶成長面を経由して供給される場合である。
【００２５】
本発明のIII族窒化物半導体の成長方法において用いることが結晶成長法として、ＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、昇華法等を挙げることができる。好ましいのはＨＶＰＥ法、ＭＯＣＶＤ法であり、最も好ましいのはＨＶＰＥ法である。
【００２６】
次に、本発明の下地基板を用いてIII族窒化物半導体結晶を成長させる工程について説明する。
結晶成長に用いる装置の詳細は特に制限されない。例えば、図１に示すようなＨＶＰＥ装置を用いることができる。図１のＨＶＰＥ装置は、リアクター１００内に、下地基板１１２を載置するための基板ホルダー（サセプター）１０７と、成長させるIII族窒化物半導体の原料を入れるリザーバー１０５とを備えている。また、リアクター１００内にガスを導入するための導入管１０１〜１０４と、排気するための排気管１０８が設置されている。さらに、リアクター１００を側面から加熱するためのヒーター１０６が設置されている。
【００２７】
リアクター１００の材質としては、石英、多結晶ＢＮ、ステンレス等が用いられる。好ましい材質は石英である。リアクター１００内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガスとしては、例えばＨ2ガス、Ｎ2ガス、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。
【００２８】
基板ホルダー１０７の材質としてはカーボンが好ましく、ＳｉＣで表面をコーティングしているものがより好ましい。基板ホルダー１０７の形状は、本発明の下地基板１１２を設置することができる形状であれば特に制限されないが、結晶成長する際に成長している結晶の上流側に構造物が存在しないものであることが好ましい。上流側に結晶が成長する可能性のある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、その生成物としてＨＣｌガスが発生して結晶成長させようとしている結晶に悪影響が及んでしまう。基板ホルダー１０７の下地基板載置面の大きさは、載置する下地基板１１２よりも小さいことが好ましい。すなわち、ガス上流側から見たときに、下地基板１１２の大きさで基板ホルダー１０７が隠れるくらいの大きさであることがさらに好ましい。
【００２９】
下地基板１１２を基板ホルダー１０７に載置するとき、下地基板１１２の第１結晶成長面はガス流れの上流側（図１ではリアクターの上方）を向くように載置することが好ましい。すなわち、ガスが第１結晶成長面に向かって流れるように載置することが好ましく、ガスが第１結晶成長面に垂直な方向から流れるようにすることがより好ましい。このように下地基板１１２を載置することによって、より均一で結晶性に優れたIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。
【００３０】
リザーバー１０５には、III族源となる原料を入れる。そのようなIII族源となる原料として、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎなどを挙げることができる。
【００３１】
リザーバー１０５にガスを導入するための導入管１０３からは、リザーバー１０５に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー１０５にIII族源となる原料を入れた場合は、導入管１０３からＨＣｌガスを供給することができる。このとき、ＨＣｌガスとともに、導入管１０３からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えばＨ2ガス、Ｎ2ガス、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。キャリアガスは雰囲気ガスと同一であっても異なっていてもよいが、同一であることが好ましい。
【００３２】
導入管１０１からは、窒素源となる原料ガスを供給する。通常はＮＨ3ガスを供給する。また、導入管１０２からは、キャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、導入管１０３から供給するキャリアガスと同じものを例示することができる。導入管１０２から供給するキャリアガスと導入管１０３から供給するキャリアガスは同じものであることが好ましい。また、導入管１０２からは、ドーパントガスを供給することもできる。例えば、ＳｉＨ4やＳｉＨ2Ｃｌ2等のｎ型のドーパントガスを供給することができる。
【００３３】
導入管１０４からは、エッチングガスを供給することができる。エッチングガスとしては、塩素系のガスを挙げることができ、ＨＣｌガスを用いることが好ましい。エッチングガスの流量を総流量に対して０．１％〜３％程度とすることによりエッチングを行うことができる。好ましい流量は総流量に対して１％程度である。ガスの流量はマスフローコントロラー（ＭＦＣ）等で制御することができ、個別のガスの流量は常にＭＦＣで監視することが好ましい。
【００３４】
導入管１０１、１０２、１０４から供給する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から供給しても構わない。また、Ｖ族源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して供給してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの供給態様は、リアクター１００の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。
【００３５】
ガス排出管１０８は、ガス導入のための導入管１０１〜１０４とは反対側のリアクター内壁から排出することができるように設置するのが一般的である。図１では、ガス導入のための導入管１０１〜１０４が設置されているリアクター上面とは反対に位置するリアクター底面にガス排出管１０８が設置されている。ガス導入のための導入管がリアクター右側面に設置されている場合は、ガス排出管はリアクター左側面に設置されていることが好ましい。このような態様を採用することによって、一定方向に向けて安定にガスの流れを形成することができる。
【００３６】
ＨＶＰＥ法による結晶成長は、通常は９００℃〜１０７０℃で行い、９２５℃〜１０５０℃で行うことが好ましく、９５０℃〜１０３０℃で行うことがより好ましく、９７５℃から１０００℃で行うことがさらに好ましい。リアクター内の圧力は１０ｋＰａ〜２００ｋＰａであるのが好ましく、３０ｋＰａ〜１５０ｋＰａであるのがより好ましく、５０ｋＰａ〜１２０ｋＰａであるのがさらに好ましい。エッチングを行うときのエッチング温度や圧力は、上記の結晶成長の温度や圧力と同一であっても異なっていてもよい。
【００３７】
結晶成長を行った後に得られるIII族窒化物半導体結晶は、結晶面の境界に多結晶体を有することがある。ここでいう多結晶体とは、例えば六方晶系の結晶格子を形成することができず、しかるべき位置に原子がいない状態の結晶を意味する。すなわち結晶方位が無秩序な微小な結晶の集合体をいい、非常に小さな単結晶粒の集まりを意味する。このような多結晶体を有する場合は、多結晶体を除去する工程を行った後に、さらに多結晶体を除去した結晶の表面にIII族窒化物半導体結晶を成長する工程を行う。そのようにして得られたIII族窒化物半導体結晶が、なお結晶面の境界に多結晶体を有するときは、再び多結晶体を除去する工程を行い、さらに表面にIII族窒化物半導体結晶を成長する工程を行う。このような操作を繰り返すことによって、多結晶体を有さないIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。
【００３８】
本発明の製造方法によって得られるIII族窒化物半導体の結晶系は、六方晶系であることが好ましい。また、得られるIII族窒化物半導体結晶は、単結晶であることが好ましい。下地基板の上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の厚さは２ｍｍ〜１０ｃｍが好ましい。結晶成長後に研削、研磨、レーザ照射等を行う場合は、ある程度の大きさの結晶が必要になるため、下地基板の上に成長させるIII族窒化物半導体結晶の厚さは５ｍｍ〜１０ｃｍが好ましく、１ｃｍ〜１０ｃｍがより好ましい。
【００３９】
本発明の製造方法によって得られたIII族窒化物半導体結晶は、そのまま用いてもよいし、研削やスライス加工などの処理を行ってから用いてもよい。ここでスライス加工とは、（１）成長した結晶を下地基板として使用できるようにＣ面表面の品質を均一にする加工や、（２）成長初期部分には内在する転位から発生するストレスがあることを考慮してその部分を切り捨てるために行う加工をいう。スライス加工は、具体的には内周刃スライサー、ワイヤーソースライサー等を用いて行うことができる。本発明では、スライス加工を行うことによって、形状がほぼ同じで、転位密度がより低く、かつ、表面欠陥が少ない結晶を製造することが好ましい。
【００４０】
本発明の製造方法によれば、表面粗さが１ｎｍ以下であるＣ面やＭ面を備えているIII族窒化物半導体結晶を得ることができる。特に、結晶成長後に研磨を行わなくても、表面粗さが１ｎｍ以下であるＣ面やＭ面をもつことを備えているIII族窒化物半導体結晶を製造することができる点で優れている。なお、本発明における表面粗さ（Ｒｍｓ）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて１０μｍ角の表面粗さを測定したデータから自乗平均平方根で計算することにより求められる。
【００４１】
本発明の製造方法により製造したIII族窒化物半導体結晶は、さまざまな用途に用いることができる。特に、紫外、青色又は緑色等の発光ダイオード、半導体レーザー等の比較的短波長側の発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。また、本発明の製造方法により製造したIII族窒化物半導体結晶を下地基板として用いて、さらに大きなIII族窒化物半導体結晶を得ることも可能である。
【実施例】
【００４２】
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
なお、以下の実施例および比較例では、図１に示すＨＶＰＥ装置を用いて結晶成長を行った。
【００４３】
（実施例１）
表面が（０００１）面からなる厚さ４３０μｍ、直径７６．２ｍｍ（３インチ）のサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ装置により厚さ４μｍのＧａＮ層を成長させた。これを、直径８０ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き、さらにＧａＮ層の上に、表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５４ｍｍのＧａＮ自立基板を搭載し（図２）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
１０５０℃まで昇温した後、Ｈ2キャリアガスＧ１と、Ｎ キャリアガスＧ２と、ＧａとＨＣｌの反応生成物であるＧａＣｌガスＧ３と、ＮＨ3ガスＧ４とを、導入管１０１〜１０４からそれぞれ供給しながら、ＧａＮ層を２６時間成長させた。このＧａＮ層成長工程において、成長圧力を１．０１×１０5Ｐａとし、ＧａＣｌガスＧ３の分圧を３．０７×１０2Ｐａとし、ＮＨ3ガスＧ４の分圧を１．２７×１０4Ｐａとした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約３．８ｍｍのＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４４】
（実施例２）
表面が（０００１）面からなる厚さ４３０μｍ、直径６０ｍｍのサファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ装置により厚さ４μｍのＧａＮ層を成長させた。これを、直径７５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き、さらにＧａＮ層の上に、表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５４ｍｍのＧａＮ自立基板を搭載し（図２）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約４．０ｍｍのＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４５】
（実施例３）
表面が（０００１）面からなる厚さ６００μｍ、直径６０ｍｍのＧａＮ自立基板の外周部全周にわたって幅約３ｍｍ、高さ４００μｍの段差をつける加工を施した（図３）。これを、直径７５ｍｍ、厚さ２０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き(図４)、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、厚さが約４．０ｍｍのＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４６】
（比較例１）
表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５０．８ｍｍ（２インチ）のＧａＮ自立基板を、直径７５ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き（図５）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温しＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４７】
（比較例２）
表面が（０００１）面からなる厚さ４００μｍ、直径５０．８ｍｍ（２インチ）のＧａＮ自立基板を、直径３０ｍｍのＳｉＣコーティングしたカーボン製の基板ホルダー上に置き（図６）、ＨＶＰＥ装置のリアクター１００内に図１に示すように配置した。
ＧａＮ層成長工程の温度、ガス分圧、成長時間は実施例１と同一とした。ＧａＮ層成長工程終了後、室温まで降温し、ＧａＮ単結晶厚膜を得た。
【００４８】
（試験例）
実施例１〜３、比較例１および２で得られたＧａＮ結晶の表面状態を目視および光学顕微鏡により観察した。また、結晶断面形状をスライサーで切断後、目視により確認した。さらに、結晶中心部の厚みをマイクロメーターにより測定した。結果を以下の表に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
実施例１および実施例２では、周辺部の異常成長や、表面荒れがなく、断面形状が良好な良質のＧａＮ単結晶厚膜が得られた。
実施例３では、最外周に結晶の異常成長が観察されたが、異常成長した結晶の高さは低く、中心部の直径約５４ｍｍの範囲では異常成長や表面荒れがない良質のＧａＮ単結晶厚膜が得られた。
比較例１では、基板端部での異常成長が観察され、表面荒れが激しかった。また中心部の膜厚は約２．５ｍｍであり、同一ガス流量、成長時間で成長した実施例１〜３の結晶よりも約１．３〜１．５ｍｍ程度薄かった。
また、比較例２でも、基板端部での異常成長が観察され、表面荒れが激しかった。また中心部の膜厚は約２．２ｍｍであり、同一ガス流量、成長時間で成長した実施例１〜３の結晶よりも１．６〜１．８ｍｍ程度薄かった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の下地基板を用いてIII族窒化物半導体結晶を成長させれば、第１結晶成長面の周縁部においてIII族窒化物半導体結晶が異常成長するのを抑えることができる。その結果、第１結晶成長面上に表面状態や断面形状が良好なIII族窒化物半導体を成長させることができる。また、本発明のIII族窒化物半導体の成長方法によれば、平坦で均一な厚膜結晶を安価に作製することが可能である。得られた結晶は、発光ダイオード、半導体レーザー等の半導体発光素子や、電子デバイス等の半導体デバイスの基板として有用である。したがって、本発明は産業上の利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例および比較例で用いたＨＶＰＥ装置の概略断面図である。
【図２】基板ホルダー上に設置した下地基板の概略断面図である（実施例１および２）。
【図３】外周に段差加工を施した種結晶基板の上面図および側断面図である（実施例３）。
【図４】基板ホルダー上に設置した外周に段差加工を施した種結晶基板の概略断面図である（実施例３）。
【図５】基板ホルダー上に設置した種結晶基板の概略断面図である（比較例１）。
【図６】基板ホルダー上に設置した種結晶基板の概略断面図である（比較例２）。
【符号の説明】
【００５３】
１００ リアクター
１０１〜１０４ 導入管
１０５ リザーバー
１０６ ヒーター
１０７ 基板ホルダー
１０８ 排気管
１０９ 第２結晶成長面を備えた結晶
１１０ 第１結晶成長面を備えた結晶
１１１ 外周に段差加工を施した種結晶基板
１１２ 下地基板
Ｇ１ Ｈ2キャリアガス
Ｇ２ Ｎ2キャリアガス
Ｇ３ III族原料ガス
Ｇ４ Ｖ族原料ガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１結晶成長面と前記第１結晶成長面と同じ方向に面している第２結晶成長面を有する下地基板であって、前記第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項２】
前記第１結晶成長面の全周縁に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項３】
前記第１結晶成長面が円形であることを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項４】
前記第２結晶成長面が環状であり、円形の前記第１結晶成長面と同心であることを特徴とする請求項３に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項５】
前記第２結晶成長面の幅が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項６】
前記段差の高さが０．１〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項７】
前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面が連続している単一部材内に存在することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項８】
前記第１結晶成長面を構成する部材と前記第２結晶成長面を構成する部材が異なっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項９】
前記第１結晶成長面を構成する材料と前記第２結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項１０】
前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面を構成する部材が基礎基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項１１】
前記基礎基板がサファイア単結晶基板またはＳｉＣ単結晶基板であることを特徴とする請求項１０に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより前記下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１３】
前記下地基板が、結晶成長させるIII族窒化物半導体と同種の単結晶からなることを特徴とする請求項１２に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１４】
前記III族窒化物半導体を厚み５ｍｍ以上で結晶成長させることを特徴とする請求項１２または１３に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１５】
前記結晶成長をハイドライド気相成長法により行うことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１６】
前記下地基板から前記第２結晶成長面を分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１】
第１結晶成長面と前記第１結晶成長面と同じ方向に面している第２結晶成長面を有する下地基板であって、前記第１結晶成長面の周縁の５０％以上に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とするIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項２】
前記第１結晶成長面の全周縁に下向きの段差を介して前記第２結晶成長面が連接していることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項３】
前記第１結晶成長面が円形であることを特徴とする請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項４】
前記第２結晶成長面が環状であり、円形の前記第１結晶成長面と同心であることを特徴とする請求項３に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項５】
前記第２結晶成長面の幅が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項６】
前記段差の高さが０．１〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項７】
前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面が連続している単一部材内に存在することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項８】
前記第１結晶成長面を構成する部材と前記第２結晶成長面を構成する部材が異なっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項９】
前記第１結晶成長面を構成する材料と前記第２結晶成長面を構成する材料がいずれもIII族窒化物半導体の単結晶からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項１０】
前記第１結晶成長面と前記第２結晶成長面を構成する部材が基礎基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項１１】
前記基礎基板がサファイア単結晶基板またはＳｉＣ単結晶基板であることを特徴とする請求項１０に記載のIII族窒化物半導体成長用の下地基板。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の下地基板上にIII族窒化物半導体形成用ガスを供給することにより前記下地基板上にIII族窒化物半導体を結晶成長させる工程を含むことを特徴とするIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１３】
前記下地基板が、結晶成長させるIII族窒化物半導体と同種の単結晶からなることを特徴とする請求項１２に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１４】
前記III族窒化物半導体を厚み５ｍｍ以上で結晶成長させることを特徴とする請求項１２または１３に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１５】
前記結晶成長をハイドライド気相成長法により行うことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【請求項１６】
前記下地基板から前記第２結晶成長面を分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体の成長方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２９０９１９（Ｐ２００８−２９０９１９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３９８３９（Ｐ２００７−１３９８３９）
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００５９６８）三菱化学株式会社 (4,356)
【Ｆターム（参考）】
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