ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体及び窒化ガリウム自立基板の製造方法
【課題】主面がｍ面とわずかなオフ角を有するIII族窒化物系化合物半導体の製造。
【解決手段】サファイア基板１０に凹凸を設けて、ｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面１０ｃ−１のみを露出させ、他の面はＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０で覆う（３．Ａ）。ＧａＮ層３０が成長を開始してから（３．Ｂ）、溝部を埋める迄（３．Ｃ）は、常圧で、Ｖ／III比を高く保った。溝部が埋まり、凸部の上面がほぼ覆われて平坦化する（３．Ｄ）までは、減圧で、Ｖ／III比を低く（アンモニアの供給量を１／５と）した。凸部の上面がほぼ覆われて平坦化した後（３．Ｅ）は、常圧で、Ｖ／III比を高くした（アンモニアの供給量を元に戻した）。こうして、主面が、ｍ面とわずかなオフ角を成す平坦な面であるＧａＮ膜が形成できた。
【解決手段】サファイア基板１０に凹凸を設けて、ｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面１０ｃ−１のみを露出させ、他の面はＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０で覆う（３．Ａ）。ＧａＮ層３０が成長を開始してから（３．Ｂ）、溝部を埋める迄（３．Ｃ）は、常圧で、Ｖ／III比を高く保った。溝部が埋まり、凸部の上面がほぼ覆われて平坦化する（３．Ｄ）までは、減圧で、Ｖ／III比を低く（アンモニアの供給量を１／５と）した。凸部の上面がほぼ覆われて平坦化した後（３．Ｅ）は、常圧で、Ｖ／III比を高くした（アンモニアの供給量を元に戻した）。こうして、主面が、ｍ面とわずかなオフ角を成す平坦な面であるＧａＮ膜が形成できた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。本願においてIII族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ又はＴｌ、或いは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ又はＢｉで置換したものをも含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
緑色、青色、或いは紫外線発光素子として、III族窒化物系化合物半導体発光素子が広く使用されている。また、III族窒化物系化合物半導体を用いたＨＥＭＴ等も多数提案されている。これらは、通常、サファイア、シリコン、又は炭化ケイ素のような異種基板上に、III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて形成されたものである。III族窒化物系化合物半導体は、ｃ軸方向に積層するエピタキシャル成長が結晶性が良く、また最も速い成長が得られる。
特許文献１は、III族窒化物系化合物半導体の主面としてｃ面とは異なる面を形成するための技術についての、本出願人による先行出願の公開公報である。
【特許文献１】特開２００６−０３６５６１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、III族窒化物系化合物半導体は、ｃ軸方向にピエゾ電界が生じることが指摘されている。これにより、例えば多重量子井戸構造の発光層において、電子とホールの高濃度部分が異なる結果を生じ、発光効率の低下が生じるとされている。
本発明者らは、III族窒化物系化合物半導体の主面としてｃ面とは異なる面を形成するための技術として新たな着想から本発明を完成させた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に係る発明は、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる、III族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
サファイア基板の主面の法線ベクトルが、ａ軸からｃ軸方向に０．２度以上５度以下回転させた方向であり、
サファイア基板にｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面を有する凹凸を形成し、
当該側面のうち、法線ベクトルの向きが同じで、当該法線ベクトルとサファイア基板のａ軸との成す角の大きい方の側面のみが露出するように、他のサファイア基板の表面をIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材料により覆い、
マスク材料により覆われていない、サファイア基板の露出したｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面からIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより、主面が、ｍ面と０．２度以上５度以下の角を成すIII族窒化物系化合物半導体結晶を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法である。
【０００５】
ここにおいて、ｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面のみが露出するとは、次のことを意味する。
例えばサファイア基板に凹凸を設けて凹凸の側面としてｃ面を形成する場合に、表裏の関係にあるｃ面からは、III族窒化物系化合物半導体が成長するが、サファイア基板の凹凸の表側の側面から成長するIII族窒化物系化合物半導体と、サファイア基板の凹凸の裏側の側面から成長するIII族窒化物系化合物半導体とは、成長方向が１８０度異なる。すると、例えば凹凸を覆うようにまで成長させても、それらサファイア基板の凹凸の表側の側面から成長したIII族窒化物系化合物半導体と、サファイア基板の凹凸の裏側の側面から成長したIII族窒化物系化合物半導体とは、結晶成長しても界面に極性の異なる不連続面が残ってしまう。
そこで、サファイア基板の凹凸の表側の側面と裏側の側面のうち一方のみを露出させる。これをサファイア基板の凹凸全てで行うものである。こうすることで、凹凸を覆うようにまで成長させたのち、異なる側面から成長した結晶の接合面は極性が同じとなるので、不連続面とならない。
また、凹凸の側面のうち、その法線ベクトルが同じで、当該法線ベクトルとサファイア基板のａ軸との成す角の大きい方の側面とは、次のことを意味する。図１に示す通り、主面の法線ベクトルがａ軸からδ（ｄｅｇ）＞０だけｃ軸側に反時計回りに傾いているとする。角度表示を反時計回りを正とし、凹凸の２つの側面の法線ベクトルが主面の方線ベクトルに対して対称に、９０−θ（ｄｅｇ）と−９０＋θ（ｄｅｇ）であるとする。ａ軸と成す角は各々９０−θ＋δ（ｄｅｇ）と−９０＋θ＋δ（ｄｅｇ）である。これらのうち、絶対値が大きい方は、９０−θ＋δ（ｄｅｇ）である。これはθの符号が正負いずれであっても成立する。
【０００６】
請求項２に係る発明は、マスク材料により覆われていない、サファイア基板の凹凸の露出した側面は、ｃ面と成す角が０．５度以下であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、 III族窒化物系化合物半導体の形成においては、８００度未満の温度でバッファ層を形成したのち、１０００度以上の温度で単結晶層を形成することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、バッファ層はマスク材料を形成する前に形成されることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、エピタキシャル成長は、トリメチルガリウムとアンモニアを用いた有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により行うものであり、アンモニア供給量のトリメチルガリウムの供給量に対するＶ／III比について、凹凸の凹部を埋めるまではＶ／III比を高く、凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくすまではＶ／III比を低く、凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくした以降はＶ／III比を高くすることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法によるエピタキシャル成長の後、更にハライド気相成長法により厚さ２００μｍ以上に窒化ガリウム単結晶を成長させ、その後冷却する際に劈開を生じさせてサファイア基板と分離することを特徴とする窒化ガリウム自立基板の製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
サファイア基板に凹凸を設けて、ｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面のみを露出させる。この際、当該側面はサファイア基板の低指数面ではないので、結局サファイア基板のｃ面が微細な段差を伴って露出するステップ状の面となる。すると、そこにエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体は、当該ステップ毎に、サファイア基板のｃ面に形成した形になる。即ち、階段状に露出したサファイア基板のｃ面に平行となるように、III族窒化物系化合物半導体のｃ面が形成される。
ここで用いるサファイア基板は、主面がａ面からわずかにオフしているので、形成されるIII族窒化物系化合物半導体のｍ面が、サファイア基板のａ面に平行に形成されることになる。
こうして、用いるサファイア基板の主面と平行なIII族窒化物系化合物半導体の表面は、＋ｃ面がステップの側面となる方向へオフしたｍ面となる。この方向にオフが形成されると、主面にほぼ平行な横方向の成長が大幅に促進され、平坦性の極めて優れたｍ面のエピタキシャル成長層を形成することができる。
【０００８】
例えば本発明により、III族窒化物系化合物半導体を厚膜結晶として得て、サファイア基板から分離すれば、厚さ方向がｃ軸方向とほぼ直角の、ほとんど無極性のＧａＮ基板が得られる。III族窒化物系化合物半導体はｍ面で劈開し易いので、例えば厚膜結晶を形成後、室温まで冷やす際にサファイア基板との界面近傍に劈開が生じ、厚膜の自立基板を得ることができる（請求項７）。
また、ｍ面からわずかにオフした主面を有するIII族窒化物系化合物半導体膜又はIII族窒化物系化合物半導体基板が得られるので、この上に、更にIII族窒化物系化合物半導体層を積層することで、積層方向（膜厚方向）に歪の生じない半導体素子等を容易に形成することが可能となる。
更には、公知の方法により、より厚膜にIII族窒化物系化合物半導体を結晶成長させることにより、ｍ面からわずかにオフした主面を有する、III族窒化物系化合物半導体の厚膜基板（自立基板）を得ることも可能となる。
【０００９】
オフ角が０．２度未満であると、横方向の成長が促進されず、平坦性が悪化したり、隣あうエピタキシャル成長部分が完全に合体せずに隙間（ボイド）が残ってしまう。一方、オフ角が５度を越えると、主面がｍ面から大きく異なる面となる。例えばこのような半導体膜に更にエピタキシャル成長を繰り返して半導体素子を形成すると、積層した各層の厚さ方向にｃ軸方向のピエゾ電界の影響が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
用いるサファイア基板について、主面のオフ方向は、ｍ軸を中心とした回転により得られるものである。ｃ軸を中心とした回転は０．５度未満で良い。これにより、サファイア基板のｍ軸が主面と略平行となるので、その上に本発明により形成されるIII族窒化物系化合物半導体については、そのａ軸が略主面と平行となる。
【００１１】
サファイア基板面に、凹凸を形成する方法は、任意の加工方法を用いることができる。例えばエッチングマスクを用いたエッチングにより凹凸を形成すると良い。サファイア基板に形成する凹凸は、欲しいｃ面又はｃ面と２０度以下の角度を成す面以外の面を形成しないことが望ましいので、例えばサファイア基板のｍ軸に平行な多数のストライプ状に溝を形成すると良い。
この場合、エッチングにより形成される凹部の幅が１〜１０μｍ、エッチングされずに残る凸部の幅が１〜１０μｍ、凹部と凸部の高低差が１〜１０μｍ程度とすると好適である。溝部が狭すぎると、結晶原料が到達しにくくなり、また、狭い領域でのエピタキシャル成長では良質な結晶が望めない。一方、凸部の幅が広すぎると、凸部を覆うまでに時間がかかり、完全に平坦化するのが困難となる。
エピタキシャル成長の際に形成する、ｃ面又はｃ面と２０度以下の角度を成す面以外の面を覆うマスク材料は、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない任意の材料を用いることができる。例えばＳｉＯ2が簡易に用いることができる。形成方法も任意であるが、ＳｉＯ2を用いる場合、電子線蒸着又はプラズマＣＶＤにより精度良くマスクを形成できる。
【００１２】
Ｖ／III比を高くするとは、例えばアンモニアとトリメチルガリウムのモル比を８００以上、より好ましくは１０００以上とすると良い。
Ｖ／III比を低くするとは、例えばアンモニアとトリメチルガリウムのモル比を６００以下、より好ましくは３００以下とすると良い。
【実施例１】
【００１３】
以下、図を用いて本発明の具体的な一実施例について説明する。
主面が、ａ面と１度のオフ角を成すサファイア基板１０を用意し、その長手方向がｍ軸方向に平行なストライプ状の凹凸を形成した。図２．Ａに示すように、サファイア基板１０に垂直なエッチングにより、溝部の底１０ｖが形成され、エッチングされなかった凸部の表面１０ｔと、表裏の関係にある、法線ベクトルの向きが１８０度異なる２つの側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２が形成された。ここで、紙面に垂直な方向がｍ軸である。
このうち、側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２からは、サファイアのｃ軸方向に、III族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸が一致するように、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しうるものである。側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２からのエピタキシャル成長を共存させると、ｃ軸方向に極性を有するIII族窒化物系化合物半導体が異なる方向から成長するため、接合面が不連続面となり、好ましくない。
ここで、側面１０ｃ−１の法線ベクトルが、図１で示したａ軸と９０−θ＋δ（ｄｅｇ）の角度を成し、側面１０ｃ−２の法線ベクトルが、図１で示したａ軸と−９０＋θ＋δ（ｄｅｇ）の角度を成すことに着目すると、ａ軸と法線ベクトルの成す角の絶対値の大きい側面１０ｃ−１を用いる方が好適である。これは形成されるIII族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸方向が、サファイア基板１０の主面に対して、サファイア基板１０内部から外部への向きであるのに対し、側面１０ｃ−２は、形成されるIII族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸方向が、サファイア基板１０の主面に対して、サファイア基板１０外部から内部への向きである。ここにおいて、側面１０ｃ−２からのIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長の際には、成長が最も著しいｃ面は、ストライプ状の凹部にもぐり込む形となり、凸部より高い位置に形成される可能性がない。一方、側面１０ｃ−１からのIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長の際には、成長が最も著しいｃ面は、少なくともその一部がストライプ状の凸部より高い位置に到達し、その後、言わば横方向である＋ｃ軸方向の成長により凸部を迅速に覆うことが可能となる。
このように、III族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸方向の成長を期待するため、側面１０ｃ−１は露出させ、側面１０ｃ−２はマスクで覆うことが好ましい。
図２．Ａで、ストライプ状の凸部の幅、凹部の幅を共に２μｍとした。即ち、４μｍ周期のストライプとなる。凸部上面と凹部底面の高低差は２μｍとした。
溝の角度、即ち表裏の関係にある２つの側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２は、ａ面と１度のオフ角を成すサファイア基板１０の主面に対し垂直に形成した。この角度は、正確な９０度（即ちｃ面と１度のオフ角を成す面）でなくて良く、７０度以上１１０度以下であれば良い。即ちサファイア基板のａ面に対し、２つの側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２は、６９度以上１１１度以下（ｍ軸の回りの回転角でもある）でよい。
エッチングの際にマスクとしてＳｉＯ2を用いる場合は、８０〜９０度に制御可能である。
【００１４】
次に、ＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０を電子線（ＥＢ）蒸着により形成した。この際、図２．Ｂの太い矢印に示す通り、ＳｉＯ2の蒸着方向が、サファイア基板１０の主面に垂直な方向から、側面１０ｃ−２に当たる方向まで、掃引されるようにサファイア基板１０の向きを回転させると良い。この際、側面１０ｃ−１にはＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０が形成されないようにした。こうして凹凸加工を施したサファイア基板１０の、面１０ｔ、１０ｖ及び１０ｃ−２に厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０が蒸着された（図２．Ｂ）。
次に、露出すべき側面１０ｃ−１に一部付着する異物を、フッ酸を添加した希硝酸溶液で処理した。例えば、市販のフッ酸、濃硫酸及び水を３：２：２００の比率で混合すると良い。こうして、サファイア基板１０のｃ面と成す角が２０度以下の凹凸の側面１０ｃ−１以外がＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０で覆われたエピタキシャル成長基板が得られた（図２．Ｃ）。
【００１５】
サファイア基板１０のｃ面と成す角（ｍ軸の回りの回転角）が２０度以下の凹凸の側面１０ｃ−１以外がＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０で覆われたエピタキシャル成長基板をＭＯＣＶＤ装置に装着した（図３．Ａ、図２．Ｃの再掲）。
エピタキシャル成長は、基本的には次の通りに実行した。まず、サファイア基板１０の表面を１１００℃でベークした。次に基板温度を６００℃として、ＧａＮから成る低温バッファ層を形成した。この後、１１００℃でＧａＮ層３０を形成した。
【００１６】
ＧａＮ層３０の形成は次のようにした。まず、サファイア基板１０のｃ面と成す角が２０度以下の凹凸の側面１０ｃ−１からＧａＮ層３０が成長を開始してから（図３．Ｂ）、溝部を埋める迄（図３．Ｃ）は、常圧で、Ｖ／III比を高く保った。即ち、アンモニアを７．５Ｌ／分（３３６ｍｍｏｌ／分）、トリメチルガリウムを２８５μｍｏｌ／分、Ｖ／III比を１１８０とした。
溝部が埋まり、凸部の上面がほぼ覆われて平坦化する（図３．Ｄ）までは、減圧で、Ｖ／III比を低く（アンモニアの供給量を１／５と）した。即ち、アンモニアを１．５Ｌ／分（６７ｍｍｏｌ／分）、トリメチルガリウムを２８５μｍｏｌ／分、Ｖ／III比を２３６とした。
凸部の上面がほぼ覆われて平坦化した後（図３．Ｅ）は、常圧で、Ｖ／III比を高くした（アンモニアの供給量を元に戻した）。即ち、アンモニアを７．５Ｌ／分（３３６ｍｍｏｌ／分）、トリメチルガリウムを２８５μｍｏｌ／分、Ｖ／III比を１１８０とした。
こうして得られた結晶はストライプ状の凹凸が完全に覆われ、主面が、ｍ面と１度のオフ角を成す平坦な面であるＧａＮ膜が形成できた。得られた結晶表面の平坦性をＡＦＭで促成したところ、ＲＭＳが１．０ｎｍであった。
尚、図３．Ｄ及び図３．Ｅでは、ＧａＮ層３０の成長面である表面に大きなステップがある記載をしているが、これは、ＧａＮ層３０の成長面の微細構造が、ステップ状であることを示しているものである。即ち、サファイア基板１０に設けた凹凸と、ＧａＮ層３０のステップとは、その大きさの関係が図３．Ｄ及び図３．Ｅに示されたものではない。
あくまでも、ＧａＮ層３０の成長面がｍ面から１度のオフ角を成すため、その微細構造はｍ面と、幅の狭い＋ｃ面の段差の繰り返しであることを示しているに過ぎない。図３．Ｄ及び図３．Ｅは、言わばデフォルメした図である。
【００１７】
上記実施例によれば、４μｍ間隔に形成された側面１０ｃ−１を核（成長開始領域）として横方向成長によりエピ成長マスク２０上部をも覆うようにエピタキシャル成長される。エピ成長マスク２０上部で、隣り合う２つの側面１０ｃ−１からのエピタキシャル結晶が合体する周期も４μｍ間隔となる。
即ち、本発明によれば側面１０ｃ−１のみをエピタキシャル成長の核とするので、基板面全体として極性の揃った、高品質の結晶が得られる。
【実施例２】
【００１８】
主面が、ａ軸からｃ軸方向へ３度回転させた方向の法線ベクトルであるサファイア基板１０を用い、凹凸を形成した際、一方の側面１０ｃ−１がほぼ正確なｃ面となるように加工した。即ち、当該側面１０ｃ−１とサファイア基板の主面の成す角度は８７度とした。この他は実施例１と同様に６００℃でＧａＮから成る低温バッファ層を形成し、１１００℃でＧａＮ層３０を形成した。
ＧａＮ層３０の表面は完全に平坦化した。表面の高低をＡＦＭ画像で評価したところ、ＲＭＳは０．８ｎｍと算出された。
【００１９】
〔比較例〕
比較のため、ａ面から０度以上０．５度以下ｃ軸方向に回転させた方向を主面の法線ベクトルとするサファイア基板を用い、実施例１と同様にストライプ状の凹凸を形成して、図２．Ａの側面１０ｃ−２、即ちｃ面からの法線ベクトルの方向がサファイア基板１０の主面に対して外部から内部への方向である側面を露出させるようにしてマスクを形成した。この他は実施例１と同様にＧａＮをエピタキシャル成長させたところ、ストライプ状の凹凸を完全に覆うことはできなかった。また、その表面の高低をＡＦＭ画像で評価したところ、ＲＭＳは５ｎｍ以上であった。
【実施例３】
【００２０】
実施例１で得られた、サファイア基板１０上に形成したＧａＮ層３０の上に、更にＨＶＰＥ法により厚膜ＧａＮを形成した。即ち、Ｖ族原料にはアンモニア（ＮＨ3)を、III族原料にはＧａとＨＣｌとを反応させて得られたＧａＣｌを用い、基板温度１１００℃でＧａＮを２５０μｍ成長させた。供給量は、ＨＣｌを５０ｓｃｃｍ(標準立方センチメートル)、ＮＨ3を２０００ｓｃｃｍとし、キャリアガス（Ｎ2）を５０００ｓｃｃｍとした。
結晶成長後、２００分かけて室温まで冷却したところ、厚膜ＧａＮ層とサファイア基板１０とが分離し、ｍ面からわずかにオフした面を主面とする厚膜のＧａＮ基板が得られた。これは、冷却中に、厚膜ＧａＮ層とサファイア基板１０との界面がストライプ状の凹凸であるために熱膨張係数差に基づく応力が集中し、その付近でＧａＮ層のｍ面を劈開面として分離したものである。得られたＧａＮ基板は割れや細かいクラックが生ぜず、高品位の結晶であった。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明により、III族窒化物系化合物半導体素子を形成するための、主面がｃ面でないIII族窒化物系化合物半導体膜が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明における、サファイア基板の主面の法線と、形成した凹凸の法線と、サファイアのａ軸及びｃ軸との関係を示す説明図。
【図２】実施例に係るＧａＮ層３０の製造方法を示す工程図の前半（断面図）。
【図３】実施例に係るＧａＮ層３０の製造方法を示す工程図の後半（断面図）。
【符号の説明】
【００２３】
１０：主面がａ面とオフ角を成すサファイア基板
１０ｔ：サファイア基板１０に形成された凹凸の上面
１０ｖ：サファイア基板１０に形成された凹凸の底面
１０ｃ−１：エピタキシャル成長に用いる、サファイア基板１０に形成された凹凸の側面
１０ｃ−２：エピタキシャル成長に用いない、サファイア基板１０に形成された凹凸の側面
２０：ＳｉＯ2から成るエピ成長マスク
３０：ＧａＮ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物系化合物半導体の製造方法に関する。本願においてIII族窒化物系化合物半導体とは、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（ｘ、ｙ、ｘ＋ｙはいずれも０以上１以下）で示される半導体、及び、ｎ型化／ｐ型化等のために任意の元素を添加したものを含む。更には、III族元素及びＶ族元素の組成の一部を、Ｂ又はＴｌ、或いは、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ又はＢｉで置換したものをも含むものとする。
【背景技術】
【０００２】
緑色、青色、或いは紫外線発光素子として、III族窒化物系化合物半導体発光素子が広く使用されている。また、III族窒化物系化合物半導体を用いたＨＥＭＴ等も多数提案されている。これらは、通常、サファイア、シリコン、又は炭化ケイ素のような異種基板上に、III族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させて形成されたものである。III族窒化物系化合物半導体は、ｃ軸方向に積層するエピタキシャル成長が結晶性が良く、また最も速い成長が得られる。
特許文献１は、III族窒化物系化合物半導体の主面としてｃ面とは異なる面を形成するための技術についての、本出願人による先行出願の公開公報である。
【特許文献１】特開２００６−０３６５６１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、III族窒化物系化合物半導体は、ｃ軸方向にピエゾ電界が生じることが指摘されている。これにより、例えば多重量子井戸構造の発光層において、電子とホールの高濃度部分が異なる結果を生じ、発光効率の低下が生じるとされている。
本発明者らは、III族窒化物系化合物半導体の主面としてｃ面とは異なる面を形成するための技術として新たな着想から本発明を完成させた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に係る発明は、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる、III族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
サファイア基板の主面の法線ベクトルが、ａ軸からｃ軸方向に０．２度以上５度以下回転させた方向であり、
サファイア基板にｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面を有する凹凸を形成し、
当該側面のうち、法線ベクトルの向きが同じで、当該法線ベクトルとサファイア基板のａ軸との成す角の大きい方の側面のみが露出するように、他のサファイア基板の表面をIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材料により覆い、
マスク材料により覆われていない、サファイア基板の露出したｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面からIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより、主面が、ｍ面と０．２度以上５度以下の角を成すIII族窒化物系化合物半導体結晶を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法である。
【０００５】
ここにおいて、ｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面のみが露出するとは、次のことを意味する。
例えばサファイア基板に凹凸を設けて凹凸の側面としてｃ面を形成する場合に、表裏の関係にあるｃ面からは、III族窒化物系化合物半導体が成長するが、サファイア基板の凹凸の表側の側面から成長するIII族窒化物系化合物半導体と、サファイア基板の凹凸の裏側の側面から成長するIII族窒化物系化合物半導体とは、成長方向が１８０度異なる。すると、例えば凹凸を覆うようにまで成長させても、それらサファイア基板の凹凸の表側の側面から成長したIII族窒化物系化合物半導体と、サファイア基板の凹凸の裏側の側面から成長したIII族窒化物系化合物半導体とは、結晶成長しても界面に極性の異なる不連続面が残ってしまう。
そこで、サファイア基板の凹凸の表側の側面と裏側の側面のうち一方のみを露出させる。これをサファイア基板の凹凸全てで行うものである。こうすることで、凹凸を覆うようにまで成長させたのち、異なる側面から成長した結晶の接合面は極性が同じとなるので、不連続面とならない。
また、凹凸の側面のうち、その法線ベクトルが同じで、当該法線ベクトルとサファイア基板のａ軸との成す角の大きい方の側面とは、次のことを意味する。図１に示す通り、主面の法線ベクトルがａ軸からδ（ｄｅｇ）＞０だけｃ軸側に反時計回りに傾いているとする。角度表示を反時計回りを正とし、凹凸の２つの側面の法線ベクトルが主面の方線ベクトルに対して対称に、９０−θ（ｄｅｇ）と−９０＋θ（ｄｅｇ）であるとする。ａ軸と成す角は各々９０−θ＋δ（ｄｅｇ）と−９０＋θ＋δ（ｄｅｇ）である。これらのうち、絶対値が大きい方は、９０−θ＋δ（ｄｅｇ）である。これはθの符号が正負いずれであっても成立する。
【０００６】
請求項２に係る発明は、マスク材料により覆われていない、サファイア基板の凹凸の露出した側面は、ｃ面と成す角が０．５度以下であることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、 III族窒化物系化合物半導体の形成においては、８００度未満の温度でバッファ層を形成したのち、１０００度以上の温度で単結晶層を形成することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、バッファ層はマスク材料を形成する前に形成されることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、III族窒化物系化合物半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、エピタキシャル成長は、トリメチルガリウムとアンモニアを用いた有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により行うものであり、アンモニア供給量のトリメチルガリウムの供給量に対するＶ／III比について、凹凸の凹部を埋めるまではＶ／III比を高く、凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくすまではＶ／III比を低く、凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくした以降はＶ／III比を高くすることを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法によるエピタキシャル成長の後、更にハライド気相成長法により厚さ２００μｍ以上に窒化ガリウム単結晶を成長させ、その後冷却する際に劈開を生じさせてサファイア基板と分離することを特徴とする窒化ガリウム自立基板の製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
サファイア基板に凹凸を設けて、ｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面のうちの法線ベクトルの向きが同じ面のみを露出させる。この際、当該側面はサファイア基板の低指数面ではないので、結局サファイア基板のｃ面が微細な段差を伴って露出するステップ状の面となる。すると、そこにエピタキシャル成長するIII族窒化物系化合物半導体は、当該ステップ毎に、サファイア基板のｃ面に形成した形になる。即ち、階段状に露出したサファイア基板のｃ面に平行となるように、III族窒化物系化合物半導体のｃ面が形成される。
ここで用いるサファイア基板は、主面がａ面からわずかにオフしているので、形成されるIII族窒化物系化合物半導体のｍ面が、サファイア基板のａ面に平行に形成されることになる。
こうして、用いるサファイア基板の主面と平行なIII族窒化物系化合物半導体の表面は、＋ｃ面がステップの側面となる方向へオフしたｍ面となる。この方向にオフが形成されると、主面にほぼ平行な横方向の成長が大幅に促進され、平坦性の極めて優れたｍ面のエピタキシャル成長層を形成することができる。
【０００８】
例えば本発明により、III族窒化物系化合物半導体を厚膜結晶として得て、サファイア基板から分離すれば、厚さ方向がｃ軸方向とほぼ直角の、ほとんど無極性のＧａＮ基板が得られる。III族窒化物系化合物半導体はｍ面で劈開し易いので、例えば厚膜結晶を形成後、室温まで冷やす際にサファイア基板との界面近傍に劈開が生じ、厚膜の自立基板を得ることができる（請求項７）。
また、ｍ面からわずかにオフした主面を有するIII族窒化物系化合物半導体膜又はIII族窒化物系化合物半導体基板が得られるので、この上に、更にIII族窒化物系化合物半導体層を積層することで、積層方向（膜厚方向）に歪の生じない半導体素子等を容易に形成することが可能となる。
更には、公知の方法により、より厚膜にIII族窒化物系化合物半導体を結晶成長させることにより、ｍ面からわずかにオフした主面を有する、III族窒化物系化合物半導体の厚膜基板（自立基板）を得ることも可能となる。
【０００９】
オフ角が０．２度未満であると、横方向の成長が促進されず、平坦性が悪化したり、隣あうエピタキシャル成長部分が完全に合体せずに隙間（ボイド）が残ってしまう。一方、オフ角が５度を越えると、主面がｍ面から大きく異なる面となる。例えばこのような半導体膜に更にエピタキシャル成長を繰り返して半導体素子を形成すると、積層した各層の厚さ方向にｃ軸方向のピエゾ電界の影響が大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
用いるサファイア基板について、主面のオフ方向は、ｍ軸を中心とした回転により得られるものである。ｃ軸を中心とした回転は０．５度未満で良い。これにより、サファイア基板のｍ軸が主面と略平行となるので、その上に本発明により形成されるIII族窒化物系化合物半導体については、そのａ軸が略主面と平行となる。
【００１１】
サファイア基板面に、凹凸を形成する方法は、任意の加工方法を用いることができる。例えばエッチングマスクを用いたエッチングにより凹凸を形成すると良い。サファイア基板に形成する凹凸は、欲しいｃ面又はｃ面と２０度以下の角度を成す面以外の面を形成しないことが望ましいので、例えばサファイア基板のｍ軸に平行な多数のストライプ状に溝を形成すると良い。
この場合、エッチングにより形成される凹部の幅が１〜１０μｍ、エッチングされずに残る凸部の幅が１〜１０μｍ、凹部と凸部の高低差が１〜１０μｍ程度とすると好適である。溝部が狭すぎると、結晶原料が到達しにくくなり、また、狭い領域でのエピタキシャル成長では良質な結晶が望めない。一方、凸部の幅が広すぎると、凸部を覆うまでに時間がかかり、完全に平坦化するのが困難となる。
エピタキシャル成長の際に形成する、ｃ面又はｃ面と２０度以下の角度を成す面以外の面を覆うマスク材料は、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しない任意の材料を用いることができる。例えばＳｉＯ2が簡易に用いることができる。形成方法も任意であるが、ＳｉＯ2を用いる場合、電子線蒸着又はプラズマＣＶＤにより精度良くマスクを形成できる。
【００１２】
Ｖ／III比を高くするとは、例えばアンモニアとトリメチルガリウムのモル比を８００以上、より好ましくは１０００以上とすると良い。
Ｖ／III比を低くするとは、例えばアンモニアとトリメチルガリウムのモル比を６００以下、より好ましくは３００以下とすると良い。
【実施例１】
【００１３】
以下、図を用いて本発明の具体的な一実施例について説明する。
主面が、ａ面と１度のオフ角を成すサファイア基板１０を用意し、その長手方向がｍ軸方向に平行なストライプ状の凹凸を形成した。図２．Ａに示すように、サファイア基板１０に垂直なエッチングにより、溝部の底１０ｖが形成され、エッチングされなかった凸部の表面１０ｔと、表裏の関係にある、法線ベクトルの向きが１８０度異なる２つの側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２が形成された。ここで、紙面に垂直な方向がｍ軸である。
このうち、側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２からは、サファイアのｃ軸方向に、III族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸が一致するように、III族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しうるものである。側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２からのエピタキシャル成長を共存させると、ｃ軸方向に極性を有するIII族窒化物系化合物半導体が異なる方向から成長するため、接合面が不連続面となり、好ましくない。
ここで、側面１０ｃ−１の法線ベクトルが、図１で示したａ軸と９０−θ＋δ（ｄｅｇ）の角度を成し、側面１０ｃ−２の法線ベクトルが、図１で示したａ軸と−９０＋θ＋δ（ｄｅｇ）の角度を成すことに着目すると、ａ軸と法線ベクトルの成す角の絶対値の大きい側面１０ｃ−１を用いる方が好適である。これは形成されるIII族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸方向が、サファイア基板１０の主面に対して、サファイア基板１０内部から外部への向きであるのに対し、側面１０ｃ−２は、形成されるIII族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸方向が、サファイア基板１０の主面に対して、サファイア基板１０外部から内部への向きである。ここにおいて、側面１０ｃ−２からのIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長の際には、成長が最も著しいｃ面は、ストライプ状の凹部にもぐり込む形となり、凸部より高い位置に形成される可能性がない。一方、側面１０ｃ−１からのIII族窒化物系化合物半導体のエピタキシャル成長の際には、成長が最も著しいｃ面は、少なくともその一部がストライプ状の凸部より高い位置に到達し、その後、言わば横方向である＋ｃ軸方向の成長により凸部を迅速に覆うことが可能となる。
このように、III族窒化物系化合物半導体の＋ｃ軸方向の成長を期待するため、側面１０ｃ−１は露出させ、側面１０ｃ−２はマスクで覆うことが好ましい。
図２．Ａで、ストライプ状の凸部の幅、凹部の幅を共に２μｍとした。即ち、４μｍ周期のストライプとなる。凸部上面と凹部底面の高低差は２μｍとした。
溝の角度、即ち表裏の関係にある２つの側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２は、ａ面と１度のオフ角を成すサファイア基板１０の主面に対し垂直に形成した。この角度は、正確な９０度（即ちｃ面と１度のオフ角を成す面）でなくて良く、７０度以上１１０度以下であれば良い。即ちサファイア基板のａ面に対し、２つの側面１０ｃ−１及び１０ｃ−２は、６９度以上１１１度以下（ｍ軸の回りの回転角でもある）でよい。
エッチングの際にマスクとしてＳｉＯ2を用いる場合は、８０〜９０度に制御可能である。
【００１４】
次に、ＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０を電子線（ＥＢ）蒸着により形成した。この際、図２．Ｂの太い矢印に示す通り、ＳｉＯ2の蒸着方向が、サファイア基板１０の主面に垂直な方向から、側面１０ｃ−２に当たる方向まで、掃引されるようにサファイア基板１０の向きを回転させると良い。この際、側面１０ｃ−１にはＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０が形成されないようにした。こうして凹凸加工を施したサファイア基板１０の、面１０ｔ、１０ｖ及び１０ｃ−２に厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０が蒸着された（図２．Ｂ）。
次に、露出すべき側面１０ｃ−１に一部付着する異物を、フッ酸を添加した希硝酸溶液で処理した。例えば、市販のフッ酸、濃硫酸及び水を３：２：２００の比率で混合すると良い。こうして、サファイア基板１０のｃ面と成す角が２０度以下の凹凸の側面１０ｃ−１以外がＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０で覆われたエピタキシャル成長基板が得られた（図２．Ｃ）。
【００１５】
サファイア基板１０のｃ面と成す角（ｍ軸の回りの回転角）が２０度以下の凹凸の側面１０ｃ−１以外がＳｉＯ2から成るエピ成長マスク２０で覆われたエピタキシャル成長基板をＭＯＣＶＤ装置に装着した（図３．Ａ、図２．Ｃの再掲）。
エピタキシャル成長は、基本的には次の通りに実行した。まず、サファイア基板１０の表面を１１００℃でベークした。次に基板温度を６００℃として、ＧａＮから成る低温バッファ層を形成した。この後、１１００℃でＧａＮ層３０を形成した。
【００１６】
ＧａＮ層３０の形成は次のようにした。まず、サファイア基板１０のｃ面と成す角が２０度以下の凹凸の側面１０ｃ−１からＧａＮ層３０が成長を開始してから（図３．Ｂ）、溝部を埋める迄（図３．Ｃ）は、常圧で、Ｖ／III比を高く保った。即ち、アンモニアを７．５Ｌ／分（３３６ｍｍｏｌ／分）、トリメチルガリウムを２８５μｍｏｌ／分、Ｖ／III比を１１８０とした。
溝部が埋まり、凸部の上面がほぼ覆われて平坦化する（図３．Ｄ）までは、減圧で、Ｖ／III比を低く（アンモニアの供給量を１／５と）した。即ち、アンモニアを１．５Ｌ／分（６７ｍｍｏｌ／分）、トリメチルガリウムを２８５μｍｏｌ／分、Ｖ／III比を２３６とした。
凸部の上面がほぼ覆われて平坦化した後（図３．Ｅ）は、常圧で、Ｖ／III比を高くした（アンモニアの供給量を元に戻した）。即ち、アンモニアを７．５Ｌ／分（３３６ｍｍｏｌ／分）、トリメチルガリウムを２８５μｍｏｌ／分、Ｖ／III比を１１８０とした。
こうして得られた結晶はストライプ状の凹凸が完全に覆われ、主面が、ｍ面と１度のオフ角を成す平坦な面であるＧａＮ膜が形成できた。得られた結晶表面の平坦性をＡＦＭで促成したところ、ＲＭＳが１．０ｎｍであった。
尚、図３．Ｄ及び図３．Ｅでは、ＧａＮ層３０の成長面である表面に大きなステップがある記載をしているが、これは、ＧａＮ層３０の成長面の微細構造が、ステップ状であることを示しているものである。即ち、サファイア基板１０に設けた凹凸と、ＧａＮ層３０のステップとは、その大きさの関係が図３．Ｄ及び図３．Ｅに示されたものではない。
あくまでも、ＧａＮ層３０の成長面がｍ面から１度のオフ角を成すため、その微細構造はｍ面と、幅の狭い＋ｃ面の段差の繰り返しであることを示しているに過ぎない。図３．Ｄ及び図３．Ｅは、言わばデフォルメした図である。
【００１７】
上記実施例によれば、４μｍ間隔に形成された側面１０ｃ−１を核（成長開始領域）として横方向成長によりエピ成長マスク２０上部をも覆うようにエピタキシャル成長される。エピ成長マスク２０上部で、隣り合う２つの側面１０ｃ−１からのエピタキシャル結晶が合体する周期も４μｍ間隔となる。
即ち、本発明によれば側面１０ｃ−１のみをエピタキシャル成長の核とするので、基板面全体として極性の揃った、高品質の結晶が得られる。
【実施例２】
【００１８】
主面が、ａ軸からｃ軸方向へ３度回転させた方向の法線ベクトルであるサファイア基板１０を用い、凹凸を形成した際、一方の側面１０ｃ−１がほぼ正確なｃ面となるように加工した。即ち、当該側面１０ｃ−１とサファイア基板の主面の成す角度は８７度とした。この他は実施例１と同様に６００℃でＧａＮから成る低温バッファ層を形成し、１１００℃でＧａＮ層３０を形成した。
ＧａＮ層３０の表面は完全に平坦化した。表面の高低をＡＦＭ画像で評価したところ、ＲＭＳは０．８ｎｍと算出された。
【００１９】
〔比較例〕
比較のため、ａ面から０度以上０．５度以下ｃ軸方向に回転させた方向を主面の法線ベクトルとするサファイア基板を用い、実施例１と同様にストライプ状の凹凸を形成して、図２．Ａの側面１０ｃ−２、即ちｃ面からの法線ベクトルの方向がサファイア基板１０の主面に対して外部から内部への方向である側面を露出させるようにしてマスクを形成した。この他は実施例１と同様にＧａＮをエピタキシャル成長させたところ、ストライプ状の凹凸を完全に覆うことはできなかった。また、その表面の高低をＡＦＭ画像で評価したところ、ＲＭＳは５ｎｍ以上であった。
【実施例３】
【００２０】
実施例１で得られた、サファイア基板１０上に形成したＧａＮ層３０の上に、更にＨＶＰＥ法により厚膜ＧａＮを形成した。即ち、Ｖ族原料にはアンモニア（ＮＨ3)を、III族原料にはＧａとＨＣｌとを反応させて得られたＧａＣｌを用い、基板温度１１００℃でＧａＮを２５０μｍ成長させた。供給量は、ＨＣｌを５０ｓｃｃｍ(標準立方センチメートル)、ＮＨ3を２０００ｓｃｃｍとし、キャリアガス（Ｎ2）を５０００ｓｃｃｍとした。
結晶成長後、２００分かけて室温まで冷却したところ、厚膜ＧａＮ層とサファイア基板１０とが分離し、ｍ面からわずかにオフした面を主面とする厚膜のＧａＮ基板が得られた。これは、冷却中に、厚膜ＧａＮ層とサファイア基板１０との界面がストライプ状の凹凸であるために熱膨張係数差に基づく応力が集中し、その付近でＧａＮ層のｍ面を劈開面として分離したものである。得られたＧａＮ基板は割れや細かいクラックが生ぜず、高品位の結晶であった。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明により、III族窒化物系化合物半導体素子を形成するための、主面がｃ面でないIII族窒化物系化合物半導体膜が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明における、サファイア基板の主面の法線と、形成した凹凸の法線と、サファイアのａ軸及びｃ軸との関係を示す説明図。
【図２】実施例に係るＧａＮ層３０の製造方法を示す工程図の前半（断面図）。
【図３】実施例に係るＧａＮ層３０の製造方法を示す工程図の後半（断面図）。
【符号の説明】
【００２３】
１０：主面がａ面とオフ角を成すサファイア基板
１０ｔ：サファイア基板１０に形成された凹凸の上面
１０ｖ：サファイア基板１０に形成された凹凸の底面
１０ｃ−１：エピタキシャル成長に用いる、サファイア基板１０に形成された凹凸の側面
１０ｃ−２：エピタキシャル成長に用いない、サファイア基板１０に形成された凹凸の側面
２０：ＳｉＯ2から成るエピ成長マスク
３０：ＧａＮ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる、III族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
前記サファイア基板の主面の法線ベクトルが、ａ軸からｃ軸方向に０．２度以上５度以下回転させた方向であり、
前記サファイア基板にｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面を有する凹凸を形成し、
当該側面のうち、その法線ベクトルが同じで、当該法線ベクトルと前記サファイア基板のａ軸との成す角の大きい方の側面のみが露出するように、他の前記サファイア基板の表面をIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材料により覆い、
前記マスク材料により覆われていない、前記サファイア基板の露出したｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面からIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより、主面が、ｍ面と０．２度以上５度以下の角を成すIII族窒化物系化合物半導体結晶を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記マスク材料により覆われていない、前記サファイア基板の凹凸の露出した側面は、ｃ面と成す角が０．５度以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体kの製造方法。
【請求項３】
前記III族窒化物系化合物半導体の形成においては、８００度未満の温度でバッファ層を形成したのち、１０００度以上の温度で単結晶層を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記バッファ層は前記マスク材料を形成する前に形成されることを特徴とする請求項３に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記III族窒化物系化合物半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記エピタキシャル成長は、トリメチルガリウムとアンモニアを用いた有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により行うものであり、
アンモニア供給量のトリメチルガリウムの供給量に対するＶ／III比について、
前記凹凸の凹部を埋めるまでは前記Ｖ／III比を高く、
前記凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくすまでは前記Ｖ／III比を低く、
前記凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくした以降は前記Ｖ／III比を高くすることを特徴とする請求項５に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法による前記エピタキシャル成長の後、更にハライド気相成長法により厚さ２００μｍ以上に窒化ガリウム単結晶を成長させ、その後冷却する際に劈開を生じさせて前記サファイア基板と分離することを特徴とする窒化ガリウム自立基板の製造方法。
【請求項１】
サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させる、III族窒化物系化合物半導体の製造方法において、
前記サファイア基板の主面の法線ベクトルが、ａ軸からｃ軸方向に０．２度以上５度以下回転させた方向であり、
前記サファイア基板にｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面を有する凹凸を形成し、
当該側面のうち、その法線ベクトルが同じで、当該法線ベクトルと前記サファイア基板のａ軸との成す角の大きい方の側面のみが露出するように、他の前記サファイア基板の表面をIII族窒化物系化合物半導体がエピタキシャル成長しないマスク材料により覆い、
前記マスク材料により覆われていない、前記サファイア基板の露出したｃ面又はｃ面と成す角が２０度以下の側面からIII族窒化物系化合物半導体をエピタキシャル成長させることにより、主面が、ｍ面と０．２度以上５度以下の角を成すIII族窒化物系化合物半導体結晶を得ることを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項２】
前記マスク材料により覆われていない、前記サファイア基板の凹凸の露出した側面は、ｃ面と成す角が０．５度以下であることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体kの製造方法。
【請求項３】
前記III族窒化物系化合物半導体の形成においては、８００度未満の温度でバッファ層を形成したのち、１０００度以上の温度で単結晶層を形成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項４】
前記バッファ層は前記マスク材料を形成する前に形成されることを特徴とする請求項３に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項５】
前記III族窒化物系化合物半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項６】
前記エピタキシャル成長は、トリメチルガリウムとアンモニアを用いた有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により行うものであり、
アンモニア供給量のトリメチルガリウムの供給量に対するＶ／III比について、
前記凹凸の凹部を埋めるまでは前記Ｖ／III比を高く、
前記凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくすまでは前記Ｖ／III比を低く、
前記凹凸の凸部をエピタキシャル成長膜が覆いつくした以降は前記Ｖ／III比を高くすることを特徴とする請求項５に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載のIII族窒化物系化合物半導体の製造方法による前記エピタキシャル成長の後、更にハライド気相成長法により厚さ２００μｍ以上に窒化ガリウム単結晶を成長させ、その後冷却する際に劈開を生じさせて前記サファイア基板と分離することを特徴とする窒化ガリウム自立基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−３７１５６（Ｐ２０１０−３７１５６Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０２９０３（Ｐ２００８−２０２９０３）
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【出願人】（０００２４１４６３）豊田合成株式会社 (3,467)
【Ｆターム（参考）】
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