(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮよりも低い融点を有する３−５族化合物半導体基板上に、ＧａＮバッファ層、ＧａＮ単結晶層を順次成長し、次いで、真空中またはアンモニアガス雰囲気中で、前記基板の５族元素が解離することにより前記基板が熱劣化する温度で前記基板を加熱し、その後、化学的エッチングにより前記基板を除去することを特徴とするＧａＮ単結晶の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＧａＮ単結晶の作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワイドバンドギャップ半導体であるＧａＮ系半導体は近年、青色発光素子の材料として注目されている。青色発光素子を得るためのＧａＮ系の結晶成長は、通常、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により、高温に加熱した基板上に行っている。この基板としてはＧａＮが望ましいが、ＧａＮ結晶は融点が２０００℃を超え、かつその融点での蒸気圧が高いため、大口径のＧａＮ系単結晶を未だ成長させることができない。そこで、この基板には、ＧａＮ系とは異なる熱に強い基板（例えばサファイア（Ａｌ２  Ｏ３  ））を用いている。
サファイア基板上にＧａＮ層を成長する方法としては、基板上にＡｌＮバッファ層を成長した後、その上にＧａＮ層を厚く成長する方法と、基板上にＧａＮバッファ層を成長した後、その上にＧａＮ層を厚く成長する方法の２通りの方法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来のＧａＮ系の結晶成長は異種基板上に行っているため、格子不整合により、成長した結晶には多数の欠陥が存在し、高品質な単結晶が得られないという問題があった。格子不整合の問題を解決するためには、ＧａＮ単結晶基板を作製しなければならないが、大口径のＧａＮ単結晶基板を作製する方法は未だ確立していない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点を解決すべくなされたもので、ＧａＮよりも低い融点を有する３−５族化合物半導体基板上に、ＧａＮバッファ層、ＧａＮ単結晶層を順次成長し、次いで、真空中またはアンモニアガス雰囲気中で、前記基板の５族元素が解離することにより前記基板が熱劣化する温度で前記基板を加熱し、その後、化学的エッチングにより前記基板を除去することを特徴とするＧａＮ単結晶の作製方法である。
【０００５】
ところで、３−５族化合物半導体基板を加熱する温度を上昇していくと、ある温度で基板の５族元素が解離し、基板表面に著しい凹凸をもつ熱劣化層が生じる。この温度は、融点が高くなるとそれにつれて高くなる。本発明はこの現象を利用し、鋭意実験的に検討した結果、到達したものである。
上述のように、３−５族化合物半導体基板上にＧａＮバッファ層、ＧａＮ単結晶層を順次成長させた状態で、前記基板が熱劣化する温度で前記基板を加熱すると、基板表面および基板のＧａＮバッファ層に接触する面に凹凸をもつ熱劣化層が生じる。このようにして熱劣化した基板に化学的エッチングを施すと、基板とＧａＮバッファ層の接合界面で剥離が生じ、基板からＧａＮ単結晶層を分離することができる。
なお、ＧａＮ単結晶層は融点が基板よりも高いため、基板を熱劣化する際、ＧａＮ単結晶層は熱劣化することはない。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかるＧａＮ単結晶の作製方法の一実施形態について詳細に説明する。
本実施形態は、ガスソース分子線エピタキシャル成長（ＧＳＭＢＥ）法を用いた。使用した成長装置は、導入室、準備室及び成長室からなる。導入室は真空引きにより、３−５族化合物半導体基板を大気圧の状態から真空状態に保持する。
また、準備室は超高真空まで真空引きができ、基板を比較的低い温度（基板の種類に応じて２００〜５００℃の温度で）で加熱し、水分などを除去する。
さらに、成長室は、窒素源の原料ガスとなるジメチルヒドラジン、及びアンモニアを供給するノズル、３族の原料となるメタルのＧａ、Ａｌ、Ｉｎ、およびドーパントとなるメタルのＭｇ、Ｓｉのクヌードセンセルを備えている。これらのセルの基板との取り付け位置関係は、基板面内の成長の均一性（例えば、厚さの均一性を±１％以下にする）を確保するために精度よく設定する。
【０００７】
次に、上記成長装置を用いたＧａＮ単結晶の作製方法について、図１を用いて説明する。その工程は以下の通りである。即ち、
１）先ず、外径２インチのＧａＡｓ基板１を超音波洗浄機を用い有機洗浄した後、酸化膜を除去するために、硫酸、過酸化水素で３  ０秒間エッチングし、導入室に搬入する。次いで、導入室を十分に真空排気した後、真空雰囲気を保ったまま、準備室にＧａＡｓ基板を搬送する。
【０００８】
２）準備室の真空度を上げて、超高真空状態（１×１０-7Ｐａ程度）になったところで、ＧａＡｓ基板１を５００℃まで加熱して水分を除去し、その後２００℃以下まで冷却した後、超高真空状態の雰囲気を保持したまま、準備室より成長室に搬送する。
【０００９】
３）次いで、成長室でＧａＮバッファ層２を形成する。即ち、Ｇａのセルシャッターを開け、８．０×１０-5ＰａのＧａフラックスを高速電子線回折装置（ＲＨＥＥＤ）で観察しながら約１０秒間照射し、基板表面に１モノレーヤーのＧａの３族元素膜を形成する。次いで、ジメチルヒドラジンをＲＨＥＥＤで観察しながら４〜５分照射し、ＧａＮを成長する。このＧａＮの膜厚は、オージェ測定によると、３００Å程度であった。
【００１０】
４）次いで、窒素源をジメチルヒドラジンよりアンモニアに変え、厚膜のＧａＮ単結晶３を成長する（図１（ａ））。窒素源を変える理由は、アンモニアを用いた方が高純度結晶を得易いためである。即ち、ＧａＡｓ基板１の温度を８５０℃まで２５℃／ｍｉｎの速度で上げ、基板温度が８５０℃に達した後、ＧａＮバッファ層２の表面にアンモニアを照射する。その後、Ｇａセルのシャッターを開け、予め設定したフラックス（８．０×１０-5Ｐａ）のＧａを照射する。ＧａＮの成長速度は１．５μｍ／ｈであり、５０時間成長を行い、７５μｍの厚さに成長させた。成長中のＧａＮは、ＲＨＥＥＤパターンの観察により、単結晶であることが確認できた。なお、成長中の基板温度変動は、設定温度の０. １℃以内に抑え、かつフラックス変動は１％以下に抑えることが望ましい。
【００１１】
５）次いで、アンモニアの雰囲気中で、基板温度を１０００℃に上げ、５分間、この状態を保持し、ＧａＡｓ基板１からＡｓを解離させて、ＧａＡｓ基板１を熱劣化させる（図１（ｂ））。この状態で、ＧａＡｓ基板１のＧａＮバッファ層２に接合する面１ａは、凹凸が生じて粗くなる。
なお、ＧａＮ単結晶３が熱劣化する温度はＧａＡｓの熱劣化温度よりも高く、１０００℃では熱劣化しない。また、アンモニアの雰囲気中で加熱すると、ＧａＮ結晶を保護することができるが、真空中で加熱してもよい。
【００１２】
６）次いで、冷却した後に、ＧａＮ単結晶３を成長させたＧａＡｓ基板１を取り出し、化学エッチング（王水で１時間エッチング）を行うと、接合する面１ａが粗れているため、ＧａＡｓ基板１がＧａＮバッファ層２から剥離して除去され、外径２インチ、７５μｍ厚さのＧａＮ単結晶３が得られた（図１（ｃ））。
【００１３】
このようにして得られたＧａＮ単結晶３は、アンドープのもので、キャリア濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下、電子移動度が４００ｃｍ２  ／Ｖ・ｓ以上であった。このＧａＮ単結晶３の電気的性能は、発光素子としてＧａＮ系の結晶成長を行う基板としては十分に使用可能なものである。
【００１４】
なお、上記実施形態はＧＳＭＢＥ法でＧａＮ単結晶の成長を行ったが、有機金属ガスを用いた有機金属化学気相堆積法、塩素系化合物ガスを用いたハライド気相成長法、昇華法等を用いても同様にＧａＮ単結晶を成長することが出来る。
また、ＧａＮ単結晶を成長させる基板としては、ＧａＡｓの他に、ＩｎＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰなどの３−５族化合物半導体を用いても良い。
さらに、ＧａＮ膜を熱的に劣化した基板より除去する方法として化学エッチングを利用したが、長時間を要してもよければ、窒素雰囲気中で加熱除去することもできる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、光及び電子デバイス作製のためのＧａＮ基板に適した大口径のＧａＮ単結晶を作製することができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るＧａＮ単結晶の作製方法の一実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１              ＧａＡｓ基板
１ａ            接合する面
２              ＧａＮバッファ層
３              ＧａＮ単結晶
【図１】
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