(57)【要約】  連続膜１７と、連続膜１７上の、周期的に配列した、角錐台状又は角錐状の複数の凸部分１５とを含む第二の窒化物半導体単結晶層１４を表面に有し、少なくとも、複数の凸部分１５及び連続膜１７の複数の凸部分１５下の領域が連続した窒化物半導体単結晶からなり、複数の凸部分１５は、結晶方位が揃っており、各々の底面がａ軸に平行な辺で構成される形状を有する（０００１）面を含む窒化物半導体成長用基板１６が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続膜と、前記連続膜上の、周期的に配列した、角錐台状又は角錐状の複数の凸部分とを含む窒化物半導体層を表面に有し、  少なくとも、前記複数の凸部分及び前記連続膜の前記複数の凸部分下の領域が連続した窒化物半導体単結晶からなり、  前記複数の凸部分は、結晶方位が揃っており、各々の底面がａ軸に平行な辺で構成される形状を有する（０００１）面を含む窒化物半導体成長用基板。
【請求項２】
前記複数の凸部分が角錐台状であり、その頂面は、ａ軸に平行な辺で構成される形状を有する（０００１）面を含む、請求項１に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項３】
前記複数の凸部分の傾斜面は、面方位、大きさ、形状が均一であり、加工ダメージを有さない、請求項１又は２に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項４】
前記傾斜面は、（１０−１ｎ）面（ｎは任意の整数）を含む、請求項３に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項５】
前記傾斜面は、アズグロウンのファセット成長面を含む、請求項４に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項６】
前記複数の凸部分の高さが均一である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項７】
前記複数の凸部分の高さが周期的に変化しており、かつ、前記複数の凸部分の頂点又は頂面が２つの仮想平面のいずれかの面上にある、請求項１〜５のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項８】
前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の中心間の距離が、１００μｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項９】
前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の底面間の距離が、１ｍｍ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項１０】
前記複数の凸部分の高さが５０μｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項１１】
前記複数の凸部分のうちの、隣り合う凸部分の底面間の領域の転位密度が、前記凸部分の内部の転位密度よりも高い、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項１２】
前記複数の凸部分の底面の形状が、三角形、四角形、又は六角形である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。
【請求項１３】
表面が窒化物半導体単結晶からなる平坦な基板上に、周期的パターンを形成するように、前記窒化物半導体単結晶のａ軸に平行な複数の直線状の溝を形成する工程と、  前記複数の直線状の溝が形成された前記基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンに対応するパターンで周期的に配列した角錐台状又は角錐状の窒化物半導体単結晶からなる複数の凸部分を表面に有する窒化物半導体層を形成する工程と、を含む窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項１４】
前記基板の表面がｃ面を含む、請求項１３に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項１５】
前記複数の直線状の溝の幅が、１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１３又は１４に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項１６】
前記複数の直線状の溝のうち、方向の同じ溝の中央間の距離が、１００μｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項１７】
前記窒化物半導体層が、成長雰囲気ガス中に水素ガスを含むＨＶＰＥ法により形成される、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項１８】
前記窒化物半導体層が連続膜を含む、請求項１３〜１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項１９】
前記窒化物半導体層を成長させた後に、前記凸部分の傾斜面上に堆積した不要な窒化物半導体結晶をエッチング除去する、請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項２０】
前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンが、三角形、四角形、又は六角形の格子を含むパターンを含む、請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。
【請求項２１】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分のうちの１つを含む、半導体デバイス。
【請求項２２】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分上に、複数の窒化物半導体の単結晶膜をエピタキシャル成長させて、多層エピタキシャル成長層を形成する工程と、  前記多層エピタキシャル成長層を形成した後、前記窒化物半導体成長用基板を分割して、各々が前記複数の凸部分のうちの１つを含む複数の半導体デバイスを形成する工程と、を含む半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びに半導体デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】ＧａＮに代表されるIII族窒化物半導体の結晶は、発光ダイオードやレーザーなどの光デバイス、或いは、ダイオードやトランジスタなどの高周波デバイスに広く応用されており、今後パワーデバイスへの展開も期待されている。【０００３】これらのデバイスの多くは、ＧａＮのｃ面成長基板上に作製されているが、デバイス特性の向上を狙って、ＧａＮのｃ面成長基板の一部に故意にｃ面では無い面を形成し、これを利用してデバイスを作製する試みがなされている。【０００４】例えば、下記の特許文献１には、ＧａＮのｃ面成長基板の傾斜面（非極性面）を利用して形成された、ピエゾ電界による悪影響を排除することのできる電界効果トランジスタが開示されている。【０００５】また、下記の非特許文献１には、ＧａＮのｃ面成長基板上に形成した傾斜面（非ｃ面）を利用して高効率で多色に発光させることのできる発光ダイオードを開発した例が報告されている。【０００６】さらに、下記の非特許文献２には、マスクを用いた選択成長で、基板上に傾斜面を持ったＧａＮ結晶を成長させ、その上に積層成長したInＧａＮからの発光を調べた研究結果が報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−８２２１８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】K.Nishizuka et.al., Efficient radiative recombination from <11-22>-oriented InxGa1-xN multiple quantum wells fabricated by the regrowth technique, APPLIED PHYSICS LETTERS (2004), 85(15): 3122-3124
【非特許文献２】H.Miyake et.al., Blue emission from InGaN/GaN hexagonal pyramid structures, Superlattices and Microstructures (2007), Vol.41 issues 5-6, 341-346
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】デバイス作製に用いられるＧａＮエピタキシャルウエハは、その多くが、サファイアやシリコンなどの異種基板上に、ＧａＮ単結晶層をヘテロエピタキシャル成長させたテンプレートを下地にしている。また、一部では、ＧａＮエピタキシャルウエハの下地として、ＧａＮの自立単結晶基板も用いられている。【００１０】通常のＧａＮテンプレートやＧａＮの自立単結晶基板は、平坦な研磨面か、その上に成長された平坦なエピ成長面を有しているため、上記の特許文献１や非特許文献１に開示されるような傾斜面を利用したデバイスを作製するためには、下地となるＧａＮテンプレートやＧａＮの自立単結晶基板の表面に、フォトリソグラフィなどの微細加工技術を用いて、ＧａＮ結晶の３次元加工を行わねばならない。【００１１】これらの微細加工では、通常、ＧａＮ結晶の表面にマスクとなるＳｉＯ２膜などをＣＶＤ法等により堆積させ、フォトリソグラフィ技術を用いて所望のマスクパターンを形成した後、反応性イオンエッチング等によりＧａＮ結晶をエッチングし、最後にマスクを除去するという工程が採られている。【００１２】しかし、これらの工程は非常に煩雑で手間と時間を要するばかりでなく、エッチングされたＧａＮの表面に往々にしてエッチングダメージが残ってしまい、期待したデバイス特性が再現良く得られないという問題がある。【００１３】また、非特許文献２に開示されるような、マスクを用いた選択成長においても、やはり煩雑なフォトリソグラフィ技術を用いる必要がある。また、基板表面にマスクの材質面が現われているため、その後のエピ成長時やプロセス時に、マスクとの線膨張係数差による割れが起こりやすい。さらに、マスク上で異常成長が起きないように結晶成長条件を配慮する必要がある。【００１４】本発明の目的は、特性の良いデバイスを歩留り良く作製するのに好適な、表面に３次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びにその窒化物半導体成長用基板を用いて製造される半導体デバイス及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】本発明の一実施形態に従い、［１］〜［１２］に記載の窒化物半導体成長用基板が提供される。また、本発明の他の実施形態に従い、［１３］〜［２０］に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法が提供される。また、本発明の他の実施形態に従い、［２１］に記載の半導体デバイスが提供される。また、本発明の他の実施形態に従い、、［２２］に記載の半導体デバイスの製造方法が提供される。【００１６】［１］連続膜と、前記連続膜上の、周期的に配列した、角錐台状又は角錐状の複数の凸部分とを含む窒化物半導体層を表面に有し、少なくとも、前記複数の凸部分及び前記連続膜の前記複数の凸部分下の領域が連続した窒化物半導体単結晶からなり、前記複数の凸部分は、結晶方位が揃っており、各々の底面がａ軸に平行な辺で構成される形状を有する（０００１）面を含む、窒化物半導体成長用基板。【００１７】［２］前記複数の凸部分が角錐台状であり、その頂面は、ａ軸に平行な辺で構成される形状を有する（０００１）面を含む、［１］に記載の窒化物半導体成長用基板。【００１８】［３］前記複数の凸部分の傾斜面は、面方位、大きさ、形状が均一であり、加工ダメージを有さない、［１］又は［２］に記載の窒化物半導体成長用基板。【００１９】［４］前記傾斜面は、（１０−１ｎ）面（ｎは任意の整数）を含む、［３］に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２０】［５］前記傾斜面は、アズグロウンのファセット成長面を含む、［４］に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２１】［６］前記複数の凸部分の高さが均一である、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２２】［７］前記複数の凸部分の高さが周期的に変化しており、かつ、前記複数の凸部分の頂点又は頂面が２つの仮想平面のいずれかの面上にある、［１］〜［５］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２３】［８］前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の中心間の距離が、１００μｍ以上１０ｍｍ以下である、［１］〜［７］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２４】［９］前記複数の凸部分のうちの、任意の隣り合う凸部分の底面間の距離が、１ｍｍ以下である、［１］〜［８］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２５】［１０］前記複数の凸部分の高さが５０μｍ以上５ｍｍ以下である、［１］〜［９］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２６】［１１］前記複数の凸部分のうちの、隣り合う凸部分の底面間の領域の転位密度が、前記凸部分の内部の転位密度よりも高い、［１］〜［１０］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２７】［１２］前記複数の凸部分の底面の形状が、三角形、四角形、又は六角形である、［１］〜［１１］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板。【００２８】［１３］表面が窒化物半導体単結晶からなる平坦な基板上に、周期的パターンを形成するように、前記窒化物半導体単結晶のａ軸に平行な複数の直線状の溝を形成する工程と、前記複数の直線状の溝が形成された前記基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させ、前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンに対応するパターンで周期的に配��した角錐台状又は角錐状の窒化物半導体単結晶からなる複数の凸部分を表面に有する窒化物半導体層を形成する工程と、を含む、窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００２９】［１４］前記基板の表面がｃ面を含む、［１３］に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００３０】［１５］前記複数の直線状の溝の幅が、１０μｍ以上１００μｍ以下である、［１３］又は［１４］に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００３１】［１６］前記複数の直線状の溝のうち、方向の同じ溝の中央間の距離が、１００μｍ以上１０ｍｍ以下である、［１３］〜［１５］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００３２】［１７］前記窒化物半導体層が、成長雰囲気ガス中に水素ガスを含むＨＶＰＥ法により形成される、［１３］〜［１６］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００３３】［１８］前記窒化物半導体層が連続膜を含む、［１３］〜［１７］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００３４】［１９］前記窒化物半導体層を成長させた後に、前記凸部分の傾斜面上に堆積した不要な窒化物半導体結晶をエッチング除去する、［１３］〜［１８］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００３５】［２０］前記複数の直線状の溝が形成する周期的パターンが、三角形、四角形、又は六角形の格子を含むパターンを含む、［１３］〜［１９］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の製造方法。【００３６】［２１］［１］〜［１２］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分のうちの１つを含む、半導体デバイス。【００３７】［２２］［１］〜［１２］のいずれか１項に記載の窒化物半導体成長用基板の前記複数の凸部分上に、複数の窒化物半導体の単結晶膜をエピタキシャル成長させて、多層エピタキシャル成長層を形成する工程と、前記多層エピタキシャル成長層を形成した後、前記窒化物半導体成長用基板を分割して、各々が前記複数の凸部分のうちの１つを含む複数の半導体デバイスを形成する工程と、を含む、半導体デバイスの製造方法。
【発明の効果】
【００３８】本発明の一実施形態によれば、特性の良いデバイスを歩留り良く作製するのに好適な、表面に３次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板及びその製造方法、並びにその窒化物半導体成長用基板を用いて製造される半導体デバイス及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】図１Ａは、第１の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、第１の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、第１の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、第１の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、テンプレートの一部を示す上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第２の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第２の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、第２の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、第２の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、第２の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、テンプレートの一部を示す上面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、第二の窒化物半導体単結晶層の一部を示す上面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第３の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、第３の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、第３の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、第３の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）による上面写真である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）による断面写真である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）による断面の鳥瞰写真である。
【図７Ａ】図７Ａは、他の実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭによる上面写真である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、他の実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭによる断面写真である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、他の実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭによる断面の鳥瞰写真である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】〔第１の実施形態〕本実施形態では、特性の良い半導体デバイスを作製するのに好適な、基板表面に加工ダメージの無い傾斜面を有する３次元周期配列構造が形成された窒化物半導体成長用基板を提供する。
【００４１】図１Ａ〜１Ｅは、第１の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【００４２】まず、図１Ａに示されるように、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板１１上に第一の窒化物半導体単結晶層１２をヘテロエピタキシャル成長させ、テンプレート１０を得る。次に、図１Ｂに示されるように、テンプレート１０の表面に溝１３を形成する。次に、図１Ｃ、１Ｄに示されるように、溝１３が形成されたテンプレート１０上に、第二の窒化物半導体単結晶層１４をエピタキシャル成長させる。次に、必要に応じて、図１Ｅに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層１４から窒化物半導体成長用基板１６を切り出す。以下、これらの各工程について、詳細を説明する。
【００４３】図１Ａに示される異種基板１１の上面は平坦であり、その上に成長する第一の窒化物半導体単結晶層１２の上面も平坦である。
【００４４】異種基板１１は、例えば、サファイア、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、又はＧａ２Ｏ３からなる基板である。特に、結晶成長時の安定性（反応性）や、入手の容易さなどの観点から、サファイア基板を異種基板１１として用いることが好ましい。具体的には、例えば、ＧａＮエピタキシャル結晶成長用に市販されている、直径６５ｍｍ、厚さ４００μｍのｃ面サファイア基板を用いることができる。
【００４５】第一の窒化物半導体単結晶層１２は、窒化物半導体単結晶からなる。ここで、窒化物半導体単結晶とは、組成式ＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で表される単結晶をいう。第一の窒化物半導体単結晶層１２は、例えば、厚さ２μｍのアンドープＧａＮ薄膜である。
【００４６】また、第一の窒化物半導体単結晶層１２の結晶性を高め、表面の平坦性を確保するために、ＧａＮのヘテロエピタキシャル成長に広く用いられている、低温バッファ層挿入技術を適用することが望ましい。低温バッファ層を用いてサファイア基板上にＧａＮ結晶をヘテロエピタキシャル成長させる技術は、例えば、特許第３０２６０８７号公報に開示されている。
【００４７】なお、テンプレート１０の代わりに、単結晶ＧａＮの自立基板を用いてもよい。この場合、単結晶ＧａＮの自立基板上に溝１３が形成され、第二の窒化物半導体単結晶層１４のエピタキシャル成長の下地として用いられる。
【００４８】図１Ｂに示される工程においてテンプレート１０の表面に形成される溝１３は、六方晶である窒化物半導体単結晶のａ軸に平行な直線状の溝の組み合わせにより構成され、ａ軸に平行な辺で構成された三角形を並べた格子状の周期的なパターンを有する。この場合、テンプレート１０上に成長する第二の窒化物半導体単結晶層１４の角錐台状又は角錐状の凸部分１５の傾斜面１５ｂをファセット成長面で構成することができる（傾斜面１５ｂ及びファセット成長面については後述する）。例えば、溝１３を構成する直線状の溝の幅は４０μｍ、深さは６０μｍ、溝のピッチ（隣接する溝の中央間の距離）は、１ｍｍである。
【００４９】図２Ａは、テンプレート１０の一部を示す上面図であり、溝１３のパターンの一例を示す。図２Ａに示される第一の窒化物半導体単結晶層１２の上面は、第一の窒化物半導体単結晶層１２を構成する窒化物半導体単結晶のｃ面、すなわち（０００１）面であり、第一の窒化物半導体単結晶層１２を構成する窒化物半導体単結晶のｃ軸が紙面に垂直に向いている。図１Ｂに示されるテンプレート１０の断面は、図２Ａの切断線Ａ−Ａによる断面に対応する。
【００５０】図２Ａに示される溝１３は、回転操作の中心軸の設定位置によって、最大６回の回転対称性を有する。例えば、格子状パターンの三角形の頂点上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝１３のパターンは６回対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の中心上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝１３のパターンは３回対称性を有する。
【００５１】格子状パターンの三角形の中心がテンプレート１０の中心軸上に位置する場合は、図２Ａに示される溝１３のパターンは、テンプレート１０の中心軸に対して３回の回転対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の頂点がテンプレート１０の中心軸上に位置する場合は、図２Ａに示される溝１３のパターンは、テンプレート１０の中心軸に対して６回の回転対称性を有する。
【００５２】溝１３の形成には、市販のレーザー加工機や、ダイサー、放電加工機などを用いることができるが、細い溝を高い位置精度で加工することができ、加工後のＧａＮ結晶へのダメージが少ないレーザー加工機を用いることが好ましい。例えば、市販のＮｄ：ＹＡＧレーザーの高調波を用いた波長５３２ｎｍ、３５５ｎｍ、２６６ｎｍ、２１３ｎｍ等のレーザー加工機を用いることができる。
【００５３】レーザー加工機で溝加工を施す場合、溝１３の内部や周囲に第一の窒化物半導体単結晶層１２や異種基板１１の加工屑（例えば、ＧａＮやサファイアの加工屑）が付着する。これを除去するために、溝加工を施したテンプレート１０に純水や有機溶剤を用いた超音波洗浄や、酸を用いたバブリング洗浄（例えば、塩酸と過酸化水素水の混合液による洗浄）を行い、その後、純水でよく洗浄することが好ましい。
【００５４】溝１３を構成する直線状の溝の第一の窒化物半導体単結晶層１２の上面における幅Ｗは、１０μｍ以上かつ１００μｍ以下であることが好ましい。幅Ｗが１０μｍよりも狭いと、テンプレート１０上に第二の窒化物半導体単結晶層１４を成長させる際に溝１３が第二の窒化物半導体単結晶層１４で早期に埋まるため、溝１３を挟んで隣接する第二の窒化物半導体単結晶層１４の三角錐台状又は三角錐状の凸部分１５同士が連結してしまい、３次元周期配列構造を維持することが難しくなってしまう（第二の窒化物半導体単結晶層１４の凸部分１５については後述する）。一方、幅Ｗが１００μｍよりも広いと、溝１３の内部で発生した窒化物半導体の多結晶核が大きく成長するため、この場合も、第二の窒化物半導体単結晶層１４の３次元周期配列構造を維持することが難しくなってしまう。
【００５５】また、溝１３を構成する複数の直線状の溝のうち、方向の同じ溝の中央間の距離（ピッチ）Ｄ１は、１００μｍ以上かつ１０ｍｍ以下であることが好ましい。ピッチＤ１が１００μｍよりも狭いと、第二の窒化物半導体単結晶層１４の凸部分１５を、半導体デバイスを作製するのに十分な大きさまで成長させることが困難になる。一方、ピッチＤ１が１０ｍｍよりも広いと、溝１３により区画される１つの領域上に複数の第二の窒化物半導体単結晶層１４の凸部分１５が発生し、これらがきれいに連結しないまま成長する場合がある。この場合、第二の窒化物半導体単結晶層１４の３次元周期配列構造を維持することが難しくなってしまう。
【００５６】溝１３は、図２Ａに示されるように、等しい形状及び面積の領域を区画するようなパターンを有することが好ましい。この場合、区画された複数の領域上に成長する第二の窒化物半導体単結晶層１４の凸部分１５の形状及び大きさを均一にすることができる。
【００５７】図１Ｃ、１Ｄに示される工程において形成される第二の窒化物半導体単結晶層１４は、窒化物半導体結晶からなり、特に、ＧａＮ結晶からなることが好ましい。第二の窒化物半導体単結晶層１４は、例えば、厚さ２ｍｍのＳｉドープＧａＮ結晶層である。
【００５８】第二の窒化物半導体単結晶層１４は、ｉ型（半絶縁性）ｎ型又はｐ型のいずれであってもよい。導電性を制御するためにドープされる不純物元素として、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｏ、Ｃ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｚｎ等が用いられる。
【００５９】第二の窒化物半導体単結晶層１４は、凸部分１５から構成される３次元周期配列構造を有する。凸部分１５の底面（図１Ｃに示される状態においてテンプレート１０と接する面）は、テンプレート１０の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の（０００１）面である。
【００６０】図１Ｃは、テンプレート１０上の溝１３により区画された各々の領域上に第二の窒化物半導体単結晶層１４の凸部分１５が成長し、隣り合う凸部分１５が接触する前の状態を示している。
【００６１】凸部分１５は、テンプレート１０の溝１３により区画された三角形の領域状に成長する三角錐台状又は三角錐状の部分である。凸部分１５の底面の縁と溝１３の縁は一致しているため、凸部分１５の底面の形状は、窒化物半導体単結晶のａ軸に平行な辺で構成される三角形である。
【００６２】六方晶である窒化物半導体単結晶のファセット成長面は、（１０−１ｎ）面（ｎは任意の整数）であり、ａ軸と平行である。このため、テンプレート１０上の溝１３を構成するａ軸に平行な直線状の溝に沿ってファセット成長面が現れ、凸部分１５の傾斜面１５ｂを形成する。
【００６３】また、凸部分１５は、結晶成長条件によって三角錐台状又は三角錐状の形状を有する。ただし、第二の窒化物半導体単結晶層１４上にエピタキシャル結晶成長を行う際の成長結晶の品質や、半導体デバイスの電極を形成する領域の確保を考慮すれば、凸部分１５は三角錐台状であることが好ましい。なお、三角錐台状又は三角錐状の凸部分１５の頂部に研磨加工を施して、所望の高さを持った三角錐台状の凸部分１５を形成してもよい。
【００６４】また、第二の窒化物半導体単結晶層１４が三角錐台状の凸部分１５を含む場合は、その頂面１５ａは、テンプレート１０の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の（０００１）面である。なお、頂面１５ａは、（０００１）面であることが好ましいが、５°以内であれば、（０００１）面からのオフセット角を有してもよい。オフセット角が５°を超えると、凸部分１５が傾くことにより、傾斜面１５ｂの面積のばらつきが大きくなるため、第二の窒化物半導体単結晶層１４を用いて特性の優れた半導体デバイスを作製することが困難になる。
【００６５】全ての凸部分１５の頂面１５ａの大きさ、形状、高さは、ほぼ均一であることが好ましい。テンプレート１０上の溝１３により区画される領域の形状及び大きさがほぼ均一であれば、頂面１５ａの大きさ、形状、高さをほぼ均一にすることができる。頂面１５ａの大きさ、形状、高さがほぼ均一である場合、傾斜面１５ｂの大きさ、形状もほぼ均一になる。頂面１５ａの大きさ、形状、高さの均一性、及び傾斜面１５ｂの大きさ、形状の均一性を高くすることにより、第二の窒化物半導体単結晶層１４を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させることができる。
【００６６】また、第二の窒化物半導体単結晶層１４を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させるためには、凸部分１５の傾斜面１５ｂが加工ダメージを有さないことが求められる。傾斜面１５ｂは窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成されるアズグロウンの面であり、エッチング等による加工を施していないため、加工ダメージを有さない。傾斜面１５ｂの加工ダメージの有無は、その断面をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察し、窒化物半導体単結晶の原子配列に乱れの有無を調べることにより判別することができる。なお、傾斜面１５ｂを窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成することにより、傾斜面１５ｂの大きさ、形状の均一性を向上させることもできる。
【００６７】また、傾斜面１５ｂをファセット成長面で構成することにより、全ての傾斜面１５ｂの面方位が等価になるため、第二の窒化物半導体単結晶層１４を用いて作製される半導体デバイスの特性のばらつきを抑えることができる。
【００６８】第二の窒化物半導体単結晶層１４は、ＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等の気相成長法や、ナトリウムフラックス法、アモノサーマル法等の液相成長法で成長させることができる。この中でも、結晶成長速度が速く、原料コストの安いＨＶＰＥ法を用いることが好ましい。第二の窒化物半導体単結晶層１４をＨＶＰＥ法で成長させる際には、成長雰囲気ガス中に水素ガスが含まれていることが好ましい。こうすることで、凸部分１５の形状を維持しやすくなり、第二の窒化物半導体単結晶層１４の３次元周期配列構造を形成することが容易になる。
【００６９】ＧａＮのＨＶＰＥ法による成長技術の詳細は、例えば、特許第３５５３５８３号公報に開示されている。ＨＶＰＥ法でＧａＮを成長する際にＳｉをドーピングする技術の詳細は、例えば、特許第３２７９５２８号公報に開示されている。
【００７０】図２Ｂは、図１Ｃに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層１４の一部を示す上面図であり、第二の窒化物半導体単結晶層１４のパターンの一例を示す。図１Ｃに示されるテンプレート１０及び第二の窒化物半導体単結晶層１４の断面は、図２Ｂの切断線Ｂ−Ｂによる断面に対応する。
【００７１】図２Ｂに示される第二の窒化物半導体単結晶層１４は、図２Ａに示されるテンプレート１０上に成長したものであり、複数の凸部分１５が効率的に配列している。図２Ｂに示される凸部分１５の形状及び大きさは均一である。
【００７２】図１Ｄは、第二の窒化物半導体単結晶層１４の成長が進行し、第二の窒化物半導体単結晶層１４がテンプレート１０上の窒化物半導体単結晶の連続膜１７とその上の複数の凸部分１５から構成される状態を示している。この窒化物半導体単結晶の連続膜１７の部分と複数の凸部分１５の結晶方位は揃っている。
【００７３】凸部分１５の傾斜面１５ｂのファセット成長面を維持できる結晶成長条件を選択することにより、第二の窒化物半導体単結晶層１４の成長が進行しても隣り合う凸部分１５同士が水平方向に成長して結合して平坦化することがなく、個々の三角錐台状又は三角錐状の形状を維持することができる。すなわち、図１Ｄに示される状態における凸部分１５の形状が、図１Ｃに示される状態における凸部分１５の形状から、ほとんど変化しない。このため、凸部分１５から構成される第二の窒化物半導体単結晶層１４の３次元周期配列構造を、半導体デバイスの作製に効率的に用いることができる。
【００７４】図１Ｄに示される状態の第二の窒化物半導体単結晶層１４とテンプレート１０の積層体を、窒化物半導体成長用基板として、エピタキシャル結晶成長の下地基板等の用途に用いてもよい。
【００７５】成長雰囲気ガス中に水素ガスを含むＨＶＰＥ法で第二の窒化物半導体単結晶層１４を成長させることにより、図１Ｄに示されるような窒化物半導体単結晶の連続膜１７を含む状態の第二の窒化物半導体単結晶層１４を容易に形成することができる。
【００７６】また、第二の窒化物半導体単結晶層１４は、窒化物半導体成長用基板１６を切り出すために十分な厚さを有する必要があるため、結晶成長速度の速いＨＶＰＥ法で成長させることが好ましい。
【００７７】なお、第二の窒化物半導体単結晶層１４の成長を終えた後、凸部分１５の傾斜面１５ｂ上に、結晶方位の異なる窒化物半導体の結晶が付着している場合がある。この場合、加熱した燐酸と硫酸の混酸等を用いたウェットエッチングにより、付着した窒化物半導体の結晶を除去することが好ましい。
【００７８】また、凸部分１５の高さＨは５０μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。高さＨは、傾斜面１５ｂの面積に比例しており、隣り合う凸部分１５の中心間の距離と同じ理由により、低すぎても高すぎても実用的ではない。すなわち、高さＨが５ｍｍよりも高いと、凸部分１５の均質なエピタキシャル成長が困難になり、５０μｍよりも低いと、半導体デバイスを製造するのに十分な大きさが得にくくなる。
【００７９】第二の窒化物半導体単結晶層１４の隣り合う凸部分１５の間の領域、すなわちテンプレート１０の溝１３の真上の領域は、凸部分１５内の領域に比べて転位密度が高くなっていることが好ましい。半導体デバイスを構成する窒化物半導体単結晶中の結晶欠陥である転位は、デバイス特性や寿命を劣化させる原因となることが知られており、転位密度はなるべく低いことが望ましい。本実施形態によれば、窒化物半導体結晶が成長して凸部分１５が形成される際に、結晶中をｇｒｏｗｎ−ｉｎで伝搬する転位は、成長界面の傾斜方向に曲がって進行し、隣り合う凸部分１５の間の領域に集まる性質がある。この性質を利用し、隣り合う凸部分１５の間の領域に転位を集中させ、凸部分１５内の転位密度を低減することができる。
【００８０】なお、上述の非特許文献２に開示された方法のように、テンプレート１０に溝１３を形成する代わりに、テンプレート１０上にマスクパターンを形成し、第二の窒化物半導体単結晶層１４を選択成長させる方法も考えられるが、マスクパターンの形成に煩雑なフォトリソグラフィプロセスが必要であり、また、第二の窒化物半導体単結晶層１４の底部に残留するマスクパターンと第二の窒化物半導体単結晶層１４との線膨張係数差に起因してエピ工程やプロセス工程で第二の窒化物半導体単結晶層１４に割れが生じる危険が高まるため、工業的に好ましくない。
【００８１】図２Ｃは、図１Ｄに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層１４の一部を示す上面図であり、凸部分１５のパターンの一例を表す。図１Ｄに示されるテンプレート１０及び第二の窒化物半導体単結晶層１４の断面は、図２Ｃの切断線Ｃ−Ｃによる断面に対応する。
【００８２】図２Ｃに示される第二の窒化物半導体単結晶層１４は、図２Ｂに示される第二の窒化物半導体単結晶層１４が成長したものであり、図２Ｂに示される第二の窒化物半導体単結晶層１４とほぼ同じ形状、大きさの凸部分１５を有する。
【００８３】第二の窒化物半導体単結晶層１４の凸部分１５は、図２Ｃに示されるように、ほぼ隙間無く配列していることが好ましい。この場合、凸部分１５を利用した半導体デバイスを効率的に形成することができる。
【００８４】平面視での隣り合う凸部分１５の中心間の距離Ｄ２は、１００μｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。距離Ｄ２が大きいほど、凸部分１５の底面が大きくなる。距離Ｄ２が１００μｍよりも小さい場合、凸部分１５の大きさが半導体デバイスの作製にはやや小さく、扱いづらい場合がある。
【００８５】一方、距離Ｄ２が大きすぎると、テンプレート１０の溝１３の幅が極端に大きくない限りは、凸部分１５の底面が大きくなり、それに伴って凸部分１５の高さも大きくなるため、窒化物半導体単結晶を均一にエピタキシャル成長させることが難しくなる。逆に、凸部分１５の均質性を確保するために、その高さを低く抑えると、凸部分１５の底面の大きさに対する傾斜面１５ｂの大きさの割合が小さくなるため、半導体デバイスの特性や取得効率が下がってしまう。このため、現行の半導体デバイスのチップサイズから見て、距離Ｄ２は１０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００８６】なお、隣り合う凸部分１５の底面の間の距離Ｄ３は、１ｍｍ以下であることが望ましい。距離Ｄ３が１ｍｍを超えると、第二の窒化物半導体単結晶層１４上に結晶をエピタキシャル成長させたときに、隣り合う凸部分１５の底面と底面の隙間に新たな３次元の結晶核が発生し、第二の窒化物半導体単結晶層１４の表面の周期配列構造を乱す原因となるからである。
【００８７】図１Ｅは、テンプレート１０上の第二の窒化物半導体単結晶層１４から窒化物半導体成長用基板１６を切り出す様子を示したものである。図１Ｅに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層１４を十分な厚さまで成長させた後、テンプレート１０の表面と平行、すなわちｃ面と平行に切断することにより、出発基板に窒化物半導体単結晶の自立基板を用いなくても、自立基板である窒化物半導体成長用基板１６を得ることができる。
【００８８】第二の窒化物半導体単結晶層１４の切断には、Ｓｉ結晶やＧａＡｓ結晶の切断に一般的に使用されているワイヤーソー等を用いることができる。
【００８９】上記のように、本実施形態によれば、凸部分１５により構成される３次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができる。具体的には、図１Ｄに示されるような、連続膜１７とその上の複数の凸部分１５から構成される第二の窒化物半導体単結晶層１４とテンプレート１０からなる、テンプレート基板としての窒化物半導体成長用基板、及び図１Ｅに示されるような、第二の窒化物半導体単結晶層１４から切り出される、自立基板としての窒化物半導体成長用基板１６を得ることができる。
【００９０】本実施形態に係る窒化物半導体成長用基板における第二の窒化物半導体単結晶層１４は、その大部分が窒化物半導体単結晶からなり、好ましくは、全体が窒化物半導体単結晶からなる。隣り合う凸部分１５の間の領域が多結晶や非晶質となる場合はあるが、少なくとも、複数の凸部分１５及び連続膜１７の複数の凸部分１５下の領域は、連続した窒化物半導体単結晶からなる。
【００９１】本実施形態において得られる窒化物半導体成長用基板は、直径が５０ｍｍ以上の略円形であることが好ましい。本実施形態に係る窒化物半導体成長用基板は、３次元周期配列構造の形成にフォトリソグラフィ等の微細加工プロセスを必要とせず、結晶成長工程を利用することができるため、大型の基板全面に均一な３次元周期配列構造を形成することができる。この特性を活かすには、窒化物半導体成長用基板の直径が５０ｍｍ以上であることが望ましく、１００ｍｍ以上であることがより望ましい。尚、略円形と言うのは、円形の基板にオリエンテーションフラット（ＯＦ）やインデックスフラット（ＩＦ）などの目印となる加工を施した状態を含むという意味である。
【００９２】また、図１Ｃに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層１４の形成は、テンプレート１０の溝１３により区画された各々の領域上に結晶核を発生させて成長させることにより行われるため、第二の窒化物半導体単結晶層１４から得られる窒化物半導体成長用基板の内部には歪が残留しにくく、結晶方位の分布のばらつきや、基板の反り等の不具合が生じにくい。そのため、本実施形態の窒化物半導体成長用基板を用いてエピタキシャル結晶成長を行ったり、その後のプロセスを行ったりする場合にも、工程の途中で基板が割れるなどの不具合が生じにくい。
【００９３】〔第２の実施形態〕第２の実施形態は、第二の窒化物半導体単結晶層の凸部分により構成される３次元周期配列構造のパターンにおいて第１の実施形態と異なる。その他の第１の実施形態と共通する構成については、説明を省略又は簡略化する。
【００９４】図３Ａ〜３Ｅは、第２の実施形態に係る窒化物半導体成長用基板の製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【００９５】まず、図３Ａに示されるように、窒化物半導体と異なる材料からなる異種基板２１上に第一の窒化物半導体単結晶層２２をヘテロエピタキシャル成長させ、テンプレート２０を得る。次に、図３Ｂに示されるように、テンプレート２０の表面に溝２３を形成する。次に、図３Ｃ、３Ｄに示されるように、溝２３が形成されたテンプレート２０上に、第二の窒化物半導体単結晶層２４をエピタキシャル成長させる。次に、必要に応じて、図３Ｅに示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層２４から窒化物半導体成長用基板２７を切り出す。以下、これらの各工程について、詳細を説明する。
【００９６】図３Ａに示される異種基板２１、第一の窒化物半導体単結晶層２２は、それぞれ第１の実施形態の異種基板１１、第一の窒化物半導体単結晶層１２と同様の部材である。
【００９７】図３Ｂに示される工程においてテンプレート２０の表面に形成される溝２３は、六方晶である窒化物半導体単結晶のａ軸に平行な直線状の溝の組み合わせにより構成され、ａ軸に平行な辺で構成された六角形と三角形を並べた格子状のパターンを有する。この場合、テンプレート２０上に成長する第二の窒化物半導体単結晶層２４の凸部分２５、２６の傾斜面２５ｂ、２６ｂをファセット成長面で構成することができる（傾斜面２５ｂ、２６ｂ及びファセット成長面については後述する）。例えば、溝２３を構成する直線状の溝の幅は４０μｍ、深さは６０μｍ、溝のピッチ（隣接する溝の中央間の距離）は、１ｍｍである。
【００９８】図４Ａは、テンプレート２０の一部を示す上面図であり、溝２３のパターンの一例を示す。図４Ａに示される第一の窒化物半導体単結晶層２２の上面は、第一の窒化物半導体単結晶層２２を構成する窒化物半導体単結晶のｃ面、すなわち（０００１）面であり、第一の窒化物半導体単結晶層２２を構成する窒化物半導体単結晶のｃ軸が紙面に垂直に向いている。図３Ｂに示されるテンプレート１０の断面は、図４Ａの切断線Ｄ−Ｄによる断面に対応する。
【００９９】図４Ａに示される溝２３は、回転操作の中心軸の設定位置によって、最大６回の回転対称性を有する。例えば、格子状パターンの六角形の中心上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝２３のパターンは６回対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の中心上に回転操作の中心軸を設定する場合、溝２３のパターンは３回対称性を有する。
【０１００】格子状パターンの六角形の中心がテンプレート１０の中心軸上に位置する場合は、図４Ａに示される溝２３のパターンは、テンプレート１０の中心軸に対して６回の回転対称性を有する。また、格子状パターンの三角形の頂点がテンプレート１０の中心軸上に位置する場合は、図４Ａに示される溝１３のパターンは、テンプレート１０の中心軸に対して３回の回転対称性を有する。
【０１０１】溝２３は、第１の実施形態の溝１３と同様の方法により形成され、溝１３と同様の直線状の溝により構成される。
【０１０２】図３Ｃ、３Ｄに示される第二の窒化物半導体単結晶層２４は、第１の実施形態の第二の窒化物半導体単結晶層１４と同じ窒化物半導体結晶からなり、同様の成長方法により形成される。
【０１０３】第二の窒化物半導体単結晶層２４は、凸部分２５、２６から構成される３次元周期配列構造を有する。凸部分２５、２６の底面（図３Ｃに示される状態においてテンプレート２０と接する面）は、テンプレート２０の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の（０００１）面である。
【０１０４】凸部分２５は、テンプレート２０の溝２３により区画された六角形の領域状に成長する六角錐台状又は六角錐状の部分であり、凸部分２６は、テンプレート２０の溝２３により区画された三角形の領域状に成長する三角錐台状又は三角錐状の部分である。凸部分２５、２６の底面の縁と溝２３の縁は一致しているため、凸部分２５の底面の形状は、窒化物半導体単結晶のａ軸に平行な辺で構成される六角形であり、凸部分２６の底面の形状は、窒化物半導体単結晶のａ軸に平行な辺で構成される三角形である。
【０１０５】六方晶である窒化物半導体単結晶のファセット成長面は、（１０−１ｎ）面（ｎは任意の整数）であり、ａ軸と平行である。このため、テンプレート１０上の溝１３を構成するａ軸に平行な直線状の溝に沿ってファセット成長面が現れ、凸部分２５、２６の傾斜面２５ｂ、２６ｂを形成する。
【０１０６】テンプレート１０上の面積の大きい領域上に成長する凸部分２５の高さは、面積の小さい領域上に成長する凸部分２６の高さよりも高くなる傾向がある。このため、第二の窒化物半導体単結晶層２４の凸部分の高さは周期的に変化し、かつ、凸部分２５の頂面２５ａ又は頂点と、凸部分２６の頂面２６ａ又は頂点とは、それぞれ異なる高さの２つの仮想平面上に位置する。
【０１０７】図３Ｃは、テンプレート２０上の溝２３により区画された各々の領域上に第二の窒化物半導体単結晶層１４の凸部分２５、２６が成長し、隣り合う凸部分２５、２６が接触する前の状態を示している。
【０１０８】また、凸部分２５は、結晶成長条件によって六角錐台状又は六角錐状の形状を有する。同様に、凸部分２６は、結晶成長条件によって三角錐台状又は三角錐状の形状を有する。ただし、第二の窒化物半導体単結晶層２４上にエピタキシャル結晶成長を行う際の成長結晶の品質や、半導体デバイスの電極を形成する領域の確保を考慮すれば、凸部分２５、２６は、それぞれ三角錐台状、六角錐台状であることが好ましい。なお、三角錐台状又は三角錐状の凸部分２５の頂部に研磨加工を施して、所望の高さを持った三角錐台状の凸部分２５を形成してもよい。同様に、六角錐台状又は六角錐状の凸部分２６の頂部に研磨加工を施して、所望の高さを持った六角錐台状の凸部分２６を形成してもよい。
【０１０９】また、第二の窒化物半導体単結晶層２４が三角錐台状の凸部分２５及び六角錐台状の凸部分２６を含む場合は、その頂面２５ａ、２６ａは、テンプレート２０の上面と同じく、窒化物半導体単結晶の（０００１）面である。なお、頂面２５ａ、２６ａは、（０００１）面であることが好ましいが、５°以内であれば、（０００１）面からのオフセット角を有してもよい。オフセット角が５°を超えると、凸部分２５、２６が傾くことにより、傾斜面２５ｂ、２６ｂの面積のばらつきが大きくなるため、第二の窒化物半導体単結晶層２４を用いて特性の優れた半導体デバイスを作製することが困難になる。
【０１１０】全ての凸部分２５の頂面２５ａの大きさ、形状、高さは、ほぼ均一であることが好ましい。頂面２５ａの大きさ、形状、高さがほぼ均一である場合、傾斜面２５ｂの大きさ、形状もほぼ均一になる。同様に、全ての凸部分２６の頂面２６ａの大きさ、形状、高さは、ほぼ均一であることが好ましい。頂面２６ａの大きさ、形状、高さがほぼ均一である場合、傾斜面２６ｂの大きさ、形状もほぼ均一になる。頂面２５ａ、２６ａの大きさ、形状、高さの均一性、及び傾斜面２５ｂ、２６ｂの大きさ、形状の均一性を高くすることにより、第二の窒化物半導体単結晶層２４を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させることができる。
【０１１１】また、第二の窒化物半導体単結晶層２４を用いて作製される半導体デバイスの製造歩留まりを向上させるためには、凸部分２５の傾斜面２５ｂ及び凸部分２６の傾斜面２６ｂが加工ダメージを有さないことが求められる。傾斜面２５ｂ、２６ｂは窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成されるアズグロウンの面であり、エッチング等による加工を施していないため、加工ダメージを有さない。傾斜面２５ｂ、２６ｂの加工ダメージの有無は、その断面をＴＥＭ（透過電子顕微鏡）で観察し、窒化物半導体単結晶の原子配列の乱れの有無を調べることにより判別することができる。なお、傾斜面２５ｂ、２６ｂを窒化物半導体単結晶のファセット成長面で構成することにより、傾斜面２５ｂ、２６ｂの大きさ、形状の均一性を向上させることもできる。
【０１１２】また、傾斜面２５ｂ、２６ｂをファセット成長面で構成することにより、全ての傾斜面２５ｂ、２６ｂの面方位が等価になるため、第二の窒化物半導体単結晶層２４を用いて作製される半導体デバイスの特性のばらつきを抑えることができる。
【０１１３】図４Ｂは、図３Ｃに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層２４の一部を示す上面図であり、第二の窒化物半導体単結晶層２４のパターンの一例を示す。図３Ｃに示されるテンプレート２０及び第二の窒化物半導体単結晶層２４の断面は、図４Ｂの切断線Ｅ−Ｅによる断面に対応する。
【０１１４】図４Ｂに示される第二の窒化物半導体単結晶層２４は、図４Ａに示されるテンプレート２０上に成長したものであり、複数の凸部分２５、２６が効率的に配列している。図４Ｂに示される凸部分２５の形状及び大きさ、並びに凸部分２６の形状及び大きさは、それぞれ均一である。このため、凸部分２５の頂面２５ａの高さ、及び凸部分２６の頂面２６ａの高さも、それぞれ均一である。
【０１１５】図３Ｄは、第二の窒化物半導体単結晶層２４の成長が進行し、第二の窒化物半導体単結晶層２４がテンプレート２０上の窒化物半導体単結晶の連続膜２８とその上の複数の凸部分２５、２６から構成される状態を示している。この窒化物半導体単結晶の連続膜２８の部分と複数の凸部分２５、２６の結晶方位は揃っている。
【０１１６】凸部分２５の傾斜面２５ｂ及び凸部分２６の傾斜面２６ｂがファセット成長面であるため、第二の窒化物半導体単結晶層２４の成長が進行しても隣り合う凸部分２５、２６同士が水平方向に成長して結合して平坦化することがなく、個々の形状を維持することができる。すなわち、図３Ｄに示される状態における凸部分２５、２６の形状が、図３Ｃに示される状態における凸部分２５、２６の形状から、ほとんど変化しない。このため、凸部分２５、２６から構成される第二の窒化物半導体単結晶層２４の３次元周期配列構造を、半導体デバイスの作製に効率的に用いることができる。
【０１１７】なお、第二の窒化物半導体単結晶層２４を半導体デバイスの作製に用いる場合、傾斜面の面積の小さい凸部分２６を用いずに、傾斜面の面積の大きい凸部分２５のみを用いてもよい。
【０１１８】図３Ｄに示される状態の第二の窒化物半導体単結晶層２４とテンプレート２０の積層体を、窒化物半導体成長用基板として、エピタキシャル結晶成長の下地基板等の用途に用いてもよい。
【０１１９】隣り合う凸部分２５、２６の底面の間の距離は、１ｍｍ以下であることが望ましい。この距離が１ｍｍを超えると、第二の窒化物半導体単結晶層２４上に結晶をエピタキシャル成長させたときに、隣り合う凸部分２５、２６の底面と底面の隙間に新たな３次元の結晶核が発生し、第二の窒化物半導体単結晶層２４の表面の周期配列構造を乱す原因となるからである。
【０１２０】第二の窒化物半導体単結晶層２４の隣り合う凸部分２５、２６の間の領域、すなわちテンプレート２０の溝２３の真上の領域は、凸部分２５、２６内の領域に比べて転位密度が高くなっていることが好ましい。半導体デバイスを構成する窒化物半導体単結晶中の結晶欠陥である転位は、デバイス特性や寿命を劣化させる原因となることが知られており、転位密度はなるべく低いことが望ましい。本実施形態によれば、窒化物半導体結晶が成長して凸部分２５、２６が形成される際に、結晶中をｇｒｏｗｎ−ｉｎで伝搬する転位は、成長界面の傾斜方向に曲がって進行し、隣り合う凸部分２５、２６の間の領域に集まる性質がある。この性質を利用し、隣り合う凸部分２５、２６の間の領域に転位を集中させ、凸部分２５、２６内の転位密度を低減することができる。
【０１２１】図４Ｃは、図３Ｄに対応する、第二の窒化物半導体単結晶層２４の一部を示す上面図であり、凸部分２５、２６のパターンの一例を表す。図３Ｄに示されるテンプレート２０及び第二の窒化物半導体単結晶層２４の断面は、図４Ｃの切断線Ｆ−Ｆによる断面に対応する。
【０１２２】図４Ｃに示される第二の窒化物半導体単結晶層２４は、図４Ｂに示される第二の窒化物半導体単結晶層２４が成長したものであり、図４Ｂに示される第二の窒化物半導体単結晶層２４とほぼ同じ形状、大きさの凸部分２５、２６を有する。
【０１２３】第二の窒化物半導体単結晶層２４の凸部分２５、２６は、図４Ｃに示されるように、ほぼ隙間無く配列していることが好ましい。この場合、凸部分２５、２６を利用した半導体デバイスを効率的に形成することができる。
【０１２４】図３Ｅは、テンプレート２０上の第二の窒化物半導体単結晶層２４から窒化物半導体成長用基板２７を切り出す様子を示したものである。図３（ｅ）に示されるように、第二の窒化物半導体単結晶層２４を十分な厚さまで成長させた後、テンプレート２０の表面と平行、すなわちｃ面と平行に切断することにより、出発基板に窒化物半導体単結晶の自立基板を用いなくても、自立基板である窒化物半導体成長用基板２７を得ることができる。
【０１２５】第二の窒化物半導体単結晶層２４の切断には、Ｓｉ結晶やＧａＡｓ結晶の切断に一般的に使用されているワイヤーソー等を用いることができる。
【０１２６】上記のように、本実施形態によれば、凸部分２５、２６により構成される３次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができる。具体的には、図３Ｄに示されるような、連続膜２８とその上の複数の凸部分２５、２６から構成される第二の窒化物半導体単結晶層２４とテンプレート２０からなる、テンプレート基板としての窒化物半導体成長用基板、及び図３Ｅに示されるような、第二の窒化物半導体単結晶層２４から切り出される、自立基板としての窒化物半導体成長用基板２７を得ることができる。
【０１２７】本実施形態に係る窒化物半導体成長用基板における第二の窒化物半導体単結晶層２４は、その大部分が窒化物半導体単結晶からなり、好ましくは、全体が窒化物半導体単結晶からなる。隣り合う凸部分２５、２６の間の領域が多結晶や非晶質となる場合はあるが、少なくとも、複数の凸部分２５、２６及び連続膜２８の複数の凸部分２５、２６下の領域は、連続した窒化物半導体単結晶からなる。
【０１２８】本実施形態において得られる窒化物半導体成長用基板は、第１の実施形態の窒化物半導体成長用基板と同様に、直径が５０ｍｍ以上であることが望ましく、１００ｍｍ以上であることがより望ましい。
【０１２９】〔第３の実施形態〕第３の実施形態では、窒化物半導体成長用基板を用いて半導体デバイスを製造する。窒化物半導体成長用基板を形成するまでの工程は第１の実施形態及び第２の実施形態とほぼ同じであるため、共通する部分については説明を省略又は簡略化する。
【０１３０】図５Ａ〜５Ｄは、第３の実施形態に係る半導体デバイスの製造工程を模式的に示す垂直断面図である。
【０１３１】まず、図５Ａに示されるように、溝が形成された窒化物半導体の自立基板３０上に、窒化物半導体成長用基板としての窒化物半導体単結晶層３１をヘテロエピタキシャル成長させる。次に、図５Ｂに示されるように、窒化物半導体単結晶層３１上に多層エピタキシャル成長層３２を形成する。次に、図５Ｃに示されるように、多層エピタキシャル成長層３２の上面に電極３３を形成し、さらに、自立基板３０を除去した後に、窒化物半導体単結晶層３１の下面に電極３４を形成する。次に、図５Ｄに示されるように、窒化物半導体単結晶層３１、多層エピタキシャル成長層３２、及び電極３４を分割し、複数の半導体デバイス３５を得る。以下、これらの各工程について、詳細を説明する。
【０１３２】図５Ａに示される窒化物半導体の自立基板３０は、ｃ面である表面に第１の実施形態のテンプレート１０の溝１３と同様の溝を有し、テンプレート１０と同様に窒化物半導体単結晶のエピタキシャル成長の下地基板として用いられる。窒化物半導体の自立基板３０は、例えば、ＧａＮ自立基板である。窒化物半導体の自立基板３０の代わりにテンプレート１０を用いてもよい。
【０１３３】図５Ａに示される窒化物半導体単結晶層３１は、第１の実施形態の第二の窒化物半導体単結晶層２４と同じ窒化物半導体単結晶からなり、同様の成長方法により形成される。また、第二の窒化物半導体単結晶層１４と同様の凸部分から構成される３次元周期配列構造を有する。
【０１３４】なお、自立基板３０が第２の実施形態のテンプレート２０の溝２３と同様の溝を有し、窒化物半導体単結晶層３１が第二の窒化物半導体単結晶層２４と同様の３次元周期配列構造を有してもよい。
【０１３５】図５Ｂに示される多層エピタキシャル成長層３２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）用の発光層を含む層であり、ＭＯＣＶＤ法等により形成される。多層エピタキシャル成長層３２の各層は、窒化物半導体の単結晶膜からなる。窒化物半導体単結晶層３１の表面の３次元周期配列構造がエッチング等による加工ダメージを有さないため、結晶品質のよい多層エピタキシャル成長層３２を成長させることができる。
【０１３６】図５Ｃに示される電極３３は、窒化物半導体単結晶層３１の複数の凸部分の各々の頂面の上に、フォトリソグラフィ技術等を用いて形成される。自立基板３０は、バックラップや研削等の手段により除去される。このとき、窒化物半導体単結晶層３１の厚さを、製造する半導体デバイス３５の高さに合うように調整することができる。なお、自立基板３０を除去せずに残してもよい。ただし、自立基板３０の代わりにテンプレート１０を用いる場合は、異種基板１１は除去する必要がある。電極３４は、窒化物半導体単結晶層３１の下面の全面に形成される。
【０１３７】図５Ｄに示される工程においては、窒化物半導体単結晶層３１、多層エピタキシャル成長層３２、及び電極３４は、窒化物半導体単結晶層３１の凸部分の間の部分で分割される。この分割のために、例えば、ダイサー等による切断を行ってもよいし、また、窒化物半導体単結晶層３１の上面及び下面にスクライバーやダイサーで溝加工を施した後、割断を行ってもよい。
【０１３８】本実施形態によれば、窒化物半導体単結晶層３１の１つの凸部分を半導体デバイスの構成ユニットとするため、分割のための精確な位置合わせなどが不要であり、簡単に半導体チップを作製することができる。
【０１３９】なお、分割される窒化物半導体単結晶層３１の凸部分の間の部分は、単結晶の窒化物半導体である必要はなく、多結晶や非晶質の窒化物半導体であってもよい。ただし、窒化物半導体単結晶層３１上に成長させる多層エピタキシャル成長層３２の結晶品質や、多層エピタキシャル成長層３２の形成後のプロセス加工における利便性を考えると、窒化物半導体単結晶層３１の表面に単結晶の窒化物半導体以外の材料が出現していることは望ましくなく、窒化物半導体単結晶層３１の凸部分の間の部分も凸部分と結晶方位の揃った窒化物半導体の連続した単結晶であることが望ましい。
【０１４０】窒化物半導体単結晶層３１の利用効率を高めるためには、凸部分は、図２Ｃや図４Ｃに示されるように、なるべく全面的に高密度に配列していることが望ましいが、一方で、分割等のデバイス作製のプロセスを容易にするために、凸部分の間隔を故意に開けて配列することも可能である。この場合、隣接する凸部分の底面と底面の間に幅広の溝を形成することもできるし、二重線状の溝を形成することにより、二重線を構成する溝と溝の間に（０００１）面からなる平面や、（０００１）面を頂面とする細長い四角錐台を形成することもできる。また、デバイスの電極を形成する目的で、隣接する凸部分の底面と底面の間に故意にスペースを形成することもできる。
【０１４１】また、本実施形態においては、１つの凸部を用いて１つの半導体デバイスを製造しているが、１つの凸部を分割して複数の半導体デバイスを製造してもよく、また、複数の凸部を用いて１つの半導体デバイスを製造してもよい。
【０１４２】本実施形態では、凸部分の傾斜面に現われる非ｃ面の特性をデバイスに利用することを目的としているが、多層エピタキシャル成長層３２の表面を平坦面では無く故意に凹凸を付けた面とすることで、発光デバイスの光取り出し効率を高める技術にも応用が可能である。
【０１４３】（実施形態の効果）上記第１の実施形態及び第２の実施形態によれば、窒化物半導体成長用基板の表面の３次元周期配列構造を窒化物半導体単結晶のファセット成長を利用して形成することにより、エッチング等の加工を施すことなく３次元周期配列構造の傾斜面を得ることができる。これにより、傾斜面に加工ダメージを与えず、かつ、歩留まりよく、低コストで３次元周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができる。
【０１４４】また、上記第３の実施形態によれば、表面に加工ダメージの無い傾斜面を有する窒化物半導体成長用基板を用いて、特性及び信頼性に優れた半導体デバイスを高い歩留まりで製造することができる。
【０１４５】また、上記の各実施形態は、従来の結晶成長技術や加工技術等を利用して実施することが可能であるため、得られる効果に対するコスト負担が非常に少なくて済む。
【実施例】
【０１４６】以下に、窒化物半導体成長用基板及び半導体デバイスを上記実施形態に基づいて製造し、評価した結果について述べる。【０１４７】（実施例１）まず、異種基板１１としての、市販の直径５０ｍｍ、厚さ３６０μｍの単結晶サファイアｃ面基板上に、第一の窒化物半導体単結晶層１２としてのアンドープＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成長させ、テンプレート１０を形成した。【０１４８】このアンドープＧａＮ層の形成には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3を原料ガスとして用いた。成長圧力は常圧とし、サファイア基板を水素ガス雰囲気中で、１２００℃、１０分間のサーマルクリーニングを行って、表面を清浄化した後、基板温度を６２０℃に下げて低温アンドープＧａＮバッファ層を２０ｎｍ成長させ、次に、基板温度を１０５０℃まで上げて、ピットなどの無い平坦なアンドープＧａＮ連続膜を２μｍの厚さに成長させた。【０１４９】次に、得られたテンプレート１０の表面に、溝１３を加工した。溝加工には、市販の波長５３２ｎｍ、定格出力５ＷのＹＶＯ４パルスレーザー加工機を用いた。溝１３のパターンは、図２Ａに示すような、ａ軸に平行な直線状の溝から構成される三角格子状のパターンである。溝１３の幅は３０μｍ、深さは２０μｍ、溝のピッチ（隣接する溝の中央間の距離）は、１．２ｍｍとした。【０１５０】次に、溝１３の内部や周囲にレーザー加工機で溝加工を施した際に付着した、ＧａＮ及びサファイアの粉状の加工屑を除去する目的で、テンプレート１０をメチルアルコール中で超音波洗浄した後、乾燥させた。【０１５１】次に、溝加工を施したテンプレート１０上に、ＨＶＰＥ法により、第二の窒化物半導体単結晶層１４としてのＳｉドープＧａＮ層をエピタキシャル成長させた。【０１５２】このＳｉドープＧａＮ層は、７８０℃に加熱された金属ＧａにＨＣｌガスを接触させることで生成したＧａＣｌと、ＮＨ3を原料ガスとし、また、水素希釈したＳｉＨ2Ｃｌ2ガスをドーパントガスとして、これらのガスを１０５０℃に加熱したテンプレート１０上に供給して成長させた。成長時の炉内圧力は常圧、キャリアガスの組成は窒素５０％、水素５０％とし、原料ガスのＶ／III比は４とした。成長中、テンプレート１０を５ｒｐｍで自転させ、結晶の成長速度は、〜３００μｍ／ｈ、結晶の平均膜厚の目標は１ｍｍとした。成長結晶の目標キャリア濃度は１×１０１８ｃｍ-3とした。【０１５３】こうして第二の窒化物半導体単結晶層１４としてのＳｉドープＧａＮ層を成長させたテンプレート１０を、冷却後に炉内から取り出したところ、凸部分１５としての三角錐台状のＧａＮ単結晶が、テンプレート１０上の溝１３のパターンに対応して、図２Ｃに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。各々の凸部分１５の頂面１５ａは、一辺の長さが約５００μｍのほぼ正三角形の平面であり、三角形の各辺がＧａＮのａ軸に平行であった。このことから、全ての凸部分１５は結晶方位の揃った単結晶であり、頂面１５ａはｃ面であると判断された。【０１５４】また、第二の窒化物半導体単結晶層１４の外観からは、クラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層１���を割って断面を観察したところ、テンプレート１０の上面から凸部分１５の頂面１５ａまでの高さは約１．２ｍｍ、凸部分１５の高さは約１８０μｍであった。各凸部分１５の底部は、ＧａＮの連続膜１７とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層１４の全体が凸部分１５の周期配列構造を有するＧａＮの連続膜であることが確認された。また、凸部分１５の傾斜面１５ｂとＧａＮ結晶のｃ面とのなす角度を測定したところ、ほぼ３２°であったことから、傾斜面１５ｂは（１０−１３）面であることが推察された。【０１５５】ここで、サファイア基板である異種基板１１を裏面側から観察すると、表面に形成された溝１３のピッチとほぼ同じ位のピッチで生じた細かいクラックが見られたが、これらのクラックが第二の窒化物半導体単結晶層１４側に進展していることは無かった。これらの異種基板１１内のクラックは、結晶冷却時に異種基板１１と第二の窒化物半導体単結晶層１４との線膨張係数差に起因して発生したものと推定される。【０１５６】こうして、第二の窒化物半導体単結晶層１４とテンプレート１０からなるテンプレート基板である、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。図６Ａ、６Ｂおよび６Ｃはそれぞれ、この本実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）による上面写真、断面写真、断面の鳥瞰写真である。【０１５７】（実施例２）上記の実施例１と同じ方法で、直径５０ｍｍのテンプレート１０上に、約１ｍｍの厚さのＧａＮの連続膜１７とその上の三角錐台状の凸部分１５からなる、第二の窒化物半導体単結晶層１４としてのＳｉドープＧａＮ層を形成した。【０１５８】次に、第二の窒化物半導体単結晶層１４を結晶成長方向に垂直に切断して、異種基板１１としてのサファイア基板から分離させた。第二の窒化物半導体単結晶層１４の切断は、第二の窒化物半導体単結晶層１４をスライス加工用の台座に貼付け、ワイヤー放電加工機を用いて行った。この切断の工程よって、第二の窒化物半導体単結晶層１４にクラックが発生することは無かった。これにより、表面に三角錐台状の凸部分１５の周期配列構造を有する厚さ約６００μｍのＳｉドープＧａＮ単結晶の自立基板１６を得た。【０１５９】得られた自立基板１６の転位密度を、カソードルミネッセンスで観察される暗点密度で評価したところ、凸部分１５の頂面１５ａ及び傾斜面１５ｂでは４×１０7〜８×１０7ｃｍ-2の範囲に入っていることが確認された。一方、隣り合う凸部分１５の間の溝部の転位密度は２×１０8〜８×１０8ｃｍ-2であり、凸部分１５内部よりもほぼ１桁転位密度が高いことが確認された。【０１６０】（実施例３）初めに、特許第３６３１７２４号公報に開示されている結晶成長技術（ＶＡＳ法）を用いて作製した、直径５０ｍｍ、厚さ４００μｍのｃ面ＧａＮ自立基板を用意した。【０１６１】次に、このＧａＮ自立基板の表面に、上記の実施例１と同じレーザー加工機を用いて溝２３を加工した。この溝２３は、図４Ａに示すような、ａ軸に平行な直線状の溝から構成される、三角格子と六角格子を有するパターンに形成した。溝２３の幅は５０μｍ、深さは６０μｍ、溝のピッチ（隣接する溝の中央間の距離）は、１ｍ��とした。【０１６２】次に、溝加工を施したＧａＮ自立基板上に、ＨＶＰＥ法により、第二の窒化物半導体単結晶層２４としてのＳｉドープＧａＮ層をエピタキシャル成長させた。ＨＶＰＥ成長条件は、成長中の原料キャリアガスの組成が窒素９０％、水素１０％であること以外は、実施例１と同じである。この第二の窒化物半導体単結晶層２４とＧａＮ自立基板は、窒化物半導体成長用基板を構成する。【０１６３】こうして第二の窒化物半導体単結晶層２４としてのＳｉドープＧａＮ層を成長させたＧａＮ自立基板を、冷却後に炉内から取り出したところ、背の高い凸部分２５としての六角錐台状のＧａＮ単結晶と、背の低い凸部分２６としての三角錐台状のＧａＮ単結晶が、ＧａＮ自立基板上の溝２３のパターンに対応して、図４Ｃに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。【０１６４】第二の窒化物半導体単結晶層２４の外観からはクラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層２４を割って断面を観察したところ、ＧａＮ自立基板の上面から凸部分２５の頂面２５ａまでの高さは約１２８０μｍ、ＧａＮ自立基板の上面から凸部分２６の頂面２６ａまでの高さは約９７０μｍであった。各凸部分２５の頂面２５ａは、ほぼ正六角形であり、その各辺はＧａＮのａ軸に平行であった。また、各凸部分２６の頂面２６ａは、ほぼ正三角形であり、その各辺はＧａＮのａ軸に平行であった。各凸部分２５、２６の底部は、厚さ約８８０μｍのＧａＮの連続膜２８とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層２４の全体が凸部分２５、２６の周期配列構造を有するＧａＮの連続膜であることが確認された。また、凸部分２５の傾斜面２５ｂとＧａＮ結晶のｃ面とのなす角度を測定したところ、ほぼ４３．２°であったことから、傾斜面２５ｂは（１０−１２）面であることが推察された。【０１６５】第二の窒化物半導体単結晶層２４の転位密度を、カソードルミネッセンスで観察される暗点密度で評価したところ、六角錐台状の凸部分２５の頂面２５ａ及び傾斜面２５ｂでは２×１０6〜５×１０6ｃｍ-2の範囲に入っていることが確認された。一方、隣り合う凸部分２５、２６の間の溝部の転位密度は５×１０6〜９×１０6ｃｍ-2であり、凸部分２５内部よりも全体的に転位密度が高いことが確認された。【０１６６】こうして、第二の窒化物半導体単結晶層２４とＧａＮ自立基板からなる、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。【０１６７】（実施例４）まず、異種基板２１としての、市販の直径５０ｍｍ、厚さ３６０μｍの単結晶サファイアｃ面基板上に、第一の窒化物半導体単結晶層２２としてのアンドープＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成長させ、テンプレート２０を形成した。このアンドープＧａＮ層の成長条件は、実施例１と同じである。【０１６８】次に、このテンプレート２０の表面に、上記の実施例１と同じレーザー加工機を用いて溝２３を加工した。この溝２３は、図４Ａに示すような、ａ軸に平行な直線状の溝から構成される、三角格子と六角格子を有するパターンに形成した。溝２３の幅は５０μｍ、深さは６０μｍ、溝のピッチ（隣接する溝の中央間��距離）は、１ｍｍとした。【０１６９】次に、溝加工を施したテンプレート２０上に、ＨＶＰＥ法により、第二の窒化物半導体単結晶層２４としてのＳｉドープＧａＮ層をエピタキシャル成長させた。ＨＶＰＥ成長条件は、実施例１と同じである。【０１７０】こうして第二の窒化物半導体単結晶層２４としてのＳｉドープＧａＮ層を成長させたテンプレート２０を、冷却後に炉内から取り出したところ、背の高い凸部分２５としての六角錐台状のＧａＮ単結晶と、背の低い凸部分２６としての三角錐台状のＧａＮ単結晶が、テンプレート２０上の溝２３のパターンに対応して、図４Ｃに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。【０１７１】第二の窒化物半導体単結晶層２４の外観からはクラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層２４を割って断面を観察したところ、テンプレート２０の上面から凸部分２５の頂面２５ａまでの高さは約１４００μｍ、テンプレート２０の上面から凸部分２６の頂面２６ａまでの高さは約１１８０μｍであった。各凸部分２５の頂面２５ａは、ほぼ正六角形であり、その各辺はＧａＮのａ軸に平行であった。また、各凸部分２６の頂面２６ａは、ほぼ正三角形であり、その各辺はＧａＮのａ軸に平行であった。各凸部分２５、２６の底部は、厚さ約１０６０μｍのＧａＮの連続膜２８とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層２４の全体が凸部分２５、２６の周期配列構造を有するＧａＮの連続膜であることが確認された。また、凸部分２５の傾斜面２５ｂとＧａＮ結晶のｃ面とのなす角度を測定したところ、ほぼ４３．２°であったことから、傾斜面２５ｂは（１０−１２）面であることが推察された。【０１７２】第二の窒化物半導体単結晶層２４の転位密度を、カソードルミネッセンスで観察される暗点密度で評価したところ、六角錐台状の凸部分２５の頂面２５ａ及び傾斜面２５ｂでは３×１０7〜６×１０7ｃｍ-2の範囲に入っていることが確認された。一方、隣り合う凸部分２５、２６の間の溝部の転位密度は５×１０6〜９×１０6ｃｍ-2であり、凸部分２５内部よりも全体的に転位密度が高いことが確認された。【０１７３】こうして、第二の窒化物半導体単結晶層２４とテンプレート２０からなる、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。図７Ａ、７Ｂおよび７Ｃはそれぞれ、この本実施例に係る窒化物半導体成長用基板を示すＳＥＭによる上面写真、断面写真、断面の鳥瞰写真である。【０１７４】（実施例５）まず、異種基板１１としての、市販の直径１００ｍｍ、厚さ６００μｍの単結晶サファイアｃ面基板上に、第一の窒化物半導体単結晶層１２としてのアンドープＧａＮ層をＭＯＣＶＤ法により成長させ、テンプレート１０を形成した。【０１７５】このアンドープＧａＮ層の形成には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）とＮＨ3を原料ガスとして用いた。成長圧力は常圧とし、サファイア基板を水素ガス雰囲気中で、１２００℃、１０分間のサーマルクリーニングを行って、表面を清浄化した後、基板温度を６００℃に下げて低温アンドープＧａＮバッファ層を２０ｎｍ成長させ、次に、基板温度を１０５０℃まで上げ��、アンドープＧａＮ連続膜を１．５μｍの厚さに成長させた。キャリアガスには、水素と窒素の混合ガスを用いた。結晶の成長速度は約３μｍ／ｈであった。成長後に炉から取り出した第一の窒化物半導体単結晶層１２の表面を光学顕微鏡で観察したところ、基板全面でピットなどの無い平坦な連続膜が得られていることが確認できた。【０１７６】次に、得られたテンプレート１０の表面に、市販のレーザー加工機を用いて溝１３を加工した。溝１３のパターンは、図２Ａに示すような、ａ軸に平行な直線状の溝から構成される三角格子状のパターンである。溝１３の幅は６０μｍ、深さは９００μｍ、溝のピッチ（隣接する溝の中央間の距離）は、２ｍｍとした。【０１７７】次に、溝１３の内部や周囲にレーザー加工機で溝加工を施した際に付着した、ＧａＮ及びサファイアの粉状の加工屑を除去する目的で、テンプレート１０を純水及びメチルアルコール中で超音波洗浄した後、乾燥させた。【０１７８】次に、溝加工を施したテンプレート１０上に、ＨＶＰＥ法により、第二の窒化物半導体単結晶層１４としてのＧｅドープＧａＮ層をエピタキシャル成長させた。【０１７９】このＧｅドープＧａＮ層は、８００℃に加熱された金属ＧａにＨＣｌガスを接触させることで生成したＧａＣｌと、ＮＨ3を原料ガスとし、また、水素希釈したＧｅＣｌ4ガスをドーパントガスとして、これらのガスを１１００℃に加熱したテンプレート１０上に供給して成長させた。成長時の炉内圧力は常圧、キャリアガスの組成は窒素９０％、水素１０％とし、原料ガスのＶ／III比は３とした。成長中、テンプレート１０を４ｒｐｍで自転させ、結晶の成長速度は、〜２５０μｍ／ｈ、結晶の平均膜厚の目標は１１００μｍとした。成長結晶の目標キャリア濃度は８×１０18ｃｍ-3とした。【０１８０】こうして第二の窒化物半導体単結晶層１４としてのＳｉドープＧａＮ層を成長させたテンプレート１０を、冷却後に炉内から取り出したところ、凸部分１５としての三角錐台状のＧａＮ単結晶が、テンプレート１０上の溝１３のパターンに対応して、図２Ｃに示されるような周期的な配列で形成されていることが観察された。【０１８１】また、第二の窒化物半導体単結晶層１４の外観からは、クラックや異常成長の発生した様子は見られず、未成長領域やピットなども見られなかった。この第二の窒化物半導体単結晶層１４を割って断面を観察したところ、テンプレート１０の上面から凸部分１５の頂面１５ａまでの高さは約１．３ｍｍ、凸部分１５の高さは約２００μｍであった。各々の凸部分１５の頂面１５ａは、ほぼ正三角形であり、その各辺がＧａＮのａ軸に平行であった。各凸部分１５の底部は、ＧａＮの連続膜１７とつながっており、第二の窒化物半導体単結晶層１４の全体が凸部分１５の周期配列構造を有するＧａＮの連続膜であることが確認された。また、凸部分１５の傾斜面１５ｂとＧａＮ結晶のｃ面とのなす角度を測定したところ、ほぼ３２°であったことから、傾斜面１５ｂは（１０−１３）面であることが推察された。【０１８２】こうして、第二の窒化物半導体単結晶層１４とテンプレート１０からなるテンプレート基板である、表面に三角錐台の周期配列構造を有する窒化物半導体成長用基板を得ることができた。【��１８３】（実施例６）上記の実施例２で得られた、表面に三角錐台の周期配列構造を有する直径５０ｍｍのＳｉドープＧａＮ単結晶の自立基板１６を用意し、その上にＬＥＤ構造の多層エピタキシャル層３２をＭＯＣＶＤ法により形成した。【０１８４】この多層エピタキシャル層３２の形成には、ＴＭＧ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）及びＮＨ3を原料ガスとして用いた。まず、自立基板１６をＮＨ3とＨ2との混合気流（ＮＨ3：Ｈ2＝１：２）中で１１５０℃まで昇温し、その温度に５分間保持した後、第一層の成長に必要なIII族原料ガスから順に流し、各エピタキシャル層を成長させた。成長させた多層エピタキシャル層３２の構造は、自立基板１６側から順に、厚さ１μｍのｎ−ＧａＮ層、Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ＧａＮ−３−ＭＱＷ（Ｗｅｌｌ層の厚さ３ｎｍ、障壁層の厚さ１０ｎｍ）、厚さ４０ｎｍのｐ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ｎ層、及び厚さ５００ｎｍのｐ−ＧａＮ層からなる多層構造である。ここで、ＭＱＷ層は温度を８００℃まで下げて成長させた。それ以外の層の成長温度は１１５０℃であった。成長圧力はすべて常圧とした。ただし、ここで挙げたエピタキシャル層の厚さや混晶組成は、ｃ面ＧａＮ基板上で条件出しを行った際のデータに基づいて算定したものであり、自立基板１６の凸部分１５の傾斜面１５ｂ上のエピタキシャル層においては、膜厚は薄い方向に、Ｉｎ組成は低い方向に微妙にずれることが判っている。【０１８５】次に、凸部分１５の頂面１５ａ上の多層エピタキシャル層３２上に、フォトリソグラフィ技術を用いて直径１５０μｍの円形のＮｉ／Ａｕ構造のｐ型電極を形成し、自立基板１６の裏面側をバックラップで６００μｍ除去した後、裏面全面にＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ａｕ構造のｎ型電極を形成した。これにより、自立基板１６の裏面から凸部分１５の頂面１５ａまでの高さは約９７０μｍとなった。【０１８６】次に、この自立基板１６を粘着シートにマウントし、ウェハ劈開装置を用いて凸部分１５間の溝部で劈開して、複数の半導体デバイスとしてのＬＥＤチップに分割した。こうして、底面の一辺が約１０００μｍの三角柱上に三角錐台を積み重ねたような形状のＬＥＤチップが得られた。【０１８７】作製したＬＥＤチップに通電し、分光器を用いて発光波長を測定したところ、三角錐台状の凸部分１５の頂面１５ａからはピーク波長４７０ｎｍの青色発光が観測されたのに対し、凸部分１５の傾斜面１５ｂからはピーク波長４３０ｎｍの紫色発光が観測され、１チップで２波長の光を発するＬＥＤチップを作製できることが確認された。【０１８８】以上、本発明の実施形態及び実施例を説明したが、本発明は、上記実施形態及び実施例に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。【０１８９】例えば、テンプレート１０や自立基板３０上に形成する溝のパターンは、図２Ａに示される溝１３のパターンや、図４Ａに示される溝２３のパターンに限定されない。この溝のパターンは、ａ軸に平行な直線で構成されるパターンであればよく、例えば、六角格子を組み合わせた亀甲紋（ハニカム模様）型のパターンや、菱型格子パターンであってもよい。例えば、溝のパターンが亀甲紋型である場合、第二の窒化��半導体単結晶層の凸部分は全て六角錐台状又は六角錐状になり、溝のパターンが菱型格子パターンである場合、第二の窒化物半導体単結晶層の凸部分は全て四角錐台状又は四角錐状になる。また、凸部分の傾斜面をファセット成長面で形成することができれば、溝１３は不連続な溝、例えば多数の孔から構成されてもよい。【０１９０】更に、異種基板１１、２１の裏面側に、破壊誘導部としての溝を加工する変形例が考えられる。この場合、異種基板１１、２１と第二の窒化物半導体単結晶層１４、２４との線膨張係数差に起因して第二の窒化物半導体単結晶層１４、２４に応力が生じたときに、異種基板１１、２１に優先的にクラックが生じるため、第二の窒化物半導体単結晶層１４、２４におけるクラックの発生を抑えることができる。また、異種基板１１、２１の裏面の溝が溝１３、２３に対向する位置に形成される場合は、素子形成後の素子分離を容易にする事もできる。【０１９１】また、上記実施形態においては、テンプレート１０の第一の窒化物半導体単結晶層１２や、自立基板３０の表面が窒化物半導体単結晶のｃ面であるが、ｍ面やａ面などのｃ面以外の面であってもよい。この場合、回転対称性を有するパターンの凸部分を形成することは難しいが、傾斜面を有する凸部分を形成することは可能である。【０１９２】また、上記に記載した実施形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【産業上の利用可能性】
【０１９３】本発明は、発光ダイオードやレーザーなどの光デバイス、または、ダイオードやトランジスタなどの高周波デバイス等の窒化物半導体デバイスを製造するために用いられる窒化物半導体成長用基板に適用できる。
【符号の説明】
【０１９４】１０，２０  テンプレート１１，２１  異種基板１２，２２  第一の窒化物半導体単結晶層１３，２３  溝１４，２４  第二の窒化物半導体単結晶層１５，２５，２６  凸部分１５ａ，２５ａ，２６ａ  頂面１５ｂ，２５ｂ，２６ｂ  傾斜面１６，２７  窒化物半導体成長用基板１７，２８  連続膜３０  自立基板３１  窒化物半導体単結晶層３２  多層エピタキシャル成長層３５  半導体デバイス
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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