(57)【要約】 【課題】結晶性が良好な無極性面成長のIII族窒化物半導体層を得ることができる基板を提供すること。【解決手段】基板１は、下地基板１１と、この下地基板１１上に形成された炭化アルミニウム層１２とを備える。炭化アルミニウム層１２の下地基板１１と反対側の面には、炭化アルミニウム層１２の｛１−１００｝面１２１が露出している。  炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面１２１は、下地基板１１の主面１１０に対して傾斜している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地基板と、この下地基板上に形成された炭化アルミニウム層とを備える基板であって、
前記炭化アルミニウム層のm軸が、前記下地基板の主面に対して傾斜している基板。
【請求項２】
請求項１に記載の基板において、
前記炭化アルミニウム層の前記下地基板と反対側の面は階段状に形成され、
前記炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面は、前記階段のテラス部分である基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載の基板において、
前記炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面が前記主面に対して、１度以上、２０度以下傾斜している基板。
【請求項４】
請求項３に記載の基板において、
前記炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面が前記主面に対して、５度以上、１５度以下傾斜している基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の基板において、
炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面が前記主面に対して、前記炭化アルミニウム層の<０００１>方向に傾斜している基板。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の基板において、
前記炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面が前記主面に対して、前記炭化アルミニウム結晶層の<１１−２０>方向に傾斜している基板。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の基板において、
前記炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面が、前記主面に対して、前記炭化アルミニウム層のａ軸と、前記炭化アルミニウム層のｃ軸との間であり、前記炭化アルミニウム層のｍ軸を回転軸として、炭化アルミニウム層のｃ軸をａ軸側に所定角度回転させた軸に沿って傾斜している基板。
【請求項８】
請求項７に記載の基板において、
前記炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面が、前記主面に対して、前記炭化アルミニウム層のａ軸と、前記炭化アルミニウム層のｃ軸との間であり、前記炭化アルミニウム層のｍ軸を回転軸として、炭化アルミニウム層のｃ軸をａ軸側に３０度以上、６０度以下回転させた軸に沿って傾斜している基板。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の基板において、
当該基板は、前記炭化アルミニウム層上にIII族窒化物半導体層を形成するためのIII族窒化物半導体層形成用である基板。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の基板において、
前記下地基板が、サファイア基板、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板、窒化アルミニウム基板のいずれかである基板。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれかに記載の基板と、
前記基板の炭化アルミニウム結晶層上に形成されたIII族窒化物半導体層とを備える積層体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の積層体において、
前記III族窒化物半導体層は、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮまたは、これらの混晶である積層体。
【請求項１３】
請求項１乃至１０いずれかに記載の基板上にIII族窒化物半導体層を形成した後、前記下地基板を除去することにより得られるIII族窒化物半導体層からなる基板。
【請求項１４】
下地基板上に、有機金属気相成長法により、炭化アルミニウム層を形成する工程を備え、
前記炭化アルミニウム層を形成する前記工程では、
前記炭化アルミニウム層のｍ軸が、前記下地基板の主面に対して傾斜するように、炭化アルミニウム層を形成する基板の製造方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の基板の製造方法により基板を得る工程と、
前記基板の前記炭化アルミニウム層上に、ハイドライド気相成長法により、III族窒化物半導体層を形成する工程とを含む積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板、積層体、積層体の製造方法、基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板を用いた高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）の実用化に伴い、良好な結晶品質を持つ窒化ガリウム基板の開発が望まれている。ＧａＮ基板は、たとえばサファイア基板を下地基板として使用し、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy）法によりこの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ことで作製される。最終的に、サファイア基板をＧａＮ結晶から剥離することでＧａＮ基板が形成される。ただし、サファイアとＧａＮとの間には格子不整合や熱膨張係数差が存在するので、サファイア基板上に直接ＧａＮ結晶を成長させることは難しい。そこで、サファイア基板のｃ面上に、比較的低温で窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やＧａＮからなるバッファ層を堆積し、その後、このバッファ層上にＧａＮ結晶を高温で成長させる技術が開発された。この種のＧａＮ基板の製造方法は、たとえば、特許文献１（特開２００２−２８４６００号公報）に開示されている。
【０００３】
六方晶系のIII−Ｖ族窒化物半導体はそのｃ軸を分極軸とする分極物質であるため、ｃ軸に沿った自発分極が発生し、この自発分極により電子と正孔が分離してしまう性質がある。また、異種のIII−Ｖ族窒化物半導体からなる積層構造を作製すると、格子定数の差に起因した結晶構造の歪みによる圧電分極が生じ、この圧電分極によりＧａＮのｃ軸方向にピエゾ電界が生ずる。このピエゾ電界は、発光デバイスの発光層に注入される電子と正孔の再結合確率を低下させ、ひいては内部量子効率を低下させる。また、発光素子がｃ軸配向した歪み量子井戸構造を有する場合、前記自発分極と圧電分極による強い内部電場が誘起され、電子と正孔が１つの量子井戸層内で空間的に分離されることがある。これは、発光に寄与する電子と正孔の再結合確率を低下させ、内部量子効率を低下させてしまう。更に、発光波長が圧電分極によって長波長側に遷移し、発光波長の短波長化が困難になるという問題もある。
【０００４】
六方晶のａ面やｍ面は無極性面であるため、この無極性面上にＧａＮを形成できれば、前述の自発分極や圧電分極に起因する問題を回避することができる。無極性面上にＧａＮを形成する技術は、たとえば、特許文献２（特開２００５−３２０２３７号公報）、特許文献３（特開２０００−２１６４９７号公報）あるいは特許文献４（特開２００８−０５３６４０号公報）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２８４６００号公報
【特許文献２】特開２００５−３２０２３７号公報
【特許文献３】特開２０００−２１６４９７号公報
【特許文献４】特開２００８−０５３６４０号公報
【特許文献５】特開２００２−１４５７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、結晶性が良好な無極性面成長ＧａＮ結晶を得ることは難しい。
【０００７】
本発明は、結晶性が良好な無極性面成長のIII族窒化物半導体層を得ることができる基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、下地基板と、この下地基板上に形成された炭化アルミニウム層とを備える基板であって、炭化アルミニウム層のｍ軸は、前記下地基板の主面に対して傾斜している基板が提供される。
【０００９】
この発明によれば、炭化アルミニウム層のｍ軸は、下地基板の主面に対して傾斜している。このような炭化アルミニウム層上に、III族窒化物半導体層をｍ面成長させた場合には、結晶性が良好なIII族窒化物半導体層を得ることができる。
【００１０】
ここで、下地基板の主面とは、下地基板表面に対する法線ベクトルに対し垂直な平坦面である。換言すると、下地基板に対する法線ベクトルとは、基板の各層の積層方向に沿ったベクトルである。
また、本発明によれば、上述した基板と、前記基板の炭化アルミニウム層上に形成されたIII族窒化物半導体層とを備える積層体も提供できる。
また、下地基板上に、有機金属気相成長法により、炭化アルミニウム層を形成する工程を備え、前記炭化アルミニウム層を形成する前記工程では、炭化アルミニウム層のｍ軸が、前記下地基板の主面に対して傾斜するように、炭化アルミニウム層を形成する基板の製造方法も提供できる。
さらに、上述した基板の製造方法により基板を得る工程と、前記基板の前記炭化アルミニウム層上部に、ハイドライド気相成長法により、III族窒化物半導体層を形成する工程とを含む積層体の製造方法も提供できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、結晶性が良好な無極性面成長のIII族窒化物半導体層を得ることができる基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の基板を示す図である。
【図２】下地基板のｍ面の傾斜について説明するための図である。
【図３】下地基板のｍ面の傾斜について説明するための図である。
【図４】炭化アルミニウム層のｍ面の傾斜について説明するための図である。
【図５】炭化アルミニウム層のｍ面の傾斜について説明するための図である。
【図６】ＧａＮ基板の製造工程を示す図である。
【図７】ＧａＮ基板の製造工程を示す図である。
【図８】炭化アルミニウム層のｍ面が主面に対し平行である場合のＧａＮの成長工程を示す図である。
【図９】炭化アルミニウム層のｍ面が主面に対し、炭化アルミニウム層のａ軸方向に傾斜している場合の利点を示す図である。
【図１０】本発明の変形例にかかる図である。
【図１１】本発明の変形例にかかる図である。
【図１２】炭化アルミニウム層上にＧａＮ層が形成された状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１、２を参照して、本実施形態の基板１の概要について説明する。
図１（Ａ）は、基板１を微視的に見た図であり、図１（Ｂ）は、基板１を巨視的に見た図である。
基板１は、下地基板１１と、この下地基板１１上に形成された炭化アルミニウム層１２とを備える。炭化アルミニウム層１２の下地基板１１と反対側の面には、炭化アルミニウム層１２の｛１−１００｝面１２１が露出している。
炭化アルミニウム層のｍ軸は、下地基板１１の主面１１０に対して傾斜している。すなわち、炭化アルミニウム層の｛１−１００｝面１２１は、下地基板１１の主面１１０に対して傾斜している。
主面１１０は、基板１を巨視的にみた場合の下地基板１１表面および裏面に該当し、下地基板１１に対する法線ベクトルＡに対し垂直な平坦面である。下地基板１１に対する法線ベクトルＡとは、基板１の各層の積層方向に沿ったベクトルＡである。
基板１は、炭化アルミニウム層１２上にIII族窒化物半導体層を形成するためのIII族窒化物半導体層形成用基板である。
【００１４】
下地基板１１としては、六方晶系の結晶構造を有する基板、たとえば、サファイア基板、炭化珪素基板、窒化ガリウム基板、窒化アルミニウム基板が好ましい。
巨視的に見た場合、下地基板１１の一対の表面（巨視的表面）は平坦であり、互いに平行である。巨視的表面とは肉眼で直接見た場合に把握できる面である。
微視的に見た場合、下地基板１１の炭化アルミニウム層１２側の面（微視的表面）は、階段状に形成されている。ここで微視的表面とは、原子間力顕微鏡（AFM）等を使用して、検出される面のことを意味する。階段のテラス部分１１１は、下地基板１１のｍ面（｛１−１００｝面）となっている。テラス部分１１１は、主面１１０に対して、傾斜しており、傾斜角度θ１は、１°以上、２０°以下であることが好ましい。なかでも、傾斜角度θ１は、５°以上、１５°以下であることがより好ましい。傾斜角度θ１を１°以上、とくに５°以上とすることで、後述する炭化アルミニウム層１２のテラス部分１２１の傾斜角度θ２を１°以上、とすることができ、これにより、炭化アルミニウム層１２上に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。
また、傾斜角度θ１を２０°以下、とくに１５°以下とすることで、後述する炭化アルミニウム層１２のテラス部分１２１の傾斜角度θ２を２０°以下とすることができ、これにより、結晶配向の乱れが生じる危険を回避できるという効果がある。
【００１５】
テラス部分１１１は、図２、図３に示すように、以下の（i）〜（iii）のいずれかのように傾斜させることができる。なお、テラス部分１１１の傾斜を理解しやすくするために、テラス部分（ｍ面）が主面１１０に平行な場合を面Ｌとして記載している。
（i）テラス部分１１１であるｍ面が、主面１１０に対して下地基板１１のｃ軸に沿った方向（<０００１>方向）に傾斜する（図２（Ａ）参照）。
（ii）また、テラス部分１１１であるｍ面が主面１１０に対して下地基板１１のａ軸に沿った方向（<１１−２０>方向）に傾斜する（図２（Ｂ）参照）。
（iii）テラス部分１１１であるｍ面が、下地基板１１のｃ軸と、下地基板１１のａ軸との間であり、下地基板１１のａ軸を下地基板のｍ軸を回転軸としてｃ軸側に所定角度回転させた軸ｋに沿って傾斜する（図３参照）。
図３において、テラス部分１１１は、主面１１０に対し、軸ｋの方向に傾斜していることを示している。軸ｋはａ軸−ｃ軸平面上の軸である。
（iii）の場合には、テラス部分１１１であるｍ面が、主面１１０に対して下地基板１１のｃ軸と、下地基板１１のａ軸との間であり、下地基板１１のａ軸を下地基板のｍ軸を回転軸としてｃ軸側に３０°以上、６０°以下回転させた軸ｋに沿った方向（図３のθ３が３０°以上、６０°以下）に傾斜していることが好ましい。
このようにすることで、後述するIII族窒化物半導体層のｃ面同士の結合により発生する欠陥、ａ面同士の結合により発生する欠陥それぞれをある程度低減することができる。
【００１６】
ここで、各テラス部分１１１の大きさおよび形状、ステップ部分の大きさおよび形状は、略等しく、テラス部分およびステップ部分で構成される階段部分が規則的に連接された構造が好ましい。
【００１７】
テラス部分１１１の幅W１は、窒化物結晶成長に十分な広さを確保する観点から、３nm以上が好ましく、同一テラス上に多数の結晶核が混在するのを抑制する観点から６３nm以下であることが好ましい。また、ステップ部分の高さＨ１は、数原子層程度であり、結晶性の向上に有効な十分な段差を確保する観点から、1nm以上が好ましく、テラス幅が上限を越えないようにする観点から２０nm以下であることが好ましい。
このような下地基板１１は、たとえば、傾斜基板表面をエッチングする方法により得ることができる。
【００１８】
炭化アルミニウム層１２は、図１に示すように、下地基板１１上に形成されている。この炭化アルミニウム層１２は、下地基板１１と反対側の面が階段状に形成されている。この階段形状は、下地基板１１の炭化アルミニウム層１２側の面の階段形状に従って形成されるものである。
【００１９】
階段のテラス部分１２１が炭化アルミニウム層１２のｍ面（｛１−１００｝面）となっている。テラス部分１２１は、主面１１０に対して、傾斜しており、傾斜角度θ２は、１°以上、２０°以下であることが好ましい。なかでも、傾斜角度θ２は、５°以上、１５°以下であることがより好ましい。炭化アルミニウム層１２のテラス部分１２１の傾斜角度θ２を１°以上、特に５°以上とすることにより、炭化アルミニウム層１２上に形成されるIII族窒化物半導体層の結晶性を良好なものとすることができる。
また、傾斜角度θ２を２０°以下、とくに１５°以下とすることで、結晶配向の乱れが生じる危険を回避できるという効果がある。
【００２０】
テラス部分１２１は、図４，５に示すように、以下の（i）〜（iii）のいずれかのように傾斜させることができる。
（i）テラス部分１２１であるｍ面が、主面１１０に対して炭化アルミニウム層１２のａ軸に沿った方向（<１１−２０>方向）に傾斜する（図４（Ｂ）参照）。
（ii）また、テラス部分１２１であるｍ面が主面１１０に対して炭化アルミニウム層１２のｃ軸に沿った方向（<０００１>方向）に傾斜する（図４（Ａ）参照）。
（iii）テラス部分１２１であるｍ面が、炭化アルミニウム層１２のｃ軸と、炭化アルミニウム層１２のａ軸との間であり、炭化アルミニウム層１２のｃ軸を炭化アルミニウム層１２のｍ軸を回転軸としてａ軸側に所定角度回転させた軸ｋに沿って傾斜する（図５参照）。
図５では、テラス部分１２１であるｍ面は、主面１１０に対し、軸ｋの方向に傾斜していることを示している。軸ｋはａ軸−ｃ軸平面上の軸である。
（iii）の場合には、テラス部分１１１であるｍ面が、主面１１０に対して炭化アルミニウム層１２のｃ軸と、炭化アルミニウム層１２のａ軸との間であり、炭化アルミニウム層１２のｃ軸を炭化アルミニウム層１２のｍ軸を回転軸としてａ軸側に３０°以上、６０°以下回転させた軸ｋに沿った方向（図５のθ４が３０°以上、６０°以下となる）に傾斜していることが好ましい。
θ４を３０°以上、６０°以下とすることで、結晶性の良好なIII族窒化物半導体層を確実に得ることができる。
【００２１】
III族窒化物半導体層の結晶性は、テラス部分が主面に対して傾斜した方向で良好となる。従って、（i）〜（iii）のどれを選択するかは、ＧａＮ層の用途等に応じて適宜選択すればよい。
各テラス部分１２１の傾斜角度、大きさおよび形状、ステップ部分の大きさおよび形状は、略等しく、テラス部分およびステップ部分で構成される階段部分が規則的に連接された構造が好ましい。
テラス部分１２１の幅W３は、窒化物結晶成長に十分な広さを確保する観点から、３nm以上が好ましく、同一テラス上に多数の結晶核が混在するのを抑制する観点から６３nm以下であることが好ましい。また、ステップ部分の高さＨ２は、結晶性の向上に有効な十分な段差を確保する観点から、1nm以上、テラス幅が上限を越えないようにする観点から２０nm以下の範囲内であることが好ましい。
さらに、炭化アルミニウム層１２の厚みを４０ｎｍ以上とすることで、後述する炭化アルミニウム層１２の窒化工程で、炭化アルミニウム層１２のほとんどが窒化し、下地基板の剥離が難しくなることを防止できる。一方、炭化アルミニウム層１２の厚みを１２０ｎｍ以下とすることで、炭化アルミニウム層が下地基板１１の上面と強固な結合を維持することを防止でき、下地基板１１の剥離を容易に行うことができる。
【００２２】
このような炭化アルミニウム層１２は、下地基板１１をサーマルクリーニングした後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ：Tri-Methyl-Aluminum）などの有機アルミニウムガスを含む原料ガスを用いた有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により形成することができる。有機アルミニウムガスの中でも特にＴＭＡは、加熱された下地基板１１上で容易に分解して炭化アルミニウム層を形成するので好適である。
また、炭化アルミニウム層を気相成長法で作成することで結晶品質を高いものとすることができる。
炭化アルミニウム層１２の成膜温度は、ＴＭＡ分解反応の促進の観点から、３００℃以上であることが好ましく、アルミニウム単体の生成防止の観点から、１０００℃以下であればよいが、４００℃以上であることが好ましく、８００℃以下であることが好ましい。
８００℃以下とすることで、ｍ面を確実に配向させることができる。８００℃以下では、原料原子が基板面上を自由に動き回って相互に凝集することが難しく、下地基板のｍ面結晶配列に束縛されやすくなるため、ｍ面を確実に配向させることができると考えられる。
なお、基板の炭化アルミニウム層１２の酸化を防止するために、炭化アルミニウム層１２の表面を窒化し、窒化アルミニウム層（保護膜）を形成してもよい。この場合には、炭化アルミニウム層上に窒化アルミニウム層が設けられた基板となる。
また、炭化アルミニウム層１２の酸化を防止するために非常に薄いIII族窒化物半導体層（保護膜）、たとえば、ＧａＮ層を形成してもよい。これらの保護膜は、炭化アルミニウム層１２の酸化を確実に防止するために、１０ｎｍ以上であることが好ましく、また、工程時間短縮の観点から、２００ｎｍ以下であることが好ましい。
また、炭化アルミニウム層１２の酸化を防止するための保護膜としては、窒化アルミ（AlN）、ＡｌＮとＧａＮとの混晶（AlxGa1-xN（０<ｘ<１）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化ガリウム（Ga2O3）、リチウムアルミネート（LiAlO2）、炭化珪素（SiC）のいずれかの膜を使用してもよい。
これらは、いずれもIII族窒化物半導体に結晶構造が近く、化学的に安定な膜であるため、保護膜として好ましい。
【００２３】
（III族窒化物半導体層の製造方法）
次に、以上のような基板１を使用して、III族窒化物半導体層を有する積層体を形成し、その後、III族窒化物半導体の自立基板を得る方法について説明する。
（炭化アルミニウム層１２を窒化する工程）
まず、図６（Ａ）に示す基板１を窒化する。具体的には、図６（Ｂ）に示すように、基板１の炭化アルミニウム層１２を３００℃〜９００℃の雰囲気下で窒化し、窒化した炭化アルミニウム層１３を形成する。
炭化アルミニウム層１２の窒化条件は、例えば以下のようにする。
【００２４】
窒化ガス：アンモニア（ＮＨ３）ガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス
窒化温度：３００℃〜９００℃
窒化時間：５分〜６０分
なお、窒化温度は５００℃以上７００℃以下であることがより好ましく、特に好ましくは５５０℃以下である。５５０℃より高温にすると、（１）式に示すとおりＣＨ４が分解してＣが析出し、ＣがＡｌＮに混入することでIII族窒化物半導体層の結晶性が低下する場合がある。Ｃの析出を抑制するには、水素の導入やアンモニア分圧を高めるのが有効である。
ＣＨ４→Ｃ+２Ｈ２・・・・・・・・・・・・・・・・(１)式
また、窒化時間は、３０分以下であることがより好ましい。窒化時間を３０分程度とすることで、炭化アルミニウム層１２を適度に窒化することができる。
【００２５】
なお、炭化アルミニウム層１２を窒化する際の反応ガスとしては、アンモニアが好ましい。反応ガスとしてアンモニア以外に窒素を使用してもＡｌＮを形成できるが、（２）式で示すようにＡｌＮとＣが生成し、ＡｌＮにＣが混入した場合にはIII族窒化物半導体層の結晶品質に影響を与える可能性がある。
Ａｌ４Ｃ３+２Ｎ２→4ＡｌＮ+３Ｃ・・・・・・・・・・・（２）式
炭化アルミニウム層１２の窒化は、ＭＯＶＰＥ装置内で炭化アルミニウム層の形成工程から連続で行うことができる。
なお、図６（Ｂ）に示す符号１２Ａは、炭化アルミニウムを示し、符号１２Ｂは、窒化アルミニウムを示している。すなわち、サファイア基板（下地基板）１１と接する部分にはＡｌ４Ｃ３が残り、その上にはＡｌ４Ｃ３の結晶情報を引き継いだＡｌＮ層が形成されていることを示している。
【００２６】
（III族窒化物半導体層の形成工程）
この工程では、III族窒化物半導体層１７を形成する。具体的には、第一III族窒化物半導体層としてバッファ層１４を形成し、このバッファ層１４上に第二III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる。
まず、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、窒化した炭化アルミニウム層１３上にバッファ層１４（第一III族窒化物半導体層）を形成する（図１２参照）。
バッファ層１４の成膜条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
【００２７】
成膜方法：ＭＯＶＰＥ法
成膜温度：３００℃〜１０００℃
成膜ガス：トリメチルガリウム（ＴＭＧ）ガス、Ｈ２ガス、Ｎ２ガス、ＮＨ３ガス
膜厚：2０ｎｍ〜１４０ｎｍ
なお、バッファ層１４の形成は、ＭＯＶＰＥ装置内で炭化アルミニウム層を窒化する工程から連続で行うことができる。
バッファ層１４がＧａＮ層である場合、このエピタキシャル成長の過程を通じて、当該エピタキシャル成長されたIII族窒化物半導体から窒素原子が窒化した炭化アルミニウム層１３を介して窒化した炭化アルミニウム層１３に拡散する。よって、窒化した炭化アルミニウム層１３においては、次式（３）による窒化反応が進行すると考えられる。
【００２８】
Ａｌ４Ｃ３＋４Ｎ→４ＡｌＮ＋３Ｃ    ・・・（３）
【００２９】
この結果、バッファ層１４をエピタキシャル成長する間に、ＡｌＮがＧａＮと混晶を形成し、最終的に下地基板１１と窒化した炭化アルミニウム層との境界面付近に比較的高い濃度で炭素が分布した層１２Ｃが形成される（図７（Ｂ）参照）。炭素は、III族窒化物半導体や下地基板１１に対して不活性であるため、下地基板１１と窒化した炭化アルミニウム層との間の結合強度が低下し、比較的小さな応力で下地基板１１を剥離することができると考えられる。
【００３０】
ここで、バッファ層１４を、５００℃以上１０００℃以下の範囲内、特に６００℃以上１０００℃以下の範囲内の温度でエピタキシャル成長させることが好ましい。この範囲内の温度でバッファ層１４を成長させることで、次の工程でバッファ層１４上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の結晶性の向上が可能となる。特に６００℃以上の温度でバッファ層１４を成長させることで、III族窒化物半導体層のｍ面配向性を顕著に向上させることが可能である。
【００３１】
（第二III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる工程）
次に、バッファ層１４上に、第二III族窒化物半導体層をエピタキシャル成長させる。第二III族窒化物半導体層は、ハイドライド気相成長法で成長させることができる。本実施形態では、第二III族窒化物半導体層は、ＧａＮ半導体層である。これにより、バッファ層１４と、第二III族窒化物半導体層とを含んだIII族窒化物半導体層１７が形成されることとなる（図７（Ｂ）参照）。
ＧａＮ半導体層の成長条件は、たとえば、以下のようにすることができる。
【００３２】
成膜方法：ＨＶＰＥ（ｈｙｄｒｉｄｅ  ｖａｐｏｒ  ｐｈａｓｅ  ｅｐｉｔａｘｙ）法
成膜温度：１０００℃〜１０５０℃
成膜時間：３０分〜２７０分
【００３３】
ここで、バッファ層１４を形成する際、図７（Ａ）に示すように、III族窒化物半導体の結晶核が窒化した炭化アルミニウム層のテラス部分上に点在することとなる。そして、点在する結晶核が成長し、隣り合う結晶同士が合体することとなる。このとき、炭化アルミニウム層のｍ軸は主面に対し傾斜しているため、図７、図１２に示すように、ｍ軸が傾斜したIII族窒化物半導体の結晶が形成され、さらに、成長した結晶同士が結合する際に、歪みが発生することを抑制できる。
【００３４】
より詳細に説明すると、炭化アルミニウム層の表面であるｍ面が傾斜していない場合（炭化アルミニウム層のｍ軸が基板１１の主面に対して垂直である場合）、図８（Ａ）に示すように、III族窒化物半導体の結晶核が点在することとなる。なお、図８において、符号９１０は下地基板を示し、符号９３０は窒化された炭化アルミニウム層を示す。また、符号９１２Ａは、炭化アルミニウム層、符号９１２Ｂは窒化アルミニウム層を示す。
そして、たとえば、III族窒化物半導体層の成長速度の異なる＋ｃ面と、−ｃ面とが対向融合することで歪みが発生し、欠陥が発生しやすくなる（図８（Ｂ）参照）。
【００３５】
これに対し、炭化アルミニウム層のｍ面が主面に対し炭化アルミニウム層のｃ軸方向に傾斜している場合には、成長したIII族窒化物半導体層のｍ面も主面に対し傾斜し（図１２参照）、結晶同士が結合する際に、＋ｃ面と−ｃ面とが対向して結合することを低減でき、歪みが発生することを抑制できる。
【００３６】
また、炭化アルミニウム層のｍ面が主面に対し炭化アルミニウム層のａ軸方向に傾斜している場合には、III族窒化物半導体層の結晶同士が成長し、結合する際に、ａ面同士が対向して結合することを低減でき、歪みが発生することを抑制できる。さらに、炭化アルミニウム層のｍ面が主面に対し炭化アルミニウム層のａ軸方向に傾斜している場合には、炭化アルミニウム層上部にIII族窒化物半導体層１７を形成すると、図９に示すように、ｍ面のファセット面が形成されることとなる。そのため、III族窒化物半導体層１７と、窒化した炭化アルミニウム層との界面で発生した転移がファセット面で屈曲され、転位が低減されることとなる。なお、図９では、基板１１の形状は簡略化して示している。
【００３７】
なお、テラス部分１２１が炭化アルミニウム層１２のｃ軸と、炭化アルミニウム層１２のａ軸との間の方向に向かって傾斜する場合には、特に、θ４が３０°以上、６０°以下の場合には、ｃ面同士の結合により発生する欠陥、ａ面同士の結合により発生する欠陥それぞれをある程度低減することができる。
【００３８】
（サファイア基板の剥離工程）
次に、サファイア基板１１を剥離して除去する。
具体的には、ＧａＮ半導体層１７を形成したＨＶＰＥ装置の温度を降温し、前記ＧａＮ半導体層１７を常温まで、冷却する。
この冷却中に、前記ＧａＮ半導体層１７とサファイア基板１１の熱膨張係数の違いからこれらの積層体に歪みが生じ、前記ＧａＮ半導体層１７とサファイア基板１１とが分離されることとなる。
その後、剥離したＧａＮ半導体層１７の表面および裏面を研磨することで、平坦化した自立基板であるＧａＮ基板を作製することができる。
【００３９】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
たとえば、前記実施形態では、III族窒化物半導体層１７をＧａＮ層としたが、これに限らず、ＩｎＮ、ＡｌＮであってもよい。また、ＧａＮ、ＩｎＮ，ＡｌＮのなかから選択される２以上の混晶であってもよい。
また、前記実施形態では、炭化アルミニウム層１２のテラス部分がｍ面であるとしたが、一部のテラス部分にｍ面以外の面、たとえば、（１０−１２）面が露出してもよい。ただし、III族窒化物半導体層１７をｍ面成長させる観点からは、炭化アルミニウム層１２のテラス部分にｍ面以外の面は露出しないことが好ましい。
前記実施形態では、下地基板の炭化アルミニウム層側や、炭化アルミニウム層の下地基板と反対側の面は、テラス部分の傾斜角度や、ステップ部分の高さが等しい規則的な階段状であるとしたが、図１０に示すように、テラス部分の傾斜角度や、ステップ部分の高さが異なる階段で構成されていてもよい。
【００４０】
さらに、前記実施形態では、下地基板の炭化アルミニウム層側や、炭化アルミニウム層の下地基板と反対側の面は、階段状に形成されているとしたが、階段状に形成されていなくてもよい。炭化アルミニウム層のｍ軸が、下地基板の主面に対して傾斜していればよい。
炭化アルミニウム層のｍ軸が下地基板の主面に対して傾斜していれば、III族窒化物半導体層を形成する際、III族窒化物半導体層のｍ軸が前記主面に対して傾斜し、結晶性の高いIII族窒化物半導体層を形成することができる。
たとえば、図１１（Ａ）や、図１１（Ｂ）に示すように、炭化アルミニウム層１３のｍ軸が、下地基板１１の主面に対して傾斜している場合、隣接するIII族窒化物半導体層１４のｃ面同士が衝突する領域を比較的少なくすることができ、歪みが発生することを抑制できる。
なお、炭化アルミニウム層のｍ面は、表面に必ずしも露出している必要はなく、表面に露出していなくてもよい。炭化アルミニウム層のｍ軸が、下地基板１１の主面に対して傾斜していればよい。
【００４１】
さらに、前記実施形態では、サファイア基板１１を剥離して除去したが、サファイア基板１１を除去しなくてもよい。この場合においても、III族窒化物半導体層の結晶性を高めるために、炭化アルミニウム層１２は窒化することが好ましい。
【実施例】
【００４２】
次に、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
前記実施形態で説明したのと同様のプロセスを行い、膜厚約２５０μｍのＧａＮ結晶を得た。各工程で採用した条件は以下のとおりである。はじめに、サファイア基板をＭＯＶＰＥ装置の反応炉内に配置し、炉内温度を約１０５０℃に設定してサファイア基板のサーマルクリーニングを約１０分間行った。
なお、サファイア基板は、前記実施形態と同様の基板であり、巨視的には、表裏面が平坦面で平行であるが、微視的には、後段で炭化アルミニウム層が形成される側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっている。このｍ面は、主面に対してサファイア基板のｃ軸に沿った方向に傾斜しており、傾斜角度θ１は、１°である。
次に、以下の各工程を実施した。
（炭化アルミニウム層の形成工程）
成膜方法：ＭＯＶＰＥ法
成膜温度：６００℃
成膜時間：５分
成膜ガス：ＴＭＡ１０μｍｏｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガス１０Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガス５Ｌ／ｍｉｎ
膜厚    ：７０ｎｍ
形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。このｍ面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のａ軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ２は、１°であった。
【００４３】
（炭化アルミニウム層を窒化する工程）
窒化温度：５００℃
窒化時間：３０分
窒化ガス：ＮＨ３ガス５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガス５Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガス５Ｌ／ｍｉｎ
【００４４】
（バッファ層の形成工程）
成膜方法：ＭＯＶＰＥ法
成膜温度：６００℃
成膜ガス：ＴＭＧ  １０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス５Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ２ガス７Ｌ／ｍｉｎ、Ｎ２ガス３Ｌ／ｍｉｎ
膜厚 ：  ７０ｎｍ
【００４５】
（ＧａＮ半導体層をエピタキシャル成長させる工程）
成膜方法：ＨＶＰＥ法
成膜温度：１０４０℃
成膜ガス：ＨＣｌガス  ８０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス１．５Ｌ／ｍｉｎ
ソース  ：Ｇａソース（８５０℃）
膜厚    ：１００μｍ
【００４６】
（サファイア基板の剥離工程）
ＧａＮ半導体層を形成したＨＶＰＥ装置中の温度を降温し、常温まで、冷却した。
【００４７】
（実施例２）
実施例１と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ１が１０°であるものを使用した。その他は、実施例１と同様の方法で、ＧａＮ半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。このｍ面は、主面に対し、炭化アルミニウム層のａ軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ２は、１０°であった。
【００４８】
（実施例３）
実施例１と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ１が２０°であるものを使用した。その他は、実施例１と同様の方法で、ＧａＮ半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。このｍ面は、主面に対し、炭化アルミニウム層のａ軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ２は、２０°であった。
【００４９】
（実施例４）
実施例１と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ１が３０°であるものを使用した。その他は、実施例１と同様の方法で、ＧａＮ半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。このｍ面は、主面に対し、炭化アルミニウム層のａ軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ２は、３０°であった。
【００５０】
（比較例１）
サファイア基板として、θ１が０°であるもの、すなわち、サファイア基板のｍ面が主面と平行であるものを使用した。
他の点は、実施例１と同じである。このようなサファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層のｍ面は、主面と平行であった。
【００５１】
実施例１〜４と、比較例１において、得られたＧａＮ半導体層のＸ線解析によるＸ線ロッキングカーブ（ＸＲＤ）の半値幅を表１に示す。表１の「ＧａＮ−ａ軸入射」は、ＧａＮ半導体層のａ軸方向からｘ線を入射させたことを意味し、「ＧａＮ−ｃ軸入射」はＧａＮ半導体層のｃ軸方向からｘ線を入射させたことを意味する。
【００５２】
【表１】
2011026168.tif 000003
【００５３】
実施例１〜３では、比較例１に比べてＧａＮのａ軸方向の結晶性が改善されていることがわかる。また、実施例４では、比較例１に比べＧａＮのｃ軸方向の結晶性がよいことがわかる。これに対し、比較例１では、実施例１〜３に比べてＧａＮのａ軸方向の結晶性が悪いことがわかる。
【００５４】
（実施例５）
サファイア基板として、前記実施形態と同様の基板、すなわち、炭化アルミニウム層を積層する側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっているものを使用した。このｍ面は、主面に対し、サファイア基板のａ軸に沿った方向に傾斜しており、傾斜角度θ１は、１°である。
。他の製造条件は実施例１と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。このｍ面は、主面に対し炭化アルミニウム層のｃ軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ２は、１°であった。
【００５５】
（実施例６）
実施例５と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ１が１０°であるものを使用した。また、実施例５と同様の方法で、ＧａＮ半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。このｍ面は、炭化アルミニウム層のｃ軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ２は、１０°であった。
【００５６】
（実施例７）
実施例５と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板の傾斜角θ１が２０°であるものを使用した。その他は、実施例５と同様の方法で、ＧａＮ半導体層を得た。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。このｍ面は、炭化アルミニウム層のｃ軸に沿った方向に傾斜しており、主面に対する傾斜角度θ２は、２０°であった。
【００５７】
表２に実施例５〜７において、剥離されたＧａＮ半導体層のＸ線回折結果を示す。
【００５８】
【表２】
2011026168.tif 000004
【００５９】
（実施例８）
サファイア基板として、炭化アルミニウム層を積層する側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっているものを使用した。このｍ面は、図３に示すように、サファイア基板のａ軸と、ｃ軸との間の方向（図３に示す軸ｋの側に傾斜）に傾斜しており、傾斜角度θ１は、１°である。また、軸ｋと、ａ軸とがなす角度θ３は、３０°であった。
他の製造条件は実施例１と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。この炭化アルミニウム層のｍ面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のａ軸と、ｃ軸との間の方向（図５に示す軸ｋの方向）に傾斜しており、傾斜角度θ２は、１°である。また、軸ｋと、炭化アルミニウム層のｃ軸とがなす角度θ４は、３０°であった。
【００６０】
（実施例９）
実施例８と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板のθ３を４５°とした。
他の点は、実施例８と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。この炭化アルミニウム層のｍ面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のａ軸と、ｃ軸との間の方向（図５に示す軸ｋの方向）に傾斜しており、傾斜角度θ２は、１°である。また軸ｋと、ｃ軸とがなす角度θ４は、４５°であった。
【００６１】
（実施例１０）
実施例８と同様のサファイア基板であるが、サファイア基板のθ３を６０°とした。
他の点は、実施例８と同じである。なお、サファイア基板上に形成された炭化アルミニウム層は、サファイア基板と反対側の面が階段状に形成されており、階段のテラス部分がｍ面となっていた。この炭化アルミニウム層のｍ面は、主面に対して、炭化アルミニウム層のａ軸と、ｃ軸との間の方向（図５に示す軸ｋの方向）に傾斜しており、傾斜角度θ２は、１°である。また軸ｋと、ｃ軸とがなす角度θ４は、６０°であった。
【００６２】
表３に実施例９〜１０において、剥離されたＧａＮ半導体層のＸ線回折結果を示す。
【００６３】
【表３】
2011026168.tif 000005
【００６４】
なお、いずれの実施例においても、ＧａＮ半導体層はｍ面配向しており、ｍ面成長したものであることが確認できた。また、いずれの実施例においても、ＧａＮ半導体層がサファイア基板から容易に剥離することができ、割れも生じなかった。
【符号の説明】
【００６５】
１    基板
１１    サファイア基板（下地基板）
１２    炭化アルミニウム層
１２Ａ    炭化アルミニウム
１２Ｂ    窒化アルミニウム
１３    窒化した炭化アルミニウム層
１４    バッファ層
１７    III族窒化物半導体層
１１０    主面
１１１    テラス部分
１２１    テラス部分
９１０    下地基板
９１２Ａ    炭化アルミニウム層
９１２Ｂ    窒化アルミニウム層
９３０    窒化された炭化アルミニウム層
Ａ    法線ベクトル
【図１】
2011026168.tif 000006
【図２】
2011026168.tif 000007
【図３】
2011026168.tif 000008
【図４】
2011026168.tif 000009
【図５】
2011026168.tif 000010
【図６】
2011026168.tif 000011
【図７】
2011026168.tif 000012
【図８】
2011026168.tif 000013
【図９】
2011026168.tif 000014
【図１０】
2011026168.tif 000015
【図１１】
2011026168.tif 000016
【図１２】
2011026168.tif 000017