(57)【要約】【課題】反り返りがなく、面内のオフ角のばらつきが小さな窒化物系化合物半導体層を再現性よく成長させることができる窒化物系化合物半導体基板の製造方法、及び半導体デバイスの作製に好適な窒化物系化合物半導体自立基板を提供する。【解決手段】成長用基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、成長用基板として、（０１１）面を≒［０１０］方向に０〜２°（０°を除く）のオフ角で傾斜させた主面を有する希土類ペロブスカイト基板を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長用基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、
前記成長用基板として、（０１１）面を≒［０１０］方向に０〜２°（０°を除く）のオフ角で傾斜させた主面を有する希土類ペロブスカイト基板を用いることを特徴とする窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項２】
前記成長用基板として、（０１１）面を≒［０１０］方向に１°傾斜させた主面を有する希土類ペロブスカイト基板を用いることを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法。
【請求項３】
ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）を利用して、ＩＩＩ族金属とＨＣｌから生成された塩化物ガスとＮＨ３を反応させて成長用基板上に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を特徴とする請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載の製造方法によって製造された窒化物系化合物半導体基板から前記窒化物化合物半導体層を分離して得られる窒化物系化合物半導体自立基板であって、
面内における［１１−２０］方向及び［１−１００］方向に対するオフ角のばらつきが、それぞれ１°以下であることを特徴とする窒化物系化合物半導体自立基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化物系化合物半導体基板の製造方法及び窒化物系化合物半導体自立基板に関し、特に、成長用基板の主面のオフ方向及びオフ角に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上にＧａＮ等の窒化物系化合物半導体（以下、ＧａＮ系半導体）をエピタキシャル成長させてなる半導体デバイス（例えば、電子デバイスや光デバイス）が知られている。この半導体デバイスには、主にサファイアやＳｉＣなどからなる基板が用いられるが、これらの基板材料はＧａＮ系半導体との格子不整合が大きいため、この上にＧａＮ系半導体をエピタキシャル成長させると、歪みによる結晶欠陥が発生してしまう。そして、エピタキシャル層に生じた結晶欠陥は、半導体デバイスの特性を低下させる要因となる。そこで、このような格子不整合に起因する問題を解決するために様々な成長方法が試みられている。
【０００３】
例えば特許文献１では、擬似的な格子定数がＧａＮ系半導体に近いＮｄＧａＯ３基板（以下、ＮＧＯ基板）を用いることが提案されている。具体的には、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）によりＮＧＯ基板上にＧａＮ厚膜を成長させ、ＧａＮ自立基板（ＧａＮのみで構成された基板）を作製する技術が開示されている。ＮＧＯ基板の（０１１）面では、ＮＧＯのａ軸の長さとＧａＮの［１１−２０］方向の格子定数がほぼ一致するので、上述した格子不整合に起因する問題を解決できる。そして、ＧａＮ自立基板を半導体デバイス用基板とすることで、デバイス特性の向上を図ることができる。
【０００４】
また、ＧａＮ厚膜層の成長は一般的には１０００℃付近の成長温度で行われるが、ＮＧＯ基板が１０００℃付近の高温下で原料ガスに曝されると変質してしまい、ＧａＮ厚膜層の結晶品質が低下してしまう。そのため、ＧａＮ厚膜層を成長させる前に６００℃付近でＮＧＯ基板上に低温保護層と呼ばれるＧａＮ薄膜層を成長させ、ＮＧＯ基板を保護する技術が提案されている（例えば特許文献１，２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２５７８５４号公報
【特許文献２】特開２０００−４０４５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、１０００℃でＧａＮ厚膜層を成長させた後、室温まで温度を下げていくと、ＧａＮとＮＧＯの熱膨張係数の差によってＧａＮ厚膜層に応力が加わり、ＧａＮ厚膜層が反った状態となり、面内のオフ角のばらつきが大きくなる。また、反った状態のＧａＮ厚膜層をＮＧＯ基板と分離して、このＧａＮ厚膜結晶から切り出したＧａＮ自立基板においても、面内のオフ角のばらつきが大きくなってしまう。そして、ＧａＮ自立基板の面内のオフ角のばらつきが大きくなると、その基板を用いた半導体デバイスにおいて、所望の特性（例えば、発光素子の発光波長）が得られなくなる虞がある。
【０００７】
本発明は、反り返りがなく、面内のオフ角のばらつきが小さな窒化物系化合物半導体層を再現性よく成長させることができる窒化物系化合物半導体基板の製造方法、及び半導体デバイスの作製に好適な窒化物系化合物半導体自立基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
成長用基板上に窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、
前記成長用基板として、（０１１）面を≒［０１０］方向に０〜２°（０°を除く）のオフ角で傾斜させた主面を有する希土類ペロブスカイト基板を用いることを特徴とする。
【０００９】
ここで、「≒［０１０］方向」とは、［０１１］方向を軸として、［１００］方向から反時計回りに９０°回転させた方向（ＣＣＷ９０°）であり、厳密には［０１０］方向から少しだけずれていることを示している。ＮＧＯの（０１１）面における［１００］方向、≒［０１０］方向は、ＧａＮの（０００１）面における［１−１００］方向、［１１−２０］方向にそれぞれ対応する。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、前記成長用基板として、（０１１）面を≒［０１０］方向に１°傾斜させた主面を有する希土類ペロブスカイト基板を用いることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の窒化物系化合物半導体基板の製造方法において、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）を利用して、ＩＩＩ族金属とＨＣｌから生成された塩化物ガスとＮＨ３を反応させて成長用基板上に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を特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の製造方法によって製造された窒化物系化合物半導体基板から前記窒化物化合物半導体層を分離して得られる窒化物系化合物半導体自立基板であって、
面内における［１１−２０］方向及び［１−１００］方向に対するオフ角のばらつきが、それぞれ１°以下であることを特徴とする。
【００１３】
従来は、ＨＶＰＥ法を利用してＧａＮ自立基板を製造する場合、（０１１）面を［１００］方向に−２°傾斜させた主面を有するＮＧＯ基板上に低温保護層及びＧａＮ厚膜層を成長させていた。この場合、ＧａＮ厚膜層の反り返りが大きく、ＧａＮ厚膜層において［１１−２０］方向及び［１−１００］方向に対するオフ角のばらつきがそれぞれ１．１１°と１．２２°であり、１°を超えていた。そして、このようなＧａＮ厚膜層からなるＧａＮ自立基板においてもまた、オフ角のばらつきは１°を超えていた。
そこで本発明者等は、ＧａＮをエピタキシャル成長させるＮＧＯ基板の主面（成長面）に着目し、ＧａＮ系半導体基板の製造に最適なオフ方向及びオフ角の範囲を実験的に見出し、本発明に想到した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、反り返りがなく、面内の［１１−２０］方向及び［１−１００］方向に対するオフ角のばらつきが小さな窒化物系化合物半導体層を再現性よく成長させることができ、半導体デバイスの作製に好適な窒化物系化合物半導体自立基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例及び比較例１で作製されたＧａＮ自立基板について、面内の５点で［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角を測定したときのオフ角のばらつきについて示す図である。
【図２】比較例２で作製されたＧａＮ自立基板について、面内の５点で［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角を測定したときのオフ角のばらつきについて示す図である。
【図３】オフ基板の主面の定義について示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
本実施形態では、ＨＶＰＥ法を利用して、希土類ペロブスカイトからなるＮＧＯ基板上に、ＧａＮ系半導体であるＧａＮをエピタキシャル成長させ、ＧａＮ基板を製造する方法について説明する。ＨＶＰＥ法では、ＩＩＩ族金属であるＧａとＨＣｌから生成された塩化物ガス（ＧａＣｌ）とＮＨ３を反応させて、基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させる。
【００１７】
このとき、成長用基板として、（０１１）面を≒［０１０］方向に０〜２°（０°を除く）のオフ角で傾斜させた主面を有するＮＧＯ基板を用いる。ここで、（０１１）面を≒［０１０］方向にオフ角Ｘで傾斜させた主面とは、図３に示すように定義される。すなわち、法線ベクトルが［０１１］方向から≒［０１０］方向に向かってオフ角Ｘだけ傾いている主面である。
【００１８】
このＮＧＯ基板をＨＶＰＥ装置内に配置し、基板温度が第１成長温度（４００〜８００℃）となるまで昇温する。そして、ＧａメタルとＨＣｌから生成されたＩＩＩ族原料となるＧａＣｌと、Ｖ族原料となるＮＨ３を、ＮＧＯ基板上に供給し、ＧａＮからなる低温保護層を形成する。
次に、基板温度が第２成長温度（９５０〜１０５０℃）となるまで昇温する。そして、低温保護層上に原料ガスを供給し、ＧａＮ厚膜層を形成する。
【００１９】
以上のようにして、ＮＧＯ基板上に低温保護層及びＧａＮ厚膜層が形成されたＧａＮ基板が得られる。ＧａＮ基板におけるＧａＮ厚膜層は、反り返りがなく、面内の［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角のばらつきが１°以下となる。また、室温まで冷却した後、適当な方法によりＮＧＯ基板を除去し、研磨下降して得られたＧａＮ自立基板においても、面内の［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角のばらつきが１°以下となる。したがって、このＧａＮ自立基板を半導体デバイス製造用の基板として用いることで、所望の特性を有する半導体デバイスを実現できる。
【００２０】
［実施例］
実施例では、（０１１）面を≒［０１０］方向に０〜２°のオフ角で傾斜させた主面を有するＮＧＯ基板を用いた。
このＮＧＯ基板上に、ＨＣｌの供給分圧が２．１９×１０−３ａｔｍ、ＮＨ３の供給分圧が６．５８×１０−２ａｔｍとなるように原料ガスを供給し、ＧａＮからなる低温保護層を５０ｎｍ成長させた。
次に、この低温保護層の上に、ＨＣｌの供給分圧が１．０６×１０−２ａｔｍ、ＮＨ３の供給分圧が５．００×１０−２ａｔｍとなるように原料ガスを供給し、２５００μｍのＧａＮ厚膜層を成長させた。このとき、成長温度は１０００℃とし、成長時間は８時間とした。
【００２１】
［比較例１］
比較例１では、（０１１）面を≒［０１０］方向に４°のオフ角で傾斜させた主面を有するＮＧＯ基板を用いて、実施例と同様にＧａＮからなる低温保護層及びＧａＮ厚膜層を成長させた。
【００２２】
図１は、実施例及び比較例１で作製されたＧａＮ基板のＧａＮ厚膜層について、［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角を測定したときのオフ角のばらつきについて示す図である。なお、ＧａＮ厚膜層の面内の中心１点及び中心点を通る直交軸上の周縁部に位置する４点の計５点を測定点としている。また、５箇所の測定点におけるオフ角に基づいて、（最大値−最小値）／２によりオフ角のばらつきを算出している。
【００２３】
実施例で得られたＧａＮ厚膜層では［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角のばらつきが１°以下であったのに対して、比較例で得られたＧａＮ厚膜層では［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角のばらつきが１．５°以上であった。特に、（０１１）面を≒［０１０］方向に１°のオフ角で傾斜させた主面を有するＮＧＯ基板を用いた場合には、［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角のばらつきは０．２°となり、極めて良好であった。
また、得られたＧａＮ厚膜層について、目視により反り返りを観察したところ、実施例で得られたＧａＮ厚膜層の方が、比較例で得られたＧａＮ厚膜層よりも明らかに反り返りが小さかった。
【００２４】
［比較例２］
比較例２では、（０１１）面を［１００］方向に−２°、１°、２°、４°のオフ角で傾斜させた主面を有するＮＧＯ基板を用いて、実施例と同様にＧａＮからなる低温保護層及びＧａＮ厚膜層を成長させた。
図２は、比較例２で作製されたＧａＮ基板のＧａＮ厚膜層について、面内の５点で［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角を測定したときのオフ角のばらつきについて示す図である。
図２に示すように、比較例２で得られたＧａＮ厚膜では、［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角のばらつきがいずれも１°以上であった。また、得られたＧａＮ厚膜層について、目視により反り返りを観察したところ、実施例で得られたＧａＮ厚膜層に比較して反り返りが明らかに大きかった。
【００２５】
上述したように、本実施形態では、ＮＧＯ基板のオフ方向とオフ角を最適化しているので、反り返りがなく、面内の［１−１００］方向及び［１１−２０］方向に対するオフ角のばらつきが１°以下のＧａＮ厚膜層を再現性よく成長させることができる。
また、実施形態で得られたＧａＮ基板からＧａＮ厚膜層を分離し、研磨加工してＧａＮ自立基板を作製することで、半導体デバイスの作製に好適なＧａＮ自立基板を得ることができる。
【００２６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
上記実施形態では成長用基板上に窒化物系化合物半導体であるＧａＮを成長させる場合について説明したが、成長用基板上に窒化物系化合物半導体層を成長させる場合にも本発明を適用することができる。ここで、窒化物系化合物半導体とは、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ＋ｙ≦１，０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で表される化合物半導体であり、例えば、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＡｌＮ等がある。
また、実施形態ではＨＶＰＥ法を利用した場合について説明したが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）を利用して窒化物系化合物半導体層をエピタキシャル成長させる場合に本発明を適用することができる。
【００２７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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