(57)【要約】【課題】本発明は、III族窒化物半導体基板上に形成されたデバイスの内部量子効率を向上させるとともに、III族窒化物半導体基板の面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布に起因する不都合を軽減することを課題とする。【解決手段】本発明は、主面が｛−１−１２−４｝面及び｛−１−１２−４｝面を１０°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方であるIII族窒化物半導体層を含み、主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々に対応する「｛１１−２２｝軸の傾きに基づき算出される曲率１／Ｒ１（ｍ−１）」はいずれも０．４ｍ−１以下を満たすIII族窒化物半導体基板を提供する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面が｛−１−１２−４｝面及び｛−１−１２−４｝面を１０°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方であるIII族窒化物半導体層を含み、
以下の算出方法を用い、前記主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々に対応して算出される曲率１／Ｒ１（ｍ−１）はいずれも０．４ｍ−１以下を満たすIII族窒化物半導体基板。
（算出方法）
前記主面の外周上の２点の組み合わせを複数定め、当該組み合わせ毎に、以下の（１）乃至（３）に基づき曲率１／Ｒ１（ｍ−１）を算出する。
（１） 前記主面上において、前記外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの前記観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２） 前記観測点のペア毎に、一方の前記観測点における第１の｛１１−２２｝軸と、他方の前記観測点における第２の｛１１−２２｝軸とが、前記第１の｛１１−２２｝軸及び２つの前記観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、前記第２の｛１１−２２｝軸が前記第１の平面上に存在する場合は、前記角θ（°）として、前記第１の｛１１−２２｝軸と前記第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定し、前記第２の｛１１−２２｝軸が前記第１の平面上に存在しない場合は、前記角θ（°）として、前記第１の｛１１−２２｝軸と、前記第２の｛１１−２２｝軸を前記第１の平面に投影した仮想第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定する。
（３） 前記観測点のペア毎に測定した測定値θ（°）及び以下の式を用いて、前記観測点のペア毎に１／Ｒ（ｍ−１）を算出し、前記観測点のペア毎に算出した複数の１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値を平均した値を１／Ｒ１（ｍ−１）として算出する。
【数１】
2019077602.tif 000015
【請求項２】
請求項１に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の外周上の２点として、２点を結ぶ直線がｃ軸を前記主面に投影したｃ投影軸と平行になる２点を定めた場合、算出される曲率１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値はいずれも０．２ｍ−１以下を満たすIII族窒化物半導体基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
直径は１インチ以上であるIII族窒化物半導体基板。
【請求項４】
サファイア基板を準備する基板準備工程と、
前記基板準備工程の後、前記サファイア基板に対して熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程の後、前記サファイア基板上に金属含有ガスを供給する先流し工程と、
前記先流し工程の後、前記サファイア基板上に、成長温度：８００℃以上９５０℃以下、圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下の成長条件で、バッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層形成工程の後、前記バッファ層の上に、成長温度：８００℃以上１０２５℃以下、圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下、成長速度：１０μｍ／ｈ以上の成長条件で、III族窒化物半導体層を形成する成長工程と、
前記サファイア基板と、前記バッファ層と、前記III族窒化物半導体層とが積層したテンプレート基板をサセプターに固着させる固着工程と、
前記サセプターに前記テンプレート基板を固着させた状態で、前記III族窒化物半導体層の上にＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法でIII族窒化物半導体を成長させ、第１の成長層を形成する第１の成長工程と、
前記第１の成長工程の後、前記サセプター、前記テンプレート基板及び前記第１の成長層を含む積層体を冷却する冷却工程と、
前記冷却工程の後、前記サセプターに前記テンプレート基板を固着させた状態で、前記第１の成長層の上に、ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させ、第２の成長層を形成する第２の成長工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第２の成長工程の後、前記サセプター、前記テンプレート基板、前記第１の成長層及び前記第２の成長層を含む積層体から自立基板を取り出す取出し工程をさらに有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記先流し工程では、前記金属含有ガスとしてトリメチルアルミニウムを供給し、
前記バッファ層形成工程では、ＡｌＮからなる前記バッファ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物半導体基板及びIII族窒化物半導体基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連する技術が特許文献１と特許文献２に開示されている。特許文献１と特許文献２に開示されているように、III族窒化物半導体結晶のｃ面上にデバイス（例：光デバイス、電子デバイス等）を形成した場合、ピエゾ電界に起因して内部量子効率が低下する。そこで、いわゆる半極性面（極性面及び無極性面と異なる面）上にデバイスを形成する試みがなされている。
【０００３】
また、関連する技術が特許文献３と特許文献４に開示されている。特許文献３と特許文献４に開示されているように、バルク状III族窒化物半導体結晶から半極性面を主面として有する結晶片を切り出して、その結晶片を接合して作製した、半極性面を主面としたIII族窒化物半導体結晶を製造する試みがなされている。
【０００４】
また、関連する技術が特許文献５に開示されている。特許文献５に開示されているように、ｃ面からｍ軸方向に傾斜した半極性面である（２０−２１）面及び（２０−２−１）面を主面としたＧａＮ系半導体光素子を製造する試みがなされている。
【０００５】
また、関連する技術が特許文献６に開示されている。低価格な異種基板（例：サファイア基板）上に、III族窒化物半導体（ＡｌｘＧａ１−ｘ−ｙＩｎｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１））を成長（ヘテロ成長）させる場合、基板上にIII族窒化物半導体を成長後、室温に戻すと、基板とIII族窒化物半導体との熱膨張係数の差に起因して、基板及びIII族窒化物半導体が大きく湾曲してしまう。特許文献６には、当該課題を解決する手段として、III族元素の窒化物結晶を成長用基板上でエピタキシャル成長させ、得られた窒化物結晶基板を上記窒化物結晶の成長温度近傍まで加熱するとともに反りを矯正するため平行平面の間に挟み、そのまま室温まで冷却する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１６０７５５号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２７１７号公報
【特許文献３】特開２０１０−１３２９８号公報
【特許文献４】特開２０１３−８２６２８号公報
【特許文献５】特開２０１２−１５５５５号公報
【特許文献６】特開２００３−１２８４９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
湾曲したIII族窒化物半導体基板の場合、結晶歪みが生じ、面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布が発生し得る。例えば、基板の中心付近と縁付近とでは、結晶軸の傾きが異なり得る。このような結晶軸の傾きの分布が存在する場合、不純物をドープした場合に面内位置に応じた不純物量の分布が生じるなどの不都合が生じ得る。
【０００８】
特許文献６に記載の技術は、基板自体の物理的な湾曲（反り）に着目し、上記結晶歪みを解決するという視点での解決手段は提供していない。
【０００９】
本発明は、III族窒化物半導体基板上に形成されたデバイスの内部量子効率を向上させるとともに、III族窒化物半導体基板の面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布に起因する不都合を軽減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、
主面が｛−１−１２−４｝面及び｛−１−１２−４｝面を１０°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方であるIII族窒化物半導体層を含み、
以下の算出方法を用い、前記主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々に対応して算出される曲率１／Ｒ１（ｍ−１）はいずれも０．４ｍ−１以下を満たすIII族窒化物半導体基板が提供される。
【００１１】
（算出方法）
前記主面の外周上の２点の組み合わせを複数定め、当該組み合わせ毎に、以下の（１）乃至（３）に基づき曲率１／Ｒ１（ｍ−１）を算出する。
（１） 前記主面上において、前記外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの前記観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２） 前記観測点のペア毎に、一方の前記観測点における第１の｛１１−２２｝軸と、他方の前記観測点における第２の｛１１−２２｝軸とが、前記第１の｛１１−２２｝軸及び２つの前記観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、前記第２の｛１１−２２｝軸が前記第１の平面上に存在する場合は、前記角θ（°）として、前記第１の｛１１−２２｝軸と前記第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定し、前記第２の｛１１−２２｝軸が前記第１の平面上に存在しない場合は、前記角θ（°）として、前記第１の｛１１−２２｝軸と、前記第２の｛１１−２２｝軸を前記第１の平面に投影した仮想第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定する。
（３） 前記観測点のペア毎に測定した測定値θ（°）及び以下の式を用いて、前記観測点のペア毎に１／Ｒ（ｍ−１）を算出し、前記観測点のペア毎に算出した複数の１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値を平均した値を１／Ｒ１（ｍ−１）として算出する。
【数１】
2019077602.tif 000002
【００１２】
また、本発明によれば、
サファイア基板を準備する基板準備工程と、
前記基板準備工程の後、前記サファイア基板に対して熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程の後、前記サファイア基板上に金属含有ガスを供給する先流し工程と、
前記先流し工程の後、前記サファイア基板上に、成長温度：８００℃以上９５０℃以下、圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下の成長条件で、バッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層形成工程の後、前記バッファ層の上に、成長温度：８００℃以上１０２５℃以下、圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下、成長速度：１０μｍ／ｈ以上の成長条件で、III族窒化物半導体層を形成する成長工程と、
前記サファイア基板と、前記バッファ層と、前記III族窒化物半導体層とが積層したテンプレート基板をサセプターに固着させる固着工程と、
前記サセプターに前記テンプレート基板を固着させた状態で、前記III族窒化物半導体層の上にＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法でIII族窒化物半導体を成長させ、第１の成長層を形成する第１の成長工程と、
前記第１の成長工程の後、前記サセプター、前記テンプレート基板及び前記第１の成長層を含む積層体を冷却する冷却工程と、
前記冷却工程の後、前記サセプターに前記テンプレート基板を固着させた状態で、前記第１の成長層の上に、ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させ、第２の成長層を形成する第２の成長工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、III族窒化物半導体基板上に形成されたデバイスの内部量子効率を向上させるとともに、III族窒化物半導体基板の面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布に起因する不都合を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】テンプレート基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図２】テンプレート基板の一例を示す側面模式図である。
【図３】自立基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図４】自立基板の製造方法の工程図の一例である。
【図５】自立基板の一例を示す側面模式図である。
【図６】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。
【図７】本実施形態のIII族窒化物半導体基板との相違を示す実施例である。
【図８】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。
【図９】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。
【図１０】本実施形態のIII族窒化物半導体基板との相違を示す図である。
【図１１】本実施形態のIII族窒化物半導体基板の特性を示す図である。
【図１２】本実施形態の曲率の算出方法を説明するための図である。
【図１３】本実施形態の曲率の算出方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
「前提」
以下、本発明のIII族窒化物半導体基板、及び、III族窒化物半導体基板の製造方法の実施形態について図面を用いて説明する。なお、図はあくまで発明の構成を説明するための概略図であり、各部材の大きさ、形状、数、異なる部材の大きさの比率などは図示するものに限定されない。
【００１６】
「概要」
まず、本実施形態の概要について説明する。本実施形態のIII族窒化物半導体基板の製造方法は、特徴的な工程を含むテンプレート基板製造工程と、当該テンプレート基板製造工程で製造されたテンプレート基板を利用し、かつ、特徴的な工程を含む自立基板製造工程とを有する。
【００１７】
詳細は後述するが、このようなテンプレート基板製造工程及び自立基板製造工程で製造された本実施形態のIII族窒化物半導体基板（自立基板）によれば、当該III族窒化物半導体基板上に形成されたデバイスの内部量子効率を向上させるとともに、当該III族窒化物半導体基板の面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布に起因する不都合を軽減することができる。
【００１８】
「テンプレート基板製造工程」
まず、テンプレート基板の製造方法を説明する。図１は、テンプレート基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図示するように、テンプレート基板の製造方法は、基板準備工程Ｓ１０と、熱処理工程Ｓ２０と、先流し工程Ｓ３０と、バッファ層形成工程Ｓ４０と、成長工程Ｓ５０とを有する。
【００１９】
基板準備工程Ｓ１０では、サファイア基板を準備する。サファイア基板の直径は、例えば、１インチ以上である。また、サファイア基板の厚さは、例えば、２５０μｍ以上である。
【００２０】
サファイア基板の主面の面方位は、その上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つである。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。基板準備工程Ｓ１０では、主面が所望の面方位であるサファイア基板を準備する。
【００２１】
サファイア基板の主面は、例えば｛１０−１０｝面、又は、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面である。
【００２２】
｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、例えば、｛１０−１０｝面を任意の方向に０°より大０．５°以下の中の何れかの角度で傾斜した面であってもよい。
【００２３】
また、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０°より大１０．５°未満の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。または、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０°より大１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。例えば、｛１０−１０｝面を所定の方向に所定角度傾斜した面は、｛１０−１０｝面をａ面と平行になる方向に０．５°以上１．５°以下、１．５°以上２．５°以下、４．５°以上５．５°以下、６．５°以上７．５°以下、９．５°以上１０．５°以下の中のいずれかの角度で傾斜した面であってもよい。
【００２４】
熱処理工程Ｓ２０は、基板準備工程Ｓ１０の後に行われる。熱処理工程Ｓ２０では、サファイア基板に対して、以下の条件で熱処理を行う。
【００２５】
温度：８００℃以上１２００℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上７６０ｔｏｒｒ以下
熱処理時間：５分以上２０分以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただし、成長装置のサイズにより供給量は変動する為、これに限定されない。）
【００２６】
なお、サファイア基板に対する熱処理は、窒化処理を行いながら行う場合と、窒化処理を行わずに行う場合とがある。窒化処理を行いながら熱処理を行う場合、熱処理時に０．５ｓｌｍ以上２０ｓｌｍ以下のＮＨ３がサファイア基板上に供給される（ただし成長装置のサイズにより供給量は変動する為、これに限定されない。）。また、窒化処理を行わずに熱処理を行う場合、熱処理時にＮＨ３が供給されない。
【００２７】
熱処理時の窒化処理の有無は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つとなる場合がある。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。
【００２８】
先流し工程Ｓ３０は、熱処理工程Ｓ２０の後に行われる。先流し工程Ｓ３０では、サファイア基板の主面上に以下の条件で金属含有ガスを供給する。先流し工程Ｓ３０は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置内で行われてもよい。
【００２９】
温度：５００℃以上１０００℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：２０ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下、１秒
以上６０秒以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）
【００３０】
上記条件は、金属含有ガスとして有機金属原料であるトリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウムを供給する場合のものである。当該工程では、トリメチルアルミニウムトリエチルアルミニウムに代えて他の金属を含有する金属含有ガスを供給し、アルミニウム膜に代えて、チタン膜、バナジウム膜や銅膜等の他の金属膜をサファイア基板の主面上に形成してもよい。また、有機金属原料から生成するメタン、エチレン、エタン等の炭化水素化合物との反応膜である炭化アルミニウム、炭化チタン、炭化バナジウムや炭化銅等の他の炭化金属膜をサファイア基板の主面上に形成してもよい。
【００３１】
先流し工程Ｓ３０により、サファイア基板の主面上に金属膜及び炭化金属膜が形成される。当該金属膜の存在が、その上に成長させる結晶の極性を反転させるための条件となる。すなわち、先流し工程Ｓ３０の実施は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。
【００３２】
なお、本実施形態では、「半極性面であって、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える面」を、「Ｇａ極性側の半極性面」と呼ぶ場合がある。また、「半極性面であって、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の面」を、「Ｎ極性側の半極性面」と呼ぶ場合がある。
【００３３】
バッファ層形成工程Ｓ４０は、先流し工程Ｓ３０の後に行われる。バッファ層形成工程Ｓ４０では、サファイア基板の主面上にバッファ層を形成する。バッファ層の厚さは、例えば、２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
【００３４】
バッファ層は、例えば、ＡｌＮ層である。例えば、以下の条件でＡｌＮ結晶をエピタキシャル成長させ、バッファ層を形成してもよい。
【００３５】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上９５０℃以下
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
トリメチルアルミニウム供給量：２０ｃｃｍ以上５００ｃｃｍ以下
ＮＨ３供給量：０．５ｓｌｍ以上１０ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）
【００３６】
バッファ層形成工程Ｓ４０の成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位をコントロールする複数の要素の中の１つとなる場合がある。当該要素とIII族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係は、以下の実施例で示す。
【００３７】
また、バッファ層形成工程Ｓ４０における成長条件（比較的低めの所定の成長温度、具体的には８００〜９５０℃、および比較的低い圧力）は、Ｎ極性側を維持しながらＡｌＮを成長させるための条件となる。すなわち、バッファ層形成工程Ｓ４０における成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。
【００３８】
成長工程Ｓ５０は、バッファ層形成工程Ｓ４０の後に行われる。成長工程Ｓ５０では、バッファ層の上に、以下の成長条件でIII族窒化物半導体結晶（例：ＧａＮ結晶）をエピタキシャル成長させ、成長面が所定の面方位（Ｎ極性側の半極性面）となっているIII族窒化物半導体層を形成する。III族窒化物半導体層３０の厚さは、例えば、１μｍ以上２０μｍ以下である。
【００３９】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００℃以上１０２５℃以下 
圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下
ＴＭＧａ供給量：２５ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下
ＮＨ３供給量：１ｓｌｍ以上２０ｓｌｍ以下
キャリアガス：Ｈ２、又は、Ｈ２とＮ２（Ｈ２比率０〜１００％）
キャリアガス供給量：３ｓｌｍ以上５０ｓｌｍ以下（ただしガスの供給量は成長装置のサイズや構成により変動する為、これに限定されない。）
成長速度：１０μｍ／ｈ以上
【００４０】
成長工程Ｓ５０における成長条件（比較的低い成長温度、比較的低い圧力、比較的速い成長速度）は、Ｎ極性側を維持しながらＧａＮを成長させるための条件となる。すなわち、成長工程Ｓ５０における成長条件は、サファイア基板の主面上にエピタキシャル成長されるIII族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素の中の１つである。
【００４１】
以上の条件で製造することで、図２に示すような、サファイア基板２１と、バッファ層２２と、III族窒化物半導体層２３とがこの順に積層し、III族窒化物半導体層２３の成長面２４の面方位がＮ極性側の半極性面となっているテンプレート基板２０を製造することができる。また、製造条件を上記条件の範囲で調整することで、成長面２４の面方位を所望の半極性面とすることができる。
【００４２】
「自立基板製造工程」
次に、自立基板の製造方法を説明する。図３は、自立基板の製造方法の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図示するように、自立基板の製造方法は、固着工程Ｓ６１と、第１の成長工程Ｓ６２と、冷却工程Ｓ６３と、第２の成長工程Ｓ６４と、取出し工程Ｓ６５とを有する。図４の工程図を用いて、各工程を説明する。
【００４３】
固着工程Ｓ６１では、図４（１）に示すようなテンプレート基板２０を、図４（２）に示すようにサセプター５０に固着させる。
【００４４】
テンプレート基板２０は、上述したテンプレート基板製造工程で製造される。なお、図４では、バッファ層２２を省略している。
【００４５】
サセプター５０は、第１の成長工程Ｓ６２や第２の成長工程Ｓ６４での加熱で反り得るテンプレート基板２０の当該反る力で変形しない特性等を有する。このようなサセプター５０の例として、カーボンサセプター、シリコンカーバイドコートカーボンサセプター、ボロンナイトライドコートカーボンサセプター、石英サセプター等が例示されるがこれらに限定されない。
【００４６】
次に、テンプレート基板２０をサセプター５０に固着させる方法について説明する。本実施形態では、４（２）に示すように、テンプレート基板２０の裏面（サファイア基板２１の裏面）をサセプター５０の面に固着する。これにより、テンプレート基板２０の変形を抑制する。固着する方法としては、第１の成長工程Ｓ６２や第２の成長工程Ｓ６４での加熱や、当該加熱で反り得るテンプレート基板２０の当該反る力等により剥がれない方法が要求される。例えば、アルミナ系、カーボン系、ジルコニア系、シリカ系、ナイトライド系等の接着剤を用いて固着する方法が例示される。
【００４７】
固着工程Ｓ６１の後の第１の成長工程Ｓ６２では、図４（３）に示すように、サセプター５０にテンプレート基板２０を固着させた状態で、III族窒化物半導体層２３の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させる。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第１の成長層３０を形成する。例えば、以下の成長条件でＧａＮをエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層（第１の成長層３０）を形成する。
【００４８】
成長温度：９００℃〜１１００℃
成長時間：１ｈ〜５０ｈ
Ｖ／III比：１〜２０
成長膜厚：１００μｍ〜１０ｍｍ
【００４９】
第１の成長工程Ｓ６２では、サセプター５０、テンプレート基板２０及び第１の成長層３０を含む積層体の側面に沿って、多結晶のIII族窒化物半導体が形成される。多結晶のIII族窒化物半導体は、上記積層体の側面の全部又は大部分に付着する。付着した多結晶のIII族窒化物半導体は互いに繋がり、環状となる。そして、上記積層体は、環状の多結晶のIII族窒化物半導体の内部でホールドされる。
【００５０】
なお、第１の成長工程Ｓ６２では、上記積層体の側面に加えて、サセプター５０の裏面にも、多結晶のIII族窒化物半導体が形成され得る。多結晶のIII族窒化物半導体は、上記積層体の側面及びサセプター５０の裏面の全部又は大部分に付着する。付着した多結晶のIII族窒化物半導体は互いに繋がり、カップ状の形状となる。そして、上記積層体は、カップ状の多結晶のIII族窒化物半導体の内部でホールドされる。
【００５１】
第１の成長工程Ｓ６２の後の冷却工程Ｓ６３では、サセプター５０、テンプレート基板２０及び第１の成長層３０を含む積層体を冷却する。ここでの冷却の目的は、第１の成長層３０とサファイア基板２１との線膨張係数差に起因して発生する歪み（応力）を利用して第１の成長層３０にクラックを発生させることで、応力を緩和することである。第２の成長工程Ｓ６４の前に、応力を緩和していることが望まれる。当該目的を達成できれば、その冷却の方法は特段制限されない。例えば、第１の成長工程Ｓ６２の後、上記積層体をＨＶＰＥ装置の外に一旦取り出し、室温まで冷却してもよい。
【００５２】
図４（３）に示すように、冷却工程Ｓ６３の後の第１の成長層３０には、クラック（裂け目、ひび割れ等）３１が存在する。クラック３１は、図示するように、第１の成長層３０の表面に存在してもよい。なお、クラック３１は、第１の成長工程Ｓ６２の間に発生したものであってもよいし、冷却工程Ｓ６３の間に発生したものであってもよい。
【００５３】
冷却工程Ｓ６３の後の第２の成長工程Ｓ６４では、図４（４）に示すように、サセプター５０にテンプレート基板２０を固着させた状態で、第１の成長層３０の上に、ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させる。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第２の成長層４０を形成する。例えば、以下の成長条件でＧａＮをエピタキシャル成長させ、ＧａＮ層（第２の成長層４０）を形成する。第１の成長層３０を形成するための成長条件と第２の成長層４０を形成するための成長条件は、同じであってもよいし、異なってもよい。
【００５４】
成長温度：９００℃〜１１００℃
成長時間：１ｈ〜５０ｈ
Ｖ／III比：１〜２０
成長膜厚：１００μｍ〜１０ｍｍ
【００５５】
第２の成長工程Ｓ６４では、第１の成長工程Ｓ６２で形成された環状の多結晶のIII族窒化物半導体を残した状態で、第１の成長層３０の上に第２の成長層４０を形成する。環状の多結晶のIII族窒化物半導体を残す目的は、クラック３１に起因して複数の部分に分離し得る第１の成長層３０を外周からホールドすることで、当該分離を抑制することである。第１の成長層３０が複数の部分に分離してしまうと、複数の部分ごとの面方位ずれや、ハンドリング性、作業性等の悪化等が生じ得る。また、一部の部品がなくなったり、粉々になったりすることで、元の形状を再現できなくなる恐れもある。環状の多結晶をそのまま残しておくことで、当該不都合を抑制できる。
【００５６】
なお、第１の成長工程Ｓ６２で形成された多結晶のIII族窒化物半導体の全部をそのまま残してもよいが、上記目的を実現できればよく、必ずしも、第１の成長工程Ｓ６２で形成された多結晶のIII族窒化物半導体の全部を残さなくてもよい。すなわち、多結晶のIII族窒化物半導体の一部を除去してもよい。
【００５７】
第２の成長工程Ｓ６４においても、多結晶のIII族窒化物半導体が形成される。多結晶のIII族窒化物半導体は、サセプター５０、テンプレート基板２０、第１の成長層３０及び第２の成長層４０を含む積層体の側面や、サセプター５０の裏面に沿って形成され得る。
【００５８】
なお、第２の成長工程Ｓ６４では、クラック３１が存在する第１の成長層３０の表面上に、ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させ、第２の成長層４０を形成する。この場合、成長面（第１の成長層３０の表面）は、クラック３１部分において不連続となる。クラック３１を境に互いに分かれた第１の表面領域及び第２の表面領域各々から成長したIII族窒化物半導体は、成長が進むと互いに接合し、一体化する。
【００５９】
第２の成長工程Ｓ６４の後の取出し工程Ｓ６５では、サセプター５０、テンプレート基板２０、第１の成長層３０及び第２の成長層４０を含む積層体から自立基板を取り出す。第２の成長層４０のみを含むように自立基板を切り出してもよいし、第１の成長層３０及び第２の成長層４０を含むように自立基板を切り出してもよいし、第１の成長層３０のみを含むように自立基板を切り出してもよい。例えば、上記積層体をスライスして自立基板を切り出してもよいし、サセプター５０側からの研削、研磨や、サセプター５０の燃焼、分解、溶解などの方法でサセプター５０等を除去して自立基板を得てもよい。図５に、得られた自立基板１０を模式的に示す。
【００６０】
「自立基板の構成及び特徴」
次に、上記製造方法で得られた自立基板１０（図５）の構成及び特徴を説明する。自立基板１０は、第１の主面１１が｛−１−１２−４｝面及び｛−１−１２−４｝面を１０°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方であるIII族窒化物半導体層２３を含んで構成される。
【００６１】
このような第１の主面１１上（Ｎ極性側の半極性面上）、又は、第１の主面１１と表裏の関係にある第２の主面１２上（Ｇａ極性側の半極性面上）にデバイスを形成することで、内部量子効率の向上が実現される。
【００６２】
また、以下の実施例で示すが、自立基板１０は、第１の主面１１の外周上の２点の複数の組み合わせ各々に対応して算出される曲率１／Ｒ１（ｍ−１）はいずれも０．４ｍ−１以下、さらに好ましくは０．２ｍ−１以下を満たす。また、第１の主面１１の外周上の２点として、２点を結ぶ直線がｃ軸を第１の主面に投影したｃ投影軸と平行になる２点を定めた場合、算出される曲率１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値はいずれも０．２ｍ−１以下を満たす。曲率１／Ｒ１（ｍ−１）及び１／Ｒ（ｍ−１）の算出方法は以下の通りである。
【００６３】
（算出方法）
まず、図１２に示すように、自立基板１０の主面（Ｎ極性側の半極性面）の外周上に２点の組合せを定める。図では、点Ａ１−点Ａ１の組合せと、点Ｂ１−点Ｂ１の組合せが示されている。点Ａ１−点Ａ１を結ぶ線は、ｍ軸を主面に投影したｍ投影軸方向と平行である。点Ｂ１−点Ｂ１を結ぶ線は、ｃ軸を主面に投影したｃ投影軸方向と平行である。なお、ｃ投影軸方向をＹ方向とし、略ｍ軸方向をＸ方向とする。
【００６４】
そして、２点の組み合わせ毎に、以下の手順で曲率１／Ｒ１（ｍ−１）を算出する。
【００６５】
主面上において、外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。図では、点Ａ１−点Ａ１の組合せ、及び、点Ｂ１−点Ｂ１の組合せ各々に対応して、９個の観測点、及び、８組のペアが定められている。
【００６６】
その後、観測点のペア毎に、一方の観測点における｛１１−２２｝軸（第１の｛１１−２２｝軸）と、他方の観測点における｛１１−２２｝軸（第２の｛１１−２２｝軸）とが、第１の｛１１−２２｝軸及び２つの観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、第２の｛１１−２２｝軸が第１の平面上に存在する場合は、角θ（°）として、第１の｛１１−２２｝軸と第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定し、第２の｛１１−２２｝軸が第１の平面上に存在しない場合は、角θ（°）として、第１の｛１１−２２｝軸と、第２の｛１１−２２｝軸を第１の平面に投影した仮想第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定する。
【００６７】
そして、観測点のペア毎に測定した測定値θ（°）及び以下の式を用いて、観測点のペア毎に１／Ｒ（ｍ−１）を算出し、観測点のペア毎に算出した複数の１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値を平均した値を１／Ｒ１（ｍ−１）として算出する。
【数２】
2019077602.tif 000003
【００６８】
ここで、図１３を用いて曲率１／Ｒ１（ｍ−１）の概念を説明する。図１３に示す点Ａ１１及び点Ａ１２は、隣接する２つの観測点を示している。すなわち、点Ａ１１及び点Ａ１２間の距離Ｌは５ｍｍである。点Ａ１１、点Ａ１２、線Ｄ１及び線Ｄ２は、同一平面上に位置する。線Ｄ１は、点Ａ１１における｛１１−２２｝軸及びその延長線を示している。点Ａ１１、点Ａ１２、点Ａ１１における｛１１−２２｝軸及び点Ａ１２における｛１１−２２｝軸が同一平面上に存在する場合、線Ｄ２は、点Ａ１２における｛１１−２２｝軸及びその延長線を示している。一方、点Ａ１１、点Ａ１２、点Ａ１１における｛１１−２２｝軸及び点Ａ１２における｛１１−２２｝軸が同一平面上に存在しない場合、線Ｄ２は、点Ａ１２における｛１１−２２｝軸を点Ａ１における｛１１−２２｝軸、点Ａ１１及び点Ａ１２を含む平面に投影した仮想｛１１−２２｝軸及びその延長線を示している。
【００６９】
α１（°）及びα２（°）各々は、所定の方向からの線Ｄ１及び線Ｄ２各々の傾き角を示す。点Ａ１１における｛１１−２２｝軸と点Ａ１２における｛１１−２２｝軸とが、点Ａ１１における｛１１−２２｝軸、点Ａ１１及び点Ａ１２を含む平面（第１の平面）上でなす角θ（°）は、α１（°）＋α２（°）で算出される。ここで算出する角θ（°）は、点Ａ１１における｛１１−２２｝軸と、点Ａ１２における｛１１−２２｝軸または点Ａ１２における｛１１−２２｝軸を第１の平面に投影した仮想｛１１−２２｝軸とを、観測点側の端部（点Ａ１１及び点Ａ１２）でつないだ時に形成される角の角度（０°以上１８０°以下）である。
【００７０】
図１３に示すＲ（ｍ）は、線Ｄ１及び線Ｄ２の交点Ｂを中心とする円であって、点Ａ１１及び点Ａ１２が円周上に存在する円の半径に相当する。当該Ｒ（ｍ）は、上記式のＲ（ｍ）に相当する。
【００７１】
上記式及び図１３に示す概念図から明らかなように、１／Ｒ（ｍ−１）は、線Ｄ１及び線Ｄ２が第１の主面側（Ｎ極性側の半極性面側）で交わる場合に負の値をとり、線Ｄ１及び線Ｄ２が第２の主面側（Ｇａ極性側の半極性面側）で交わる場合に正の値をとる。そして、線Ｄ１及び線Ｄ２がより平行になるにつれて、１／Ｒ（ｍ−１）は０（ゼロ）ｍ−１に近づく。なお、図１３に示す例の場合、線Ｄ１及び線Ｄ２が第１の主面側で交わっているので、曲率１／Ｒ（ｍ−１）は負の値をとる。
【００７２】
第１の主面１１の外周上の２点の複数の組み合わせ各々に対応して算出される曲率１／Ｒ１（ｍ−１）はいずれも０．４ｍ−１以下、さらに好ましくは０．２ｍ−１以下満たす本実施形態の自立基板１０は、面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布が抑制されているといえる。また、第１の主面１１の外周上の２点として、２点を結ぶ直線がｃ軸を第１の主面１１に投影したｃ投影軸と平行になる２点を定めた場合、曲率１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値がいずれも０．２ｍ−１以下を満たす本実施形態の自立基板１０は、面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布がさらに抑制されているといえる。このような自立基板１０によれば、面内位置に応じた結晶軸の傾きの分布に起因した不都合（例：不純物をドープした場合に面内位置に応じた不純物量の分布が生じるなど）を抑制することができる。
【００７３】
また、本実施形態の自立基板１０は、直径が１インチ以上である。このように、本実施形態の自立基板１０は大口径である点も特徴的である。
【００７４】
なお、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られた自立基板１０は、結晶性も優れている。
【００７５】
以下の実施例で示すが、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほど結晶性が悪化する。結果、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほどＸＲＣの半値幅は大きくなる。このため、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られた自立基板は、結晶性が良好でない。
【００７６】
本実施形態の自立基板１０は、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られた自立基板に比べて、結晶性が優れる。
【００７７】
なお、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られた自立基板１０と、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られた自立基板とを見分ける方法としては、膜厚と、表裏の関係にある２つの主面のＸＲＣの半値幅の差との関係をみる方法が考えられる。
【００７８】
上述の通り、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなるほど結晶性が悪化し、ＸＲＣの半値幅は大きくなる。すなわち、膜厚が大きくなるほど、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差は大きくなる。
【００７９】
一方、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長した場合、III族窒化物半導体層の厚さが厚くなっても結晶性がほとんど変化しない。すなわち、膜厚が大きくなっても、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差は所定レベル以下となる。
【００８０】
以上より、膜厚が所定範囲である際の表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差を確認することで、その自立基板が、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られたものか、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られたものかを確認することができる。
【００８１】
例えば、「膜厚が３００μｍ以上である場合、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差が１００ａｒｃｓｅｃ以下」を満たす場合、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られた自立基板であるといえる。そして、「膜厚が３００μｍ以上である場合、表裏の関係にある主面のＸＲＣの半値幅の差が１００ａｒｃｓｅｃより大」を満たす場合、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物をエピタキシャル成長することで得られた自立基板であるといえる。当該数値は、以下の実施例を根拠とする。
【００８２】
本実施形態の自立基板１０を用いれば、半極性面の基板上にデバイスを形成することができる。かかる場合、半極性面の効果によるピエゾ分極の低減だけでなく、自発分極の低減も実現される。このため、内部電界によっておこるシュタルク効果が抑制できる。
【００８３】
また、本発明者らは、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合に比べて、表面状態が平坦になりやすいことを確認している。Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、ピットや、ｍ面成分由来のファセットが発生しやすい。このような点においても、本実施形態の自立基板１０は優れる。
【００８４】
また、本発明者らは、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合に比べて、不純物の取り込みが小さいことを確認している。具体的には、同じ装置及び同じ成長条件で成長させた２種類の極性面（Ｎ極性側の半極性面及びＧａ極性側の半極性面）のＨａＬＬ測定を行ったところ、Ｎ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合、Ｇａ極性側の半極性面を成長面としてIII族窒化物半導体を成長させた場合に比べて、キャリア濃度が１ケタ小さいことを確認した。これは、Ｏ原子の取り込みが低減できたためと推測される。このような点においても、本実施形態の自立基板１０は優れる。
【００８５】
本実施形態の自立基板１０の表裏の関係にある露出した第１の主面１１及び第２の主面１２は、例えば、一方が、ｃ面からａ面方向へ３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面であり、もう一方は、−ｃ面から−ａ面方向へ３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面である。また、下地基板としてサファイア基板を有するテンプレート基板の主面は、例えば−ｃ面からａ面方向へ３８．０°以上５３．０°以下かつ、ｍ面方向に−１６．０°以上１６．０°以下傾いた半極性面である。
【００８６】
特に主面上に発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）を形成した場合、ｃ面からａ面方向へ３９．１°傾いた面（（１１−２４）面）は、Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 39 (2000) pp. 413-416にて報告されている図６に示すように、ピエゾ電界が０となる為、無極性面のｍ面及び、ａ面と同等のシュタルク効果による内部量子効率の低下の抑制効果によって消費電力の低減、発光効率の向上が得られる。また、−ｃ面から−ａ面方向へ３９．１°傾いた主面（（−１−１２−４）面）は、半極性面の効果によるピエゾ分極の低減だけでなく、窒素原子からガリウム原子の向きに発生している自発分極の低減も実現される。このため、発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）の活性層に生じる内部電界によっておこるシュタルク効果を更に抑制できるので、更なる発光デバイス（ＬＥＤ、ＬＤ）の性能向上が得られる。
【００８７】
特許文献１と特許文献２で提供されるIII族窒化物半導体層は共に半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える主面を有しており、本実施形態により提供される半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の主面を有するIII族窒化物半導体層及びサファイア基板を有するテンプレート基板と比較して、デバイスの内部量子効率は低い。
【００８８】
本実施形態により提供されるテンプレート基板を用いれば、サファイア基板の大きさと同等の大口径かつ、基板面内の結晶性、表面平坦性、不純物濃度、面方位の軸ブレが均一かつ、緻密な製造技術を必要としない自立基板が実現される。ここでいう周知技術、慣用技術とは、例えば、化学的エッチングや機械研磨、熱応力を利用した結晶剥離などである。
【００８９】
特許文献３と特許文献４の方法で提供されるIII族窒化物半導体自立基板は、ｃ面を主面としたIII族窒化物半導体自立基板から任意の面方位に切出した結晶片を接合して作製した、半極性面を主面としたIII族窒化物半導体自立基板である。これを実現するためには、バルク結晶から結晶片を大量に切出す工程や、結晶片を高同じ結晶軸方向に高い精度で揃えた上で接合する工程が必要となる為、高い歩留りを実現するための緻密な技術が必要となる。また、結晶片を接合して基板の口径を大きくする為、接合部に原子位置のずれが生じ、当該部では高密度の転位が発生する。このため、基板の結晶性の低下と転位密度の面内分布むらが発生してしまう。また、接合面がｃ面、ｍ面、及び、ｍ面からｃ面方向へ傾斜した面である場合には｛１１−２２｝面や｛１０−１１｝面などのファセット面が出現し、図７に示すように大きな窪みや結晶成長異常が発生してしまうため、表面平坦性の顕著な悪化と接合強度不足が生じ、基板のハンドリングに困難が生じる。
【００９０】
また、図７に示すような大きな窪みや結晶成長異常に起因する表面平坦性の顕著な悪化と接合強度不足による基板のハンドリングの困難を解決する為、特許文献３と特許文献４の方法を用いて、接合面をａ面及びａ面からの傾斜面のみにする事が容易に考えられるが、この場合も、接合面での原子位置のずれによる転位発生と、これに伴う転位密度の面内分布むらは解決できない。また、ａ面またはａ面を傾斜させた面で結晶の接合を行うことから、本実施形態により提供される、a面の傾斜面を主面としたIII族窒化物半導体自立基板の製造はできない。
【００９１】
本実施形態により提供される自立基板１０の第１の主面１１および第２の主面１２はいずれも例えばa面の傾斜面である為、側面に劈開面（ｍ面）を有している。劈開面を有した基板を提供することにより、半導体レーザー（ＬＤ）において光共振に必要不可欠な、原子が規則的きれいに並んだ、平坦性に優れた反射鏡面を容易に得る事が可能となる。
【００９２】
特許文献５で提供される（２０−２１）面及び（２０−２−１）面を主面としたＧａＮ系半導体レーザー素子は、主面がｍ面の傾斜面である為に、側面に劈開面を有していない。したがって、光共振が得られる平坦性の高い反射鏡面を得る事が出来ない。よって、製品の製造にあたり側面を平坦化するための高度かつ緻密な技術が必要となり、製造工程が煩雑化している。また、平坦性が劣る反射鏡面を用いる為、劈開面を利用しミラー構造を作製したＧａＮ系半導体光レーザー素子に比べ、性能がおとる。
【実施例】
【００９３】
＜第１の評価＞
第１の評価では、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たすことで、III族窒化物半導体層の成長面の面方位をＮ極性側の半極性面にできることを確認した。また、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中の少なくとも１つを満たさなかった場合、III族窒化物半導体層の成長面の面方位がＧａ極性側の半極性面になることを確認した。
【００９４】
まず、主面の面方位がｍ面（（１０−１０）面）からａ面と平行になる方向に２°傾斜した面であるサファイア基板を用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。
【００９５】
そして、用意したサファイア基板に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ２０を実施した。
【００９６】
温度：１０００〜１０５０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
熱処理時間：１０分または１５分
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
【００９７】
なお、熱処理工程Ｓ２０の際に、２０ｓｌｍのＮＨ３を供給し、窒化処理を行った。
【００９８】
その後、以下の条件で先流し工程Ｓ３０を行った。
温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：９０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
【００９９】
その後、以下の条件でバッファ層形成工程Ｓ４０を行い、ＡｌＮ層を形成した。
【０１００】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：８００〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量：９０ｓｃｃｍ
ＮＨ３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
【０１０１】
その後、以下の条件で成長工程Ｓ５０を行い、III族窒化物半導体層を形成した。
【０１０２】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
圧力：１００ｔｏｒｒ
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｓｃｃｍ（連続変化）
ＮＨ３供給量：５〜１０ｓｌｍ（連続変化）
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
成長速度：１０μｍ／ｈ以上
【０１０３】
なお、第１のサンプルの成長温度は９００℃±２５℃に制御し、第２のサンプルの成長温度は１０５０℃±２５℃に制御した。すなわち、第１のサンプルは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たすサンプルである。第２のサンプルは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中の一部（成長工程Ｓ５０における成長温度）を満たさないサンプルである。
【０１０４】
第１のサンプルのIII族窒化物半導体層の成長面の面方位は、（−１−１２−４）面から−a面方向５．０°傾斜かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°以下傾斜した面であった。一方、第２のサンプルのIII族窒化物半導体層の成長面の面方位は、（１１−２４）面からa面方向５．０°傾斜かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°以下傾斜した面であった。すなわち、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」を満たすか否かにより、成長面の面方位がＧａ極性となるかＮ極性となるかを調整できることが分かる。
【０１０５】
図８に第１のサンプルにおける、（−１−１２−４）面、又は、（１１−２４）面のＸＲＤ極点測定結果を示す。回折ピークは極点の中心点から数度ずれた位置であることが確認できる。角度のずれを詳細に測定すると−a面方向５．０°かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°又は、ａ面方向５．０°かつ、ｍ面と平行になる方向に８．５°の位置であることが確認できる。
【０１０６】
図９に第１のサンプルにおける、図２に示す露出面（成長面２４）がＮ極性であることを確認した結果を示す。また、比較として図１０に＋ｃ面の厚膜成長ＧａＮ自立基板から第１のサンプルと同等の面方位になるようにスライスを行って作製したIII族窒化物半導体自立基板の結果を示す。第１のサンプル及び、＋ｃ面 ＧａＮ自立基板からスライスして作製した半極性自立基板ともに、両面（基板の表と裏）に１．５μｍダイヤ研磨を施し、りん酸硫酸混合液を１５０℃に保ち３０分間のエッチングを行った。
【０１０７】
図９及び図１０より、第１のサンプルの露出面（成長面２４）と＋ｃ面ＧａＮ自立基板からスライスして作製した半極性自立基板の裏面（Ｎ極性面）のエッチング表面状態が同等であることが確認できる。また、第１のサンプルの剥離面と＋ｃ面ＧａＮ自立基板からスライスして作製した半極性自立基板の表面（Ｇａ極性面）のエッチング表面状態が同等であることが確認できるので、図２に示す露出面（成長面２４）がＮ極性であることが確認できる。
【０１０８】
なお、本発明者らは、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」の中のその他の一部を満たさない場合、また、全部を満たさない場合においても、成長面の面方位がＧａ極性となることを確認している。
【０１０９】
＜第２の評価＞
第２の評価では、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整できることを確認した。
【０１１０】
まず、主面の面方位が様々なサファイア基板を複数用意した。サファイア基板の厚さは４３０μｍであり、直径は２インチであった。
【０１１１】
そして、用意したサファイア基板各々に対して、以下の条件で熱処理工程Ｓ２０を行った。
【０１１２】
温度：１０００〜１０５０℃
圧力：２００ｔｏｒｒ
熱処理時間：１０分
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
【０１１３】
なお、熱処理時の窒化処理の有無を異ならせたサンプルを作成した。具体的には、熱処理時に２０ｓｌｍのＮＨ３を供給し、窒化処理を行うサンプルと、熱処理時にＮＨ３を供給せず、窒化処理を行わないサンプルの両方を作成した。
【０１１４】
その後、以下の条件で先流し工程Ｓ３０を行った。
温度：８８０〜９３０℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
トリメチルアルミニウム供給量、供給時間：９０ｓｃｃｍ、１０秒
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
【０１１５】
なお、先流し工程Ｓ３０を行うサンプルと、行わないサンプルの両方を作成した。
【０１１６】
その後、サファイア基板の主面（露出面）上に、以下の条件で、約１５０ｎｍの厚さのバッファ層（ＡｌＮバッファ層）を形成した。
【０１１７】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：５１８４
ＴＭＡｌ供給量：９０ｃｃｍ
ＮＨ３供給量：５ｓｌｍ
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
【０１１８】
なお、成長温度は、サンプルごとに、７００℃以上１１１０℃以下の範囲で異ならせた。
【０１１９】
その後、バッファ層の上に、以下の条件で、約１５μｍの厚さのIII族窒化物半導体層（ＧａＮ層）を形成した。
【０１２０】
成長方法：ＭＯＣＶＤ法
成長温度：９００〜１１００℃
圧力：１００ｔｏｒｒ
Ｖ／III比：３２１
ＴＭＧａ供給量：５０〜５００ｃｃｍ（ランプアップ）
ＮＨ３供給量：５〜１０ｓｌｍ（ランプアップ）
キャリアガス：Ｈ２、Ｎ２
キャリアガス供給量：１５ｓｌｍ
【０１２１】
以上のようにして、サファイア基板と、バッファ層と、III族窒化物半導体層とがこの順に積層したIII族窒化物半導体基板１を製造した。
【０１２２】
表１乃至７に、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」と、III族窒化物半導体層の成長面の面方位との関係を示す。
【０１２３】
【表１】
2019077602.tif 000004
【０１２４】
【表２】
2019077602.tif 000005
【０１２５】
【表３】
2019077602.tif 000006
【０１２６】
【表４】
2019077602.tif 000007
【０１２７】
【表５】
2019077602.tif 000008
【０１２８】
【表６】
2019077602.tif 000009
【０１２９】
【表７】
2019077602.tif 000010
【０１３０】
表中の「サファイア主面」の欄には、サファイア基板の主面の面方位が示されている。「昇温時の窒化処理」の欄には、熱処理工程Ｓ２０の際の昇温時の窒化処理の有無（「有り」または「無し」）が示されている。「トリメチルアルミニウム先流し工程の有無」の欄には、トリメチルアルミニウム先流し工程の有無（「有り」または「無し」）が示されている。「ＡｌＮバッファ成長温度」の欄には、バッファ層形成工程における成長温度が示されている。「ＧａＮ成長温度」の欄には、ＧａＮ層形成工程における成長温度が示されている。「III族窒化物半導体層の成長面」の欄には、III族窒化物半導体層の成長面の面方位が示されている。
【０１３１】
当該結果によれば、上述した「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面を半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０を超える面の中で調整できることが分かる。そして、第１の評価の結果と第２の評価の結果とに基づけば、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を、Ｎ極性側の半極性面とするための複数の要素」のすべてを満たしたうえで、「III族窒化物半導体層の成長面の面方位を調整するための複数の要素」を調整することで、III族窒化物半導体層の成長面を、半極性面であり、ミラー指数（ｈｋｍｌ）で表され、ｌが０未満の中で調整できることが分かる。
【０１３２】
＜第３の評価＞
本手法により作製したサンプルの結晶性について評価した。試料は３種類を準備した。サンプルＡは、本明細記載の手法により作製したものであり、｛１１−２３｝面を成長面としている。サンプルＢ、Ｃは比較用サンプルであり、サンプルＢは｛１０−１０｝面を成長面とした。また、サンプルＣは｛１１−２２｝面を成長面とした。なお、｛１１−２３｝面は｛−１−１２−４｝面から１０°以内のオフ角を有する面に該当する。
【０１３３】
図１１に、各サンプルに対し、複数のＧａＮ膜厚時にエックス線をIII族窒化物半導体結晶のｃ軸の投影軸に平行に入射し測定した場合のＸＲＣ半値幅を示す。 但し、主面が｛１１−２３｝面であるサンプルＣは、消滅則により｛１１−２３｝面のエックス線回折が得られないため、｛１１−２２｝面のＸＲＣ半値幅を測定した。
【０１３４】
図１１より、サンプルＡはＧａＮ層の膜厚が大きくなっても、ＸＲＣ半値幅がほとんど変化しないことが分かる。これに対し、サンプルＢ及びＣは、ＧａＮ層の膜厚が大きくなるにつれて、ＸＲＣ半値幅が大きくなる傾向が読み取れる。
【０１３５】
＜第４の評価＞
自立基板を製造し、その曲率１／Ｒ１（ｍ−１）を評価した。まず、テンプレート基板を製造した。具体的には、径がΦ３インチで、主面の面方位がｍ面のサファイア基板の上に、バッファ層（ＡｌＮ層）を介して、ＭＯＣＶＤ法でIII族窒化物半導体層（ＧａＮ層）を形成した。III族窒化物半導体層の主面の面方位は（−１−１２−４）面からｍ軸方向に８°、ｃ軸方向に５°オフした面、最大径はΦ３インチ、厚さは１５μｍであった。
【０１３６】
次に、テンプレート基板をカーボンサセプターに固着した（固着工程Ｓ６１）。具体的には、アルミナ系の接着剤を用いて、サファイア基板の裏面をカーボンサセプターの主面に貼りあわせた。
【０１３７】
次に、カーボンサセプターにテンプレート基板を固着させた状態で、III族窒化物半導体層の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体（ＧａＮ）を成長させた（第１の成長工程Ｓ６２）。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第１の成長層（ＧａＮ層）が形成された。成長条件は以下の通りである。
【０１３８】
成長温度：１０４０℃
成長時間：１８時間
Ｖ／III比：１０
成長膜厚：６．１ｍｍ
【０１３９】
次に、カーボンサセプター、テンプレート基板及び第１の成長層を含む積層体を、ＨＶＰＥ装置から取り出し、室温まで冷却した（冷却工程Ｓ６３）。冷却後の積層体を観察すると、第１の成長層の表面にクラックが存在した。
【０１４０】
次に、カーボンサセプターにテンプレート基板を固着させ、かつ、多結晶のIII族窒化物半導体を残した状態で、クラックが存在する第１の成長層の主面上にＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体（ＧａＮ）を成長させた（第２の成長工程Ｓ６４）。これにより、単結晶のIII族窒化物半導体で構成された第２の成長層（ＧａＮ層）が形成された。成長条件は以下の通りである。
【０１４１】
成長温度：１０４０℃
成長時間：２０時間
Ｖ／III比：１０
成長膜厚：６．３ｍｍ（第１の成長層と第２の成長層との合計膜厚は１２．４ｍｍ）
【０１４２】
第２の成長層の最大径はおよそΦ３インチであった。また、第２の成長層と、その外周沿いの多結晶のIII族窒化物半導体とを含む面の最大径はおよそ８５ｍｍであった。また、第２の成長層に割れは生じていなかった。
【０１４３】
次に、第２の成長層をスライスし、自立基板を切り出した。（取出し工程Ｓ６５）。
【０１４４】
その後、自立基板の曲率１／Ｒ１（ｍ−１）を算出した。具体的には、図１２に示すように、自立基板の主面（Ｎ極性側の半極性面）の外周上に、点Ａ１−点Ａ１の組合せと、点Ｂ１−点Ｂ１の組合せを定めた。点Ａ１−点Ａ１を結ぶ線は、ｍ軸を主面に投影したｍ投影軸方向と平行である。点Ｂ１−点Ｂ１を結ぶ線は、ｃ軸を主面に投影したｃ投影軸方向と平行である。
【０１４５】
そして、２点の組み合わせ毎に、２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔で９個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの観測点で８組のペアを定めた。
【０１４６】
その後、観測点のペア毎に、一方の観測点における｛１１−２２｝軸（第１の｛１１−２２｝軸）と、他方の観測点における｛１１−２２｝軸（第２の｛１１−２２｝軸）とが、第１の｛１１−２２｝軸及び２つの観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定した。なお、第２の｛１１−２２｝軸が第１の平面上に存在する場合は、角θ（°）として、第１の｛１１−２２｝軸と第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定し、第２の｛１１−２２｝軸が第１の平面上に存在しない場合は、角θ（°）として、第１の｛１１−２２｝軸と、第２の｛１１−２２｝軸を第１の平面に投影した仮想第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定した。
【０１４７】
そして、観測点のペア毎に測定した測定値θ（°）及び以下の式を用いて、観測点のペア毎に１／Ｒ（ｍ−１）を算出した。
【数３】
2019077602.tif 000011
【０１４８】
表８に、点Ａ１−点Ａ１の組合せに対応する算出結果を示す。また、表９に、点Ｂ１−点Ｂ１の組合せに対応する算出結果を示す。点Ａ１−点Ａ１の組合せにおいて、１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値を平均した曲率１／Ｒ１（ｍ−１）は０．１４９であった。点Ｂ１−点Ｂ１の組合せにおいて、１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値を平均した曲率１／Ｒ１（ｍ−１）は０．１０７であった。
【０１４９】
【表８】
2019077602.tif 000012
【０１５０】
【表９】
2019077602.tif 000013
【０１５１】
以下、参考形態の例を付記する。
１．  主面が｛−１−１２−４｝面及び｛−１−１２−４｝面を１０°以下の範囲で所定角度傾けた面の少なくとも一方であるIII族窒化物半導体層を含み、
以下の算出方法を用い、前記主面の外周上の２点の複数の組み合わせ各々に対応して算出される曲率１／Ｒ１（ｍ−１）はいずれも０．４ｍ−１以下を満たすIII族窒化物半導体基板。
（算出方法）
前記主面の外周上の２点の組み合わせを複数定め、当該組み合わせ毎に、以下の（１）乃至（３）に基づき曲率１／Ｒ１（ｍ−１）を算出する。
（１） 前記主面上において、前記外周上の２点を結ぶ直線上に５ｍｍ間隔でＭ個の観測点を定めるとともに、隣接する２つの前記観測点で（Ｍ−１）組のペアを定める。
（２） 前記観測点のペア毎に、一方の前記観測点における第１の｛１１−２２｝軸と、他方の前記観測点における第２の｛１１−２２｝軸とが、前記第１の｛１１−２２｝軸及び２つの前記観測点を含む第１の平面上でなす角θ（°）を測定する。なお、前記第２の｛１１−２２｝軸が前記第１の平面上に存在する場合は、前記角θ（°）として、前記第１の｛１１−２２｝軸と前記第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定し、前記第２の｛１１−２２｝軸が前記第１の平面上に存在しない場合は、前記角θ（°）として、前記第１の｛１１−２２｝軸と、前記第２の｛１１−２２｝軸を前記第１の平面に投影した仮想第２の｛１１−２２｝軸とがなす角を測定する。
（３） 前記観測点のペア毎に測定した測定値θ（°）及び以下の式を用いて、前記観測点のペア毎に１／Ｒ（ｍ−１）を算出し、前記観測点のペア毎に算出した複数の１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値を平均した値を１／Ｒ１（ｍ−１）として算出する。
【数４】
2019077602.tif 000014
２．  １に記載のIII族窒化物半導体基板において、
前記主面の外周上の２点として、２点を結ぶ直線がｃ軸を前記主面に投影したｃ投影軸と平行になる２点を定めた場合、算出される曲率１／Ｒ（ｍ−１）の絶対値はいずれも０．２ｍ−１以下を満たすIII族窒化物半導体基板。
３．  １または２に記載のIII族窒化物半導体基板において、
直径は１インチ以上であるIII族窒化物半導体基板。
４．  サファイア基板を準備する基板準備工程と、
前記基板準備工程の後、前記サファイア基板に対して熱処理を行う熱処理工程と、
前記熱処理工程の後、前記サファイア基板上に金属含有ガスを供給する先流し工程と、
前記先流し工程の後、前記サファイア基板上に、成長温度：８００℃以上９５０℃以下、圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下の成長条件で、バッファ層を形成するバッファ層形成工程と、
前記バッファ層形成工程の後、前記バッファ層の上に、成長温度：８００℃以上１０２５℃以下、圧力：３０ｔｏｒｒ以上２００ｔｏｒｒ以下、成長速度：１０μｍ／ｈ以上の成長条件で、III族窒化物半導体層を形成する成長工程と、
前記サファイア基板と、前記バッファ層と、前記III族窒化物半導体層とが積層したテンプレート基板をサセプターに固着させる固着工程と、
前記サセプターに前記テンプレート基板を固着させた状態で、前記III族窒化物半導体層の上にＨＶＰＥ（Hydride Vapor Phase Epitaxy）法でIII族窒化物半導体を成長させ、第１の成長層を形成する第１の成長工程と、
前記第１の成長工程の後、前記サセプター、前記テンプレート基板及び前記第１の成長層を含む積層体を冷却する冷却工程と、
前記冷却工程の後、前記サセプターに前記テンプレート基板を固着させた状態で、前記第１の成長層の上に、ＨＶＰＥ法でIII族窒化物半導体を成長させ、第２の成長層を形成する第２の成長工程と、
を有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
５．  ４に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記第２の成長工程の後、前記サセプター、前記テンプレート基板、前記第１の成長層及び前記第２の成長層を含む積層体から自立基板を取り出す取出し工程をさらに有するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
６．  ４又は５に記載のIII族窒化物半導体基板の製造方法において、
前記先流し工程では、前記金属含有ガスとしてトリメチルアルミニウムを供給し、
前記バッファ層形成工程では、ＡｌＮからなる前記バッファ層を形成するIII族窒化物半導体基板の製造方法。
【符号の説明】
【０１５２】
１０    自立基板
１１    第１の主面
１２    第２の主面
２０    テンプレート基板
２１    サファイア基板
２２    バッファ層
２３    III族窒化物半導体層
２４    成長面
【図１】
2019077602.tif 000016
【図２】
2019077602.tif 000017
【図３】
2019077602.tif 000018
【図４】
2019077602.tif 000019
【図５】
2019077602.tif 000020
【図６】
2019077602.tif 000021
【図７】
2019077602.tif 000022
【図８】
2019077602.tif 000023
【図９】
2019077602.tif 000024
【図１０】
2019077602.tif 000025
【図１１】
2019077602.tif 000026
【図１２】
2019077602.tif 000027
【図１３】
2019077602.tif 000028