(57)【要約】【課題】β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板とその上の結晶品質の高い窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む半導体素子を提供する。【解決手段】一実施の形態として、主面４の表面における転位密度が１×１０３／ｃｍ２以下であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１と、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１上にエピタキシャル成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層４２と、を含む半導体積層構造体４０を提供する。【選択図】図１
2015164162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面の表面における転位密度が１×１０３／ｃｍ２以下であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板と、
前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、
を含む半導体積層構造体。
【請求項２】
前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板と前記窒化物半導体層との間に、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなるバッファ層を有する、
請求項１に記載の半導体積層構造体。
【請求項３】
前記窒化物半導体層はＧａＮ結晶からなる、
請求項１又は２に記載の半導体積層構造体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の前記半導体積層構造体を含む、
半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体積層構造体及び半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、その上にエピタキシャル成長により形成された窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、特許文献１には、上記の半導体積層構造体を用いて形成されたＬＥＤ素子等の半導体素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２５１４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板と、その上にエピタキシャル成長により形成された窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体を用いて、発光素子やトランジスタ等の半導体素子を製造する際に、半導体素子のリーク電流の低減、歩留まり向上、信頼性向上等を図るためには、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上に高品質の窒化物半導体層を成長させることが重要である。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板とその上の結晶品質の高い窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む半導体素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［３］の半導体積層構造体を提供する。
【０００８】
［１］主面の表面における転位密度が１×１０３／ｃｍ２以下であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板と、前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上にエピタキシャル成長により形成されたＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる窒化物半導体層と、を含む半導体積層構造体。
【０００９】
［２］前記β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板と前記窒化物半導体層との間に、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなるバッファ層を有する、前記［１］に記載の半導体積層構造体。
【００１０】
［３］前記窒化物半導体層はＧａＮ結晶からなる、前記［１］又は［２］に記載の半導体積層構造体。
【００１１】
また、本発明の他の態様は、上記目的を達成するために、下記［４］の半導体素子を提供する。
【００１２】
［４］前記［１］〜［３］のいずれか１項に記載の前記半導体積層構造体を含む、半導体素子。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板とその上の結晶品質の高い窒化物半導体層とを有する半導体積層構造体、及びその半導体積層構造体を含む半導体素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る半導体積層構造体の垂直断面図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態に係るＥＦＧ結晶製造装置の垂直断面図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係るβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の成長中の様子を表す斜視図である。
【図４】図４は、種結晶を切り出すためのβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６を育成する様子を表す斜視図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、１．３×１０３／ｃｍ２程度の転位を含むβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、その主面上にエピタキシャル成長により形成されたＧａＮ層の表面の状態を表す、光学顕微鏡による観察画像である。
【図６】図６（ａ）、（ｂ）は、１．７×１０３／ｃｍ２程度の転位を含むβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、その主面上にエピタキシャル成長により形成されたＧａＮ層の表面の状態を表す、光学顕微鏡による観察画像である。
【図７】図７（ａ）、（ｂ）は、１×１０２／ｃｍ２以下の転位を含むβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、その主面上にエピタキシャル成長により形成されたＧａＮ層の表面の状態を表す光学顕微鏡による観察画像である。
【図８】図８は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面のピット状の欠陥の密度と、ＧａＮ層の表面のヒロック状の欠陥の密度との関係を表すグラフである。
【図９】図９（ａ）、（ｂ）は、ＴＥＭによる観察を行った部分のＧａＮ層の表面における位置を表す光学顕微鏡による観察画像である。
【図１０】図１０は、図９（ａ）、（ｂ）に示される領域における、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板とＧａＮ層の断面のＴＥＭによる観察画像である。
【図１１】図１１は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子の垂直断面図である。
【図１２】図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ窒化物半導体層４２のヒロック状の欠陥のない領域を用いて形成されたＬＥＤ素子、少数のヒロック状の欠陥が存在する領域を用いて形成されたＬＥＤ素子、多数のヒロック状の欠陥が存在する領域を用いて形成されたＬＥＤ素子の表面の光学顕微鏡による観察画像である。
【図１３】図１３は、ＬＥＤ素子内のヒロック状の欠陥の密度と、リーク電流の大きさの関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１の実施の形態〕
（半導体積層構造体の構造）
図１は、第１の実施の形態に係る半導体積層構造体４０の垂直断面図である。半導体積層構造体４０は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１と、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４上にエピタキシャル結晶成長により形成された窒化物半導体層４２を有する。また、図１に示されるように、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１と窒化物半導体層４２の格子不整合を緩和するために、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１と窒化物半導体層４２との間にバッファ層４１を設けることが好ましい。
【００１６】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶からなる。ここで、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶、又は、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｎｂ等の元素が添加されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶である。
【００１７】
β−Ｇａ２Ｏ３系結晶は単斜晶系に属するβ−ガリア構造を有し、不純物を含まないβ−Ｇａ２Ｏ３結晶の典型的な格子定数はａ０＝１２．２３Å、ｂ０＝３．０４Å、ｃ０＝５．８０Å、α＝γ＝９０°、β＝１０３．８°である。
【００１８】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面の面方位は、特定の面方位に限定されず、例えば、（−２０１）、（１０１）、（３１０）、（３−１０）、又は（１００）である。β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の厚さは、例えば、７００μｍである。
【００１９】
また、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４の表面の転位密度は、主面４の面方位に依らず１×１０３／ｃｍ２以下であり、転位が非常に少ない。この転位密度は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４の表面のピット状の欠陥の密度から得られたものである。β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４の表面の転位密度とピット状の欠陥の密度とは、ほぼ等しいことが本願発明者らによって確認されている。
【００２０】
上記のピット状の欠陥の密度は、主面４の面方位が（−２０１）面であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４の中心において光学顕微鏡による観察画像から測定されたものである。なお、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４の面方位が（−２０１）以外である場合、例えば（１０１）、（３１０）、又は（３−１０）である場合も、主面４の面方位が（−２０１）面である場合とほぼ等しい転位密度を有する。
【００２１】
一般に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の表面に転位が存在する場合、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等の研磨工程後や、酸を用いた洗浄後に、転位部においてエッチングが優先的に進行し、基板表面のエッチングが優先的に進行した部分がピット状の欠陥として現れる。また、上記の工程においてピット状の欠陥が露出しない場合であっても、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上の窒化物半導体層のエピタキシャル成長に用いられるＮＨ３やＨ２などの還元性ガスにより、転位部がエッチングされ、ピット状の欠陥が生じると考えられる。
【００２２】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の表面のピット状の欠陥上に成長した窒化物半導体層の表面には、後述するように、ヒロック状の欠陥（高さ１μｍ程度の凸部）が発生する。この窒化物半導体層のヒロック状の欠陥を有する部分を用いて半導体素子を製造した場合、リーク等の不良が生じるため、半導体素子の製造に用いることができる領域が少なく、歩留まりの低下につながる。
【００２３】
後述するように、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の表面のピット状の欠陥の密度と窒化物半導体層４２のヒロック状の欠陥の密度には対応関係があり、ピット状の欠陥の少ない窒化物半導体層４２を形成するためには、ピット状の欠陥の少ない、すなわち転位の少ないβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を用いることが求められる。また、発光素子やトランジスタ等の半導体素子の製造に用いるためには、窒化物半導体層４２のヒロック状の欠陥の密度が１×１０３／ｃｍ２以下であることが求められる。
【００２４】
バッファ層４１は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなる。バッファ層４１は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１上にアイランド状に形成されてもよいし、膜状に形成されてもよい。バッファ層４１は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。
【００２５】
また、バッファ層４１は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ結晶の中でも、特にＡｌＮ結晶（ｘ＝１、ｙ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。バッファ層４１がＡｌＮ結晶からなる場合、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１と窒化物半導体層４２との密着性がより高まる。バッファ層４１の厚さは、例えば、１〜５ｎｍである。
【００２６】
バッファ層４１は、例えば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４上に３７０〜５００℃程度の成長温度でＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をエピタキシャル成長させることにより、形成される。
【００２７】
窒化物半導体層４２は、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶からなり、特に、高い品質の結晶が得られやすいＧａＮ結晶（ｙ＝１、ｘ＝ｚ＝０）からなることが好ましい。窒化物半導体層４２の厚さは、例えば、５μｍである。窒化物半導体層４２は、Ｓｉ等の導電型不純物を含んでもよい。
【００２８】
窒化物半導体層４２は、例えば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４上にバッファ層４１を介して、１０００°程度の成長温度でＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）結晶をエピタキシャル成長させることにより、形成される。
【００２９】
（β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板の製造方法）
以下に、上記の転位密度の小さいβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の製造方法の一例を記載する。
【００３０】
図２は、第１の実施の形態に係るＥＦＧ(Edge Defined Film Fed Growth)結晶製造装置１０の垂直断面図である。
【００３１】
ＥＦＧ結晶製造装置１０は、石英管１８内に設置されたＧａ２Ｏ３系融液３０を受容するルツボ１１と、このルツボ１１内に設置されたスリット１２ａを有するダイ１２と、ダイ１２の開口部１２ｂを含む上面を露出させるようにしてルツボ１１の開口部を閉塞する蓋１３と、種結晶３１を保持する種結晶保持具１４と、種結晶保持具１４を昇降可能に支持するシャフト１５と、ルツボ１１を載置するための支持台１６と、石英管１８の内壁に沿って設けられた断熱材１７と、石英管１８の周囲に設けられた高周波誘導加熱用の高周波コイル１９と、石英管１８及び断熱材１７を支持する基部２２と、基部２２に取り付けられた脚部２３とを有する。
【００３２】
ＥＦＧ結晶製造装置１０は、さらに、ルツボ１１上のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２が育成される領域を囲むように設けられたＩｒ等からなるアフターヒーター２０と、アフターヒーター２０上に蓋のように設けられたＩｒ等からなる反射板２１を有する。
【００３３】
ルツボ１１は、Ｇａ２Ｏ３系原料を溶解させて得られたＧａ２Ｏ３系融液３０を収容する。ルツボ１１は、Ｇａ２Ｏ３系融液３０を収容しうるＩｒ等の高い耐熱性を有する材料からなる。
【００３４】
ダイ１２は、ルツボ１１内のＧａ２Ｏ３系融液３０を毛細管現象により上昇させるためのスリット１２ａを有する。ダイ１２は、ルツボ１１と同様に、Ｉｒ等の高い耐熱性を有する材料からなる。
【００３５】
蓋１３は、ルツボ１１から高温のＧａ２Ｏ３系融液３０が蒸発することを防止し、蒸発物がルツボ１１外の部材に付着することを防ぐ。
【００３６】
高周波コイル１９は、石英管１８の周囲に螺旋状に配置され、図示しない電源から供給される高周波の電流により、ルツボ１１及びアフターヒーター２０を誘導加熱する。これにより、ルツボ内のＧａ２Ｏ３系原料が溶解してＧａ２Ｏ３系融液３０が得られる。
【００３７】
断熱材１７は、ルツボ１１の周囲に所定の間隔を有して設けられている。断熱材１７は、保温性を有し、誘導加熱されたルツボ１１等の急激な温度変化を抑制することができる。
【００３８】
アフターヒーター２０は、誘導加熱により発熱し、反射板２１は、アフターヒーター２０及びルツボ１１から発せられた熱を下方に反射する。アフターヒーター２０は、ホットゾーンの径方向（水平方向）の温度勾配を低減することができ、反射板２１は、ホットゾーンの結晶成長方向の温度勾配を低減することができることが、本願発明者により確認されている。
【００３９】
アフターヒーター２０及び反射板２１をＥＦＧ結晶製造装置１０に設けることにより、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の転位密度を低減できる。このため、転位密度が小さいβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１をβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２から得ることができる。
【００４０】
図３は、第１の実施の形態に係るβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の成長中の様子を表す斜視図である。図３においては、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の周囲の部材の図示を省略する。
【００４１】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を育成するには、まず、ルツボ１１内のＧａ２Ｏ３系融液３０をダイ１２のスリット１２ａを通してダイ１２の開口部１２ｂまで上昇させ、種結晶３１をダイ１２の開口部１２ｂにあるＧａ２Ｏ３系融液３０に接触させる。次に、Ｇａ２Ｏ３系融液３０に接触させた種結晶３１を鉛直方向に引き上げ、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を成長させる。
【００４２】
種結晶３１は、双晶面を含まない、又はほぼ含まないβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶である。種結晶３１は、育成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２と幅及び厚さがほぼ等しい。このため、幅方向Ｗ及び厚さ方向Ｔに肩を広げることなく、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を育成することができる。
【００４３】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の育成は幅方向Ｗに肩を広げる工程を含まないため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の双晶化が抑えられる。なお、厚さ方向Ｔへの肩広げは、幅方向Ｗの肩広げと異なり、双晶が生じにくいため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の育成は厚さ方向Ｔに肩を広げる工程を含んでもよいが、厚さ方向Ｔへの肩広げを行わない場合は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２のほぼ全体が基板を切り出すことのできる平板状の領域となり、基板製造のコストを低減することができるため、図３に示されるように、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の厚さを確保するために厚さの大きい種結晶３１を用いて、厚さ方向Ｔへの肩広げを行わないことが好ましい。
【００４４】
種結晶３１の水平方向に向いた面３３の面方位と、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の主面３４の面方位が一致する。このため、例えば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２から主面４の面方位が（−２０１）であるβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を切り出す場合は、種結晶３１の面３３の面方位が（−２０１）である状態でβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を育成する。
【００４５】
次に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２と同等の幅を有する幅広の種結晶３１を四角柱状の幅の小さい種結晶を用いて形成する方法について述べる。
【００４６】
図４は、種結晶３１を切り出すためのβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６を育成する様子を表す斜視図である。
【００４７】
種結晶３１は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６の双晶面を含まない、又はほとんど含まない領域から切り出される。このため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６の幅（幅方向Ｗの大きさ）は、種結晶３１の幅よりも大きい。
【００４８】
また、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６の厚さ（厚さ方向Ｔの大きさ）は、種結晶３１の厚さより小さくてもよいが、その場合は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６から直接種結晶３１を切り出すのではなく、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６から切り出した種結晶を用いて厚さ方向Ｔに肩を広げて育成したβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶から種結晶３１を切り出す。
【００４９】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６の育成には、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の育成に用いられるＥＦＧ結晶製造装置１０とほぼ同じ構造のＥＦＧ結晶製造装置１００を用いることができるが、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６の幅、又は幅と厚さがβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２と異なるため、ＥＦＧ結晶製造装置１００のダイ１１２の幅、又は幅と厚さは、ＥＦＧ結晶製造装置１０のダイ１２と異なる。ダイ１１２の開口部１１２ｂの大きさは、ダイ１２の開口部１２ｂと等しくてよい。
【００５０】
種結晶３５は、育成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６よりも幅の小さい四角柱状のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶である。
【００５１】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６を育成するには、まず、ルツボ１１内のＧａ２Ｏ３系融液３０をダイ１１２のスリットを通してダイ１１２の開口部１１２ｂまで上昇させ、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１２の幅方向Ｗの中心から幅方向Ｗにずれた状態で、種結晶３５をダイ１１２の開口部１１２ｂにあるＧａ２Ｏ３系融液３０に接触させる。このとき、より好ましくは、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１１２の幅方向Ｗの端の上にある状態で、種結晶３５をダイ１１２の上面を覆うＧａ２Ｏ３系融液３０に接触させる。
【００５２】
次に、Ｇａ２Ｏ３系融液３０に接触させた種結晶３５を鉛直方向に引き上げ、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６を成長させる。
【００５３】
上述のように、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶は、（１００）面における劈開性が強く、結晶成長の肩広げの過程で（１００）面を双晶面（対称面）とする双晶が生じやすい。そのため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２からなるべく大きな双晶を含まない結晶を切り出すために、（１００）面がβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の成長方向に平行になるような方向、例えばｂ軸方向やｃ軸方向、にβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を成長させることが好ましい。
【００５４】
特に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶はｂ軸方向へ成長しやすい性質を有するため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２をｂ軸方向に成長させることがより好ましい。
【００５５】
また、育成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶が幅方向への肩広げ工程において双晶化するときは、種結晶に近い領域に双晶面が生じやすく種結晶から離れた位置では双晶面が生じにくい。
【００５６】
本実施の形態のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６の育成方法は、このようなβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶の双晶化の性質を利用したものである。本実施の形態によれば、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１２の幅方向Ｗの中心から幅方向Ｗにずれた状態でβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６を成長させるため、種結晶３５の水平方向の位置がダイ１２の幅方向Ｗの中心にある状態でβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６を成長させる場合と比較して、種結晶３５からの距離が大きい領域がβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６中に生じる。このような領域には双晶面が生じにくいため、幅広の種結晶３１を切り出すことができる。
【００５７】
なお、上記の種結晶３５を用いたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６の育成、及びβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３６からの種結晶の切り出しには、特願２０１３−１０２５９９に開示された技術を適用することができる。
【００５８】
次に、育成したβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２からβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を切り出す方法の一例について述べる。
【００５９】
まず、例えば、厚さが１８ｍｍのβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を育成した後、単結晶育成時の熱歪緩和と電気特性の向上を目的とするアニールを行う。このアニールは、例えば、窒素等の不活性雰囲気において、１４００〜１６００℃の温度を６〜１０時間保持することにより行われる。
【００６０】
次に、種結晶３１とβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の分離を行うため、ダイヤモンドブレードを用いて切断を行う。まず、カーボン系のステージに熱ワックスを介してβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を固定する。切断機にステージに固定されたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２をセッティングし、切断を行う。ブレードの粒度は＃２００〜＃６００（ＪＩＳＢ４１３１による規定）程度であることが好ましく、切断速度は毎分６〜１０ｍｍくらいが好ましい。切断後は、熱をかけてカーボン系ステージからβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を取外す。
【００６１】
次に、超音波加工機やワイヤー放電加工機を用いてβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の縁を円形に加工する。また、円形に加工されたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２の縁にオリエンテーションフラットを形成してもよい。
【００６２】
次に、マルチワイヤーソーにより、円形に加工されたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶３２を１ｍｍ程度の厚さにスライスし、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を得る。この工程において、所望のオフセット角をつけてスライスを行うことができる。ワイヤーソーは固定砥粒方式のものを用いることが好ましい。スライス速度は毎分０．１２５〜０．３ｍｍ程度が好ましい。
【００６３】
次に、加工歪緩和、及び電気特性向上、透過性向上を目的とするアニールをβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１に施す。昇温時には酸素雰囲気でのアニールを行い、昇温後に温度を保持する間は窒素雰囲気等の不活性雰囲気に切替えてアニールを行う。保持温度は１４００〜１６００℃が好ましい。
【００６４】
次に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１のエッジに所望の角度にて面取り（べベル）加工を施す。
【００６５】
次に、ダイヤモンドの研削砥石を用いて、所望の厚さになるまでβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を研削する。砥石の粒度は＃８００〜１０００（ＪＩＳＢ４１３１による規定）程度であることが好ましい。
【００６６】
次に、研磨定盤とダイヤモンドスラリーを用いて、所望の厚さになるまでβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板を研磨する。研磨定盤は金属系やガラス系の材質のものが好ましい。ダイヤモンドスラリーの粒径は０．５μｍ程度が好ましい。
【００６７】
次に、ポリッシングクロスとＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）用のスラリーを用いて、原子レベルの平坦性が得られるまでβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１を研磨する。ポリッシングクロスはナイロン、絹繊維、ウレタン等の材質のものが好ましい。スラリーにはコロイダルシリカを用いることが好ましい。ＣＭＰ工程後のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面の平均粗さはＲａ０．０５〜０．１ｎｍくらいである。
【００６８】
（半導体積層構造体の評価）
本実施の形態に係る半導体積層構造体４０は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４の表面の転位密度が小さいことを特徴の１つとする。以下に、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の主面４の表面の転位密度が、主面４上にエピタキシャル結晶成長により形成される窒化物半導体層４２の表面の状態に与える影響についての評価結果を述べる。
【００６９】
図５（ａ）、（ｂ）、及び図６（ａ）、（ｂ）は、比較的多くの転位を含むβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、その主面上にエピタキシャル成長により形成されたＧａＮ層の表面の状態を表す、光学顕微鏡による観察画像である。ここで、図５（ａ）に示されるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、図６（ａ）に示されるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の転位密度は、それぞれ１．３×１０３／ｃｍ２程度と１．７×１０３／ｃｍ２程度である。
【００７０】
また、図７（ａ）、（ｂ）は、比較的少ない転位を含むβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、その主面上にエピタキシャル成長により形成されたＧａＮ層の表面の状態を表す光学顕微鏡による観察画像である。ここで、図７（ａ）に示されるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の転位密度は、１×１０２／ｃｍ２以下である。
【００７１】
これらのβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板はβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１の一例として用いられたものであり、ＧａＮ層は窒化物半導体層４２の一例として用いられたものである。
【００７２】
図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）はβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面の状態を表し、図中の矢印はβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面の主なピット状の欠陥の位置を表す。また、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）はＧａＮ層の表面の状態を表し、図中の矢印はＧａＮ層の表面の主なヒロック状の欠陥の位置を表す。
【００７３】
図５（ａ）、（ｂ）、及び図６（ａ）、（ｂ）は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面のピット状の欠陥の位置に対応するＧａＮ層の表面の位置に、ヒロック状の欠陥が現れることを示している。そして、図７（ａ）、（ｂ）は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面のピット状の欠陥が存在しない領域に対応するＧａＮ層の表面の領域には、ヒロック状の欠陥が現れないことを示している。
【００７４】
図８は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面のピット状の欠陥の密度と、ＧａＮ層の表面のヒロック状の欠陥の密度との関係を表すグラフである。図８の横軸は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面の中心で測定されたピット状の欠陥の密度（／ｃｍ２）を表し、縦軸はＧａＮ層の表面の中心で測定されたヒロック状の欠陥の密度（／ｃｍ２）を表す。
【００７５】
図８は、ＧａＮ層の表面のヒロック状の欠陥の密度が、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面のピット状の欠陥の密度とほぼ等しくなることを示している。
【００７６】
また、図８は、発光素子やダイオード等の半導体素子の製造に適したヒロック状の欠陥の密度が１×１０３／ｃｍ２以下である窒化物半導体層４２が得られていることを示している。これは、本実施の形態においては、上述した製造方法により、転位密度の小さいβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１が得られることによる。なお、図８に示されるβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面のピット状の欠陥の密度の最小値は、９２．６（／ｃｍ２）である。
【００７７】
次に、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板とＧａＮ層の断面をＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いて観察し、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面のピット状の欠陥と、ＧａＮ層内の転位の状態を評価した。
【００７８】
図９（ａ）、（ｂ）は、ＴＥＭによる観察を行った部分のＧａＮ層の表面における位置を表す光学顕微鏡による観察画像である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の点線部分を拡大したものである。
【００７９】
図９（ａ）、（ｂ）に示される円形の凸部は、ＧａＮ層の表面のヒロック状の欠陥であり、このヒロック状の欠陥の中心を含む領域（図９（ｂ）の四角で囲まれた領域）を切り出して、ＴＥＭによる断面の観察を行った。
【００８０】
図１０は、図９（ａ）、（ｂ）に示される領域における、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板とＧａＮ層の断面のＴＥＭによる観察画像である。
【００８１】
図１０中の矢印は、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面の凹み（ピット状の欠陥）の位置を示している。
【００８２】
図１０は、ヒロック状の欠陥の中心部の直下のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の表面にピット状の欠陥が存在し、そのピット状の欠陥の直上にＧａＮ層内の密集した転位が延びていることを示している。転位はβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板とＧａＮ層との界面で発生し、ＧａＮ層の成長とともに上方に延びる。ＧａＮ層中の黒い部分は全て転位部分である。このとき、図１０に示されるように、ピット状の欠陥の直上の領域には、その周囲の領域よりも多くの転位が発生する。このため、ＧａＮ層のピット状の欠陥の直上の領域は、特に結晶品質が悪くなる。
【００８３】
〔第２の実施の形態〕
（半導体素子の構造）
第２の実施の形態は、第２の実施の形態に係る半導体積層構造体４０を含む半導体素子についての形態である。以下に、その半導体素子の一例として、ＬＥＤ素子について説明する。
【００８４】
図１１は、第２の実施の形態に係るＬＥＤ素子５０の垂直断面図である。ＬＥＤ素子５０は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１と、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１上のバッファ層５２と、バッファ層５２上のｎ型クラッド層５３と、ｎ型クラッド層５３上の発光層５４と、発光層５４上のｐ型クラッド層５５と、ｐ型クラッド層５５上のコンタクト層５６と、コンタクト層５６上のｐ側電極５７と、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１のバッファ層５２と反対側の面上のｎ側電極５８とを有する。
【００８５】
また、バッファ層５２、ｎ型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５、及びコンタクト層５６から構成される積層体の側面は、絶縁膜５９に覆われる。
【００８６】
ここで、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１、バッファ層５２、及びｎ型クラッド層５３は、第１の実施の形態の半導体積層構造体４０を構成するβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１、バッファ層４１、及び窒化物半導体層４２をそれぞれ分割又はパターニングしたものである。β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１、バッファ層５２、及びｎ型クラッド層５３の厚さは、例えば、それぞれ４００μｍ、５ｎｍ、５μｍである。
【００８７】
β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１は、導電型不純物を添加することにより導電性を有することができるため、ＬＥＤ素子５０のような、厚さ方向に通電する縦型の半導体素子に用いることができる。また、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１は、広範囲の波長の光に対して透明であるため、ＬＥＤ素子５０のような発光素子において、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１側から光を取り出すことができる。
【００８８】
半導体積層構造体４０の窒化物半導体層４２から形成されるｎ型クラッド層５３は、ヒロック状の欠陥が少ないため、ｎ型クラッド層５３上にエピタキシャル成長により形成される発光層５４、ｐ型クラッド層５５、及びコンタクト層５６も、欠陥が少ない。このため、ＬＥＤ素子５０は、リーク特性、信頼性、駆動特性等に優れる。
【００８９】
発光層５４は、例えば、３層の多重量子井戸構造と、その上の厚さ１０ｎｍのＧａＮ結晶膜からなる。各多重量子井戸構造は、厚さ８ｎｍのＧａＮ結晶膜と厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ結晶膜からなる。発光層５４は、例えば、成長温度７５０℃で各結晶膜をｎ型クラッド層５３上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
【００９０】
ｐ型クラッド層５５は、例えば、厚さ１５０ｎｍの、濃度５．０×１０１９／ｃｍ３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。ｐ型クラッド層５５は、例えば、成長温度１０００℃でＭｇを含むＧａＮ結晶を発光層５４上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
【００９１】
コンタクト層５６は、例えば、厚さ１０ｎｍの、濃度１．５×１０２０／ｃｍ３のＭｇを含むＧａＮ結晶膜である。コンタクト層５６は、例えば、成長温度１０００℃でＭｇを含むＧａＮ結晶をｐ型クラッド層５５上にエピタキシャル成長させることにより形成される。
【００９２】
バッファ層５２、ｎ型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５、及びコンタクト層５６の形成においては、Ｇａ原料としてＴＭＧ(トリメチルガリウム)ガス、Ｉｎ原料としてＴＭＩ(トリメチルインジウム)ガス、Ｓｉ原料として（Ｃ２Ｈ５）２ＳｉＨ２(ジエチルシラン)ガス、Ｍｇ原料としてＣｐ２Ｍｇ(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)ガス、Ｎ原料としてＮＨ３(アンモニア)ガスを用いることができる。
【００９３】
絶縁膜５９は、ＳｉＯ２等からなる絶縁材料からなり、例えば、スパッタリングにより形成される。
【００９４】
ｐ側電極５７及びｎ側電極５８は、それぞれコンタクト層５６及びβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１にオーミック接合する電極であり、例えば、蒸着装置を用いて形成される。
【００９５】
ＬＥＤ素子５０は、ウェハ状態のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１（β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板１）上に、バッファ層５２、ｎ型クラッド層５３、発光層５４、ｐ型クラッド層５５、コンタクト層５６、ｐ側電極５７、及びｎ側電極５８を形成した後、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１をダイシングによって、例えば、３００μｍ角のチップサイズに分離することにより得られる。
【００９６】
ＬＥＤ素子５０は、例えば、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１側から光を取り出すＬＥＤチップであり、キャンタイプのステムにＡｇペーストを用いて実装される。
【００９７】
なお、上述のように、第１の実施の形態の半導体積層構造体４０を含む半導体素子として、発光素子であるＬＥＤ素子５０を一例として挙げたが、半導体素子はこれに限定されるものではなく、レーザーダイオード等の他の発光素子や、トランジスタ等の他の素子であってもよい。半導体積層構造体４０を用いて他の素子を形成する場合であっても、ＬＥＤ素子５０と同様に、エピタキシャル成長により半導体積層構造体４０上に形成される層の欠陥が少ないため、高品質の素子を得ることができる。
【００９８】
図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ窒化物半導体層４２のヒロック状の欠陥のない領域を用いて形成されたＬＥＤ素子５０（以下、ＬＥＤ素子５０ａと呼ぶ）、少数のヒロック状の欠陥が存在する領域を用いて形成されたＬＥＤ素子５０（以下、ＬＥＤ素子５０ｂと呼ぶ）、多数のヒロック状の欠陥が存在する領域を用いて形成されたＬＥＤ素子５０（以下、ＬＥＤ素子５０ｃと呼ぶ）の表面の光学顕微鏡による観察画像である。
【００９９】
図中の矢印はＬＥＤ素子５０ｂ、５０ｃの表面（ｐ側電極５７の表面）の主なヒロック状の欠陥の位置を表す。ＬＥＤ素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃの平面形状は、１ｍｍ×１ｍｍの四角形である。ＬＥＤ素子５０ｂ、５０ｃのヒロック状の欠陥の密度は、それぞれ１．２×１０３／ｃｍ２、２．０×１０３／ｃｍ２である。なお、ＬＥＤ素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃのβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１は、観察時及び後述するリーク電流測定を行う時点ではチップサイズに分離されていない。
【０１００】
ここで、ＬＥＤ素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃのβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１は厚さ４００μｍのβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板であり、バッファ層５２は厚さ５ｎｍのＡｌＮ結晶層であり、ｎ型クラッド層５３は厚さ５μｍのＧａＮ結晶層であり、発光層５４は厚さ８ｎｍのＧａＮ結晶膜と厚さ２ｎｍのＩｎＧａＮ結晶膜から構成される多重量子井戸構造を有し、ｐ型クラッド層５５は厚さ１５０ｎｍのＧａＮ結晶層であり、コンタクト層５６は厚さ１０ｎｍのＧａＮ結晶層であり、ｐ側電極５７は厚さ５００ｎｍのＡｇ膜、厚さ１μｍのＰｔ膜、厚さ３μｍのＡｕＳｎ膜を積層した構造を有し、ｎ側電極５８は厚さ５０ｎｍのＴｉ膜と厚さ１μｍのＡｕ膜を積層した構造を有する。
【０１０１】
ＬＥＤ素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃのｐ側電極５７とｎ側電極５８の間に２．０Ｖの順方向の電圧を印加したときの電流値（リーク電流の大きさ）を測定したところ、測定値はそれぞれ３．１μＡ、１２６μｍ、１０００μＡ以上（測定装置の測定限界値以上）であった。そして、ＬＥＤ素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃの発光状態を調べたところ、ＬＥＤ素子５０ａ、５０ｂは発光したが、ＬＥＤ素子５０ｃは発光しなかった。
【０１０２】
図１３は、ＬＥＤ素子５０ａ、５０ｂ、５０ｃと同様の構造を有するＬＥＤ素子５０内のヒロック状の欠陥の密度と、リーク電流の大きさの関係を表すグラフである。図１３の横軸はＬＥＤ素子５０内のヒロック状の欠陥の密度（／ｃｍ２）を表し、縦軸はｐ側電極５７とｎ側電極５８の間に２．０Ｖの順方向の電圧を印加したときのリーク電流の大きさ（／ｃｍ２）を表す。図中の点線は、測定装置のリーク電流の測定限界値（１０００μＡ）を表す。
【０１０３】
図１３は、ＬＥＤ素子５０内のヒロック状の欠陥の密度が１×１０３／ｃｍ２を超えると、リーク電流が急激に増加することを示している。ＬＥＤ素子５０内のヒロック状の欠陥の密度は、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１の転位密度の転位密度とほぼ等しいため、β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板５１の転位密度が１×１０３／ｃｍ２以下である場合に、動作特性及び信頼性に優れたＬＥＤ素子５０が得られることがわかる。
【０１０４】
（実施の形態の効果）
上記第１の実施の形態によれば、第１の実施の形態に記載された育成方法により、転位の少ない高品質のβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を育成し、そのβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶を加工することにより、転位密度の小さい結晶品質に優れたβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板を得ることができる。そして、その転位密度の小さいβ−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板上に窒化物半導体結晶をエピタキシャル成長させることにより、ヒロック状の欠陥の密度が小さい結晶品質に優れる窒化物半導体層を形成し、高品質の半導体積層構造体を得ることができる。
【０１０５】
上記第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態において得られる高品質の半導体積層構造体を用いることにより、半導体積層構造体上に高品質の結晶膜をエピタキシャル成長させ、結晶品質に優れた高性能の半導体素子を得ることができる。
【０１０６】
本発明は、上記の実施の形態に限定されず、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。
【０１０７】
また、上記の実施の形態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、実施の形態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。
【符号の説明】
【０１０８】
１…β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板、  ４…主面、  ４０…半導体積層構造体、  ４１…バッファ層、  ４２…窒化物半導体層、  ５０…ＬＥＤ素子、  ５１…β−Ｇａ２Ｏ３系単結晶基板、  ５２…バッファ層、  ５３…ｎ型クラッド層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図１１】
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【図１３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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