(57)【要約】【課題】本発明は、ｎ型不純物を高濃度で含有すると共に、結晶品質に優れた自立基板を提供するものである。【解決手段】自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する工程と、下地基板２１０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２５０を形成する工程とを含む。ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程は、ｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であり、厚さが５０μｍ以上である高濃度領域２２０を形成する工程を含む。高濃度領域２２０を形成する工程では、成長温度を１１２０℃以上とする。自立基板の貫通転位密度を５×１０６ｃｍ−２以下とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上に、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み、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程は、ｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であり、厚さが５０μｍ以上である高濃度領域を形成する工程を含み、
前記高濃度領域を形成する工程では、成長温度を１１２０℃以上とし、
貫通転位密度を５×１０６ｃｍ−２以下とする自立基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程は、低濃度領域を形成する工程をさらに含み、
前記低濃度領域の前記ｎ型不純物の濃度は、５×１０１８ｃｍ−３未満である自立基板の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程は、前記高濃度領域を形成する工程の前に、前記低濃度領域を形成する工程を含み、
前記低濃度領域の前記ｎ型不純物の濃度は、前記下地基板の前記ｎ型不純物の濃度以上である自立基板の製造方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程において、前記高濃度領域以外の領域の前記ｎ型不純物の濃度を、くまなく５×１０１８ｃｍ−３未満とするよう、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する自立基板の製造方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程は、前記ｎ型不純物の濃度が前記下地基板から遠ざかるにつれて連続的に高くなる濃度傾斜領域を形成する工程を含む自立基板の製造方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程は、成長温度を上昇させながら前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する、昇温形成工程を含む自立基板の製造方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程の後に、前記下地基板を除去する工程をさらに含む自立基板の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の自立基板の製造方法において、
前記下地基板を除去する工程では、前記下地基板および、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層の一部を除去する自立基板の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８に記載の自立基板の製造方法において、
前記下地基板を除去する工程では、少なくとも一方の面を前記高濃度領域の露出面とする自立基板の製造方法。
【請求項１０】
請求項１から６のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程の後に、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層をスライスする工程をさらに含み、少なくとも一方の面を前記高濃度領域の露出面とする自立基板の製造方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記下地基板および前記ＩＩＩ族窒化物半導体層はいずれも同じＩＩＩ族窒化物半導体からなる自立基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の自立基板の製造方法において、
前記下地基板および前記ＩＩＩ族窒化物半導体層はいずれも窒化ガリウムからなる自立基板の製造方法。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記ｎ型不純物はＳｉである自立基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の自立基板の製造方法において、
前記高濃度領域における、前記ｎ型不純物の濃度に対するキャリア濃度の比が２５℃にて０．７以上である自立基板の製造方法。
【請求項１５】
５０μｍ以上の厚さに亘ってｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である高濃度領域を有し、
貫通転位密度が５×１０６ｃｍ−２以下であるＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板。
【請求項１６】
請求項１５に記載の自立基板において、
少なくとも一方の面に前記高濃度領域が露出している自立基板。
【請求項１７】
請求項１６に記載の自立基板において、
他方の面の表面近傍において前記ｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３未満である自立基板。
【請求項１８】
請求項１６に記載の自立基板において、
両方の面に前記高濃度領域が露出している自立基板。
【請求項１９】
請求項１５から１８のいずれか一項に記載の自立基板において、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体は窒化ガリウムである自立基板。
【請求項２０】
請求項１５から１９のいずれか一項に記載の自立基板において、
前記ｎ型不純物はＳｉである自立基板。
【請求項２１】
請求項１５から２０のいずれか一項に記載の自立基板において、
前記高濃度領域における前記ｎ型不純物の濃度に対するキャリア濃度の比が２５℃にて０．７以上である自立基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自立基板の製造方法および自立基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）から成る自立基板として、たとえば特許文献１に記載のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６２４３１号公報
【特許文献２】特開２００９−１４７３１９号公報
【特許文献３】特開２００２−３５３５０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＧａＮから成る自立基板に高濃度のｎ型不純物を含有させることができれば、その自立基板を用いてデバイスを作製する際の設計自由度や応用が広がることが期待される。しかし、自立基板の製造において、ｎ型不純物を高濃度で含有させることが難しい。
【０００５】
自立基板の製法ではないが、ＧａＮやサファイアなどの基板上にデバイスのｎ型層を形成する際に、ｎ型不純物を高濃度でドープする先行技術がある。特許文献２には、ｎ型不純物を５．８×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープすることが記載されている。しかしながら、高濃度でドープすると、転位が増加したり、ひどい場合にはクラックが発生したりする等の不具合が生じることが知られている。
【０００６】
実際に、特許文献３には、ＧａＮ系化合物半導体において、ｎ型層のキャリア濃度が大きいほど電気抵抗は小さくなるが、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３を超える場合はｎ型層にクラックが発生する頻度が上昇することが記載されている。よって、現実にはｎ型不純物を高濃度でドープすることは難しかった。
【０００７】
加えて、ｎ型不純物を高濃度でドープすることは、膜厚の小さいデバイス層では比較的行いやすいが、自立基板においては厚膜成長をさせることが必要なため困難であった。特許文献２においても、２０μｍを越える厚膜とすると表面荒れが生じ易いことが記載されている。自立基板については、デバイス層以上に転位密度が低くある必要性が高く、かつ、厚膜成長させる必要があるため、ｎ型不純物濃度の高さと、転位密度の低さとのバランスを取ることが困難であった。
【０００８】
また、発明者が鋭意検討した結果、サファイアなどの異種基板上にＧａＮ層を形成する場合には、比較的ｎ型不純物濃度を高め易いが、特に自立化させたＧａＮ基板上にＧａＮ層を形成する場合には、ｎ型不純物濃度を高めることが、困難であることが分かった。理由は定かではないが、例えば異種基板上成長では、異種基板とＧａＮの相互作用で生じる歪の関与で不純物濃度を高めやすいこと、同種基板上成長では低転位密度結晶が形成されるために転位周辺への不純物取り込みが相対的に減少し、不純物の添加がより困難になることなどが考えられる。
【０００９】
本発明は、ｎ型不純物を高濃度で含有すると共に、結晶品質に優れた自立基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、
ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板を準備する工程と、
前記下地基板上に、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み、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する工程は、ｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であり、厚さが５０μｍ以上である高濃度領域を形成する工程を含み、
前記高濃度領域を形成する工程では、成長温度を１１２０℃以上とし、
貫通転位密度を５×１０６ｃｍ−２以下とする自立基板の製造方法が提供される。
【００１１】
本発明によれば、
５０μｍ以上の厚さに亘ってｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である高濃度領域を有し、
貫通転位密度が５×１０６ｃｍ−２以下であるＩＩＩ族窒化物半導体の自立基板が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ｎ型不純物を高濃度で含有すると共に、結晶品質に優れた自立基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る自立基板の製造に用いるＨＶＰＥ装置の構造を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る自立基板の製造方法の工程について説明するための図である。
【図３】第２の実施形態に係る自立基板の製造方法の工程について説明するための図である。
【図４】第２の実施形態の変形例におけるドーピングガスの供給流量について説明するための図である。
【図５】第３の実施形態に係る自立基板の製造方法の工程について説明するための図である。
【図６】比較例に係る方法で形成したＧａＮ層の成長表面を微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図７】形成したＧａＮ層の成長表面を、Ｘ線回折測定で測定した際の、（０００４）ロッキングカーブ半値幅とキャリア濃度との関係、およびキャリア密度とエッチピット密度（ＥＰＤ）との関係を示した図である。
【図８】実施例に係る方法で成長させた、最表面のＧａＮ層（高濃度領域）の成長表面を微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す図である。
【図９】ＨＣｌに対するＳｉＨ２Ｃｌ２の供給分圧比と、ＧａＮ層のキャリア濃度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１５】
（第１の実施形態）
第１の実施形態によれば、自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する工程と、下地基板２１０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２５０を形成する工程とを含む。ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程は、ｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であり、厚さが５０μｍ以上である高濃度領域２２０を形成する工程を含む。高濃度領域２２０を形成する工程では、成長温度を１１２０℃以上とする。自立基板の貫通転位密度を５×１０６ｃｍ−２以下とする。
【００１６】
まず、本実施形態においてＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の成長に用いる気相成長装置について説明する。本実施形態に係る自立基板の製造はハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いて行う。ＨＶＰＥ法により高速成長が可能であり、製造効率に優れるためである。図１は、本実施形態に係る自立基板の製造に用いるＨＶＰＥ装置１００の構造を示す図である。
【００１７】
ＨＶＰＥ装置１００は反応管１２１、基板ホルダ１２３、ＩＩＩ族ガス供給部１３９、窒素原料ガス供給部１３７、ドーピングガス供給管１２５、ガス排出管１３５、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０を備える。基板ホルダ１２３は反応管１２１内に設けられている。ＩＩＩ族ガス供給部１３９は、ＩＩＩ族原料ガスを反応管１２１内のうち基板ホルダ１２３を含む成長領域１２２に供給する。窒素原料ガス供給部１３７は、窒素原料ガスを成長領域１２２に供給する。ドーピングガス供給管１２５は、ドーピングガスを成長領域１２２に供給する。ガス排出管１３５は、反応管１２１内のガスを排出する。
【００１８】
ＨＶＰＥ装置１００では、基板ホルダ１２３に保持された基板１３３上に、ＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させる。基板ホルダ１２３は回転軸１３２に取り付けられており、回転自在となっている。
【００１９】
反応管１２１には、第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６が接続され、第１のガス供給管１２４の供給口と第２のガス供給管１２６の供給口の間には遮蔽板１３６が設けられている。反応管１２１のうち、第１のガス供給管１２４、ドーピングガス供給管１２５、および第２のガス供給管１２６の供給口に近い側を上流側と呼び、ガス排出管１３５に近い側を下流側と呼ぶ。遮蔽板１３６は、反応管１２１の上流側の空間を、上層と下層のふたつの層に分離している。当該下層の領域には、ソースボート１２８が備えられており、ソースボート１２８にはＩＩＩ族原料１２７が保持されている。ＩＩＩ族原料１２７はたとえばガリウム（Ｇａ）である。第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６から供給されるガスは、必要に応じて反応管１２１内をパージするパージガスに切り替えることができる。パージガスはたとえば窒素（Ｎ２）ガスである。
【００２０】
第１のガス供給管１２４からは反応管１２１内へ窒素原料ガスが供給される。窒素原料ガスはたとえばアンモニア（ＮＨ３）である。第２のガス供給管１２６からは反応管１２１内へハロゲン含有ガスが供給される。ハロゲン含有ガスはたとえば塩化水素（ＨＣｌ）である。ドーピングガス供給管１２５からは反応管１２１内へドーピングガスが供給される。ドーピングガスとして、たとえばジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）やモノシラン（ＳｉＨ４）を用いることにより、シリコン（Ｓｉ）をｎ型不純物として添加することができる。もしくは、ドーピングガスとして、たとえば四塩化ゲルマニウム（ＧｅＣｌ４）または水素化ゲルマニウム（ＧｅＨ４）を用いることでゲルマニウム（Ｇｅ）をｎ型不純物として添加することができる。もしくは、ドーピングガスとして、たとえば酸素（Ｏ２）、一酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）、または水蒸気（Ｈ２Ｏ）を用いることで酸素（Ｏ）をｎ型不純物として添加することができる。
【００２１】
窒素原料ガス供給部１３７は、第１のガス供給管１２４と、反応管１２１のうち遮蔽板１３６より上層の領域（ドーピングガス供給管１２５およびその内部を除く）とを含む。ＩＩＩ族ガス供給部１３９は、第２のガス供給管１２６、ソースボート１２８、ＩＩＩ族原料１２７、および反応管１２１のうち遮蔽板１３６より下層の領域を含む。窒素原料ガス供給部１３７およびＩＩＩ族ガス供給部１３９の周囲には第１のヒータ１２９が配置されている。
【００２２】
第１のガス供給管１２４から供給された窒素原料ガスは窒素原料ガス供給部１３７中を下流に向かって通過し、基板１３３表面に供給される。その際、窒素原料ガス供給部１３７内は第１のヒータ１２９から加えられる熱により、たとえば８００℃以上９００℃以下の温度に維持されている。この熱により、窒素原料ガス供給部１３７では窒素原料ガスの分解が促進される。
【００２３】
ＩＩＩ族ガス供給部１３９では、第２のガス供給管１２６から供給されたハロゲン含有ガスとソースボート１２８に保持されたＩＩＩ族原料１２７とから、ＩＩＩ族原料ガスが生成される。生成されたＩＩＩ族原料ガスは、基板ホルダ１２３に保持された基板１３３の表面に供給される。その際、ＩＩＩ族ガス供給部１３９内は第１のヒータ１２９から加えられる熱により、たとえば８００℃以上９００℃以下の温度に維持されている。第２のガス供給管１２６から供給されたハロゲン含有ガスは、ＩＩＩ族ガス供給部１３９中を下流に向かって通過する際、ソースボート１２８中に保持されたＩＩＩ族原料１２７の表面または揮発したＩＩＩ族原料１２７と接触する。そして、ＩＩＩ族原料ガスが生成される。たとえば、ハロゲン含有ガスがＨＣｌであり、ＩＩＩ族原料１２７がＧａである場合、ＩＩＩ族ガス供給部１３９ではガリウム塩化物（ＧａＣｌ）を含むＩＩＩ族原料ガスが生成される。
【００２４】
反応管１２１のうち、窒素原料ガス供給部１３７およびＩＩＩ族ガス供給部１３９の下流側に位置する成長領域１２２には、基板１３３を保持した基板ホルダ１２３が配置されている。成長領域１２２には、窒素原料ガス供給部１３７から窒素原料ガスが供給され、ＩＩＩ族ガス供給部１３９からＩＩＩ族原料ガスが供給される。そして、この基板１３３上にＩＩＩ族窒化物半導体層が形成される。成長領域１２２の周囲には第２のヒータ１３０が配置されており、必要に応じて成長領域１２２に熱を加える。ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成する間、基板ホルダ１２３を、回転軸１３２を軸として回転させることで、基板１３３の面内で均一な層を得ることができる。
【００２５】
次に、本実施形態に係る自立基板の製造方法の工程について説明する。
図２は、本実施形態に係る自立基板の製造方法の工程について説明するための図である。本実施形態に係る自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する工程と、下地基板２１０上にＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程とを含む。本実施形態において、下地基板２１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２５０はいずれも窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０は上述したＨＶＰＥ装置１００を用い、ハイドライド気相成長法により形成される。
【００２６】
本実施形態では、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を高濃度領域２２０のみからなる層とする例について説明する。ｎ型不純物濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上であり、厚さが５０μｍ以上である層状の領域を高濃度領域２２０と呼ぶ。なお、以降の説明において領域とは、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０に含まれる、層状に形成された領域を示す。
【００２７】
まず、図２（ａ）のように、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する。下地基板２１０におけるｎ型不純物の濃度は下地基板２１０を準備する際や、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する際のクラック発生防止の観点から、１×１０１６ｃｍ−３以上が好ましく、５×１０１７ｃｍ−３以上がより好ましい。また、同様の観点から、下地基板２１０におけるｎ型不純物の濃度は５×１０１８ｃｍ−３未満が好ましい。次に、下地基板２１０をＨＶＰＥ装置１００の基板ホルダ１２３に基板１３３として取り付ける。下地基板２１０の厚さはハンドリングの容易性の観点から、５０μｍ以上が好ましく、３００μｍ以上がより好ましい。
【００２８】
第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６からパージガスを供給し、反応管１２１内をパージする。反応管１２１内に供給したパージガスはガス排出管１３５より排出される。反応管１２１内を十分にパージした後、第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６から供給するガスをキャリアガスに切り替える。キャリアガスはたとえばＨ２（水素）ガスである。
【００２９】
次に、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。昇温中に、第１のガス供給管１２４から、キャリアガスに加えて窒素原料ガスの供給を開始する。本実施形態では、窒素原料ガスとしてＮＨ３を用いる。第１のガス供給管１２４から供給された窒素原料ガスは熱により分解されて成長領域１２２に供給される。引き続き、ＩＩＩ族原料１２７の温度がたとえば８５０℃になるまで第１のヒータ１２９による昇温を続ける。成長領域１２２の温度が１１２０℃以上、より好ましくは１１５０℃以上になるまで第２のヒータ１３０による昇温を続ける。ここで、ｎ型不純物を高濃度で含有すると共に、結晶品質に優れた高濃度領域２２０を形成する観点から、高濃度領域２２０は１１２０℃以上、好ましくは１１５０℃以上の成長温度で形成する。以後、成長温度とは、層形成時における成長領域１２２の温度を示す。
【００３０】
ＩＩＩ族原料１２７および成長領域１２２の温度が安定した後、第２のガス供給管１２６から、キャリアガスに加えてハロゲン含有ガスの供給を開始する。本実施形態では、ハロゲン含有ガスとしてＨＣｌを用いる。第２のガス供給管１２６から供給したハロゲン含有ガスがＩＩＩ族原料１２７と反応してＩＩＩ族原料ガスが生成され、ＩＩＩ族原料ガスが成長領域１２２に供給される。
【００３１】
第２のガス供給管１２６から、キャリアガスに加えてハロゲン含有ガスの供給を開始すると同時に、成長領域１２２にドーピングガス供給管１２５からドーピングガスの供給を開始する。成長領域１２２では、窒素原料ガス、ＩＩＩ族原料ガス、およびドーピングガスが反応して下地基板２１０上にＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が形成される。この際、ｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上となるよう、ドーピングガスの供給流量を設定する。
【００３２】
本実施形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の成長面はｃ面（０００１）とする。ただし、成長面を無極性面、非極性面とすることもできる。
【００３３】
高濃度領域２２０を形成する際のハロゲン含有ガスの供給流量に対する、ドーピングガスの供給流量の比は、１×１０−５以上が好ましく、３×１０−５以上がより好ましく、また、８×１０−５以下が好ましく、５×１０−５以下がより好ましい。これらの条件により、高濃度領域２２０の形成工程では、ｎ型不純物を高濃度で含有すると共に、結晶品質に優れた高濃度領域２２０を形成することができる。
【００３４】
本実施形態では、ドーピングガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２を用い、ｎ型不純物をＳｉとする。なお、ドーピングガスとしてたとえばＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉＨ４を用いることで、ｎ型不純物をＳｉとすることができる。ドーピングガスとして、ＳｉＨ２Ｃｌ２やＳｉＨ４の代わりにたとえばＧｅＣｌ４またはＧｅＨ４を用いることでｎ型不純物をＧｅとすることもできるし、代わりにたとえばＯ２、Ｎ２Ｏ、またはＨ２Ｏを用いることでｎ型不純物をＯとすることもできる。
【００３５】
そして、高濃度領域２２０の厚さが５０μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上となるまで形成を続ける。窒素原料ガス、ＩＩＩ族原料ガス（ハロゲン含有ガス）、およびドーピングガスの供給流量や、成長温度などを最適化することによって、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板２１０上に、ｎ型不純物を高濃度で含有し、結晶品質に優れた高濃度領域２２０を形成することができる。ここで、高濃度領域２２０の、Ｘ線回折測定で測定される（０００４）ロッキングカーブ半値幅は６０ａｒｃｓｅｃ以下とすることができる。
【００３６】
図２（ｂ）のように高濃度領域２２０の厚さが所定の膜厚となった時点で、ドーピングガス供給管１２５からのドーピングガスの供給および第２のガス供給管１２６からのハロゲン含有ガスの供給を停止し、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０を停止して、反応管１２１を降温する。降温中にも第１のガス供給管１２４からの窒素原料ガスの供給を続け、成長領域１２２の温度がたとえば６００℃以下になった時点で、第１のガス供給管１２４から供給するガスを、キャリアガスおよび窒素原料ガスからパージガスに切り替える。そして、温度が十分に下がった後、下地基板２１０の上にＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が形成された基板１３３を反応管１２１から取り出す。
【００３７】
ここで、下地基板２１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２５０からなる積層体の貫通転位密度は５×１０６ｃｍ−２以下である。また、当該貫通転位密度は１×１０３ｃｍ−２以上である。貫通転位密度はＩＩＩ族窒化物半導体層２５０上面にエッチピットを形成し、形成したエッチピットの密度を計測することにより測定できる。なお、高濃度領域２２０において、ｎ型不純物の濃度に対するキャリア濃度の比は２５℃において０．７以上である。よって、添加したｎ型不純物が効率的にはたらき、特性の良いデバイスを製造できる。
【００３８】
本実施形態に係る自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程の後に、下地基板２１０を除去する工程をさらに含む。図２（ｃ）のように下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０との積層体の、下地基板２１０が露出した面を研磨することで、下地基板２１０が除去されたＩＩＩ族窒化物半導体層２５０からなる自立基板を得ることができる。ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０は、高濃度領域２２０のみからなるため、両方の面に高濃度領域２２０が露出した自立基板が得られる。
【００３９】
ただし、下地基板２１０を除去せず、下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０とからなる構造を自立基板としてもよい。このとき、一方の面には高濃度領域２２０が露出し、他方の面の表面近傍において、ｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３未満となるような自立基板が得られる。なお、表面近傍とは以後、表面の付着物や吸着物等による影響が、測定されるｎ型不純物の濃度に現れない程度の深さ領域を示す。得られる自立基板は、厚さ５０μｍ以上に亘って、ｎ型不純物濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である高濃度領域２２０を有する。また、自立基板の貫通転位密度は５×１０６ｃｍ−２以下となる。また、当該貫通転位密度は１×１０３ｃｍ−２以上となる。
【００４０】
自立基板の貫通転位の測定方法について以下に説明する。ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の成長面、すなわち、図２（ｂ）に示す下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０との積層体において、下地基板２１０からは厚さ方向に遠いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の主面を主面Ｓ１とよび、一方、下地基板２１０に厚さ方向に近いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の主面を主面Ｓ２と呼ぶ。ここで、下地基板２１０から引き継がれた主面Ｓ２での転位の一部が主面Ｓ１まで貫通し、貫通転位となる。よって、主面Ｓ１での転位密度は、主面Ｓ２での転位密度よりも低くなり、主面Ｓ１での転位密度を貫通転位密度とみなすことができる。たとえば下地基板２１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２５０がｃ面成長のＧａＮである場合、主面Ｓ１はＧａ面となり、エッチングにより主面Ｓ１にエッチピットを形成してエッチピットの密度を測定することで、下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０との積層体の貫通転位密度を測定できる。
【００４１】
図２（ｃ）のように下地基板２１０を除去して自立基板とした場合、積層体において主面Ｓ１であった側の面が自立基板の主面Ｓ１'となり、主面Ｓ２であった側の面が自立基板の主面Ｓ２'となる。よって、主面Ｓ１'での転位密度を自立基板の貫通転位密度とみなして求めることができる。たとえば下地基板２１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２５０がｃ面成長のＧａＮである場合、主面Ｓ１'はＧａ面となり、主面Ｓ２'はＮ面となる。Ｎ面はエッチングによりエッチピットを形成せず、Ｇａ面よりもエッチングレートが高いので、主面Ｓ１'と主面Ｓ２'とを識別することができる。そして、上述のように主面Ｓ１'でのエッチピット形成、測定を行うことで、自立基板の貫通転位密度を測定することができる。
【００４２】
もしくは、自立基板の両面の転位密度を測定し、小さい方を貫通転位密度として求めることができる。なお、ＧａＮ基板のＮ面の転位密度は、自立基板が薄くなるようＧａ面側から削り、Ｎ面近傍の転位密度を、Ｇａ面側からエッチピット形成および測定することで求められる。
【００４３】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の後、下地基板２１０を除去する工程の代わりに、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０をスライスする工程を含んでも良い。厚膜に成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を成長面に平行な面でスライスすることで、高濃度領域２２０からなる複数の自立基板を得ることができる。
【００４４】
下地基板２１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２５０は同じＩＩＩ族窒化物半導体から成ることが好ましい。結晶の格子定数や熱膨張率が近く、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られるためである。
【００４５】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、ｎ型不純物を高濃度で含有すると共に、結晶品質に優れた自立基板が得られる。
【００４６】
このように高いｎ型不純物濃度を有し、貫通転位密度の低い自立基板を用いて光デバイスや電子デバイスを作製することで、デバイス特性を向上させることができる。電極との接触抵抗や、基板のバルク抵抗、基板の厚さ方向の直列抵抗が低減されるためである。
【００４７】
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る自立基板の製造方法の工程について説明するための図である。本実施形態に係る自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程が、低濃度領域２３０を形成する工程をさらに含む点を除いて、第１の実施形態に係る自立基板の製造方法と同様の構成である。ここで、低濃度領域２３０のｎ型不純物の濃度は、５×１０１８ｃｍ−３未満である。以下で、詳細に説明する。
【００４８】
本実施形態において、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程は、高濃度領域２２０を形成する工程の前に、低濃度領域２３０を形成する工程を含み、低濃度領域２３０のｎ型不純物の濃度は、下地基板２１０のｎ型不純物の濃度以上である。
【００４９】
本実施形態においては、下地基板２１０と高濃度領域２２０との間に、低濃度領域２３０を形成することにより、ｎ型不純物濃度が互いに異なる、下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０との界面や、領域同士の界面での三次元成長モードの発生を抑制したり、結晶の格子定数や熱膨張率などの変化を小さくしたりできる。そのため、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られる。
【００５０】
なお、本実施形態では、低濃度領域２３０は、ｎ型不純物の濃度が互いに異なる領域２３１と領域２３２からなる。低濃度領域２３０においてｎ型不純物の濃度が異なる複数の領域を設け、下地基板２１０から高濃度領域２２０に向かって段階的にｎ型不純物の濃度が増加するような層構造を形成することにより、各界面での濃度の変化を小さくでき、さらに結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られる。
【００５１】
まず、図３（ａ）のように、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する。下地基板２１０におけるｎ型不純物の濃度は下地基板２１０を準備する際や、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する際のクラック発生防止の観点から、１×１０１６ｃｍ−３以上が好ましく、５×１０１７ｃｍ−３以上がより好ましい。また、同様の観点から、下地基板２１０におけるｎ型不純物の濃度は５×１０１８ｃｍ−３未満が好ましい。次に、下地基板２１０をＨＶＰＥ装置１００の基板ホルダ１２３に基板１３３として取り付ける。下地基板２１０の厚さはハンドリングの容易性の観点から、５０μｍ以上が好ましく、３００μｍ以上がより好ましい。
【００５２】
第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６からパージガスを供給し、反応管１２１内をパージする。反応管１２１内に供給したパージガスはガス排出管１３５より排出される。反応管１２１内を十分にパージした後、第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６から供給するガスをキャリアガスに切り替える。キャリアガスはたとえばＨ２ガスである。
【００５３】
次に、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。昇温中に、第１のガス供給管１２４から、キャリアガスに加えて窒素原料ガスの供給を開始する。本実施形態では、窒素原料ガスとしてＮＨ３を用いる。第１のガス供給管１２４から供給された窒素原料ガスは熱により分解されて成長領域１２２に供給される。引き続き、ＩＩＩ族原料１２７の温度がたとえば８５０℃になるまで第１のヒータ１２９による昇温を続け、成長領域１２２の温度が１１２０℃以上、好ましくは１１５０℃以上になるまで第２のヒータ１３０による昇温を続ける。
【００５４】
ＩＩＩ族原料１２７および成長領域１２２の温度が安定した後、第２のガス供給管１２６から、キャリアガスに加えてハロゲン含有ガスの供給を開始する。本実施形態では、ハロゲン含有ガスとしてＨＣｌを用いる。第２のガス供給管１２６から供給したハロゲン含有ガスがＩＩＩ族原料１２７と反応してＩＩＩ族原料ガスが生成され、ＩＩＩ族原料ガスが成長領域１２２に供給される。
【００５５】
第２のガス供給管１２６から、キャリアガスに加えてハロゲン含有ガスの供給を開始すると同時に、成長領域１２２にドーピングガス供給管１２５からドーピングガスの供給を開始する。成長領域１２２では、窒素原料ガス、ＩＩＩ族原料ガス、およびドーピングガスが反応して下地基板２１０の上に領域２３１からなる層が形成される。この際のドーピングガスの供給流量は、たとえば、後述する高濃度領域２２０の形成工程でのドーピングガスの供給流量の５分の１程度とする。その結果として、領域２３１のｎ型不純物の濃度は、高濃度領域２２０のｎ型不純物の濃度の５分の１程度となる。領域２３１の厚さはたとえば１０μｍとする。なお、本実施形態に係る下地基板２１０のｎ型不純物の濃度は、領域２３１のｎ型不純物の濃度よりも小さいものとする。ただし、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００５６】
領域２３１の厚さが所望の膜厚となった時点で、ドーピングガス供給管１２５からのドーピングガスの供給流量を調整し、領域２３１からなる層の上に領域２３２からなる層の形成を開始する。領域２３２を形成する際のドーピングガスの供給流量は、領域２３１を形成する際のドーピングガスの供給流量よりも多く、後述する高濃度領域２２０の形成工程でのドーピングガスの供給流量よりも少なくする。たとえば、後述する高濃度領域２２０の形成工程でのドーピングガスの供給流量の５分の２程度とする。その結果として、領域２３２のｎ型不純物の濃度は、高濃度領域２２０のｎ型不純物の濃度の５分の２程度となる。領域２３２の厚さはたとえば１０μｍとする。
【００５７】
領域２３２の厚さが所望の膜厚となった時点で、ドーピングガス供給管１２５からのドーピングガスの供給流量を調整し、低濃度領域２３０からなる層の上に高濃度領域２２０からなる層の形成を開始する。この際、高濃度領域２２０におけるｎ型不純物の濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上となるよう、ドーピングガスの供給流量を調節する。
【００５８】
本実施形態に係るＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の成長面はｃ面（０００１）とする。ただし、成長面を無極性面、非極性面とすることもできる。
【００５９】
高濃度領域２２０は１１２０℃以上、好ましくは１１５０℃以上の成長温度で形成する。高濃度領域２２０を形成する際のハロゲン含有ガスの供給流量に対する、ドーピングガスの供給流量の比は、１×１０−５以上が好ましく、３×１０−５以上がより好ましく、また、８×１０−５以下が好ましく、５×１０−５以下がより好ましい。これらの条件により、高濃度領域２２０の形成工程では、ｎ型不純物を高濃度で含有すると共に、結晶品質に優れた高濃度領域２２０を形成することができる。
【００６０】
本実施形態では、ドーピングガスとしてＳｉＨ２Ｃｌ２を用い、ｎ型不純物をＳｉとする。なお、ドーピングガスとしてたとえばＳｉＨ２Ｃｌ２またはＳｉＨ４を用いることで、ｎ型不純物をＳｉとすることができる。ドーピングガスとして、ＳｉＨ２Ｃｌ２やＳｉＨ４の代わりにたとえばＧｅＣｌ４またはＧｅＨ４を用いることでｎ型不純物をＧｅとすることもできるし、代わりにたとえばＯ２、Ｎ２Ｏ、またはＨ２Ｏを用いることでｎ型不純物をＯとすることもできる。
【００６１】
そして、第１の実施形態と同様に、高濃度領域２２０の厚さが５０μｍ以上、より好ましくは３００μｍ以上となるまで形成を続ける。ここで、高濃度領域２２０の、Ｘ線回折測定で測定される（０００４）ロッキングカーブ半値幅は６０ａｒｃｓｅｃ以下とすることができる。
【００６２】
図３（ｂ）のように高濃度領域２２０の厚さが所定の膜厚となった時点で、ドーピングガス供給管１２５からのドーピングガスの供給および第２のガス供給管１２６からのハロゲン含有ガスの供給を停止し、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０を停止して、反応管１２１を降温する。降温中にも第１のガス供給管１２４からの窒素原料ガスの供給を続け、成長領域１２２の温度がたとえば６００℃以下になった時点で、第１のガス供給管１２４から供給するガスを、キャリアガスおよび窒素原料ガスからパージガスに切り替える。そして、温度が十分に下がった後、下地基板２１０の上にＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が形成された基板１３３を反応管１２１から取り出す。
【００６３】
ここで、下地基板２１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２５０からなる積層体の貫通転位密度は５×１０６ｃｍ−２以下である。また、当該貫通転位密度は１×１０３ｃｍ−２以上である。また、高濃度領域２２０において、ｎ型不純物の濃度に対するキャリア濃度の比は２５℃において０．７以上である。よって、添加したｎ型不純物が効率的にはたらき、特性の良いデバイスを製造できる。
【００６４】
領域２３１，２３２におけるｎ型不純物の濃度は、それぞれ高濃度領域２２０のｎ型不純物の濃度よりも低く、領域２３１におけるｎ型不純物の濃度は、領域２３２におけるｎ型不純物の濃度よりも低い。
【００６５】
本実施形態に係る自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程の後に、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の一部および下地基板２１０を除去する工程をさらに含む。たとえば、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０のうちの高濃度領域２２０以外の領域、および下地基板２１０を除去する。
【００６６】
図３（ｃ）のように下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０との積層体の、下地基板２１０が露出した面を研磨することで、下地基板２１０と、低濃度領域２３０とが除去され、高濃度領域２２０のみからなる自立基板を得ることができる。
【００６７】
ただし、高濃度領域２２０だけでなく、低濃度領域２３０の全体もしくは一部を残し、自立基板としても良い。あるいは、下地基板２１０を除去せず、下地基板２１０、低濃度領域２３０および高濃度領域２２０からなる構造を自立基板としてもよい。いずれの場合も、得られる自立基板の少なくとも一方の面は、高濃度領域２２０の露出面となる。得られる自立基板は、厚さ５０μｍ以上に亘って、ｎ型不純物濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である高濃度領域２２０を有する。また、自立基板の貫通転位密度は５×１０６ｃｍ−２以下となる。また、当該貫通転位密度は１×１０３ｃｍ−２以上となる。
【００６８】
下地基板２１０、低濃度領域２３０および高濃度領域２２０は同じＩＩＩ族窒化物半導体から成ることが好ましい。結晶の格子定数や熱膨張率が近く、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られるためである。なお、変形例として、たとえば、下地基板２１０および低濃度領域２３０をＧａＮとし、高濃度領域２２０を窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）としてもよい。
【００６９】
本実施形態では、低濃度領域２３０が領域２３１および領域２３２の２つの領域からなる例について説明したが、低濃度領域２３０はひとつの領域として形成しても良いし、ｎ型不純物の濃度が異なる３つ以上の領域で形成しても良い。なお、領域同士の界面において、濃度の変化を小さくするほど、三次元成長モードの発生を抑制したり、界面での結晶の格子定数や熱膨張率などの変化を小さくしたりする効果がより確実に得られる。そのため、より結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られる。
【００７０】
次に、本実施形態に係る自立基板の製造方法の変形例について説明する。本変形例において、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程は、ｎ型不純物の濃度が下地基板２１０から遠ざかるにつれて連続的に高くなる濃度傾斜領域を形成する工程を含む。以下に詳細に説明する。
【００７１】
本変形例では、低濃度領域２３０が濃度傾斜領域のみからなる例について説明するが、これに限定されず、たとえば領域２３１および領域２３２のいずれかを濃度傾斜領域としても良い。
【００７２】
図４は、本変形例におけるドーピングガスの供給流量について説明するための図である。図４において、横軸は時間、縦軸はハロゲン含有ガスの供給流量に対するドーピングガスの供給流量の比率を示す。ドーピングガスを供給していない時点から、高濃度領域２２０の形成を開始した時点までのドーピングガスの供給流量の比率の変化を示している。
【００７３】
図４（ａ）は第１の実施形態におけるドーピングガスの供給流量比率の変化に相当する。ドーピングガスを供給していない状態から、高濃度領域２２０の形成に必要な供給流量比率まで、ドーピングガスの供給流量比率を１段階で変化させる。低濃度領域２３０は形成されない。
【００７４】
図４（ｂ）は第２の実施形態におけるドーピングガスの供給流量比率の変化に相当する。ドーピングガスを供給していない状態から、高濃度領域２２０の形成に必要な供給流量比率まで、ドーピングガスの供給流量比率を段階的に変化させる。ドーピングガスを供給し始めてから、高濃度領域２２０の形成を始めるまでの間、供給流量比率の段階毎にｎ型不純物濃度の異なる領域が一領域ずつ形成される。図４（ｂ）の例では、２つの領域２３１，２３２が形成される。
【００７５】
図４（ｃ）は本変形例におけるドーピングガスの供給流量比率の変化を示している。ドーピングガスを供給していない状態から、高濃度領域２２０の形成に必要な供給流量比率まで、ドーピングガスの供給流量比率を連続的に変化させる。ドーピングガスを供給し始めてから、高濃度領域２２０の形成を始めるまでの間に、濃度傾斜領域が形成される。このようにドーピングガスの供給流量比を連続的に変化させることによって、ｎ型不純物の濃度が下地基板２１０の表面から遠ざかるにつれて連続的に高くなる濃度傾斜領域が形成される。
【００７６】
このように、ｎ型不純物の濃度を連続的に変化させることで、下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０との界面や、領域同士の界面に非連続な濃度の変化が生じるのを防ぐことができる。そのため界面での三次元成長モードの発生を抑制したり、結晶の格子定数や熱膨張率などの変化を小さくしたりする効果がより確実に得られ、より結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られる。
【００７７】
本変形例では、低濃度領域２３０を濃度傾斜領域として形成する例について説明したが、高濃度領域２２０の全体または一部を濃度傾斜領域として形成しても良い。
【００７８】
なお、得たい自立基板の構造に応じて、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程は、ｎ型不純物の濃度が下地基板２１０の表面から遠ざかるにつれて連続的に低くなる領域を形成する工程を含んでも良い。
【００７９】
なお、本実施形態では、低濃度領域２３０を形成する工程において、常にドーピングガスを供給する例について説明したが、低濃度領域２３０は、ドーピングガスを供給せずに形成された領域を含んでも良い。
【００８０】
なお、本実施形態では、高濃度領域２２０を形成する工程の前にのみ低濃度領域２３０を形成する工程を設ける例について説明したが、これに限定されるものではない。得たい自立基板の構造に応じて、たとえば高濃度領域２２０を形成した後に、低濃度領域２３０を形成する工程を設けてもよいし、高濃度領域２２０を形成する前後に低濃度領域２３０を形成する工程を設けても良い。このとき、たとえばその後のデバイス製造を簡便にする観点から、下地基板２１０を除去する工程において、少なくとも一方の面を高濃度領域２２０の露出面とするよう研磨をおこなうことが望ましい。
【００８１】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の後、下地基板２１０を除去する工程の代わりに、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０をスライスする工程を含んでも良い。厚膜に成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を、成長面に平行な面でスライスすることで、複数の自立基板を得ることができる。このとき、たとえばその後のデバイス製造を簡便にする観点から、少なくとも一方の面を高濃度領域２２０の露出面とするようスライスをおこなうことが望ましい。
【００８２】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程において、高濃度領域２２０以外の領域のｎ型不純物の濃度を、くまなく５×１０１８ｃｍ−３未満とするよう、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成してもよいし、得たい自立基板の構造に応じて、高濃度領域２２０とは別に、５×１０１８ｃｍ−３以上のｎ型不純物の濃度を有し、厚さが５０μｍ未満であるような高濃度薄層領域を形成しても良い。たとえば、低濃度領域２３０と高濃度領域２２０の間に、高濃度領域２２０よりもｎ型不純物の濃度の低い高濃度薄層領域を形成することにより、領域同士の界面における濃度の変化を小さくすることができ、三次元成長モードの発生を抑制したり、界面での結晶の格子定数や熱膨張率などの変化を小さくしたりする効果がより確実に得られる。そのため、より結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られる。また、同様の観点から、高濃度薄層領域を濃度傾斜領域として形成しても良い。
【００８３】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態においては、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
【００８４】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る自立基板の製造方法の工程について説明するための図である。本実施形態に係る自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程が、成長温度を上昇させながらＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する、昇温形成工程を含む点を除いて、第２の実施形態に係る自立基板の製造方法と同様の構成である。以下で詳細に説明する。
【００８５】
本実施形態では、下地基板２１０を準備する工程の後、高濃度領域２２０を形成する工程の前に低濃度領域２３０を形成する工程を含む。低濃度領域２３０は、第２の実施形態と同様の領域２３１，２３２に加え、領域２４１および領域２４２を有する。低濃度領域２３０を形成する工程において、高濃度領域２２０よりも低い成長温度で領域２４１を形成する。また、成長温度を上昇させながら領域２４２を形成する。
【００８６】
まず、図５（ａ）のように、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる下地基板２１０を準備する。下地基板２１０におけるｎ型不純物の濃度は下地基板２１０を準備する際や、高濃度領域２２０を形成する際のクラック発生防止の観点から、１×１０１６ｃｍ−３以上が好ましく、５×１０１７ｃｍ−３以上がより好ましい。また、同様の観点から、下地基板２１０におけるｎ型不純物の濃度は５×１０１８ｃｍ−３未満が好ましい。次に、下地基板２１０をＨＶＰＥ装置１００の基板ホルダ１２３に基板１３３として取り付ける。下地基板２１０の厚さはハンドリングの容易性の観点から、５０μｍ以上が好ましく、３００μｍ以上がより好ましい。
【００８７】
第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６からパージガスを供給し、反応管１２１内をパージする。反応管１２１内に供給したパージガスはガス排出管１３５より排出される。反応管１２１内を十分にパージした後、第１のガス供給管１２４および第２のガス供給管１２６から供給するガスをキャリアガスに切り替える。キャリアガスはたとえばＨ２ガスである。
【００８８】
次に、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０により反応管１２１を昇温する。昇温中に、第１のガス供給管１２４から、キャリアガスに加えて窒素原料ガスの供給を開始する。本実施形態では、窒素原料ガスとしてＮＨ３を用いる。第１のガス供給管１２４から供給された窒素原料ガスは熱により分解されて成長領域１２２に供給される。引き続き、ＩＩＩ族原料１２７の温度がたとえば８５０℃になるまで第１のヒータ１２９による昇温を続け、成長領域１２２の温度がたとえば１０４０℃になるまで第２のヒータ１３０による昇温を続ける。
【００８９】
ＩＩＩ族原料１２７および成長領域１２２の温度が安定した後、第２のガス供給管１２６から、キャリアガスに加えてハロゲン含有ガスの供給を開始する。本実施形態では、ハロゲン含有ガスとしてＨＣｌを用いる。第２のガス供給管１２６から供給したハロゲン含有ガスがＩＩＩ族原料１２７と反応してＩＩＩ族原料ガスが生成され、ＩＩＩ族原料ガスが成長領域１２２に供給される。
【００９０】
第２のガス供給管１２６から、キャリアガスに加えてハロゲン含有ガスの供給を開始すると同時に、成長領域１２２にドーピングガス供給管１２５からドーピングガスの供給を開始する。成長領域１２２では、窒素原料ガス、ＩＩＩ族原料ガス、およびドーピングガスが反応して下地基板２１０の上に領域２４１からなる層が形成される。この際のドーピングガスの供給流量は、たとえば、後述する高濃度領域２２０の形成工程でのドーピングガスの供給流量の５分の１程度とする。領域２４１の厚さはたとえば５０μｍである。
【００９１】
領域２４１の厚さが所望の膜厚となった時点で、成長領域１２２への窒素原料ガス、ＩＩＩ族原料ガス、およびドーピングガスの供給を続けたまま、成長領域１２２が１１２０℃以上、好ましくは１１５０℃以上になるまで第２のヒータ１３０による昇温を行う。昇温中には領域２４２が形成される（昇温形成工程）。領域２４２の厚さはたとえば１００μｍである。
【００９２】
成長領域１２２の温度が安定した時点で、定常温度にて領域２４２の上に領域２３１が形成される。以後、領域２３１，２３２および高濃度領域２２０の形成方法は第２の実施形態に係る方法と同じである。
【００９３】
図５（ｂ）のように高濃度領域２２０の厚さが所定の膜厚となった時点で、ドーピングガス供給管１２５からのドーピングガスの供給および第２のガス供給管１２６からのハロゲン含有ガスの供給を停止し、第１のヒータ１２９および第２のヒータ１３０を停止して、反応管１２１を降温する。降温中には第１のガス供給管１２４からの窒素原料ガスの供給を続け、成長領域１２２の温度がたとえば６００℃以下になった時点で、第１のガス供給管１２４から供給するガスを、キャリアガスおよび窒素原料ガスからパージガスに切り替える。そして、温度が十分に下がった後、下地基板２１０の上にＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が形成された基板１３３を反応管１２１から取り出す。
【００９４】
本実施形態に係る自立基板の製造方法は、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程の後に、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の一部および下地基板２１０を除去する工程をさらに含む。たとえば、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０のうちの高濃度領域２２０以外の領域、および下地基板２１０を除去する。
【００９５】
図５（ｃ）のように下地基板２１０とＩＩＩ族窒化物半導体層２５０との積層体の、下地基板２１０が露出した面を研磨することで、下地基板２１０と、低濃度領域２３０とが除去され、高濃度領域２２０のみからなる自立基板を得ることができる。
【００９６】
ただし、高濃度領域２２０だけでなく、低濃度領域２３０の全体もしくは一部を残し、自立基板としても良い。あるいは、下地基板２１０を除去せず、下地基板２１０、低濃度領域２３０および高濃度領域２２０からなる構造を自立基板としてもよい。いずれの場合も、得られる自立基板の少なくとも一方の面は、高濃度領域２２０の露出面となる。得られる自立基板は、厚さ５０μｍ以上に亘って、ｎ型不純物濃度が５×１０１８ｃｍ−３以上である高濃度領域２２０を有する。また、自立基板の貫通転位密度は５×１０６ｃｍ−２以下となる。また、当該貫通転位密度は１×１０３ｃｍ−２以上となる。
【００９７】
下地基板２１０およびＩＩＩ族窒化物半導体層２５０は同じＩＩＩ族窒化物半導体から成ることが好ましい。結晶の格子定数や熱膨張率が近く、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られるためである。なお、変形例として、たとえば、下地基板２１０および低濃度領域２３０をＧａＮとし、高濃度領域２２０を窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）としてもよい。
【００９８】
本実施形態においては、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程が、成長温度を上昇させながらＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する、昇温形成工程を含むことにより、昇温工程での基板の熱分解を抑制したり、形成温度が互いに異なる領域同士の界面での三次元成長モードの発生を抑制したり、結晶の格子定数や熱膨張率などの変化を小さくしたりできる。そのため、結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体層２５０が得られる。
【００９９】
なお、本実施形態では、低濃度領域２３０が領域２３１、領域２３２、領域２４１、および領域２４２からなる例について説明したが、低濃度領域２３０の領域構造はこの例に限定されない。たとえば、低濃度領域２３０は３つ以下、もしくは５つ以上の領域からなっても良いし、低濃度領域２３０は濃度傾斜領域やｎ型不純物の濃度が下地基板２１０の表面から遠ざかるにつれて連続的に低くなる領域を含んでも良い。
【０１００】
なお、本実施形態では、低濃度領域２３０を形成する工程において、常にドーピングガスを供給する例について説明したが、低濃度領域２３０は、ドーピングガスを供給せずに形成された領域を含んでも良い。
【０１０１】
なお、本実施形態では、高濃度領域２２０を形成する工程の前にのみ低濃度領域２３０を形成する工程を設ける例について説明したが、これに限定されるものではない。得たい自立基板の構造に応じて、たとえば高濃度領域２２０を形成した後に、低濃度領域２３０を形成する工程を設けてもよいし、高濃度領域２２０を形成する前後に低濃度領域２３０を形成する工程を設けても良い。このとき、たとえばその後のデバイス製造を簡便にする観点から、下地基板２１０を除去する工程において、少なくとも一方の面を高濃度領域２２０の露出面とするよう研磨をおこなうことが望ましい。
【０１０２】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０の後、下地基板２１０を除去する工程の代わりに、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０をスライスする工程を含んでも良い。厚膜に成長させたＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を、成長面に平行な面でスライスすることで、複数の自立基板を得ることができる。このとき、たとえばその後のデバイス製造を簡便にする観点から、少なくとも一方の面を高濃度領域２２０の露出面とするようスライスをおこなうことが望ましい。
【０１０３】
なお、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成する工程において、高濃度領域２２０以外の領域のｎ型不純物の濃度を、くまなく５×１０１８ｃｍ−３未満とするよう、ＩＩＩ族窒化物半導体層２５０を形成してもよいし、得たい自立基板の構造に応じて、高濃度領域２２０とは別に、５×１０１８ｃｍ−３以上のｎ型不純物の濃度を有し、厚さが５０μｍ未満であるような高濃度薄層領域を形成しても良い。そして、高濃度薄層領域を濃度傾斜領域として形成しても良いし、昇温形成工程で形成しても良い。
【０１０４】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態においては、第１の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
【０１０５】
以下、本発明の比較例および実施例について説明する。
【実施例】
【０１０６】
（比較例）
ＧａＮの自立基板を下地基板２１０とし、下地基板２１０上に、ＨＶＰＥ法によってＧａＮ層の形成を行った。窒素原料ガスとしてＮＨ３を、ハロゲン含有ガスとしてＨＣｌを、ＩＩＩ族原料１２７としてＧａを、ドーピングガスとして、３０００ｐｐｍの濃度に水素で希釈されたＳｉＨ２Ｃｌ２を用いた。ＧａＮ層の形成時におけるガスの供給流量は、ＨＣｌについて２００ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３について３０００ｃｃ／ｍｉｎとし、ＧａＮ層の形成時の成長温度は１０４０℃とした。ここで、ＨＣｌの供給流量を２００ｃｃ／ｍｉｎとした結果として成長領域１２２にはＧａＣｌが２００ｃｃ／ｍｉｎで供給された。なお、成長速度は１８０μｍ／ｈ程度であり、形成したＧａＮ層の膜厚は１８０μｍであった。下地基板２１０の表面のＧａＮ層を成長させる表面、およびＧａＮ層の成長面はｃ面（０００１）とした。
【０１０７】
図６は、本比較例に係る方法で形成したＧａＮ層の成長表面を微分干渉顕微鏡で観察した結果を示す図である。図６（ａ）および（ｂ）は下地基板上にドーピングガスを供給せずに形成したＧａＮ層の表面の像である。このＧａＮ層のキャリア濃度をテラヘルツ（ＴＨｚ）波測定したところ、７．２×１０１６ｃｍ−３であった。図６（ｃ）および（ｄ）は、下地基板上に、ドーピングガスを１ｃｃ／ｍｉｎの供給流量で供給して形成したＧａＮ層の表面の像である。このＧａＮ層のキャリア濃度をＴＨｚ波測定したところ、８．３×１０１７ｃｍ−３であった。図６（ｅ）および（ｆ）は、下地基板上に、ドーピングガスを３ｃｃ／ｍｉｎの供給流量で供給して形成したＧａＮ層の表面の像である。このＧａＮ層のキャリア濃度をＴＨｚ波測定したところ、２．３×１０１８ｃｍ−３であった。図６（ｇ）および（ｈ）は、下地基板上に、ドーピングガスを５ｃｃ／ｍｉｎの供給流量で供給して形成したＧａＮ層の表面の像である。このＧａＮ層のキャリア濃度をＴＨｚ波測定したところ、３．７×１０１８ｃｍ−３であった。図６のように、成長温度を１０４０℃として形成した場合には、ｎ型不純物としてのＳｉのドーピング濃度を高くするほど、表面のモフォロジーが悪化した。
【０１０８】
図７は、形成したＧａＮ層の成長表面を、Ｘ線回折測定で測定した際の、（０００４）ロッキングカーブ半値幅とキャリア濃度との関係、およびキャリア密度とエッチピット密度（ＥＰＤ）との関係を示した図である。本比較例の条件（１０４０℃）では、Ｓｉのドーピング濃度を高くし、キャリア濃度が３．７×１０１８ｃｍ−３となった結晶について、（０００４）ロッキングカーブ半値幅やエッチピット密度が増大しており、結晶性の悪化が確認された。なお、エッチピット密度は、形成したＧａＮ層の表面を、２４０℃に加熱した硫酸と燐酸の混合液で２時間エッチングし、顕在化したエッチピットを微分干渉顕微鏡で観察することで測定した。
【０１０９】
本比較例で示した条件で形成されたＧａＮ層は、ｎ型不純物が十分にドーピングされず、結晶性にも乏しかった。理由のひとつとしては、成長温度が低温であるため、Ｓｉのマイグレーションが抑えられ、窒化シリコンとして偏析するなどして、成長を阻害し、結晶性に悪影響を与えたことが推測される。
【０１１０】
（実施例）
ＧａＮの自立基板を下地基板２１０とし、下地基板２１０上に、ＨＶＰＥ法によってＧａＮ層の形成を行った。窒素原料ガスとしてＮＨ３を、ハロゲン含有ガスとしてＨＣｌを、ＩＩＩ族原料１２７としてＧａを、ドーピングガスとして３０００ｐｐｍの濃度に水素で希釈されたＳｉＨ２Ｃｌ２を用いた。ＧａＮ層の形成時におけるガスの供給流量は、ＨＣｌについて４００ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３について４０００ｃｃ／ｍｉｎとした。ＨＣｌの供給流量を４００ｃｃ／ｍｉｎとした結果として、成長領域１２２にはＧａＣｌが４００ｃｃ／ｍｉｎで供給された。成長速度は２４０μｍ／ｈ程度であった。
【０１１１】
本実施例では、第３の実施形態で説明したように、下地基板２１０上に低濃度領域２３０を成長させた後、高濃度領域２２０を成長させた。ただし、第３の実施形態に係る領域２４１および領域２４２に相当する領域の形成時には、ドーピングガスを供給しなかった。下地基板２１０上にはまず、ドーピングガスを供給せずに、成長温度１０４０℃で５分間、ＧａＮ層（領域２４１）を形成した。次に引き続き、ドーピングガスを供給せずに、３０分間、ＧａＮ層（領域２４２）を形成した。この３０分間で、成長温度を１０４０℃から１１６０℃へ昇温した（昇温形成工程）。そして次に、ドーピングガスを１ｃｃ／ｍｉｎの供給流量で供給しつつ、１１６０℃の成長温度で１０分間、ＧａＮ層（領域２３１）を形成した。続けて、ドーピングガスの供給流量を２ｃｃ／ｍｉｎとして、１１６０℃の成長温度で１０分間、ＧａＮ層（領域２３２）を形成した。最後に、ドーピングガスの供給流量を５ｃｃ／ｍｉｎとして４５分間、ＧａＮ層（高濃度領域２２０）を形成した。形成されたＧａＮ層（高濃度領域２２０）の膜厚は１８０μｍであった。なお、下地基板２１０の表面のＧａＮ層を成長させる表面、およびＧａＮ層の成長面はｃ面（０００１）とした。
【０１１２】
本実施例に係る方法で成長させた基板は、平坦に成長した。
図８は本実施例に係る方法で成長させた、最表面のＧａＮ層（高濃度領域２２０）の成長表面の微分干渉顕微鏡像である。本図から、平坦な表面を有する層が得られたことが分かる。また、Ｘ線回折測定で測定した（０００４）ロッキングカーブ半値幅は５１ａｒｃｓｅｃであった。よって、結晶性が良好であることが確かめられた。
【０１１３】
本実施例に係る方法で成長させた基板の最表面のＧａＮ層（高濃度領域２２０）について、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて分析を行ったところ、Ｓｉ濃度が９×１０１８ｃｍ−３であった。また、ホール測定により、室温（２５℃）にてキャリア濃度が７×１０１８ｃｍ−３、移動度が１８６ｃｍ２Ｖ−１Ｓ−１であることが分かった。
【０１１４】
さらに、形成したＧａＮ層（高濃度領域２２０）の表面において、比較例と同様の方法でエッチピット密度（貫通転位密度）を測定したところ、１．１×１０６ｃｍ−２であった。
【０１１５】
このように、本実施例から、窒素原料ガス、ＩＩＩ族原料ガス（ハロゲン含有ガス）、およびドーピングガスの供給流量を最適化すること、成長温度などを最適化すること、低濃度領域２３０を形成する工程や昇温形成工程を設けることなどの結果、ＧａＮからなる下地基板２１０上に、ｎ型不純物を高濃度で含有し、結晶品質に優れた高濃度領域２２０を形成できることが確かめられた。
【０１１６】
また、図９は、ＨＣｌに対するＳｉＨ２Ｃｌ２の供給分圧比と、ＧａＮ層のキャリア濃度の関係を示した図である。比較例（１０４０℃）および実施例（１１６０℃）による結果について示している。キャリア濃度はＴＨｚ波測定により求めた。図９より、成長温度などの条件を適正化することで、ドーピング効率が向上することが分かる。
【０１１７】
比較例では、高いｎ型不純物濃度を有する層の成長を続けると、結晶性が悪くなった。それに対し、たとえば本実施例のように条件を最適化することで、高いｎ型不純物濃度を有し、かつ結晶性の良好なＧａＮ層を厚く形成することができる。
【０１１８】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【０１１９】
１００ ＨＶＰＥ装置
１２１ 反応管
１２２ 成長領域
１２３ 基板ホルダ
１２４ 第１のガス供給管
１２５ ドーピングガス供給管
１２６ 第２のガス供給管
１２７ ＩＩＩ族原料
１２８ ソースボート
１２９ 第１のヒータ
１３０ 第２のヒータ
１３２ 回転軸
１３３ 基板
１３５ ガス排出管
１３６ 遮蔽板
１３７ 窒素原料ガス供給部
１３９ ＩＩＩ族ガス供給部
２１０ 下地基板
２２０ 高濃度領域
２３０ 低濃度領域
２３１，２３２，２４１，２４２ 領域
２５０ ＩＩＩ族窒化物半導体層
【図１】
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【図２】
2015214441.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015214441.tif 000007
【図７】
2015214441.tif 000008
【図９】
2015214441.tif 000009
【図６】
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【図８】
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