(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍ面を主面とするＧａＮ自立基板であって、ａ軸方向における主面のチルト角分布Ｗ１と、ａ軸に直交する方向における主面のチルト角分布Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）が１未満であり、前記チルト角分布Ｗ１が４０ｍｍ間隔あたり±０．２１°以下であり、前記チルト角分布Ｗ２が４０ｍｍ間隔あたり±０．３５°以下であり、かつ、ＩｎＧａＮ系半導体発光デバイス用であることを特徴とするＧａＮ自立基板。
【請求項２】
請求項１に記載のＧａＮ自立基板上にIII族窒化物半導体結晶を成長させる工程を含むことを特徴とするＩｎＧａＮ系半導体発光デバイスの製造方法。
【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、半導体発光デバイスおよびその製造方法に関する。より詳細には、主面上に良質な結晶を成長させることが可能なIII族窒化物半導体基板と、その基板を用いてIII族窒化物半導体を成長させることにより提供される半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤなどの半導体発光デバイスは、基板上にIII族窒化物半導体結晶を成長させることにより一般に製造されている。このとき、異種基板上にIII族窒化物結晶を成長させると、結晶欠陥が発生するために効率のよい半導体発光デバイスを提供することができないが、同種のIII族窒化物基板上にIII族窒化物結晶をホモエピタキシャル成長させれば、高性能な半導体発光デバイスを提供しうることが知られている。
【０００３】
そこで、これまでに種々のIII族窒化物基板の製造方法が開発され提案されている。極性面を主面とする大型のIII族窒化物基板は比較的容易に製造することができるが、非極性面や半極性面を主面とする大型のIII族窒化物基板については、良好な基板を製造することが容易ではない。このため、非極性面や半極性面を主面とする大型のIII族窒化物基板の製造方法については、種々検討がなされ、幾つかの製造方法が提案されている。例えば、非極性面のオフ基板をシードとして並べて、その上に結晶を成長させることによりIII族窒化物基板を製造する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、種々の半極性面を有するシードを並べて、その上に結晶を成長させることによりIII族窒化物基板を製造する方法も提案されている（特許文献２参照）。さらに、（２０−２１）面などの主面を有するシードを並べて、その上に結晶を成長させることによりIII族窒化物基板を製造する方法も提案されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２７５１７１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６６７６号公報
【特許文献３】特開２０１１−２６１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来法で製造した基板を用いてその上に結晶を成長させても、積層欠陥が発生したり反りが発生したりして、性能がよい結晶が得られない。具体的には、従来法で製造した基板上に結晶を成長させてＬＥＤ構造を製造すると、表面が荒れたＬＥＤ構造が得られたり、発光効率が高くないＬＥＤ構造が得られたりするなどの課題がある。
そこで本発明者らは、このような従来技術の課題を解決するために、主面上に良質な結晶を成長させることが可能なIII族窒化物基板を提供することを本発明の目的として検討を進めた。また、そのような基板上にIII族窒化物結晶を成長させることにより、発光効率が高い半導体発光デバイスを提供することも本発明の目的として検討を進めた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らが、従来法にしたがって製造したIII族窒化物基板を分析したところ、基板主面上で直交する２軸の各軸方向にそれぞれ反りがあることが判明した。特許文献１〜３を含む先行技術文献にはこのような２つの軸方向の基板の反りについて特に記載されていないが、本発明者らは、これらの反りが基板上に成長する結晶の品質に影響を与えている可能性があると考えて、基板の反りと基板上に成長する結晶の品質との関係を鋭意検討した。その結果、基板における特定の軸方向の反りとそれに直交する方向の反りの比率を特定の範囲内に制御することが、基板上に成長するIII族窒化物結晶の品質を良化させることを初めて見出した。本発明は、このような知見に基づいて提供されたものであり、以下の態様を包含するものである。
【０００７】
［１］  Ｃ面以外の面を主面とするIII族窒化物半導体基板であって、主面とＣ面の交線方向における主面のチルト角分布Ｗ１と、その交線に直交する方向における主面のチルト角分布Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）が１未満であることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
［２］  Ｍ面を主面とするか、Ｍ面からｃ軸方向に９０°未満傾斜した面を主面とするIII族窒化物半導体基板であって、ａ軸方向における主面のチルト角分布Ｗ１と、ａ軸に直交する方向における主面のチルト角分布Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）が１未満であることを特徴とするIII族窒化物半導体基板。
［３］  前記チルト角分布Ｗ１が４０ｍｍ間隔あたり±１°未満であることを特徴とする［１］または［２］に記載のIII族窒化物半導体基板。
［４］  前記チルト角分布Ｗ２が４０ｍｍ間隔あたり±０．０１以上±１°未満であることを特徴とする［１］または［２］に記載のIII族窒化物半導体基板。
［５］  ［１］〜［４］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体結晶を成長させることを特徴とするIII族窒化物半導体結晶の製造方法。
［６］  ［１］〜［４］のいずれか一項に記載のIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体結晶を成長させる工程を含むことを特徴とする半導体発光デバイスの製造方法。
［７］  ［６］に記載の製造方法により製造される半導体発光デバイス。
［８］  ＬＥＤであることを特徴とする［７］に記載の半導体発光デバイス。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のIII族窒化物半導体基板を用いれば、その上に優れた品質を有するIII族窒化物結晶を成長させることができる。また、本発明の製造方法を用いれば、優れた品質を有するIII族窒化物結晶やＬＥＤなどの半導体発光デバイスを簡便に製造することができる。本発明の半導体発光デバイスは、発光効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】III族窒化物半導体基板の反りを説明するための斜視図である。
【図２】シードの配置を説明するための斜視図である。
【図３】本発明の製造方法で用いることができる製造装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下において、本発明のIII族窒化物半導体基板等について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様や具体例に限定されるものではない。
【００１１】
本明細書においてIII族窒化物結晶の「主面」とは、当該III族窒化物結晶における最も広い面であって、結晶成長を行うべき面を指す。本明細書において「Ｃ面」とは、六方晶構造（ウルツ鋼型結晶構造）における｛０００１｝面と等価な面であり、極性面である。III族窒化物結晶では、Ｃ面はIII族面またはＶ族面であり、窒化ガリウムではそれぞれＧａ面またはＮ面に相当する。また、本明細書において「Ｍ面」とは、｛１−１００｝面、｛０１−１０｝面、[−１０１０]面、｛−１１００｝面、｛０−１１０｝面、｛１０−１０｝面として包括的に表される非極性面であり、具体的には（１−１００）面、（０１−１０）面、（−１０１０）面、（−１１００）面、（０−１１０）面、（１０−１０）面を意味する。さらに、本明細書において「Ａ面」とは、｛２−１−１０｝面、｛−１２−１０｝面、｛−１−１２０｝面、｛−２１１０｝面、｛１−２１０｝面、｛１１−２０｝面として包括的に表される非極性面であり、具体的には（２−１−１０）面、（−１２−１０）面、（−１−１２０）面、（−２１１０）面、（１−２１０）面、（１１−２０）面を意味する。本明細書において「ｃ軸」「ｍ軸」「ａ軸」とは、それぞれＣ面、Ｍ面、Ａ面に垂直な軸を意味する。また、本明細書において「オフ角」とは、ある面の指数面からのずれを表す角度である。また、「チルト角」とは、結晶面内で基準とする結晶軸に対するある結晶軸のずれを表す角度である。本明細書では、結晶面の主面の中心における結晶軸を基準として、主面上の他の位置における結晶軸が中心の結晶軸からどの程度ずれているかを表す角度である。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
【００１２】
（１）III族窒化物半導体基板
（主面）
本発明のIII族窒化物半導体基板は、Ｃ面以外の面を主面とするIII族窒化物半導体基板である。本発明のIII族窒化物半導体基板の主面は、非極性面であっても、半極性面であってもよく、またこれらの面から傾斜した面であってもよい。本明細書において「非極性面」とは、表面にIII族元素と窒素元素の両方が存在しており、かつその存在比が１：１である面を意味する。具体的には、Ｍ面やＡ面を好ましい面として挙げることができる。本明細書において「半極性面」とは、例えば、III族窒化物が六方晶であってその主面が（ｈｋｌｍ）で表される場合、ｈ，ｉ，ｋのうち少なくとも２つが０でなく、且つｌが０でない面をいう。また、半極性面は、ｃ面、すなわち（０００１）面に対して傾いた面で、表面にIII族元素と窒素元素の両方あるいはＣ面のように片方のみが存在する場合で、かつその存在比が１：１でない面を意味する。ｈ、ｋ、ｌ、ｍはそれぞれ独立に−５〜５のいずれかの整数であることが好ましく、−２〜２のいずれかの整数であることがより好ましく、低指数面であることが好ましい。本発明のIII族窒化物半導体基板の主面として好ましく採用できる半極性面として、例えば（１０−１１）面、（１０−１−１）面、（２０−２１）面、（２０−２−１）面、（１０−１２）面、（１０−１−２）面などを挙げることができる。
なお、本明細書においてＣ面、Ｍ面、Ａ面や特定の指数面を称する場合には、±０．０１°以内の精度で計測される各結晶軸から１０°以内のオフ角を有する範囲内の面を含む。好ましくはオフ角が５°以内であり、より好ましくは３°以内である。
【００１３】
本発明のIII族窒化物半導体基板の主面として、オフ角を有する非極性面や半極性面である特定の指数面を採用するとき、そのオフ角は傾斜後の面がＣ面とならない範囲内で選択する。オフ角は０．０１°以上であることが好ましく、０．０５°以上であることがより好ましく、０．１°以上であることがさらに好ましい。また、オフ角は１０°以下であることが好ましく、５°以下であることがより好ましく、３°以下であることがさらに好ましい。傾斜方向はｃ軸方向を選択することが好ましい。
【００１４】
本発明のIII族窒化物半導体基板の主面が半極性面である場合には、好ましくはＭ面またはＭ面からｃ軸方向に傾斜した面や、Ａ面またはＡ面からｃ軸方向に傾斜した面であり、より好ましくはＭ面またはＭ面からｃ軸方向に傾斜した面である。Ｍ面またはＡ面からｃ軸方向に傾斜した面を主面とする場合、Ｍ面からｃ軸方向に傾斜した面の具体例として、（２０−２１）面や（１０−１１）面を挙げることができる。
【００１５】
（チルト角分布）
本発明のIII族窒化物半導体基板は、主面とＣ面の交線方向における主面のチルト角分布Ｗ１と、その交線に直交する方向における主面のチルト角分布Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）が１未満であることを特徴とする。図１のIII族窒化物半導体基板（１）で説明すると、主面とＣ面の交線方向がｘ方向であるとき、ｘ方向における主面のチルト角分布Ｗ１と、ｘ方向に直交するｙ方向における主面のチルト角分布Ｗ２との比が上記の規定値未満であることを特徴とする。例えば、主面がＭ面である場合、主面とＣ面の交線方向はａ軸方向となり、比（Ｗ１／Ｗ２）はａ軸方向の主面のチルト角分布をｃ軸方向の主面のチルト角分布で除することにより求めることができる。また、主面がＡ面である場合、主面とＣ面の交線方向はｍ軸方向となり、比（Ｗ１／Ｗ２）はｍ軸方向の主面のチルト角分布をｃ軸方向の主面のチルト角分布で除することにより求めることができる。
【００１６】
チルト角分布は、反りの大きさを表すものである。本発明における主面のチルト角分布は、各軸上の３点以上の測定点でチルト角を測定することにより求める。具体的な測定法については、後述の実施例を参照することができる。チルト角分布は、本発明では４０ｍｍ間隔換算で表記する。
【００１７】
本発明のIII族窒化物半導体基板におけるチルト角分布の比（Ｗ１／Ｗ２）は１未満であることが好ましく、０．８未満であることがより好ましく、０．５未満であることがさらに好ましい。また、下限値は０．０１以上であることが好ましく、０．０２以上であることがより好ましく、０．０４以上であることがさらに好ましい。
【００１８】
本発明のIII族窒化物半導体基板におけるチルト角分布Ｗ１は４０ｍｍ間隔あたり±１°未満であることが好ましく、±０．５°未満であることがより好ましく、±０．２°未満であることがさらに好ましい。チルト角分布Ｗ１はゼロであることが最も好ましいが、有限の値をとる場合は例えば±０．０１°以上とすることができる。
上述の本発明のIII族窒化物半導体基板におけるチルト角分布Ｗ１は、主面とＣ面の交線方向の基板の反りに言い換えられる。前記交線方向の基板の反りは、４０ｍｍあたり２°未満であることが好ましく、１°未満であることがより好ましく、０．８５°未満であることがより好ましく、０．６５°未満であることがより好ましく、０．４５°未満であることがより好ましく、０．４°未満であることがさらに好ましく、０．２５°未満であることが特に好ましい。
【００１９】
本発明のIII族窒化物半導体基板におけるチルト角分布Ｗ２は４０ｍｍ間隔あたり±１°未満であることが好ましく、±０．８°未満であることがより好ましく、±０．５°未満であることがさらに好ましい。チルト角分布Ｗ２は例えば±０．１°以上とすることができる。
上述の本発明のIII族窒化物半導体基板におけるチルト角分布Ｗ２は、前記交線に直交する方向の基板の反りに言い換えられる。前記交線に直交する方向の基板の反りは、４０ｍｍあたり２°未満であることが好ましく、１．６°未満であることがより好ましく、１°未満であることがよりに好ましく、０．８０°未満であることがより好ましく、０．６０°未満であることがさらに好ましく、０．４０°未満であることが特に好ましい。
また、主面とＣ面の交線方向の４０ｍｍあたりの基板の反りと前記交線に直交する方向の４０ｍｍあたりの基板の反りとの差は、通常０．０２〜１．０°であり、０．０３〜０．７５°であることが好ましく、０．０５〜０．５°であることがより好ましい。なお、基板の反りは、後述する実施例におけるチルト角分布の測定方法と同方法により測定することができる。
【００２０】
本発明のIII族窒化物半導体基板は、チルト角分布Ｗ１とＷ２がともに大きくてチルト角分布の比（Ｗ１／Ｗ２）が小さい従来のIII族窒化物半導体基板とは異なり、チルト角分布Ｗ１の絶対値が小さくてチルト角分布の比（Ｗ１／Ｗ２）が小さい点に特徴がある。このようなIII族窒化物半導体基板は、従来は提供することができなかったものであり、本発明によって初めて提供されるに至ったものである。また、チルト角分布の比（Ｗ１／Ｗ２）が特定値未満であるIII族窒化物半導体基板を用いれば、その主面上に優れた性質を有するIII族窒化物半導体を成長させ得ることは、本発明によって初めて明らかにされたものである。
【００２１】
（III族窒化物半導体）
本発明の基板を構成するIII族窒化物半導体の種類は特に制限されない。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、またはこれらの混晶などを挙げることができる。混晶としては、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどを挙げることができる。好ましいのは窒化ガリウム（ＧａＮ）およびＧａを含む混晶であり、より好ましいのは窒化ガリウム（ＧａＮ）である。
【００２２】
本発明のIII族窒化物半導体基板のサイズは、その主面上に結晶を成長させるのに十分な大きさであることが好ましい。例えば、最大径は１０ｍｍ以上とすることができ、さらに１７ｍｍ以上とすることができる。また、厚みは取り扱いやすい厚みであることが好ましく、例えば０．２ｍｍ以上とすることができ、さらに０．３ｍｍ以上とすることができる。形状は、長方体、立方体、円柱状など様々な形状をとりうるものであり、特に制限されない。
【００２３】
（２）III族窒化物半導体基板の製造
（III族窒化物自立基板）
本発明のIII族窒化物半導体基板の製造方法は、本発明の条件を満たす基板を製造することができるものであれば、特に制限されない。本発明のIII族窒化物半導体基板は、例えば同種のIII族窒化物自立基板上にIII族窒化物半導体を成長させる工程を経て製造することが可能である。
【００２４】
III族窒化物自立基板は、例えば、特定の方向に成長させたIII族窒化物結晶塊から、製造しようとしているIII族窒化物半導体基板の主面と同じ主面かその主面から傾斜した面が主面となるように切り出すことにより製造することができる。例えば、III族窒化物半導体が六方晶である場合は、（０００１）面成長により作製されたIII族窒化物結晶塊から、Ｍ面またはＭ面から若干傾斜した面が主面となるように切り出すことにより、III族窒化物自立基板を製造することができる。このIII族窒化物自立基板は、Ｍ面を主面とするIII族窒化物半導体基板を成長させるために用いることができる。Ｍ面から傾斜した半極性面を主面とする、III族窒化物自立結晶を切り出す場合は、傾斜角を６０°以下にすることが好ましく、４５°以下にすることがより好ましく、３０°以下にすることがさらに好ましい。
なお、III族窒化物結晶塊からIII族窒化物自立基板を切り出す際には、（０００１）面の総面積よりも（０００−１）面の総面積が大きくなるように切り出すことが、その上に成長させる結晶のＷ１／Ｗ２比をより小さくするうえで好ましい。
切り出すIII族窒化物自立基板のサイズは、その自立基板上に結晶を成長させることができるものであることが必要とされる。通常は、製造しようとしているIII族窒化物半導体基板の形状に対応した形状とサイズを選択する。例えば、長方形、立方径、円柱状のIII族窒化物自立基板とすることができる。長方形のIII族窒化物自立基板を製造する場合は、主面とＣ面の交線方向の長さ（Ｌ１）が、それに直交する主面内の方向の長さ（Ｌ２）よりも長いことが好ましい。具体的には、長さの比（Ｌ１／Ｌ２）が１以上であることが好ましく、１．５以上であることがより好ましく、２以上であることがさらに好ましい。また、長さの比（Ｌ１／Ｌ２）は１０以下であることが好ましく、７以下であることがより好ましく、５以下であることがさらに好ましい。III族窒化物自立基板の厚みは取り扱いの容易性や自立基板上への結晶の成長容易性等を考慮して適宜決定することができるが、例えば０．２ｍｍ以上にし、さらには０．３ｍｍ以上にすることができ、また、例えば５ｍｍ以下にし、さらには２ｍｍ以下にすることができる。
【００２５】
III族窒化物自立基板は単独で用いて、その上にIII族窒化物結晶を成長させることも可能であるが、大型のIII族窒化物結晶を容易に作製することが可能な点から、複数のIII族窒化物自立基板をシードとして並べて設置したうえでIII族窒化物結晶を成長させることが好ましい。複数のIII族窒化物自立基板を並べる際には、同一平面上に結晶方位をそろえて並べ、少なくとも隣り合う自立基板が互いに接するように並べることが好ましい。このとき、少なくとも自立基板の主面とＣ面との交線方向の辺で互いに接するように並べることが好ましい。例えば、主面とＣ面との交線方向の辺と、それに直交する辺を有する主面を含む直方体または立方体の同一形状のIII族窒化物自立基板を並べる際には、少なくとも主面とＣ面との交線方向の辺どうしが接するようにし、好ましくはそれに直交する辺どうしも接するように並べる。具体例として、ａ軸方向の辺とｃ軸方向の辺を有するＭ面を主面とする直方体のIII族窒化物自立基板（シード１１０）を並べる際には、図２に示すようにａ軸方向の辺どうしが接し、ｃ軸方向の辺どうしが接するように並べることができる。このとき、主面とＣ面との交線方向であるａ軸方向の辺どうしが接する距離の総和（Ｓａ）が、それ以外の辺であるｃ軸方向の辺どうしが接する距離の総和（Ｓｃ）よりも長くすることが好ましい。距離の総和の比（Ｓａ／Ｓｃ）は１以上であることが好ましく、２以上であることがより好ましく、２．５以上であることがさらに好ましい。また、距離の総和の比（Ｓａ／Ｓｃ）は１０以下であることが好ましく、８以下であることがより好ましく、５以下であることがさらに好ましい。
【００２６】
III族窒化物自立基板上にIII族窒化物結晶を成長させる方法としては、例えば、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法、有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法、昇華法などの気相法、液相エピタキシー（ＬＰＥ）法などの液相法、アモノサーマル法などを採用することが可能であり、ＨＶＰＥ法を好ましく用いることができる。
【００２７】
（製造装置と製造条件）
本発明では、III族窒化物自立基板上にIII族窒化物結晶を成長させることができる製造装置を適宜選択して用いることができる。以下では、好ましい製造装置の一例として、図３を参照しながらＨＶＰＥ法の製造装置を説明する。
【００２８】
１）基本構造
図３の製造装置は、リアクター１００内に、シード１１０を載置するためのサセプター１０８と、成長させるIII族窒化物半導体の原料を入れるリザーバー１０６とを備えている。また、リアクター１００内にガスを導入するための導入管１０１〜１０５と、排気するための排気管１０９が設置されている。さらに、リアクター１００を側面から加熱するためのヒーター１０７が設置されている。
【００２９】
２）リアクターの材質、雰囲気ガスのガス種
リアクター１００の材質としては、石英、焼結体窒化ホウ素、ステンレス等が用いられる。好ましい材質は石英である。リアクター１００内には、反応開始前にあらかじめ雰囲気ガスを充填しておく。雰囲気ガス（キャリアガス）としては、例えば、水素、窒素、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。
【００３０】
３）サセプターの材質、形状、成長面からサセプターまでの距離
サセプター１０８の材質としてはカーボンが好ましく、ＳｉＣで表面をコーティングしているものがより好ましい。サセプター１０８の形状は、本発明で用いるIII族窒化物シードを設置することができる形状であれば特に制限されないが、結晶成長する際に結晶成長面付近に構造物が存在しないものであることが好ましい。結晶成長面付近に成長する可能性のある構造物が存在すると、そこに多結晶体が付着し、その生成物としてＨＣｌガスが発生して結晶成長させようとしている結晶に悪影響が及んでしまう。シード１１０とサセプター１０８の接触面は、シードの主面（結晶成長面）から１ｍｍ以上離れていることが好ましく、３ｍｍ以上離れていることがより好ましく、５ｍｍ以上離れていることがさらに好ましい。
【００３１】
４）リザーバー
リザーバー１０６には、成長させるIII族窒化物半導体の原料を入れる。具体的には、III族源となる原料を入れる。そのようなIII族源となる原料として、Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎなどを挙げることができる。リザーバー１０６にガスを導入するための導入管１０３からは、リザーバー１０６に入れた原料と反応するガスを供給する。例えば、リザーバー１０６にIII族源となる原料を入れた場合は、導入管１０３からＨＣｌガスを供給することができる。このとき、ＨＣｌガスとともに、導入管１０３からキャリアガスを供給してもよい。キャリアガスとしては、例えば水素、窒素、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒのような不活性ガス等を挙げることができる。これらのガスは混合して用いてもよい。
【００３２】
５）窒素源（アンモニア）、セパレートガス、ドーパントガス
導入管１０４からは、窒素源となる原料ガスを供給する。通常はＮＨ3を供給する。また、導入管１０１からは、キャリアガスを供給する。キャリアガスとしては、導入管１０３から供給するキャリアガスと同じものを例示することができる。このキャリアガスは原料ガス同士の気相での反応を抑制し、ノズル先端にポリ結晶が付着することを防ぐ効果もある。また、導入管１０２からは、ドーパントガスを供給することもできる。例えば、ＳｉＨ4やＳｉＨ2Ｃｌ2、Ｈ2Ｓ等のｎ型のドーパントガスを供給することができる。
【００３３】
６）ガス導入方法
導入管１０１〜１０４から供給する上記ガスは、それぞれ互いに入れ替えて別の導入管から供給しても構わない。また、窒素源となる原料ガスとキャリアガスは、同じ導入管から混合して供給してもよい。さらに他の導入管からキャリアガスを混合してもよい。これらの供給態様は、リアクター１００の大きさや形状、原料の反応性、目的とする結晶成長速度などに応じて、適宜決定することができる。
【００３４】
７）排気管の設置場所
ガス排気管１０９は、リアクター内壁の上面、底面、側面に設置することができる。ゴミ落ちの観点から結晶成長端よりも下部にあることが好ましく、図３のようにリアクター底面にガス排気管１０９が設置されていることがより好ましい。
【００３５】
８）結晶成長条件
上記の製造装置を用いた結晶成長は、９５０℃以上で行うことが好ましく、９７０℃以上で行うことがより好ましく、９８０℃以上で行うことがさらに好ましい。また、１１２０℃以下で行うことが好ましく、１１００℃以下で行うことがより好ましく、１０９０℃以下で行うことがさらに好ましい。Ｗ１／Ｗ２比をより低減するためには、結晶成長中の温度が徐々に低下しないように制御することが好ましい。結晶成長中の温度低下は６０℃以内に制御することが好ましく、４０℃以内に制御することがより好ましく、２０℃以内に制御することがさらに好ましい。リアクター内の圧力は１０ｋＰａ以上とすることが好ましく、３０ｋＰａ以上とすることがより好ましく、５０ｋＰａ以上とすることがさらに好ましい。また、２００ｋＰａ以下とすることが好ましく、１５０ｋＰａ以下とすることがより好ましく、１２０ｋＰａ以下とすることがさらに好ましい。
【００３６】
９）結晶の成長速度
上記の製造装置を用いた結晶成長の成長速度は、成長方法、成長温度、原料ガス供給量、結晶成長面方位等により異なるが、一般的には５μｍ／ｈ〜５００μｍ／ｈの範囲であり、１０μｍ／ｈ以上が好ましく、５０μｍ／ｈ以上がより好ましく、７０μｍ以上であることがさらに好ましい。成長速度は、上記の他、キャリアガスの種類、流量、供給口−結晶成長端距離等を適宜設定することによって制御することができる。
【００３７】
（スライス、外形加工、表面研磨）
結晶成長後に所望の形状のIII族窒化物半導体基板を得るために、スライス、外形加工、表面研磨などを適宜行うことが好ましい。これらの方法は、いずれか１つだけを選択して用いてもよいし、組み合わせて用いてもよい。組み合わせて用いる場合は、例えば、スライス、外形加工、表面研磨の順に行うことができる。各処理について詳しく説明すると、スライスは、例えばワイヤーで切断することにより行うことができる。外形加工とは、基板形状を円形にしたり、長方形にしたりすることを意味し、例えばダイシング、外周研磨、ワイヤーで切断する方法などを挙げることができる。表面研磨の例として、ダイヤモンド砥粒などの砥粒を用いて表面を研磨する方法、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）、機械研磨後のＲＩＥでのダメージ層エッチングなどを挙げることができる。
【００３８】
（３）III族窒化物半導体結晶の製造
本発明のIII族窒化物半導体基板の主面上に結晶を成長させることにより、III族窒化物半導体結晶を製造することができる。III族窒化物半導体基板上にIII族窒化物結晶を成長させる方法としては、例えば、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）法、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）、ＬＰＥ法などの液相法、アモノサーマル法などを採用することが可能であり、ＨＶＰＥ法を好ましく用いることができる。ＨＶＰＥ法の製造装置については、図３に示すものを例示することができる。製造条件については、通常のIII族窒化物結晶の成長条件を適宜選択して採用することができる。本発明のIII族窒化物半導体基板を用いて成長させたIII族窒化物半導体結晶は、結晶品質が高くて半導体発光デバイス等に好ましく用いることができる。
【００３９】
本発明によれば、サイズが大きなIII族窒化物半導体基板を提供することができるため、製造しようとしているIII族窒化物半導体結晶のサイズに応じた基板を用いることが好ましい。本発明では、複数のIII族窒化物半導体基板を平面上に並べて、その上にまたがるようにIII族窒化物半導体結晶を成長させることも可能であるが、一段と品質が良好な結晶を製造するためには、１枚のIII族窒化物半導体基板上にIII族窒化物半導体結晶を成長させることが好ましい。
【００４０】
（４）半導体発光デバイス
本発明の半導体発光デバイスは、上記の本発明のIII族窒化物半導体基板を用いている点に特徴がある。通常は、本発明のIII族窒化物半導体基板の主面上に上記方法によりIII族窒化物半導体結晶を成長させることにより、ＬＥＤなどの半導体発光デバイスを製造する。成長させるIII族窒化物半導体結晶としては、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどを挙げることができる。本発明のIII族窒化物半導体基板上に結晶を成長させれば、主面のチルト角分布の比（Ｗ１／Ｗ２）が大きな従来のIII族窒化物半導体基板上に結晶を成長させた場合に比べて、発光効率が高い半導体発光デバイスを提供することができる。
【実施例】
【００４１】
以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
【００４２】
（１）III族窒化物半導体基板の製造
（実施例１）
（０００１）面成長により作製されたＧａＮ結晶塊から、（２０−２１）面から＜０００１＞（ｃ軸）方向に１°のオフ角を有する主面を有する長方体のＧａＮ自立基板を８枚切り出した。各ＧａＮ自立基板は、＜１１−２０＞（ａ軸）方向に３０ｍｍ、主面内においてａ軸に直交する方向に１７ｍｍとなるように切り出した。このＧａＮ自立基板をシードとして、サセプター上に＜１１−２０＞（ａ軸）方向に２列、ａ軸に直交する方向に４列に並べた（図２参照）。その後、図３に示すように、シード１１０を搭載したサセプター１０８をリアクター１００内に配置し、反応室の温度を９７０℃まで上げ、ＨＶＰＥ法にてＧａＮ単結晶膜の成長を開始した。成長開始と同時に、反応室の温度を９７０℃から１０２０℃まで１時間で昇温させた後、１０２０℃一定で７７時間成長させた。この単結晶成長工程においては成長開始から成長終了まで成長圧力を１．０１×１０5Ｐａとし、ＧａＣｌガスＧ３の分圧を５．９６×１０2Ｐａとし、ＮＨ3ガスＧ４の分圧を５．３４×１０3Ｐａとした。単結晶成長工程が終了後、室温まで降温し、ＧａＮ結晶を得た。得られたＧａＮ結晶は＜２０−２１＞方向に最大で１２．０ｍｍ、最小で８．１ｍｍ成長していた。成長膜厚分布には傾向がなく、ランダムな膜厚分布であった。
【００４３】
得られたＧａＮ結晶を、ダイシングにより外形加工し、さらにダイヤモンド砥粒を用いた研磨およびＣｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａl  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（ＣＭＰ）により表面研磨して、厚さ４００μｍの（１０−１０）面（Ｍ面）を主面とする５５ｍｍ角の正方形のＧａＮ自立基板を作製した。基板面内における＜１１−２０＞（ａ軸）方向および＜０００１＞（ｃ軸)方向のチルト角分布を、Ｘ線回折法のωスキャンを各方向に３点実施することにより測定した。３点の測定点は、基板中心１点と、基板中心から２０ｍｍ離れた２点となる位置とした。測定結果は、４０ｍｍ間隔換算で＜１１−２０＞（ａ軸）方向は±０．１１°、＜０００１＞（ｃ軸)方向は±０．３５°であった。＜１１−２０＞（ａ軸）方向のチルト角分布を＜０００１＞（ｃ軸)方向のチルト角分布で割った値は、０．３１であった。なお、２つの軸方向のチルト角分布は主面中でほぼ一定であった。
【００４４】
（実施例２）
実施例１と同じ方法にしたがって、（２０−２１）面から＜０００１＞（ｃ軸）方向に１°のオフ角を有する主面を有する８枚のＧａＮ自立基板上にＧａＮ結晶を成長させた。得られたＧａＮ結晶を、ワイヤーで切断することによりスライスし、ダイシングすることにより外形加工し、さらにダイヤモンド砥粒を用いた研磨とＣＭＰにより表面研磨して、厚さ４００μｍの（２０−２１）面を主面とする５５ｍｍ角の正方形のＧａＮ自立基板を作製した。基板面内における＜１１−２０＞（ａ軸）方向および主面内においてａ軸に直交する方向のチルト角分布を、Ｘ線回折法のωスキャンを実施例１と同様に各方向に３点実施することにより測定したところ、４０ｍｍ間隔換算で＜１１−２０＞（ａ軸）方向は±０．１１°、ａ軸に直交する方向は±０．３３°であった。＜１１−２０＞（ａ軸）方向のチルト角分布をａ軸に直交する方向のチルト角分布で割った値は、０．３３であった。なお、２つの軸方向のチルト角分布は主面中でほぼ一定であった。
【００４５】
（比較例１）
（２０−２１）面から＜１１−２０＞（ａ軸）方向に−１°から１°のオフ角を有する主面を有する８枚のＧａＮ自立基板を用意し、＜１１−２０＞側に−１°のオフ角を有する基板を置き、＜−１−１２０＞側に行くにつれ、徐々にオフ角がプラス側に変化するようにサセプター上に並べた。図３の結晶製造装置を用いて、実施例１と同様の条件でＧａＮ結晶を成長させた。得られたＧａＮ結晶を、ワイヤーで切断することによりスライスし、ダイシングにより外形加工し、さらにダイヤモンド砥粒を用いた研磨とＣＭＰにより表面研磨して、厚さ４００μｍの（１０−１０）面（Ｍ面）を主面とする５５ｍｍ角の正方形のＧａＮ自立基板を作製した。基板面内における＜１１−２０＞（ａ軸）方向および＜０００１＞（ｃ軸)方向のチルト角分布を、Ｘ線回折法のωスキャンを実施例１と同様に各方向に３点実施することにより測定したところ、４０ｍｍ間隔換算で＜１１−２０＞（ａ軸）方向は±０．８１°、＜０００１＞（ｃ軸)方向は±０．４１°であった。＜１１−２０＞（ａ軸）方向のチルト角分布を＜０００１＞（ｃ軸)方向のチルト角分布で割った値は、１．８４であった。なお、２つの軸方向のチルト角分布は主面中でほぼ一定であった。
【００４６】
＜実施例３＞
主面が（１０−１−１）面であり、＜０００１＞（ｃ軸）方向の長さが５ｍｍで、＜１１−２０＞（ａ軸）方向の長さが２０ｍｍである長方形のＧａＮ自立基板を用意し、これをシード１１０としてサセプター１０８上に置いた。シード１１０を搭載したサセプター１０８を図１に示すようにリアクター１００内に配置して、反応室の温度を１０２０℃まで上げ、ＨＶＰＥ法にてＧａＮ単結晶膜を５４時間成長させた。この単結晶成長工程においては成長圧力を１．０１×１０5Ｐａとし、ＧａＣｌガスＧ３の分圧を５．９６×１０2Ｐａとし、ＮＨ3ガスＧ４の分圧を６．９８×１０3Ｐａとした。単結晶成長工程が終了後、室温まで降温し、ＧａＮ結晶を得た。結晶は［１０−１−１］方向に最大４．５ｍｍ成長していた。
得られたＧａＮ結晶について外形加工、表面研磨処理を行った後、通常の手法でこれをスライスし、研磨を行って、厚さ３３０μｍの（１０−１０）面を主面とするＧａＮ自立基板を３枚作製した。得られた３枚のＧａＮ自立基板のうち、シード側から２番目の基板の評価を実施した。基板面内における＜１１−２０＞（ａ軸）方向および主面内においてａ軸に直交する方向のチルト角分布を、Ｘ線回折法のωスキャンを実施例１と同様に各方向に３点実施することにより測定したところ、４０ｍｍ間隔換算で＜１１−２０＞（ａ軸）方向は±０．２１°、ａ軸に直交する方向は±０．２６°であった。＜１１−２０＞（ａ軸）方向のチルト角分布をａ軸に直交する方向のチルト角分布で割った値は、０．８１であった。なお、２つの軸方向のチルト角分布は主面中でほぼ一定であった。
【００４７】
＜実施例４＞
シードとして主面が（２０−２−１）面であるＧａＮ自立基板を用いた点を変更して、実施例３と同じ条件でＧａＮ結晶を得た。結晶は［２０−２−１］方向に最大４．８ｍｍ成長していた。この結晶から実施例３と同じ方法により厚さ３３０μｍの３枚のＧａＮ自立基板を得て、シード側から２番目の基板の反りを測定した。基板面内における＜１１−２０＞（ａ軸）方向および主面内においてａ軸に直交する方向のチルト角分布を、Ｘ線回折法のωスキャンを実施例１と同様に各方向に３点実施することにより測定したところ、４０ｍｍ間隔換算で＜１１−２０＞（ａ軸）方向は±０．０８°、ａ軸に直交する方向は±０．１４°であった。＜１１−２０＞（ａ軸）方向のチルト角分布をａ軸に直交する方向のチルト角分布で割った値は、０．５７であった。なお、２つの軸方向のチルト角分布は主面中でほぼ一定であった。
【００４８】
＜実施例５＞
シードとして主面が（１０−１０）面であるＧａＮ自立基板を用いた点を変更して、実施例３と同じ条件でＧａＮ結晶を得た。結晶は［１０−１０］方向に最大４．７ｍｍ成長していた。この結晶から実施例３と同じ方法により厚さ３３０μｍの３枚のＧａＮ自立基板を得て、シード側から２番目の基板の反りを測定した。基板面内における＜１１−２０＞（ａ軸）方向および主面内においてａ軸に直交する方向のチルト角分布を、Ｘ線回折法のωスキャンを実施例１と同様に各方向に３点実施することにより測定したところ、４０ｍｍ間隔換算で＜１１−２０＞（ａ軸）方向は±０．１５°、ａ軸に直交する方向は±０．６０°であった。＜１１−２０＞（ａ軸）方向のチルト角分布をａ軸に直交する方向のチルト角分布で割った値は、０．２５であった。なお、２つの軸方向のチルト角分布は主面中でほぼ一定であった。
【００４９】
＜実施例６＞
シードとして、主面が（２０−２１）面であり、ｃ軸方向の長さが１７ｍｍで、ａ軸方向の長さが２５ｍｍの長方形であるＧａＮ自立基板を８枚用意し、これらをｃ軸方向に４列、ａ軸方向に２列に並べて使用した点を変更して、実施例３と同じ条件でＧａＮ結晶を得た。結晶は［２０−２１］方向に最大１７ｍｍ成長していた。（１０−１０）面でスライスし、複数枚の基板を得て、そのうち３９ｍｍ×５３ｍｍの基板の反りを測定した。基板面内における＜１１−２０＞（ａ軸）方向および主面内においてａ軸に直交する方向のチルト角分布を、Ｘ線回折法のωスキャンを実施例１と同様に各方向に３点実施することにより測定したところ、４０ｍｍ間隔換算で＜１１−２０＞（ａ軸）方向は±０．０３３°、ａ軸に直交する方向は±０．２２°であった。＜１１−２０＞（ａ軸）方向のチルト角分布をａ軸に直交する方向のチルト角分布で割った値は、０．１５であった。なお、２つの軸方向のチルト角分布は主面中でほぼ一定であった。
【００５０】
（２）半導体発光デバイスの製造
（実施例１１）
実施例１で製造した（１０−１０）面を主面とする基板上に、ＭＯＣＶＤ法により４０５ｎｍ発光を目標にしたＩｎＧａＮ系のＬＥＤ構造を作製した。具体的には、基板にＩｎＧａＮ／ＧａＮ量子井戸を含んだ構造を成長することによってＬＥＤ構造を作製した。作製したＬＥＤ構造は、光学顕微鏡で５０倍から１０００倍の倍率まで確認したところ平坦に作製されていることが確認された。作製したＬＥＤについて、中心波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として用いて室温にてＰＬ（photo-luminescence）測定を実施したところ、ウェハ全面から、発光波長４０５ｎｍ付近の量子井戸からの発光が観測された。
【００５１】
（実施例１２）
実施例２で製造した（２０−２１）面を主面とする基板を用いた点を変更して、実施例１１と同様にしてＬＥＤ構造を作製した。作製したＬＥＤ構造は、光学顕微鏡で５０倍から１０００倍の倍率まで確認したところ平坦に作製されていることが確認された。作製したＬＥＤについて、中心波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として用いて室温にてＰＬ測定を実施したところ、ウェハ全面から、発光波長４０５ｎｍ付近の量子井戸からの発光が観測された。
【００５２】
（比較例１１）
比較例１で製造した（１０−１０）面を主面とする基板を用いた点を変更して、実施例１１と同様にしてＬＥＤ構造を作製した。作製したＬＥＤ構造の表面を光学顕微鏡で５０倍の倍率で観察したところ、非常に荒れた表面になっていることが確認された。作製したＬＥＤについて、中心波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として用いて室温にてＰＬ測定を実施したところ、ウェハ全面で発光波長４０５ｎｍ付近の量子井戸からの発光が全く観測されず、４４０ｎｍより長波長側の発光のみ観測された。
【００５３】
（実施例１３）
実施例３で製造した（１０−１−１）面を主面とする基板を用いた点を変更して、実施例１１と同様にしてＬＥＤ構造を作製した。作製したＬＥＤについて、中心波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として用いて室温にてＰＬ測定を実施したところ、ウェハ全面から、発光波長４０５ｎｍ付近の量子井戸からの発光が観測された。
【００５４】
（実施例１４）
実施例４で製造した（２０−２１）面を主面とする基板を用いた点を変更して、実施例１１と同様にしてＬＥＤ構造を作製した。作製したＬＥＤについて、中心波長３２５ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザーを励起光源として用いて室温にてＰＬ測定を実施したところ、ウェハ全面から、発光波長４０５ｎｍ付近の量子井戸からの発光が観測された。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明のIII族窒化物半導体基板を用いれば、その上に優れた品質を有するIII族窒化物結晶を成長させることができる。また、そのようにして成長させたIII族窒化物結晶を用いれば、発光効率が高いＬＥＤなどの半導体発光デバイスを簡便に製造することができる。このため、本発明はIII族窒化物半導体を利用した工業製品の開発や製造に効果的に利用することができ、産業上の利用可能性が高い。
【符号の説明】
【００５６】
１  III族窒化物半導体基板
１００  リアクター
１０１  キャリアガス用配管
１０２  ドーパントガス用配管
１０３  III族原料用配管
１０４  窒素原料用配管
１０５  ＨＣｌガス用配管
１０６  III族原料用リザーバー
１０７  ヒーター
１０８  サセプター
１０９  排気管
１１０  シード
Ｇ１  キャリアガス
Ｇ２  ドーパントガス
Ｇ３  III族原料ガス
Ｇ４  窒素原料ガス
Ｇ５  ＨＣｌガス
【図１】
0005830973.tif 000002
【図２】
0005830973.tif 000003
【図３】
0005830973.tif 000004