(57)【要約】      （修正有）【課題】反りの小さい自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板を提供する。【解決手段】サファイア基板３１上に、ＧａＮ低温バッファ層３２を介してＧａＮ層３３をエピタキシャル成長させる。次いでこの基板を反応管から取り出し、サファイア基板３１、ＧａＮ低温バッファ層３２およびＧａＮ層３３の一部を除去することにより自立ＧａＮ基板３５を得る。その後、この自立ＧａＮ基板３５を電気炉に入れ、ＮＨ３雰囲気で１２００℃で２４時間熱処理を行う。以上のようにして、表面転位密度４×１０７ｃｍ−２、裏面転位密度８×１０５ｃｍ−２、転位密度比５０の自立ＧａＮ基板が得られる。【選択図】図３
2008044842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板において、刃状転位密度の低い側の面の転位密度をｍ１、刃状転位密度の高い側の面の転位密度をｍ２としたとき、ｍ２／ｍ１の値が１０００未満であることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項２】
請求項１に記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板において、ｍ１が５×１０７ｃｍ-2以下であることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板において、厚みが３０μｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載のIII−Ｖ族窒化物系半導体基板において、ＧａＮまたはＡｌＧａＮからなる層を含むことを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III−Ｖ族窒化物系半導体基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体材料は、禁制帯幅が充分大きく、バンド間遷移も直接遷移型であるため、短波長発光素子への適用が盛んに検討されている。また、電子の飽和ドリフト速度が大きいこと、ヘテロ接合による２次元キャリアガスの利用が可能なこと等から、電子素子への応用も期待されている。
【０００３】
これらの素子を構成する窒化物半導体層は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）、分子線気相成長法（ＭＢＥ）、ハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）等の気相成長法を用いて下地基板上にエピタキシャル成長を行うことにより得られる。ところが、この窒化物半導体層と格子定数の整合する下地基板が存在しないため、良質の成長層を得ることが困難であり、得られる窒化物半導体層中には多くの結晶欠陥が含まれていた。この結晶欠陥は、素子特性の向上を阻害する要因となることから、これまで、窒化物半導体層中の結晶欠陥を低減する検討が盛んに行われてきた。
【０００４】
結晶欠陥の比較的少ないIII族元素窒化物系結晶を得るための方法として、サファイア等の異種基板上に低温堆積緩衝層（バッファ層）を形成し、その上にエピタキシャル成長層を形成する方法が知られている。低温堆積緩衝層を用いた結晶成長法では、まず、サファイア等基板上にＡｌＮまたはＧａＮを５００℃付近で堆積し、アモルファス状の膜ないし一部多結晶を含む連続膜を形成する。これを１０００℃付近に昇温することで一部を蒸発させ、また結晶化することで、密度の高い結晶核を形成する。これを成長の核として比較的結晶性のよいＧａＮ膜が得られる。しかしながら、低温堆積緩衝層を形成する方法を用いても、貫通転位や空孔パイプなどの結晶欠陥が相当程度存在し、現在望まれているような高性能の素子を得るには不充分であった。
【０００５】
そこで、結晶成長用の基板としてＧａＮ基板を用い、この上に素子部を構成する半導体多層膜を形成する手法が盛んに検討されている。以下、こうした結晶成長用のＧａＮ基板を、自立ＧａＮ基板と称する。自立ＧａＮ基板を得るための手法として、ＥＬＯ（Epitaxial Lateral Overgrowth）技術が知られている。ＥＬＯとは、下地基板にストライプ状開口部を有するマスクを形成し、開口部からラテラル成長させることにより転位の少ないＧａＮ層を得る技術である。特開平１１−２５１２５３号公報では、このＥＬＯ技術を用いてサファイア基板上にＧａＮ層を形成した後、サファイア基板をエッチング等により除去し、自立ＧａＮ基板を得ることが提案されている。
【０００６】
一方、ＥＬＯの手法をさらに発展させた手法としてＦＩＥＬＯ（Facet-Initiated Epitaxial Lateral Overgrowth）技術（A. Usui et al., Jpn.J. Appl.Phys. Vol.36(1997) pp.L.899-L.902)）が開発されている。この技術は、酸化シリコンマスクを用いて選択成長を行う点でＥＬＯと共通するが、その際、マスク開口部にファセットを形成する点で相違している。ファセットを形成することにより、転位の伝搬方向を変え、エピタキシャル成長層の上部に至る貫通転位を低減するものである。この方法を用いることにより、たとえばサファイア等の下地基板上に厚膜のＧａＮ層を成長させ、その後下地基板を除去することにより、結晶欠陥の比較的少ない良質の自立ＧａＮ基板を得ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このような方法で作製した自立ＧａＮ基板には解決すべき課題も残されていた。その最も大きな課題は反りの発生である。例えばサファイア基板を除去した自立ＧａＮ基板では、成長面を上にして、凹面状に反っていることが知られている。この反りの曲率半径は数十ｃｍ程度にも達する。この反りが大きいと、これを基板としてデバイス用の層構造をＭＯＶＰＥ装置などで成長する場合に、基板ホルダーに基板が密着できないため温度分布が生じて均一な組成、不純物分布などが得られない。また、均一なリソグラフィが困難となるため、デバイスの歩留まりが大きく損なわれる。この反りの大きさはもちろん小さいほどよいが、曲率半径として１ｍ以上とすることが望まれる。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、反りの小さいIII−Ｖ族窒化物系半導体自立基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らの検討によれば、自立基板の反りは、基板表面と裏面とのそれぞれの面で平均した転位（特に刃状転位）密度が異なり、基板中で分布を持つためであることが原因していることが判明した。すなわち、基板の一方の面と他方の面との転位密度の差が大きいほど、その反りは大きくなるのである。従って、反りを低減するためには、この転位密度の分布を制御することが極めて重要となる。
【００１０】
一方の面と他方の面との刃状転位密度の差が転位の勾配が基板の反りをもたらすことについては、次のように考えることができる。六方晶ＧａＮにおいては、結晶粒が高密度で存在しており、異種基板との格子不整合によって、結晶粒同士にわずかな回転のずれが存在するために、その境界には刃状転位が多数存在することになる。刃状転位密度と結晶粒サイズの間にはほぼ線形な関係が認められ、この結晶粒の大きさｄ０と基板内部に蓄積される歪の大きさ（ε）には、
ε＝Δ／ｄ０  （１）
という関係式が成り立つ。ここで、Δは、ほぼ、刃状転位のバーガースベクトルに等しい。従って、一方の面と他方の面で転位密度が異なる基板が存在すると、この歪の大きさが基板内部で異なり，それが原因で反りが発生する。
【００１１】
実際に、異種基板上にＧａＮ層をエピタキシャル成長させた後、異種基板を除去することにより自立ＧａＮ基板を作製した場合、基板とＧａＮ層との界面において、格子不整合に由来して１０９〜１０11ｃｍ−２の高い刃状転位密度となる。このような結晶でも、ラテラル成長をはじめとする種々の低転位化技術や、厚膜成長によって、ＧａＮ層表面では１０５〜１０７ｃｍ−２程度の転位密度まで下がる。このような基板の反りは、通常、一方の面の刃状転位密度が１０９ｃｍ−２程度で、他方の面の刃状転位密度が１０６ｃｍ−２程度となる。厚さが２００μｍの自立ＧａＮ基板の場合には、反りの曲率半径はおよそ２０ｃｍと非常に大きくなり、このままではデバイス応用に供することは困難である。一方、刃状転位密度が高い側の面でその値が１０７ｃｍ−２程度と小さくなれば、反りの曲率半径は１０ｍ程度と反りが大きく改善され、デバイス応用に適した基板を得ることができる。
【００１２】
以上、特に刃状転位密度の制御によって基板の反りを抑制できる理由について述べたが、同様に、刃状転位密度を含む全転位密度を制御することによっても基板の反りを有効に抑制できる。
【００１３】
本発明は、上記観点に基づいてなされたものであり、全転位密度、特に刃状転位密度の制御によって基板の反りを抑制するものである。
【００１４】
本発明によれば、自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板において、刃状転位密度の低い側の面の転位密度をｍ１、刃状転位密度の高い側の面の転位密度をｍ２としたとき、ｍ２／ｍ１の値が１０００未満であることを特徴とするIII−Ｖ族窒化物系半導体基板が提供される。
【００１５】
本発明によれば、基板の反りが顕著に改善される。反りの低減効果が安定的に得られることから、製造安定性の点でも優れる。
【００１６】
このIII−Ｖ族窒化物系半導体基板において、ｍ１は、好ましくは５×１０７ｃｍ-2以下、より好ましくは５×１０６ｃｍ-2以下とすることができる。こうすることで、良好な結晶品質を実現しつつ反りを効果的に抑制することができる。
【００１７】
なお、本発明における転位密度および刃状転位密度は、面内の平均密度をいう。たとえばマスク成長によって作製したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板の場合、製造方法によっては基板面内で転位密度が異なる場合がある。このような面内転位密度分布が存在する場合、平均転位密度や平均刃状転位密度を上記範囲内の値となるように構成することで、基板の反りを効果的に低減することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように本発明によれば、基板内の転位密度、特に刃状転位密度を制御しているため、反りの小さい自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板が安定的に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明における「自立した」基板とは、自らの形状を保持でき、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する基板をいう。このような強度を具備するようにするため、自立基板の厚みは、好ましくは３０μｍ以上、より好ましくは５０μｍ以上とする。また、素子形成後の劈開の容易性等を考慮し、自立基板の厚みは、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは３００μｍ以下とする。あまり厚さが厚いと劈開が困難となり、劈開面に凹凸が生じる。この結果、たとえば半導体レーザ等に適用した場合、反射のロスによるデバイス特性の劣化が問題となる。
【００２０】
本発明におけるIII−Ｖ族窒化物系半導体とは、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で表される半導体が挙げられる。このうち、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の半導体が好ましく用いられる。強度、製造安定性等、基板材料に求められる特性を満足するからである。
【００２１】
本発明は、自立基板の転位密度、特に刃状転位密度の低減によって基板の反りを抑制するものである。一般に転位のキャラクタとして、「刃状（ｅｄｇｅ）」、「螺旋（ｓｃｒｅｗ）」といった名称が用いられる。この刃状転位および螺旋転位は、転位線の走る方向に対してバーガースベクトルｂがそれぞれ、垂直、平行な場合を示している。刃状と螺旋のキャラクタが混ざった場合、すなわち転位線に対してバーガースベクトルｂが斜めのときは「混合（ｍｉｘｅｄ）」転位と呼ぶ。ここで、一本の転位内で、バーガースベクトルｂの方向に対して転位線方向が変化する場合がある。転位は必ずしも真っ直ぐに走っているとは限らず、むしろ曲がっている場合が多い。極端な例として転位線が輪状に形成されている場合を考えると、バーガースベクトルｂと平行に走る部分は螺旋転位となり、バーガースベクトルｂと垂直に走る部分は刃状転位となる。本発明における「刃状転位」とは、このように転位の一部が刃状転位となっている場合も含む。
【００２２】
転位キャラクタの判別は、たとえば透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により行うことができる。ＴＥＭ観察の際に選択された回折格子面の法線ベクトル（「回折ベクトル」と呼ぶ。）ｇと転位線のバーガースベクトルｂが垂直である場合、すなわち、それぞれのベクトルの内積がゼロ（回折ベクトルｇ・バーガースベクトルｂ＝０）の場合に転位のコントラストが消滅することになる。このことを利用することにより、未知の転位キャラクタ（刃状、螺旋、混合）を決定することができる。
【００２３】
また、転位キャラクタは、化学溶液によって選択的にエッチングし、その結果形成された窪み（エッチピット）の形状および深さの観察結果から判別することもできる。
【００２４】
本発明における自立したIII−Ｖ族窒化物系半導体基板は、異種基板上にＦＩＥＬＯあるいはペンディオエピタキシにより形成した後、かかる異種基板を除去することにより形成することができる。このような方法で作製した場合、表面転位密度の少ない基板を安定的に製造することができる。ＦＩＥＬＯは、複数の開口部を有するマスクを形成し、開口部を成長領域としてファセット構造を形成しながらＧａＮ層を気相成長させる方法である。隣接する開口部から成長したＧａＮ結晶が合体して、転移の伝搬方向が基板と平行な方向に変化し、表面転移密度の低いＧａＮ層が得られる。このＧａＮ層と異種基板を分離することにより、高品質の自立ＧａＮ基板を得ることができる。一方、ペンディオエピタキシは、まず、異種基板上にＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）からなる低温バッファー層を形成し、次いでこの上にＡｌyＧａ1-yＮ（０≦ｙ≦１）からなる第一の結晶層を形成する。この結晶層の上に複数のストライプ状開口部を有するマスクを形成した後、エッチングを行い、ストライプ状の第一のＡｌyＧａ1-yＮ層を形成する。そして、これを起点としてＡｌｚＧａ1-ｚＮ（０≦ｚ≦１）結晶を気相成長させ、厚膜のＡｌｚＧａ1-ｚＮからなる第二の単結晶層を形成する。その後、第二の単結晶層と異種基板を分離することにより、高品質の自立基板を得ることができる。
【００２５】
ところが、こうした方法により基板を作製した場合、転位が低減され、良好な結晶品質が得られるが、反りについてはより促進される方向となる。素子形成面については転位が効果的に低減される一方、素子形成面と反対側の面については転位が多量に残存した状態となるため、低転位化を図ることにより、かえって基板表面と裏面における転位密度の比が通常よりも増大するからである。本発明はこうした低転位基板に適用した場合、顕著な効果を発揮し、良好な結晶品質を実現しつつ反りを効果的に抑制することができる。
【実施例】
【００２６】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、実施例中、「全転位密度」および「刃状転位密度」は、基板表面や基板裏面の平均密度を意味する。
【００２７】
実施例１
本実施例では、前述のＦＩＥＬＯを用いてサファイア基板上にＧａＮエピタキシャル層を成長させ、その後、サファイア基板を除去することにより自立ＧａＮ基板を作製し、評価した。以下、本実施例に係る自立ＧａＮ基板の作製方法について図１を参照して説明する。
【００２８】
まず図１（ａ）のようにサファイア基板１１を用いて、ＧａＮエピタキシャル層１２を成長させ、その上に、ストライプ状の開口部を有する酸化シリコンマスク１３を形成し、図２に示したＨＶＰＥ成長装置にセットする。この装置では、III族元素のハロゲン化物であるＧａＣｌを基板に輸送できる装置であり、ＧａＣｌは、導入管２２からＨ２もしくはＮ２といったキャリアガスとともに供給されるＨＣｌとＧａ金属２１との反応で生成される。基板領域で、ＧａＣｌと導入管２３から供給されるＮＨ３とが混合され、これらが反応しながら基板２４上でＧａＮが気相成長する。基板領域の温度は電気炉２５で１０００℃に設定した。また、原料となるＧａＣｌ分圧、ＮＨ３分圧を基板領域でそれぞれ、５×１０−３ａｔｍ、０．３ａｔｍとした。この条件で成長速度は約５０μｍ／ｈである。ドーピング原料ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２は、導入管２６から基板領域に供給することでドーピングを行い、図１（ｂ）のような約３５０μｍ厚のＳｉをドープしたＧａＮ層１４を成長させた。
【００２９】
この基板を反応管から取り出し、図１（ｃ）のようにサファイア基板と当該基板から数μｍ程度のＧａＮ層を取り除き、自立ＧａＮ基板１５を得た。サファイア基板を除去する方法としては、例えば、機械的研磨または、強アルカリ性、あるいは強酸性薬品によりエッチングすることが可能である。また、荷電ビームあるいは中性ビームによって物理的エッチングを行っても良い。さらに、サファイア基板は透過するが、ＧａＮでは吸収される紫外線レーザ光を照射して、界面付近を融解して除去することもできる。
【００３０】
この自立ＧａＮ基板１５の転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、５×１０９ｃｍ−２であり、一方成長面では、１×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、４．５×１０９ｃｍ−２、３．５×１０５ｃｍ−２という値が得られた。ここで転位密度の測定には、特に基板の裏面のように転位密度が１０８ｃｍ−２を超える場合には、平面および断面の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察を行い、それ以下の転位密度の場合には、化学溶液によって選択的にエッチングし、その結果形成された窪み（エッチピット）の数を光学顕微鏡もしくは走査電子顕微鏡を用いて計数した。エッチピットの形状には大きく二種があり、比較的底の浅いピットが刃状転位と対応している。この検証は、エッチピットの出た試料の断面透過型電子顕微鏡を用いて、暗視野像をとり、電子線のｇベクトルと転位線の方向との関係から転位のバーガースベクトルを決定できるので、これから転位の種類が判定できる。
【００３１】
得られた自立ＧａＮ基板１５の反りを測定したところ、その曲率半径として、３０ｃｍという値が得られた。この反りの測定手法として、例えばＸ線ロッキングカーブ測定から簡便で精度が良い結果を得ることができる。すなわち、反っている試料を横方向にＸだけ移動させたときのブラッグ角の変化θＢを調べることで、曲率半径ρは、
（１／ρ）＝  ｄθＢ／ｄｘ
なる関係式で得ることができる。
【００３２】
次に、図１（ｄ）のように、サファイア基板を除去した側の面について約１５０μｍにわたる領域１６を除去し、自立ＧａＮ基板１７を得た。この除去には溶融ＫＯＨを用いた。このエッチング液では、Ｎ面のみを選択的にエッチングできるために、特にＧａＮ層の裏面（成長面とは反対側）をエッチングするために便利である。この他にも、エッチングの選択性がなくとも、ＧａＮ表面にＳｉＯ２などの保護膜を形成することで裏面の化学的エッチングが可能であり、また、機械的研磨によっても除去することができる。
【００３３】
この結果、自立ＧａＮ基板１７のサファイア基板を除去した側の面の全転位密度は５×１０７ｃｍ−２、刃状転位密度は、３×１０７ｃｍ−２と低くなった。この基板の反りを測定したところ、曲率半径は５ｍと反りが大幅に改善された。この上にＩｎＧａＮ系レーザ構造を成長して、レーザの試作を行ったが、リソグラフィ時に反りの影響で、露光に不均一が出ることはなく、歩留まりが大きく向上した。
【００３４】
実施例２
本実施例では、前述のＥＬＯ技術（S. Nakamura, et al., Jpn.J.Appl.Phys., vol 36 (1997) p.L1130）を用いてサファイア基板上にＧａＮエピタキシャル層を成長させ、その後、サファイア基板を除去することにより自立ＧａＮ基板を作製し、評価した。以下、本実施例に係る自立ＧａＮ基板の作製方法について図４を参照して説明する。
【００３５】
まずサファイア基板４１を用いて、薄いＧａＮ層４２をエピタキシャル成長させ、その上に、ＧａＮの［１−１００］方向にストライプ状開口部を有する酸化シリコンマスク４３を形成し、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびＮＨ３を主原料とするＭＯＶＰＥ法により、図４（ｂ）のように１０μｍの厚さに平坦なＧａＮ層４４を成長した。
【００３６】
次にこの基板を前述の図２に示したＨＶＰＥ成長装置にセットした。基板領域の温度は電気炉２５で１０００℃に設定した。また、原料となるＧａＣｌ分圧、ＮＨ３分圧を基板領域でそれぞれ、５×１０−３ａｔｍ、０．３ａｔｍとした。この条件で成長速度は約５０μｍ／ｈである。また、ドーピング原料ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２は、導入管２６から基板領域に供給することでドーピングを行った。これにより図４（ｃ）のように約３５０μｍ厚のＳｉをドープしたＧａＮ層４５を基板上に成長させた。その後、基板を反応管から取り出し、図１（ｃ）で示したのと同様にしてサファイア基板と当該基板から数μｍ程度のＧａＮ層を取り除き、自立基板の形態を有するＧａＮ層４５を得た。サファイア基板を除去する方法としては、例えば、機械的研磨または、強アルカリ性、あるいは強酸性薬品によりエッチングすることが可能である。また、荷電ビームあるいは中性ビームによって物理的エッチングを行っても良い。さらに、サファイア基板は透過するが、ＧａＮでは吸収される紫外線レーザ光を照射して、界面付近を融解して除去することもできる。この自立ＧａＮ層４５の転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、１．５×１０９ｃｍ−２であり、一方成長面では、２×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、１×１０９ｃｍ−２、１×１０６ｃｍ−２という値が得られた。
【００３７】
得られた自立ＧａＮ層４５（自立ＧａＮ基板）の反りを測定したところ、その曲率半径として、１ｍという値が得られた。
【００３８】
次に、図１（ｄ）のように、サファイア基板を除去した側の面について約１５０μｍにわたる領域を除去した。この除去には溶融ＫＯＨを用いた。このエッチング液では、Ｎ面のみを選択的にエッチングできるために、特にＧａＮ基板の裏面（成長面とは反対側）をエッチングするために便利である。この他にも、エッチングの選択性がなくとも、ＧａＮ表面にＳｉＯ２などの保護膜を形成することで裏面の化学的エッチングが可能であり、また、機械的研磨によっても除去することができる。
【００３９】
この結果、自立ＧａＮ層４５のサファイア基板を除去した側の面の全転位密度は５×１０８ｃｍ−２、刃状転位密度は、２．５×１０８ｃｍ−２と低くなった。この基板の反りを測定したところ、曲率半径は３ｍと反りが大幅に改善された。この上にＩｎＧａＮ系レーザ構造を成長して、レーザの試作を行ったが、リソグラフィ時に反りの影響で、露光に不均一が出ることはなく、歩留まりが大きく向上した。
【００４０】
実施例３
本実施例では、ＰＥＮＤＥＯとよばれる技術（T.S.Zheleva, MRS Internet J.Nitride Semicond.Res., 4S11,G3.38(1999)）を用いてサファイア基板上にＧａＮエピタキシャル層を成長させ、その後、サファイア基板を除去することにより自立ＧａＮ基板を作製し、評価した。以下、本実施例に係る自立ＧａＮ基板の作製方法について図５を参照して説明する。
【００４１】
まずサファイア基板５１を用いて、薄いＧａＮエピタキシャル層５２の上に、ＧａＮの［１−１００］方向にストライプ状開口部を有する酸化シリコンマスク５３を形成した後、ドライエッチング法などにより、図５（ｂ）のようにＧａＮエピタキシャル層５２の一部、および、サファイア基板の一部５４のエッチングを行う。次いでトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）およびＮＨ３を主原料とするＭＯＶＰＥ法により、図５（ｃ）のように１０μｍの厚さに平坦なＧａＮ層５５を成長する。ドライエッチング部分の一部は空隙となって残存する。
【００４２】
この基板を、前述の図２に示したＨＶＰＥ成長装置にセットした。装置内の基板領域の温度は電気炉２５で１０００℃に設定した。また、原料となるＧａＣｌ分圧、ＮＨ３分圧を基板領域でそれぞれ、５×１０−３ａｔｍ、０．３ａｔｍとした。この条件で成長速度は約５０μｍ／ｈである。また、ドーピング原料ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２は、導入管２６から基板領域に供給することでドーピングを行った。このようにして図５（ｃ）のように約３５０μｍ厚のＳｉをドープしたＧａＮ層５６を成長させた。
【００４３】
この基板を反応管から取り出し、図１（ｃ）と同様にしてサファイア基板と当該基板から数μｍ程度のＧａＮ層を取り除き、自立基板としての形態を有するＧａＮ層５６を得た。サファイア基板を除去する方法としては、例えば、機械的研磨または、強アルカリ性、あるいは強酸性薬品によりエッチングすることが可能である。また、荷電ビームあるいは中性ビームによって物理的エッチングを行っても良い。さらに、サファイア基板は透過するが、ＧａＮでは吸収される紫外線レーザ光を照射して、界面付近を融解して除去することもできる。この自立ＧａＮ層５６の転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では平均して、３×１０９ｃｍ−２であり、一方成長面では、３×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、２．４×１０９ｃｍ−２、１．２×１０６ｃｍ−２という値が得られた。
【００４４】
得られた自立基板としての形態を有するＧａＮ層５６の反りを測定したところ、その曲率半径として、８０ｃｍという値が得られた。
【００４５】
次に、図１（ｄ）と同様にして、サファイア基板を除去した側の面について約１５０μｍにわたる領域を除去した。この除去には溶融ＫＯＨを用いた。このエッチング液では、Ｎ面のみを選択的にエッチングできるために、特にＧａＮ基板の裏面（成長面とは反対側）をエッチングするために便利である。この他にも、エッチングの選択性がなくとも、ＧａＮ表面にＳｉＯ２などの保護膜を形成することで裏面の化学的エッチングが可能であり、また、機械的研磨によっても除去することができる。
【００４６】
この結果、自立ＧａＮ層５６の、基板除去した側の面の全転位密度は、３．５×１０８ｃｍ−２、刃状転位密度は、１×１０８ｃｍ−２と低くなった。この基板の反りを測定したところ、曲率半径は４ｍと反りが大幅に改善された。
【００４７】
この上にＩｎＧａＮ系レーザ構造を成長して、レーザの試作を行ったが、リソグラフィ時に反りの影響で、露光に不均一が出ることはなく、歩留まりが大きく向上した。
【００４８】
実施例４
本実施例では、熱処理によって自立ＧａＮ基板表面の転位密度を制御する。以下、本実施例に係る自立ＧａＮ基板の作製方法について図３を参照して説明する。
【００４９】
まずサファイア基板３１を用いて、ＧａＮ低温バッファ層３２上に、前述の図２のＨＶＰＥ成長装置を用いてＧａＮ層３３を成長した（図３（ａ））。装置内の基板領域で、ＧａＣｌと導入管２３から供給されるＮＨ３とが混合し、反応しながら基板２４上にＧａＮが気相成長する。基板領域の温度は電気炉２５で１０００℃に設定した。また、原料となるＧａＣｌ分圧、ＮＨ３分圧を基板領域でそれぞれ、５×１０−３ａｔｍ、０．３ａｔｍとした。この条件で成長速度は約５０μｍ／ｈである。また、ドーピング原料ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２は、導入管２６から基板領域に供給することでドーピングを行った。これにより、約２００μｍ厚のＳｉをドープしたＧａＮ層３３をエピタキシャル成長させた。
【００５０】
この後、基板を反応管から取り出し、サファイア基板３１、ＧａＮ低温バッファ層３２およびＧａＮ層３３の一部を除去した（図３（ｂ））。なお、図３（ａ）に示すＧａＮ層３３は、図３（ｂ）において、自立ＧａＮ基板３５、および自立ＧａＮ基板から除去されたＧａＮ層３４に分割されている。ＧａＮ層３４は数十μｍ程度とした。
【００５１】
サファイア基板３１の除去方法としては、例えば、機械的研磨または、強アルカリ性、あるいは強酸性薬品によりエッチングすることが可能である。また、荷電ビームあるいは中性ビームによって物理的エッチングを行っても良い。さらに、サファイア基板は透過するが、ＧａＮでは吸収される紫外線レーザ光を照射して、界面付近を融解して除去することもできる。
【００５２】
以上のようにして得られた自立ＧａＮ基板３５の転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、９×１０９ｃｍ−２であり、一方成長面では、１×１０７ｃｍ−２という値が得られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、７×１０９ｃｍ−２、５×１０６ｃｍ−２という値が得られた。この自立ＧａＮ基板３５の反りを測定したところ、その曲率半径は９０ｃｍと大きな値が得られた。
【００５３】
この自立ＧａＮ基板３５を電気炉に入れ、ＮＨ３雰囲気で１２００℃で２４時間熱処理を行った。ＮＨ３雰囲気としたのは、熱処理の間に分解を防ぐためであるが、試料を密封できれば特にＮＨ３を供給しなくとも良い。熱処理の後、転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、４×１０７ｃｍ−２であり、一方成長面では、８×１０５ｃｍ−２と転位密度の大幅な改善が見られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、１×１０７ｃｍ−２、３×１０５ｃｍ−２という値が得られた。熱処理後の自立ＧａＮ基板３５の反りを測定したところ、その曲率半径として６ｍとなり、反りも大幅に改善された。
【００５４】
この上にＩｎＧａＮ系レーザ構造を成長して、レーザの試作を行ったが、リソグラフィ時に反りの影響で、露光に不均一が出ることはなく、歩留まりが大きく向上した。
【００５５】
実施例５
本実施例では、エピタキシャル成長中に熱処理過程を挿入することによって自立ＧａＮ基板表面の転位密度を制御する。以下、本実施例に係る自立ＧａＮ基板の作製方法について説明する。
【００５６】
本実施例では、サファイアＣ面基板を用い、前述の図２のＨＶＰＥ装置を用い、図３に示した工程によりＧａＮ層の成長を行った。このとき、図６に示すような温度シーケンスに従ってＧａＮ層３３の成長および熱処理を行った。成長中のＧａＣｌ分圧は５×１０−３ａｔｍ、ＮＨ３分圧は０．３ａｔｍとした。
【００５７】
はじめに炉内温度を１２００℃に設定し、Ｈ２気流中でサファイア基板のサーマルクリーニングを行った。次に、炉内温度を５００℃に下げ、ＧａＮ低温バッファ層３２を堆積した。その後炉内温度を１０００℃に上げ、ＧａＮ層を５０μｍ成長した。ここで一旦原料供給を停止し、熱処理を行った。すなわち、ＮＨ３雰囲気中で炉内温度を１４００℃まで上昇させ、そのまま１０分間保持した。さらに炉内温度を５００℃まで下げ、そのまま５分間保持した。この一連の熱処理終了後、再び炉内温度を１０００℃まで上昇させた。引き続いてＧａＮ層をさらに１５０μｍ成長させ、合計膜厚２００μｍのＧａＮ層３３を得た。
【００５８】
この後、基板を反応管から取り出し、サファイア基板３１、ＧａＮ低温バッファ３２およびＧａＮ層３３の一部を除去した（図３（ｂ））。なお、図３（ａ）に示すＧａＮ層３３は、図３（ｂ）において、自立ＧａＮ基板３５、および自立ＧａＮ基板から除去されたＧａＮ層３４に分割されている。ＧａＮ層３４は数十μｍ程度とした。サファイア基板３１の除去方法としては、前述した方法を採用することができる。
【００５９】
以上のようにして得られた自立ＧａＮ基板３５の転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、４×１０７ｃｍ−２であり、成長面では、５×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、１．５×１０７ｃｍ−２、２×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このＧａＮ層の反りを測定したところ、その曲率半径は７ｍであった。熱処理過程を行わずに成長した場合にはサファイア基板を除去した側の面では、９×１０９ｃｍ−２であり、一方成長面では、１×１０７ｃｍ−２であった。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、７×１０９ｃｍ−２、５×１０６ｃｍ−２という値となった。このＧａＮ層の反りを測定したところ、その曲率半径は９０ｃｍと反りが大きい基板であったことから、成長中に熱処理過程を挿入することによって、反りを大幅に改善できた。
【００６０】
実施例６
本実施例では、エピタキシャル成長中に複数回の熱処理過程を挿入することによって、自立ＧａＮ基板表面の転位密度をさらに高精度に制御する。以下、本実施例に係る自立ＧａＮ基板の作製方法について説明する。
【００６１】
本実施例では、サファイアＣ面基板を用い、前述の図２のＨＶＰＥ装置を用い、図３に示した工程によりＧａＮ層の成長を行った。このとき、図７に示すような温度シーケンスに従ってＧａＮ層３３の成長および熱処理を行った。成長中のＧａＣｌ分圧は５×１０−３ａｔｍ、ＮＨ３分圧は０．３ａｔｍとした。
【００６２】
はじめに炉内温度を１２００℃に設定し、Ｈ２雰囲気中でサファイア基板のサーマルクリーニングを行った。次に、炉内温度を５００℃に下げ、低温バッファ層３３を堆積した。その後炉内温度を１０００℃に上げ、ＧａＮ層を２５μｍ成長した。ここで一旦原料供給を停止し、熱処理を行った。すなわち、ＮＨ３雰囲気中で炉内温度を１４００℃まで上昇させ、そのまま１０分間保持した。さらに炉内温度を５００℃まで下げ、そのまま５分間保持した。この一連の熱処理終了後、再び炉内温度を１０００℃まで上昇させた。以降、ＧａＮ層を２５μｍ成長するごとに同様の成長中断と熱処理を行い、合計膜厚２００μｍのＧａＮ層３３を得た。
【００６３】
この後、基板を反応管から取り出し、サファイア基板３１、ＧａＮ低温バッファ層３２およびＧａＮ層３３の一部を除去した（図３（ｂ））。なお、図３（ａ）に示すＧａＮ層３３は、図３（ｂ）において、自立ＧａＮ基板３５、および自立ＧａＮ基板から除去されたＧａＮ層３４に分割されている。ＧａＮ層３４は数十μｍ程度とした。なお、サファイア基板３１の除去方法としては、前述した方法を採用することができる。
【００６４】
以上のようにして得られた自立ＧａＮ基板３５の転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、２×１０７ｃｍ−２であり、一方成長面では、４×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、９×１０６ｃｍ−２、１.５×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このＧａＮ基板の反りを測定したところ、その曲率半径は１０ｍであった。熱処理過程を行わずに成長した場合にはサファイア基板を除去した側の面では、９×１０９ｃｍ−２であり、一方成長面では、１×１０７ｃｍ−２であった。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、７×１０９ｃｍ−２、５×１０６ｃｍ−２という値となった。このＧａＮ基板の反りを測定したところ、その曲率半径は９０ｃｍと反りが大きい基板であったことから、成長中に熱処理過程を挿入することによって、反りを大幅に改善できた。
【００６５】
実施例７
本実施例では、熱処理を行うことによって自立ＧａＮ基板表面の転位密度を制御するものであり、自立基板を熱処理する際、素子形成面をマスクで覆う方法を採用している。以下、本実施例に係る自立ＧａＮ基板の作製方法について説明する。
【００６６】
本実施例では、サファイアＣ面基板を用い、前述の図２のＨＶＰＥ装置を用い、図３に示した工程によりＧａＮ層の成長を行った。まずサファイア基板３１上にＧａＮ低温バッファ層３２を形成した。つづいてＧａＮ層３３を以下のようにして成長させた。まず図２の装置内の基板領域の温度は電気炉２５で１０００℃に設定し、原料となるＧａＣｌ分圧、ＮＨ３分圧を基板領域でそれぞれ、５×１０−３ａｔｍ、０．３ａｔｍとした。この条件で成長速度は約５０μｍ／ｈである。また、ドーピング原料ガスであるＳｉＨ２Ｃｌ２は、導入管２６から基板領域に供給することでドーピングを行った。以上のようにして、約２００μｍ厚のＳｉをドープしたＧａＮ層３３を成長させた。
【００６７】
この後、基板を反応管から取り出し、サファイア基板３１、ＧａＮ低温バッファ層３２およびＧａＮ層３３の一部を除去した（図３（ｂ））。なお、図３（ａ）に示すＧａＮ層３３は、図３（ｂ）において、自立ＧａＮ基板３５、および自立ＧａＮ基板から除去されたＧａＮ層３４に分割されている。ＧａＮ層３４は数十μｍ程度とした。なお、サファイア基板３１の除去方法としては、前述した方法を採用することができる。
【００６８】
以上のようにして得られた自立ＧａＮ基板３５の転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、９×１０９ｃｍ−２であり、成長面では、１×１０７ｃｍ−２という値が得られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、７×１０９ｃｍ−２、５×１０６ｃｍ−２という値が得られた。このＧａＮ層の反りを測定したところ、その曲率半径は９０ｃｍと反りが大きい基板となった。
【００６９】
次に、この自立ＧａＮ基板３５の全面をＳｉＯ２膜で覆った。成膜はＣＶＤによって行った。これによって、高温で熱処理を行ってもＧａＮ基板の分解を防ぐことができる。続いてこの自立ＧａＮ基板３５を電気炉に入れ、大気中、１６００℃で２時間の熱処理を行った。熱処理の後、転位密度を調べた結果、サファイア基板を除去した側の面では、６×１０７ｃｍ−２であり、一方成長面では、９×１０５ｃｍ−２と転位密度の大幅な改善が見られた。このうち刃状転位に関しては、それぞれ、４×１０７ｃｍ−２、３．５×１０5ｃｍ−２という値が得られた。このＧａＮ基板の反りを測定したところ、その曲率半径として３.５ｍとなり、反りも大幅に改善され、ＩｎＧａＮ系レーザ構造を成長して、レーザの試作を行ったが、リソグラフィ時に反りの影響で、露光に不均一が出ることはなく、歩留まりが大きく向上した。
【００７０】
上記実施例の結果を表１、表２にまとめた。また、得られた自立ＧａＮ基板の表面および裏面の転位密度比と基板曲率半径との関係を図８および図９に示した。図８および図９の結果からわかるように、全転位密度比が７５０未満の場合(図８に全転位密度比７５０のラインを示した。)、および、刃状転位密度比が１０００未満の場合(図９に刃状転位密度比１０００のラインを示した。)に、顕著に曲率半径が増加し、反りが低減されることがわかる。
【００７１】
【表１】
2008044842.tif 000003
【００７２】
【表２】
2008044842.tif 000004
【００７３】
以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、これらは例示であり、それらの各プロセスの組合せ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。たとえば、実施例５、実施例６において、サファイア基板除去後、さらに転位低減のための処理を行ってもよい。たとえば、異種基板を分離した側から１００μｍ以上にわたる領域を除去する工程を実施してもよい。また、自立ＧａＮ基板を１１５０℃以上の温度で熱処理する工程を実施してもよい。
また、実施例では自立ＧａＮ基板の製造方法を例に挙げたが、自立ＡｌＧａＮ基板に適用することもできる。
【００７４】
本発明の基板を用いることにより、設計通りの発光素子や電子素子を歩留まり良く製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明に係る自立ＧａＮ基板の製造工程の一例を説明するための工程断面図である。
【図２】実施例に示すＧａＮ成長に用いたハイドライド気相成長装置の模式図である。
【図３】本発明に係る自立ＧａＮ基板の製造工程の一例を説明するための工程断面図である。
【図４】本発明に係る自立ＧａＮ基板の製造工程の一例を説明するための工程断面図である。
【図５】本発明に係る自立ＧａＮ基板の製造工程の一例を説明するための工程断面図である。
【図６】本発明に係る自立ＧａＮ基板の製造工程における温度プロファイルの例を説明するための工程断面図である。
【図７】本発明に係る自立ＧａＮ基板の製造工程における温度プロファイルの例を説明するための工程断面図である。
【図８】自立ＧａＮ基板の表面および裏面の全転位密度比と基板曲率半径との関係を示す図である。
【図９】自立ＧａＮ基板の表面および裏面の刃状転位密度比と基板曲率半径との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１１  サファイア基板
１２  ＧａＮエピタキシャル層
１３  酸化シリコンマスク
１４  ＧａＮ層
１５  自立ＧａＮ基板
１６  領域
１７  自立ＧａＮ基板
２１  Ｇａ金属
２２  導入管
２３  導入管
２４  基板
２５  電気炉
２６  ドーピングガス導入管
３１  サファイア基板
３２  ＧａＮ低温バッファ層
３３  ＧａＮ層
３４  ＧａＮ層
３５  自立ＧａＮ基板
４１  サファイア基板
４２  ＧａＮ層
４３  酸化シリコンマスク
４４  ＧａＮ層
４５  ＧａＮ層
５１  サファイア基板
５２  ＧａＮエピタキシャル層
５３  酸化シリコンマスク
５４  サファイア基板の一部
５５  ＧａＮ層
５６  ＧａＮ層
【図１】
2008044842.tif 000005
【図２】
2008044842.tif 000006
【図３】
2008044842.tif 000007
【図４】
2008044842.tif 000008
【図５】
2008044842.tif 000009
【図６】
2008044842.tif 000010
【図７】
2008044842.tif 000011
【図８】
2008044842.tif 000012
【図９】
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